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Leiterplattenherstellungsprozess: Wie werden Leiterplatten hergestellt?

Leiterplattenherstellungsprozess: Wie werden Leiterplatten hergestellt?

Der Leiterplattenherstellungsprozess ist für alle in der Elektronikindustrie tätigen Personen sehr wichtig. Leiterplatten, PCBs, werden sehr häufig als Basis für elektronische Schaltungen verwendet. Leiterplatten werden verwendet, um die mechanische Basis bereitzustellen, auf der die Schaltung aufgebaut werden kann. Dementsprechend verwenden praktisch alle Schaltungen Leiterplatten und werden in Millionenmengen entworfen und verwendet.

Obwohl Leiterplatten heutzutage die Grundlage für praktisch alle elektronischen Schaltungen bilden, sind sie eher selbstverständlich. Trotzdem schreitet die Technologie in diesem Bereich der Elektronik voran. Die Schienengrößen nehmen ab, die Anzahl der Schichten in den Platinen nimmt zu, um der erhöhten Konnektivität Rechnung zu tragen, und die Entwurfsregeln werden verbessert, um sicherzustellen, dass kleinere SMT-Geräte gehandhabt werden können und die in der Produktion verwendeten Lötprozesse berücksichtigt werden können.

Der Leiterplattenherstellungsprozess kann auf verschiedene Arten erreicht werden, und es gibt eine Reihe von Varianten. Trotz der vielen kleinen Abweichungen sind die Hauptschritte im Leiterplattenherstellungsprozess dieselben.

PCB-Bestandteile

Leiterplatten, PCBs, können aus einer Vielzahl von Substanzen hergestellt werden. Die am weitesten verbreitete Form von Glasfasern, bekannt als FR4. Dies bietet ein angemessenes Maß an Stabilität bei Temperaturschwankungen und bricht nicht schlecht zusammen, während es nicht übermäßig teuer ist. Für die Leiterplatten sind andere billigere Materialien in kostengünstigen kommerziellen Produkten erhältlich. Für Hochleistungs-Hochfrequenzkonstruktionen, bei denen die Dielektrizitätskonstante des Substrats wichtig ist und geringe Verluste erforderlich sind, können Leiterplatten auf PTFE-Basis verwendet werden, obwohl ihre Bearbeitung weitaus schwieriger ist.

Um eine Leiterplatte mit Schienen für die Komponenten herzustellen, wird zuerst eine kupferkaschierte Platte erhalten. Dieses besteht aus dem Substratmaterial, typischerweise FR4, mit einer Kupferummantelung normalerweise auf beiden Seiten. Diese Kupferummantelung besteht aus einer dünnen Schicht Kupferblech, die mit der Platte verbunden ist. Diese Bindung ist normalerweise für FR4 sehr gut, aber die Natur von PTFE erschwert dies, und dies erschwert die Verarbeitung von PTFE-Leiterplatten.

Grundlegender Prozess zur Herstellung von Leiterplatten

Wenn die blanken Leiterplatten ausgewählt und verfügbar sind, besteht der nächste Schritt darin, die erforderlichen Spuren auf der Platine zu erstellen und das unerwünschte Kupfer zu entfernen. Die Herstellung der Leiterplatten erfolgt normalerweise mit einem chemischen Ätzverfahren. Die häufigste Form des Ätzens bei PCBs ist Eisenchlorid.

Um das richtige Muster der Spuren zu erhalten, wird ein fotografisches Verfahren verwendet. Typischerweise ist das Kupfer auf den blanken Leiterplatten mit einer dünnen Schicht Fotolack bedeckt. Es wird dann durch einen fotografischen Film oder eine Fotomaske, die die erforderlichen Spuren detailliert, dem Licht ausgesetzt. Auf diese Weise wird das Bild der Spuren auf den Fotolack übertragen. Wenn dies abgeschlossen ist, wird der Fotolack in einem Entwickler platziert, sodass nur die Bereiche der Platine, in denen Spuren benötigt werden, im Resist abgedeckt werden.

Die nächste Stufe des Prozesses besteht darin, die Leiterplatten in das Eisenchlorid einzulegen, um die Bereiche zu ätzen, in denen keine Spur oder Kupfer erforderlich ist. Wenn man die Konzentration des Eisenchlorids und die Dicke des Kupfers auf der Platte kennt, wird es in der erforderlichen Zeit in den Ätzschaum gegeben. Wenn die Leiterplatten zu lange in die Ätzung eingelegt werden, geht eine gewisse Definition verloren, da das Eisenchlorid dazu neigt, den Fotolack zu unterbieten.

Obwohl die meisten Leiterplatten durch fotografische Verarbeitung hergestellt werden, sind auch andere Verfahren verfügbar. Eine besteht darin, eine spezielle hochpräzise Fräsmaschine zu verwenden. Die Maschine wird dann so gesteuert, dass das Kupfer in den Bereichen weggefräst wird, in denen das Kupfer nicht benötigt wird. Die Steuerung ist offensichtlich automatisiert und wird von Dateien gesteuert, die von der PCB-Design-Software generiert wurden. Diese Form der Leiterplattenherstellung ist nicht für große Mengen geeignet, ist jedoch in vielen Fällen eine ideale Option, wenn sehr kleine Mengen eines PCB-Prototyps benötigt werden.

Eine andere Methode, die manchmal für einen PCB-Prototyp verwendet wird, besteht darin, ätzbeständige Tinten unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens auf die PCB zu drucken.

Mehrschichtige Leiterplatten

Mit zunehmender Komplexität elektronischer Schaltungen ist es nicht immer möglich, alle erforderlichen Konnektivitäten nur über die beiden Seiten der Leiterplatte bereitzustellen. Dies tritt ziemlich häufig auf, wenn dichte Mikroprozessoren und andere ähnliche Karten entworfen werden. In diesem Fall sind mehrschichtige Platinen erforderlich.

Die Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten erfordert, obwohl sie dieselben Verfahren wie für einschichtige Leiterplatten verwendet, ein erheblich höheres Maß an Genauigkeit und Kontrolle des Herstellungsprozesses.

Die Platinen werden aus viel dünneren Einzelplatinen hergestellt, eine für jede Schicht, und diese werden dann miteinander verbunden, um die gesamte Leiterplatte zu erzeugen. Wenn die Anzahl der Schichten zunimmt, müssen die einzelnen Platinen dünner werden, um zu verhindern, dass die fertige Leiterplatte zu dick wird. Zusätzlich muss die Registrierung zwischen den Schichten sehr genau sein, um sicherzustellen, dass alle Löcher ausgerichtet sind.

Um die verschiedenen Schichten miteinander zu verbinden, wird die Platte erwärmt, um das Verbindungsmaterial zu härten. Dies kann zu Verzerrungsproblemen führen. Große mehrschichtige Platten können eine deutliche Verzerrung aufweisen, wenn sie nicht richtig ausgelegt sind. Dies kann insbesondere dann auftreten, wenn beispielsweise eine der inneren Schichten eine Leistungsebene oder eine Grundebene ist. Dies ist an sich schon in Ordnung, wenn einige einigermaßen bedeutende Bereiche kupferfrei bleiben müssen. Dies kann zu Spannungen innerhalb der Leiterplatte führen, die zu Verwerfungen führen können.

Leiterplattenlöcher und Durchkontaktierungen

Innerhalb einer Leiterplatte werden Löcher benötigt, die häufig über Löcher oder Durchkontaktierungen genannt werden, um die verschiedenen Schichten an verschiedenen Punkten miteinander zu verbinden. Möglicherweise sind auch Löcher erforderlich, damit bleihaltige Komponenten auf der Leiterplatte montiert werden können. Zusätzlich können einige Befestigungslöcher erforderlich sein.

Normalerweise haben die Innenflächen der Löcher eine Kupferschicht, so dass sie die Schichten der Platte elektrisch verbinden. Diese "durchkontaktierten Löcher" werden unter Verwendung eines Beschichtungsverfahrens hergestellt. Auf diese Weise können die Schichten der Platine verbunden werden.

Das Bohren erfolgt dann mit numerisch gesteuerten Bohrmaschinen, wobei die Daten von der PCB-CAD-Konstruktionssoftware geliefert werden. Es ist erwähnenswert, dass die Reduzierung der Anzahl unterschiedlicher Lochgrößen dazu beitragen kann, die Kosten für die Leiterplattenherstellung zu senken.

Es kann erforderlich sein, dass einige Löcher nur in der Mitte der Platine vorhanden sind, beispielsweise wenn innere Schichten der Platine verbunden werden müssen. Diese "Blinddurchkontaktierungen" werden in die relevanten Schichten gebohrt, bevor die PCB-Schichten miteinander verbunden werden.

PCB-Lötbeschichtung und Lötresist

Wenn eine Leiterplatte gelötet wird, müssen die Bereiche, die nicht gelötet werden sollen, durch eine Schicht aus einem sogenannten Lötstopp geschützt werden. Das Hinzufügen dieser Schicht hilft, unerwünschte Kurzschlüsse auf den Leiterplatten zu vermeiden, die durch das Lot verursacht werden. Der Lötstopplack besteht normalerweise aus einer Polymerschicht und schützt die Platine vor Lötmittel und anderen Verunreinigungen. Die Farbe des Lötstoppels ist normalerweise tiefgrün oder rot.

Damit die der Platine hinzugefügten Komponenten, entweder bleihaltig oder SMT, leicht auf die Platine gelötet werden können, werden freiliegende Bereiche der Platine normalerweise "verzinnt" oder mit Lötmittel beschichtet. Gelegentlich können Bretter oder Bretterbereiche vergoldet sein. Dies kann zutreffen, wenn einige Kupferfinger für Kantenverbindungen verwendet werden sollen. Da das Gold nicht anläuft und eine gute Leitfähigkeit bietet, bietet es eine gute Verbindung zu geringen Kosten.

PCB Siebdruck

Es ist oft notwendig, Text zu drucken und andere kleine gedruckte Zeichen auf eine Leiterplatte zu legen. Dies kann bei der Identifizierung der Platine und auch bei der Markierung der Komponentenpositionen hilfreich sein, um die Fehlersuche usw. zu erleichtern. Ein von der PCB-Konstruktionssoftware erzeugter Siebdruck wird verwendet, um die Markierungen nach den anderen Herstellungsprozessen für die blanke Platine auf der Platine hinzuzufügen wurden abgeschlossen.

PCB-Prototyp

Im Rahmen eines Entwicklungsprozesses ist es normalerweise ratsam, einen Prototyp zu erstellen, bevor die vollständige Produktion abgeschlossen wird. Gleiches gilt für Leiterplatten, bei denen normalerweise ein Leiterplattenprototyp vor der vollständigen Produktion hergestellt und getestet wird. In der Regel muss ein PCB-Prototyp schnell hergestellt werden, da immer Druck besteht, die Hardware-Design-Phase der Produktentwicklung abzuschließen. Da der Hauptzweck des PCB-Prototyps darin besteht, das tatsächliche Layout zu testen, ist es häufig akzeptabel, einen geringfügig anderen PCB-Herstellungsprozess zu verwenden, da nur eine geringe Menge der PCB-Prototyp-Boards benötigt wird. Es ist jedoch immer ratsam, den endgültigen Herstellungsprozess der Leiterplatte so nah wie möglich zu halten, um sicherzustellen, dass nur wenige Änderungen vorgenommen und nur wenige neue Elemente in die endgültige Leiterplatte eingeführt werden.

Der Leiterplattenherstellungsprozess ist ein wesentliches Element des Lebenszyklus der Elektronikproduktion. Bei der Leiterplattenherstellung werden viele neue Technologiebereiche eingesetzt. Dadurch konnten erhebliche Verbesserungen sowohl bei der Reduzierung der Größe der verwendeten Komponenten und Schienen als auch bei der Zuverlässigkeit der Leiterplatten erzielt werden.


Schau das Video: Herstellung einer Leiterplatte mit Lötstop und Bestückungsaufdruck (Januar 2021).