Der Fertigungsprozess einer PCB (Printed Circuit Board)
Eine Leiterplatte, auch PCB bzw. Printed Circuit Board, Leiterkarte oder Platine genannt, dient, vereinfacht gesagt, als Träger der Bauteile und der Verbindungen der Bauteile untereinander und nach außen, die zusammen die Schaltung bilden.
Auf der Leiterplatte werden die Komponenten mit dem notwendigen Strom versorgt. Das Trägermaterial dient in den meisten Fällen als Isolator, während die Verbindung der Komponenten untereinander durch Kupferbahnen hergestellt wird.
Dabei vereint die PCB als wichtigste Eigenschaften mechanische Befestigung und elektrische Verbindung. Leiterplatten werden als unersetzliche Basis in fast allen elektronischen Geräten verwendet.
Trägermaterial und Verbindungen auf der Leiterplatte
Als elektrisch isolierendes Trägermaterial der PCB wird Glasfasergewebe (FR4/5), Polyimidfolie (Flex) , Aluminium sowie Hartpaape, Teflon und Keramik eingesetzt.
Elektrische Verbindungen bestehen überwiegend aus Kupferbahnen für SMD Bauteile oder Verdrahtungen für THT Bauteile.
Bauteile und Bestückung
Bauteile werden auf dieser Oberfläche zum allergrößten Teil als SMD ( Surface Mounted Device) Bauteile aufgelötet oder THT (Through Hole Technology) Bauteile per Durchsteckmontage aufgebracht.
Der Begriff PCBA (Printed Circuit Board Assembly) oder auch „elektronische Baugruppe“ aus der PCB Bestückung bezeichnet dabei die mit Bauteilen bestückte Leiterplatte. Durch Einbettung von Bauteilen ist die Leiterplatten nun nicht mehr nur Träger von Bauteilen sondern ist manchmal selbst zu einem Teil der Schaltung geworden.
Arten von Leiterplatten
Eine PCB kann einseitig (single layer) oder doppelseitig (double layer) sein oder aus mehreren Lagen bestehen. Weist eine Leiterplatte mehrere Lagen auf, so spricht man von einem Multilayer. Bei Multilayern bietet jede Schicht (layer) Platz für eine eigene Schaltung. Die verschiedenen Lagen und die Bauteil- und Lötseite können durch Bohrungen miteinander in Kontakt gebracht werden, sodass sich sehr viel kompliziertere Schaltungen verwirklichen lassen.
Doppelseitige und mehrlagige Leiterplatten sind die am meisten verwendete Variante, Multilayer werden dabei für kompliziertere Anwendungen verwendet. Flexible Leiterplatten werden verwendet, wenn es darum geht, Bauraum zu sparen und um flexible Verbindungen zwischen mechanischen Teilen herzustellen.
Die notwendigen Daten zur Erstellung der Leiterplatte werden in Layoutprogrammen wie z. B. EAGLE, Altium oder TARGET 3001! (kostenlos downloadbar auf dieser Seite) erstellt und an den Leiterplattenhersteller verschickt oder, wie auf der Beta LAYOUT Seite, per Drag & Drop verarbeitet.
Beta LAYOUT bietet einen Service, den Layout Service, zur Erstellung von Leiterplattenlayouts an.
Hier wird der Bearbeitungsprozess für starre Leiterplatten beschrieben, flexible Leiterplatten, die Beta LAYOUT auch vertreibt erfordern einen modifizierten Prozess.
Das Leiterplattenlayout des Kunden wird in das Ext. Gerber-Format (RS 274X) konvertiert.
Die bearbeitete Ausgabedatei im Extended Gerber-Format kann auf Wunsch als Preview zugesandt werden.
Die Fertigungsnutzen sowie die Bohrdecklage und die Unterlagen werden als erster Schritt in der Fertigung der Leiterplatten zugeschnitten. Die Fertigungsnutzen bestehen aus FR4-Basismaterial, das beidseitig mit einer 18 µm dicken Kupferauflage kaschiert ist.
Fanglöcher werden gebohrt und der Fertigungsnutzen wird mit der Bohrdecklage und der Unterlage verstiftet.
Mit Hilfe von CNC-Bohrmaschinen werden die Durchkontaktierungen und Bauteilbohrungen gebohrt. Dabei werden Spindeldrehzahlen bis 230.000 Umdrehungen pro Minute erreicht.
Eine elektrisch leitfähige Schicht (z.B. Palladium) wird in die Bohrlochwandung aufgebracht, um einen späteren galvanischen Kupferaufbau zu ermöglichen.
Da der Fertigungsnutzen absolut fett- und staubfrei sein muss, wird er vor der Weiterverarbeitung gereinigt bzw. gebürstet.
Bei hoher Temperatur und unter hohem Druck wird ein fotoempfindliches Trockenresist auf den Fertigungsnutzen auflaminiert.
Mit Hilfe eines Laser-Direktbelichter wird das Resist mit höchster Präzision belichtet.
WATCH''ur''PCB Arbeitsschritt
In einer Durchlaufanlage werden die belichteten Nutzen mit einer 1%igen Natriumcarbonat (Soda)-Lösung entwickelt. Dadurch erhalten die Einzelleiterplatten auf dem Nutzen ihre Struktur.
Die im Fotoresist frei entwickelten Leiterbahnen und Kontaktflächen werden in den galvanischen Kupferbädern auf ca. 35 µm aufgekupfert und mit einer ca. 6 µm -10 µm dicken Zinnschicht versehen, die beim anschließenden Ätzen die Leiterbahnen und Kontaktflächen schützt.
Der Fotoresist wird mit 2,5%-iger Kalilauge entschichtet (entfernt). Es eignen sich hierzu Tauch- oder Sprühverfahren.
Eine Ammoniaklösung wird auf die Kupferschicht aufgesprüht, wodurch das freiliegende Kupfer herausgelöst wird, während das galvanisch aufgebrachte Zinn die Leiterbahnen und Kontaktflächen schützt.
Mit einem Zinn-Stripper auf Basis von Salpetersäure wird das Zinn wieder entfernt. Es eignen sich hierzu Tauch- oder Sprühverfahren.
Der Lötstopplack wird in einem Sprühverfahren vollflächig aufgetragen.
Mit Hilfe eines Laser-Direktbelichters wird nun der Lötstopplack mit höchster Präzision belichtet.
Die Entwicklung des belichteten Fertigungsnutzens erfolgt wiederum mit einer 1%-igen Natriumcarbonat (Soda)-Lösung in einer Durchlaufanlage. Dabei werden alle Lötpunkte und Pads, die später verzinnt oder vergoldet werden sollen, von Lötstopplack freigestellt.
Mit Hilfe eines digitalen Inkjet-Druckers wird der Bestückungsdruck unmittelbar nach dem Aufbringen der Lötstoppmaske gedruckt.
Bei einer Temperatur von ca. 150°C wird der Lötstopplack in einem Durchlauftrockenofen endgehärtet.
Chemisch Nickel/Gold
Die vom Lötstopplack frei entwickelten Pads werden durch Vertikalbäder mit der Oberfläche "Chemisch Nickel/Gold" beschichtet. Die Goldschicht dient als Schutz der Nickeloberfläche um die Lötbarkeit zu gewährleisten.
Der Vorteil gegenüber einer Oberflächenbeschichtung "HAL" ist die stresslose Beschichtung sowie die plane Oberfläche.
Hot Air Leveling (HAL)
Zur Oberflächenbeschichtung werden die Pads in einer Heißluftverzinnungsanlage bei ca. 270°C verzinnt. Dabei wird die Leiterplatte in das flüssige Zinn eingetaucht und mit einem Druck von ca. 5 Bar mit vorgewärmter Luft abgeblasen.
Das Datenblatt für das verwendete bleifreie Zinn finden Sie bei unseren Spezifikationen.
WATCH''ur''PCB Arbeitsschritt
Dabei werden die Leiterplatten zum Fräsen arretiert.
Die einzelnen Leiterplatten werden aus dem Fertigungsnutzen mit Hilfe von CNC-Fräsmaschinen herausgetrennt. Dabei wird mit einer Spindeldrehzahl von 40.000 U/min und einem Vorschub von 1 m/min gearbeitet.
Multilayer
Bei hoher Temperatur und unter hohem Druck wird ein fotoempfindliches Trockenresist auf den Fertigungsnutzen auflaminiert.
Mittels Laser-Direktbelichter wird das Resist mit höchster Präzision belichtet.
In einer Durchlaufanlage werden die belichteten Innenlagen mit einer 1%igen Natriumcarbonat (Soda)-Lösung entwickelt.
Die einzelnen Lagen werden in einer Multilayerpresse bei einer Temperatur von max. 175°C und einer Zykluszeit von 90 Minuten für den Lagenaufbau verpresst.