PCB-Herstellungsprozess - ein umfassender Leitfaden

Verständnis des PCB-Herstellungsprozesses

Printed Circuit Boards (PCBs) sind für alle wichtigen elektronischen Geräte unverzichtbar und finden sich in einer Vielzahl digitaler Produkte, darunter auch einfache Gegenstände wie Uhren, Taschenrechner und dergleichen. Für diejenigen, die damit nicht vertraut sind: Leiterplatten steuern die elektrischen Signale innerhalb elektronischer Produkte, um die Anforderungen der elektrischen und mechanischen Schaltkreise des Geräts zu erfüllen. Einfach ausgedrückt: PCBs geben die Richtung für die Elektrizität vor und machen Ihre elektronischen Geräte lebendig.

Leiterplatten leiten den elektrischen Strom auf ihrer Oberfläche über ein Netz von Kupferbahnen. Die komplizierte Matrix von Kupferbahnen charakterisiert die spezifische Funktion jedes Abschnitts der Leiterplatte.

Schaltungsentwicklern wird empfohlen, vor der Entwurfsphase einen Leiterplattenhersteller aufzusuchen und sich mit ihm persönlich über ihren Bedarf an Leiterplatten zu beraten. Auf diese Weise lassen sich mögliche unnötige Fehler in der Entwurfsphase vermeiden. Da jedoch die meisten Unternehmen ihre Anfragen zur Leiterplattenproduktion an internationale Zulieferer auslagern, wird dieser Ansatz unpraktisch. Daher möchten wir Ihnen mit diesem Artikel ein angemessenes Verständnis der Schritte vermitteln, die bei der PCB-Plattenherstellung. Wir hoffen, dass es den Designern von Schaltungen und Neulingen in der Leiterplattenindustrie eine transparente Sichtweise auf die Herstellung von Leiterplatten bietet und hilft, unnötige Fehler zu vermeiden.

Verfahren bei der Herstellung von Leiterplatten

Schritt 1: Blueprint und Output

PCB-Layouts, die vom Designer mit einer PCB-Designsoftware geplant werden, sollten unbedingt mit Leiterplatten kompatibel sein. Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad, Eagle usw. sind häufig verwendete PCB-Designsoftware. HINWEIS: Vor der Leiterplattenproduktion müssen die Designer ihren Vertragshersteller über die Version der PCB-Designsoftware informieren, die zur Erstellung der Schaltung verwendet wurde, da dies dazu beiträgt, durch Inkonsistenzen verursachte Probleme zu verringern.

Nach der Freigabe des PCB-Designs für die Produktion wandeln die Designer das Design in ein Format um, das von den Herstellern unterstützt wird. Das am weitesten verbreitete Programm ist das erweiterte Gerber. Die Werbekampagne für Babynahrung aus den 1980er Jahren suchte nach attraktiven Säuglingen, und diese Software erzeugt eloquent gestaltete Nachkommen. Gerber ist auch unter dem Namen IX274X bekannt.

Extended Gerber hat sich in der Leiterplattenindustrie als optimales Ausgabeformat durchgesetzt. Verschiedene PCB-Designsoftware kann unterschiedliche Schritte zur Erzeugung von Gerberdateien erfordern, aber alle kodieren entscheidende Informationen wie Kupfer-Tracking-Lagen, Bohrungen, Öffnungen, Bauteilbezeichnungen und andere Einstellungen. In dieser Phase wird jedes Element des PCB-Designs geprüft. Die Software wendet Überwachungsalgorithmen auf das Design an, um sicherzustellen, dass kein Fehler unbemerkt bleibt. Die Designer prüfen das Design auch im Hinblick auf die Leiterbahnbreite, die Abstände zwischen den Leiterplattenkanten, die Leiterbahn- und Lochabstände sowie die Lochgröße.

Nach einer strengen Prüfung geben die Designer die Leiterplattendatei an die Leiterplattenhersteller zur Produktion weiter. Um zu gewährleisten, dass das Design die Anforderungen an die Mindesttoleranzen während des Produktionsprozesses erfüllt, führen fast alle PCB-Fab Houses vor der Herstellung der Leiterplatten eine Design for Manufacture (DFM) Prüfung durch.

Schritt 2: Datei in Film umwandeln

Der Leiterplattendruck beginnt, sobald die Konstrukteure die Leiterplatten-Schaltpläne erstellt und die Hersteller eine DFM-Prüfung durchgeführt haben. Die Hersteller verwenden einen speziellen Drucker, einen so genannten Plotter, um Fotofilme der Leiterplatten zu erstellen, die dann zum Bedrucken der Leiterplatten verwendet werden. Obwohl es sich technisch gesehen um einen Laserdrucker handelt, ist er kein normaler Laserstrahldrucker. Plotter verwenden eine außerordentlich präzise Drucktechnologie, um einen sehr detaillierten Film des Leiterplattenentwurfs zu erstellen.

Das Endergebnis ist eine Plastikfolie mit einem Fotonegativ der Leiterplatte in schwarzer Tinte. Bei den inneren Lagen der Leiterplatte steht die schwarze Tinte für die leitenden Kupferabschnitte der Leiterplatte. Der verbleibende klare Teil des Bildes stellt die Bereiche aus nicht leitendem Material dar. Die äußeren Lagen folgen der umgekehrten Anordnung: Klar steht für Kupfer, während Schwarz den Bereich kennzeichnet, der weggeätzt werden soll. Der Plotter entwickelt den Film automatisch, und der Film wird sicher aufbewahrt, um eine versehentliche Berührung zu verhindern.

Jede Lage der Leiterplatte und der Lötstoppmaske erhält eine eigene klare und schwarze Folie. Insgesamt werden für eine zweilagige Leiterplatte vier Folien benötigt: zwei für die Lagen und zwei für die Lötmaske. Wichtig ist, dass alle Folien perfekt zueinander passen. Wenn sie zusammen verwendet werden, legen sie die Ausrichtung der Leiterplatte fest.

Um eine makellose Ausrichtung aller Filme zu gewährleisten, müssen in alle Filme Passlöcher gestanzt werden. Die Präzision des Lochs wird durch die Einstellung des Tisches, auf dem der Film liegt, erreicht. Sobald die Feineinstellung des Tisches zu einer idealen Übereinstimmung führt, wird das Loch gestanzt. Die Löcher werden im nächsten Schritt des Belichtungsprozesses mit den Passstiften ausgerichtet.

Schritt 3: Drucken der inneren Schichten: Wo soll das Kupfer hin?

Das Ziel der Erstellung von Filmen im vorangegangenen Schritt bestand darin, einen Entwurf für eine Kupferschiene zu entwerfen. Nun soll das Bild auf dem Film auf eine Kupferfolie gedruckt werden.

Das Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte bereitet zunächst die eigentliche Herstellung der Leiterplatte vor. Der grundlegende Aufbau einer Leiterplatte beginnt mit einer Laminatplatte, die aus Epoxidharz und Glasfasern besteht und auch als Substratmaterial bezeichnet wird. Das Laminat dient als Träger für das Kupfer, das die Leiterplatte umgibt. Das robuste und staubresistente Trägermaterial dient als hervorragende Startrampe für die Leiterplatte. Das Kupfer wird zuvor auf beiden Seiten aufgeklebt. Im weiteren Verlauf wird das Kupfer herausgeschnitten, um den Bauplan der Folien freizulegen.

Die Aufrechterhaltung der Sauberkeit ist bei der Leiterplattenherstellung von zentraler Bedeutung. Das kupferhaltige Laminat wird gereinigt und in eine sterilisierte Zone transportiert. In dieser Phase ist es entscheidend, dass keine Verunreinigungen die Laminatoberfläche beeinträchtigen. Wenn dies übersehen wird, kann ein bloßes Staubkorn einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung des Stromkreises auslösen.

Anschließend wird die frisch gereinigte Platte mit einer lichtempfindlichen Beschichtung, dem so genannten Fotolack, versehen. Diese Schicht besteht aus einer Reihe von Chemikalien, die auf Licht reagieren und bei UV-Licht härter werden. Dies garantiert eine exakte Korrelation zwischen den Fotofilmen und dem Fotoresist. Die Filme werden auf Stiften angebracht, die ihre Position auf der Laminatplatte beibehalten.

Die Folie und die Platte synchronisieren sich und werden mit UV-Licht bestrahlt. Dieses Licht beleuchtet die transparenten Filmabschnitte und verfestigt den Fotolack auf dem darunter liegenden Kupfer. Die schwarze Tinte des Plotters verhindert, dass das Licht die Bereiche erreicht, die weich bleiben sollen, was bedeutet, dass sie entfernt werden.

Nach Abschluss der Plattenvorbereitung wird eine alkalische Lösung aufgetragen, um alle verbliebenen ungehärteten Fotolacke abzuwaschen. Eine abschließende Druckwäsche beseitigt mögliche Rückstände auf der Oberfläche, bevor die Platte getrocknet wird.

Am Ende steht ein Produkt, bei dem die Kupfersegmente, die Teil des endgültigen Artefakts werden sollen, mit einer geeigneten Lackschicht überzogen sind. Ein Techniker prüft die Leiterplatten, um sicherzustellen, dass in dieser Phase keine Fehler gemacht wurden. Der zu diesem Zeitpunkt vorhandene Resist steht für das Kupfer, das auf der fertigen Leiterplatte zu sehen sein wird.

Diese Phase gilt nur für Platten mit mehr als zwei Schichten. Einfache zweischichtige Platten werden in die Bohrphase überführt. Bei mehrschichtigen Platten sind zusätzliche Schritte erforderlich.

Schritt 4: Überflüssiges Kupfer streichen

Nachdem der Fotoresist entfernt wurde und der verfestigte Resist das angestrebte Kupfer schützt, wird das unerwünschte Kupfer von der Leiterplatte entfernt. Ähnlich wie die alkalische Lösung den Resist entfernt hat, löst eine starke chemische Mischung das überschüssige Kupfer auf. Das Kupferlösungsbad wischt das gesamte blanke Kupfer ab. In der Zwischenzeit bleibt das gewünschte Kupfer unter der gehärteten Schicht des Fotolacks stark abgeschirmt.

Verschiedene Kupfertafeln weisen unterschiedliche Standards auf. Schwerere Platten benötigen unter Umständen größere Mengen an Kupferlösungsmittel und variable Belichtungszeiten. Vor allem bei schwereren Kupferplatinen muss ein besonderes Augenmerk auf die Leiterbahnabstände gelegt werden. Die meisten Standard-Leiterplatten basieren auf denselben Spezifikationen.

Sobald das Lösungsmittel das unwichtige Kupfer vernichtet hat, ist es an der Zeit, das gehärtete Resist abzuwaschen, das das priorisierte Kupfer schützt. Dies geschieht mit einem weiteren Lösungsmittel. Die Platine glänzt dann nur noch mit dem für die Leiterplatte erforderlichen Kupfersubstrat.

Schritt 5: Ebenensynchronisation und optische Inspektion

Wenn die Lagen sauber und vorbereitet sind, brauchen sie Stanzlöcher zum Ausrichten. Um die inneren Schichten an den äußeren auszurichten, sind Passlöcher erforderlich. Um eine genaue Übereinstimmung zu gewährleisten, legt der Techniker die Schichten auf ein Gerät, das als optische Stanze bezeichnet wird; hier werden die Passlöcher genau gestanzt.

Ein zweites Gerät führt eine automatische optische Inspektion durch, um mögliche Fehler zu erkennen, wenn die Schichten zusammengesetzt werden, da Korrekturen im Nachhinein nicht mehr möglich sind. Als Referenz dient das Originaldesign von Gerber, das dem Hersteller zur Verfügung gestellt wird. Diese Maschine scannt die Schichten mit einem Lasersensor und stellt das digitale Bild elektronisch der ursprünglichen Gerber-Datei gegenüber.

Werden Unstimmigkeiten festgestellt, werden diese auf einem Bildschirm angezeigt, den der Techniker auswerten kann. Wenn die Schicht bei der Inspektion freigegeben wird, geht sie in die abschließenden Phasen der Leiterplattenherstellung über.

Schritt 6: Aufschichten und Verbinden

An diesem Punkt beginnt die Leiterplatte Gestalt anzunehmen. Alle isolierten Schichten warten darauf, miteinander verbunden zu werden. Nachdem die Lagen berücksichtigt und überprüft wurden, bleibt nur noch die Aufgabe, sie zu integrieren. Die äußeren Lagen müssen in zwei Schritten mit dem Substrat verbunden werden: Layer-up und Bonding.

Die äußere Schicht besteht aus Glasfaserplatten, die zuvor mit Epoxidharz getränkt wurden, auch bekannt als Prepreg. Eine Kupferfolie bedeckt auch die Ober- und Unterseite des ursprünglichen Substrats, auf dem die Kupferleiterbahnen geätzt sind. Nun ist es an der Zeit, diese Materialien miteinander zu verpressen.

Die Verklebung erfolgt auf einem schweren Stahltisch mit Metallklammern. Die Schichten werden sicher auf Stifte auf dem Tisch gesetzt. Alles wird fest zusammengepresst, um eine Verschiebung beim Ausrichten zu verhindern.

Zunächst wird eine Prepreg-Platte von einem Techniker über einem Ausrichtungsbecken positioniert. Eine Substratschicht wird sorgfältig auf das Prepreg gelegt, gefolgt von einem Kupferblech. Weitere Prepreg-Schichten werden auf dem Kupferblech angeordnet, bevor eine Kupferpressplatte und eine Aluminiumfolie den Abschluss bilden. Die gesamte Baugruppe wird dann zum Pressen vorbereitet.

Gesteuert durch den Computer der Klebepresse, läuft der gesamte Vorgang automatisch ab. Er steuert die Erwärmung der Baugruppe, wann der notwendige Druck aufgebracht wird und wann der Stapel gleichmäßig abkühlt.

Danach folgt eine kleine Demontage. Die mehrschichtige Leiterplatte, bei der alle Schichten zu einem erstaunlichen Sandwich verschmolzen sind, wird vom Techniker effizient ausgepackt. Dazu werden die Haltestifte entfernt und die obere Druckplatte abgenommen, so dass die Leiterplatte in ihrer Aluminium-Pressplattenhülle zum Vorschein kommt. Die Kupferfolie, die bei diesem Prozess verwendet wird, dient als äußere Schicht der Leiterplatte.

Schritt 7: Bohren

Anschließend werden präzise Löcher in die Stapelplatine gebohrt. Die nachfolgenden Komponenten wie kupferverbundene Durchgangslöcher und bedrahtete Segmente sind von der Genauigkeit dieser Bohrungen abhängig - so fein, dass der Bohrer eine Breite von 100 Mikrometern erreicht, verglichen mit einer durchschnittlichen Haarbreite von 150 Mikrometern.

Der Röntgenlokalisierer bestimmt die genauen Bohrziele, bevor die entsprechenden Passbohrungen zur Stabilisierung der Stapeltafel für die nachfolgenden spezifischen Bohrungen vorgenommen werden.

Beim Vorbohren wird eine Puffermaterialplatte unter das Bohrziel gelegt, um einen sauberen Bohrer zu gewährleisten. Ein Austrittsmaterial verhindert unnötiges Reißen beim Austritt des Bohrers. Jede Mikrobewegung des Bohrers wird von einem Computer gesteuert. Er verwendet die digitale Datei aus dem ursprünglichen Entwurf, um zu ermitteln, wo gebohrt werden muss.

Luft treibt die Bohrspindeln mit bis zu 150.000 Umdrehungen pro Minute an. Trotz dieser Geschwindigkeit dauert das Bohren aufgrund der zahlreichen Löcher seine Zeit. In diese Hohlräume werden später die Durchkontaktierungen und mechanischen Befestigungslöcher der Leiterplatte eingebracht, deren endgültige Befestigung nach der Beschichtung erfolgt.

Nach dem Bohren wird das zusätzliche Kupfer, das die Ränder der Produktionsplatte bedeckt, mit einem Profilierwerkzeug entfernt.

Schritt 8: Beschichtung und Kupferabscheidung

Nach dem Bohren wird die Platte beschichtet. Bei diesem Verfahren werden die verschiedenen Schichten durch chemische Abscheidung miteinander verschmolzen. Nach einer gründlichen Reinigung durchläuft das Paneel eine Reihe von chemischen Bädern, in denen eine dünne Kupferschicht von etwa einem Mikrometer auf die Paneeloberfläche aufgebracht wird. Dieses Kupfer wird in die neu gebohrten Löcher eingebracht.

Bisher zeigten die Innenflächen der Löcher lediglich das aus Glasfasern bestehende Material des Platteninneren. Die Kupferbäder beschichten die Lochwände gleichmäßig. Dadurch bildet sich eine neue Kupferschicht auf der Platte, die vor allem die neuen Löcher bedeckt. Der gesamte Prozess des Eintauchens, Entfernens und Weiterverarbeitens wird von Computern überwacht.

Schritt 9: Bildgebung der äußeren Schicht

Erinnern Sie sich an Schritt 3, bei dem wir Fotolack auf die Platte aufgetragen haben? Es ist an der Zeit, dies zu wiederholen, aber dieses Mal werden die äußeren Schichten mit dem Leiterplattenentwurf bebildert. Das Verfahren beginnt unter sterilen Bedingungen, um zu vermeiden, dass Partikel an der Oberfläche der Schicht haften bleiben. Anschließend wird eine Schicht Fotolack auf die Platte aufgetragen. Die nun vorbereitete Platte kommt in den Gelbraum, wo das für den Fotolack schädliche UV-Licht aufgrund der Wellenlänge des gelben Lichts nicht vorhanden ist.

Die Folien mit schwarzer Tinte werden mit Stiften festgehalten, um ein Verrutschen auf der Platte zu verhindern. Sobald Platte und Schablone miteinander in Kontakt kommen, werden sie intensivem UV-Licht ausgesetzt, wodurch der Fotolack aushärtet. Anschließend entfernt eine Maschine den ungehärteten Fotolack, der durch die Opazität der schwarzen Tinte geschützt war.

Dieses Verfahren ist im Wesentlichen das Gegenteil des Verfahrens, das für die inneren Schichten verwendet wird. Abschließend werden die äußeren Platten geprüft, um sicherzustellen, dass alle unerwünschten Fotolacke in der vorherigen Phase entfernt wurden.

Schritt 10: Beschichtung

Beim Übergang zur Galvanik gehen wir wie in Schritt 8 beschrieben vor und beschichten die Platte mit einer dünnen Kupferschicht. Die während des vorangegangenen Fotolackschritts freigelegten Plattenabschnitte werden galvanisch beschichtet. In der Regel wird die Platte zunächst verkupfert, bevor sie verzinnt wird. Dies erleichtert die Entfernung von Kupferresten, die beseitigt werden sollen. Die Zinnschicht spielt eine entscheidende Rolle bei der Abschirmung des Teils der Platte, der während der anschließenden Ätzphase mit Kupfer beschichtet bleiben soll. Durch das Ätzen werden alle überflüssigen Kupferfolien von der Platte entfernt.

Schritt 11: Ätzen Finale

Die schützende Zinnschicht bewahrt in dieser Phase das notwendige Kupfer. Die nicht benötigten Kupferelemente, die sich unter der verbleibenden Resistschicht befinden, werden abgetragen. Auch hier wird das überschüssige Kupfer durch chemische Behandlungen entfernt, während die Zinnschicht weiterhin die wichtigen Kupferteile schützt.

In diesem Stadium sind alle leitenden Bereiche und Verbindungen korrekt hergestellt.

Schritt 12: Abdecken mit Lötzinn

Die Platten werden vor dem Aufbringen der Lötmaske gereinigt und dann beidseitig mit einer Epoxid-Lötmaskenfarbe beschichtet. Die Platten werden durch einen Lötmasken-Fotofilm hindurch mit UV-Licht bestrahlt, so dass die beschichteten Bereiche in einem unausgehärteten Zustand bleiben und entfernt werden können.

Schließlich wird die Platine in einen Ofen gelegt, um die Lötmaske zu fixieren.

Schritt 13: Endbearbeitung der Oberfläche

Zur Verbesserung der Lötbarkeit wird die Leiterplatte chemisch mit Gold oder Silber beschichtet. Bestimmte Leiterplatten werden in dieser Phase auch mit Heißluft geglättet, wodurch einheitliche Pads entstehen und die Oberfläche veredelt wird. PCBPit bietet eine Vielzahl von Oberflächenveredelungstechniken je nach Kundenwunsch an.

Schritt 14: Siebdruck

Die Leiterplatte ist mit dem Aufbringen der Tintenstrahl-Schrift, die alle wichtigen Details der Leiterplatte angibt, fast fertiggestellt - anschließend wird die Leiterplatte beschichtet und ausgehärtet.

Schritt 15: Elektrische Prüfung

Um die Funktionalität und die Übereinstimmung mit dem ursprünglichen Design zu gewährleisten, wird eine umfassende elektrische Prüfung der Leiterplatte durch einen Techniker durchgeführt. PCBPit bietet das erweiterte Flying Probe Testing an, bei dem mobile Prüfspitzen verwendet werden, um die elektrische Leistung jeder einzelnen Leiterplatte zu testen.

Schritt 16: Profiling und V-Scoring

Der letzte Schritt besteht darin, dass verschiedene Platten mit Hilfe einer Fräsmethode oder einer V-Nut-Technik von der Hauptplatte abgetrennt werden. Während beim Fräsen winzige Laschen entlang der Platinengrenzen zurückbleiben, werden beim V-Grooving diagonale Kanäle auf beiden Seiten der Platine geschnitten. Beide Methoden ermöglichen eine einfache Entnahme der Platten aus der Platte.

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Es liegt auf der Hand, dass der PCB-Produktionsprozess einen erheblichen Aufwand erfordert. Um sicherzustellen, dass Ihre Leiterplatten Ihren Qualitäts-, Leistungs- und Haltbarkeitsanforderungen entsprechen, ist die Wahl eines Herstellers mit erstklassigem Fachwissen, der sich in allen Phasen auf Qualität konzentriert, von entscheidender Bedeutung.

PCBPit, einer der führenden Anbieter von kundenspezifischen Leiterplatten in China, setzt sich für den Erfolg ein, indem wir den Erfolg unserer Kunden in den Mittelpunkt unserer Arbeit stellen. Jeder Fertigungsschritt wird mit äußerster Sorgfalt ausgeführt. Wir bieten zusätzliche Dienstleistungen wie Vakuumverpackung, Wiegen und sichere Lieferung an, um zu gewährleisten, dass Ihre Leiterplattenbestellung ohne Schäden ankommt. Da wir bereits zahlreiche Unternehmen in 80 Ländern beliefert haben, ist es unsere Vision, die von uns hergestellten Leiterplatten weltweit zu liefern.

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