Auch wenn die Herstellung von irgendetwas schwierig erscheint, entwickeln Menschen oft eine grobe Vorstellung von grundlegenden und allgemeinen Abläufen. Zwar dreht sich alles um diese allgemeinen Prinzipien, doch hinter den Kulissen geht es sehr ins Detail. Deshalb werden Sie feststellen, dass Menschen Dinge oft nur grob vorhersagen. Wenn Sie jedoch einen beliebigen Standort besuchen, läuft dort ein ganz anderer, schematischer Prozess ab. Wenn man den Begriff „Leiterplatte“ hört, entwickelt man dieselbe grobe Vorstellung hinsichtlich ihrer Herstellung.
Was ist eine mehrschichtige Leiterplatte?
Ob man sie nun „mehrschichtige Leiterplatte“ oder mit dem vollständigen Namen „Printed Circuit Board“ bezeichnet, macht keinen Unterschied. Sie hat eine sandwichartige Form, die zwei Schichten umfasst. Diese Schichten fungieren sowohl als Leiter als auch als Isolator. Darüber hinaus erfüllt die Leiterplatte zwei Hauptfunktionen in jedem System, in das sie eingebaut wird. Erstens muss sie auf ihrer Oberfläche ausreichend Platz für die Bauteile eines Systems bieten. Zudem werden die Bauteile auf der Oberfläche oder auf den äußeren Schichten der Leiterplatte perfekt befestigt. Zweitens muss eine mehrschichtige Leiterplatte eine gute Verbindung gewährleisten. Diese besteht zwischen den Anschlüssen der Bauteile auf ihrer Oberfläche. Zudem muss die Verbindung zwischen den Anschlüssen hergestellt werden.
Grundlegender Aufbau
Häufig hört man eher den Begriff „Platten“ als „Oberflächen“ oder „Schichten“. Die Bedeutung bleibt jedoch dieselbe. Diese Schichten bestehen aus leitfähigen Kupfermuster. Die gegenüberliegenden Enden sind jedoch durch Durchkontaktierungen miteinander verbunden. In der Terminologie der mehrschichtigen Leiterplatten bezeichnen „Vias“ die Durchkontaktierungen. Diese ermöglichen die Verbindung zwischen den leitfähigen Schichten und der dazwischenliegenden Isolierschicht. Diese Durchkontaktierungen sind durchgehend. Das bedeutet, dass sie vollständig durchgeschnitten sind.
Größen und Paneele
Die Herstellung erscheint jedoch schwieriger, wenn man nur die einzelne Größe betrachtet. Vielmehr werden mehrschichtige Leiterplatten einzeln aus großen Platten hergestellt. Unabhängig davon, welche Größe Sie für die mehrschichtige Leiterplatte benötigen, verwenden die Hersteller eine einzige lange Platte, um alles herzustellen. Diese einzelne Platte bezeichnen wir aus technischer Sicht als „Panel“. Vom ersten bis zum letzten Schritt der Fertigung betrachtet der Hersteller ein einziges Panel, bis der Zuschnitt beginnt.
Beginnen wir also der Reihe nach mit den einzelnen Schritten der Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten.
1. Entwerfen
Der erste Schritt bei allen Arten von Konstruktionsarbeiten bleibt derselbe: Es geht darum, die Konstruktionszeichnung des betreffenden Bauteils oder Elements zu entwerfen. Oftmals erscheinen die Entwürfe einfach oder eindimensional. Doch manche Bauteile bergen eine Menge Details in sich. So ist beispielsweise eine mehrschichtige Leiterplattenstruktur zwar nicht komplex, trägt aber zur Perfektionierung des Entwurfs bei. Zunächst erstellen Sie einen einfachen Entwurf, der anschließend in die CAM-Software importiert wird.
Der CAM-Anwender muss verschiedene Aspekte des Entwurfs berücksichtigen. So muss der Entwurf beispielsweise den Anforderungen und Regeln für Leiterplatten entsprechen. Es ist wichtig, Markierungen im Entwurf anzubringen. Darüber hinaus werden die Anpassung der Bohrgrößen, die Lötmaske, der Siebdruck und die Bearbeitungsebenen korrigiert und überprüft. Auf diese Weise wird der endgültige Entwurf fertiggestellt.
2. Fotoplotter
Betrachten wir zunächst einmal die grundlegende Bedeutung des Begriffs „Fotoplotten“. Bei diesem Verfahren werden mithilfe eines Plotters Löcher in eine Platte eingebracht. Diese Methode wurde zwar früher vor allem in alten Kameras oder Fotoautomaten verwendet, doch gibt es auch heute noch spezielle oder einzigartige Anwendungsbereiche. Eine gängige Anwendung findet sich beispielsweise in der Fertigung von mehrschichtigen Leiterplatten.
In einer solchen Anlage kommt ein Laser-Fotoplotter zum Einsatz, um effektive Fotovorlagen herzustellen. Diese Vorlagen unterstützen neben dem Siebdruckverfahren auch den Lötmaskenprozess. Da bei mehrschichtigen Leiterplatten verschiedene Schichten oder Platinen verarbeitet werden, erstellt der Plotter für jede Schicht eine separate Fotovorlage. Die Größe jeder Folie beträgt etwa 18×24 Zoll, während die Dicke nicht mehr als 7 mil beträgt.
3. Bildgebung und DES
Bei der Herstellung von Mehrschicht-Leiterplatten kommt dem Belichtungsprozess eine große Bedeutung zu. Dieser Prozess umfasst das Aufbringen oder Übertragen der Bilder – sozusagen der Leiterbahnen – auf die Mehrschicht-Leiterplatte. Der zweite Schritt wird als „Develop/Etch/Strip“ (DES) bezeichnet. Der nachfolgende Prozess dient dazu, den Beschichtungsprozess zu erleichtern. Dazu muss im DES-Schritt ein effektives Kupfermuster erzeugt werden, das später beim Plattieren hilft.
Der folgende Schritt umfasst jedoch mehrere Teilschritte. Zunächst erfolgt das Aufbringen des Trockenfilms auf die Platten, d. h. auf Kupfer. Zur Belichtung der Platten kommt die Laserbelichtung zum Einsatz. Als Nächstes erfolgt die Entwicklung des Trockenfilms. Bei dieser Entwicklung bleiben die belichteten Bereiche intakt, während die nicht belichteten Bereiche ausgewaschen werden. Alles, was zurückbleibt, wirkt als Barriere. Dies dient dazu, das Ätzen des gewünschten leitfähigen Musters zu verhindern. Als drittes erfolgt das Ätzen des Kupfers in den belichteten Bereichen. Schließlich muss der übrig gebliebene Trockenfilm entfernt werden. So erhalten wir das gewünschte leitfähige Muster.
4. Automatisierte optische Prüfung
Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine gründliche Prüfung. Jede Prüfung findet jedoch bereits zu Beginn statt, um spätere mögliche Fehler zu vermeiden. Und AOI ist ein Verfahren, mit dem die Schichten der mehrschichtigen Leiterplatte, die wir herstellen möchten, sorgfältig untersucht werden. Die Prüfung findet statt, bevor mit dem Laminieren der Schichten begonnen werden kann.
Die Bilder der mehrschichtigen Leiterplatte aus dem Panel dienen als Vergleichsgrundlage. Dies geschieht anhand eines Standard-PCD-Datensatzes. So lässt sich leicht feststellen, wo Kupfer im Überfluss vorhanden ist oder wo es zu Engpässen kommt. In beiden Fällen entsprechen die Ergebnisse nicht den idealen Anforderungen. Die Hersteller betonen, dass, wenn die Fehler jetzt nicht sichtbar sind, sie auch in den nachfolgenden Prozessschritten niemals zutage treten werden.
5. Schwarzoxid oder Braunoxid
Der allgemeine Begriff für diesen Prozess lautet ‘Oxid’. Je nach gewählter Verfahrensvariante gibt es jedoch Unterschiede bei der Bezeichnung. Der Prozess kommt jedoch nach der AOI eine hohe Bedeutung zu und nimmt eine wichtige Position ein. Während es bei der AOI um die Prüfung der Außenflächen geht,Dieser Prozess befasst sich mit der Prüfung und Aufrauhung der inneren Schichten der Leiterplatte. Der Grund dafür ist, die inneren Schichten aufzurauen, um deren Festigkeit zu erhöhen. Diese Festigkeit trägt dazu bei, dass die inneren Schichten fest miteinander laminiert bleiben. Ist die Verbindung zudem zu schwach, kann die ordnungsgemäße oder erforderliche Laminierung nicht erfolgreich durchgeführt werden.
6. Laminieren oder Verbinden
Beim Laminierprozess werden zwei Oberflächen miteinander verbunden. Der Laminierprozess ähnelt zwar dem Fügeprozess, doch bei diesem speziellen Verfahren spielen Druck und Wärme eine wichtige Rolle. Für die Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte mit mehrschichtiger Struktur ist das Laminieren von größter Bedeutung.
Der folgende Prozess umfasst das Verbinden der inneren Schichten des mehrschichtigen Leiterplattenmaterials. Dieses Verbinden erfolgt jedoch bei hoher Temperatur und hohem Druck. Die Anlage, die beim Laminierungsprozess zum Einsatz kommt, ist eine Hydraulikpresse. Der Prozess umfasst das Verschmelzen und Laminieren von Prepregs und Glasfaser. Die Laminierung erfolgt unter der enormen Hitze, die die Hydraulikpresse erzeugt.
7. Bohren
Das Bohren ist spannend anzusehen, aber manchmal schwierig durchzuführen. Das liegt daran, dass dabei höchste Präzision und Sorgfalt gefragt sind. Bei der Herstellung von Leiterplatten kommen Bohrungen häufig zum Einsatz. Im Allgemeinen werden Bohrungen benötigt, um mehrschichtige Leiterplatten an den gewünschten Stellen zu befestigen. Für spezielle Zwecke ermöglichen diese Bohrungen zudem den Anschluss der Anschlusskomponenten. Darüber hinaus erfolgt auch die Verbindung der Schichten in der mehrschichtigen Leiterplatte über diese Bohrungen.
Das Schneiden ist jedoch nicht ganz einfach. Vielmehr kommt beim Bohren ein Hartmetallwerkzeug zum Einsatz. Dieses Werkzeug entfernt Späne aus abrasiven Materialien schnell und mühelos, um Verformungen zu vermeiden. Die Hersteller bohren zwar Löcher durch mehrere Platten gleichzeitig, doch diese Vorgehensweise hängt größtenteils von den jeweiligen Aufträgen ab.
8. Abscheidung von Kupfer
Ziehen Sie in Betracht, alles vollständig mit einer matten Hülle zu umhüllen. Zwar werden Sie zunächst die edle Optik erwähnen, die dem umhüllten Gegenstand dadurch verliehen wird. Doch nur der Klügere wird den Schutz hervorheben, den sie bietet. Auch wenn dieser Vorgang nicht dem Schutz selbst gleicht oder lediglich so aussieht, verdeutlicht er das Beispiel doch perfekt.
Im nachfolgenden Prozess, dem Galvanisierungsprozess, werden Kupferschichten aufgebracht. Dies geschieht chemisch auf den Oberflächen der Leiterplatten, die der Einwirkung ausgesetzt sind. Zudem findet diese Verkupferung auch an den Wänden der Löcher statt. Das sind die Löcher, die beim Bohren entstehen. Damit soll sichergestellt werden, dass alle Bereiche der mehrschichtigen Leiterplatte ausreichend mit Kupfer versorgt und bedeckt sind.
9. Trockenfilm-Auftrag
Der folgende Prozess umfasst das Aufbringen einer Beschichtung auf die äußeren Schichten der Leiterplatte. Im Grunde genommen ist ein solcher Prozess von großer Bedeutung. Denn ohne das Aufbringen dieser äußeren Beschichtung kann die Galvanisierung nicht beginnen. Darüber hinaus bereitet der folgende Prozess die Platte so vor, dass die Galvanisierung beginnen kann.
Hierfür kommt ein Laminiergerät zum Einsatz. Es trägt eine Trockenfolie oder ein belichtbares Foto auf die Oberfläche der mehrschichtigen Leiterplatte auf. Die Trockenfolie wird mittels Laserbelichtung belichtet. Der Belichtungsprozess verläuft jedoch bei der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten ähnlich. Das heißt, die belichteten Folien bleiben intakt, bis die unbelichteten entwickelt werden.
10. Verkupfern
In den meisten technischen Anwendungen kommt dem Beschichtungs- oder Galvanisierungsprozess große Bedeutung zu. Dieser Prozess folgt einer festgelegten Methodik. Dabei geht es um Kathoden und deren Reaktion auf Anoden. Zu den Anforderungen an den Entwurf mehrschichtiger Leiterplatten gehört das Aufbringen von Kupfer auf die Leiterbahnen. Darüber hinaus muss auch das Innere der Bohrungen mit Kupfer beschichtet werden.
Um die folgenden Anforderungen zu erfüllen, wird die Platte daher an die Kathodenleiste angeschlossen. Dabei fungiert das Kupfer in der Anodenlösung als Anode. Die Verkupferung ist jedoch nicht der einzige wichtige Schritt. Sobald die Verkupferung abgeschlossen ist, beginnt ein weiterer Beschichtungsvorgang, nämlich die Verzinnung. Diese zweite Beschichtung unterstützt das Ätzen der mehrschichtigen Leiterplatte und dient dabei als Barriere.
11. Streifenätzverfahren
Sobald wir mit der Beschichtung fertig sind, folgt der Entfernungsvorgang. Bei diesem Entfernungsvorgang werden die unerwünschten Oberflächen und Schichten abgetragen. Dabei durchläuft die Platine schrittweise drei Prozesse: zunächst das Ablösen, dann das Ätzen und schließlich erneut das Ablösen. Zunächst muss der Trockenfilm-Resist von der Platine abgelöst werden.
Wenn dieser Abtragungsvorgang abgeschlossen ist, liegt eine Kupferschicht frei, die nicht von der Zinnbeschichtung bedeckt war. Nun findet der Ätzprozess auf dieser Kupferschicht statt. Dabei bleiben nur wenige Spuren zurück – abgesehen von den Pads um die Bohrlöcher herum. Darüber hinaus bleiben weitere Kupfermuster auf der Oberfläche erhalten. Schließlich durchläuft das verbleibende Zinn den dritten Prozess, den Entzinnungsprozess. Das Zinn wird entfernt, und es bleibt nur das übrig gebliebene Kupfer zurück.
12. Lötmaske
Eine Abdeckung wird dort angebracht, wo die Anforderungen besonders hoch sind. Unter bestimmten Bedingungen und an bestimmten Orten sind besondere Schutzmaßnahmen erforderlich. In diesem Fall sucht man daher nach einer geeigneten Abdeckung. Bei mehrschichtigen Leiterplatten besteht die Gefahr, dass die Bauteile eine Brücke bilden. Oft lässt sich diese nur schwer unterbrechen. Diese Brücke führt zudem dazu, dass während der Bestückung elektrischer Strom fließt. Um dies zu vermeiden, wird die Kupferoberfläche durch eine Lötmaske vollständig abgedeckt. Diese Maske bedeckt die gesamte Kupferoberfläche mittels eines robusten Druckverfahrens.
Anschließend erfolgt die Belichtung mit UV-Licht, woraufhin die belichteten Teile erhalten bleiben. Die nicht belichteten Teile oder Bereiche verschwinden. Die Maske wird dann eingebrannt, wodurch sie steif wird.
13. Oberflächenbearbeitung
Eine gute Oberflächenbehandlung schützt die Teile, die für eine lange Lebensdauer ausgelegt sind. Wir wissen, dass bei der Leiterplattenherstellung einige Kupferoberflächen freigelegt werden. Um deren Oxidation zu verhindern, ist daher eine gute Oberflächenbehandlung erforderlich. Bei Leiterplatten sind verschiedene Oberflächenbehandlungen möglich. Die gängigste davon ist die Heißluft-Lötbeschichtung.
Zu den weiteren Oberflächenausführungen gehören jedoch:
- Chemisches Vernickeln mit Immersionsvergoldung
- Immersion Silver
- Tauchbad aus Zinn
- Organisches Mittel zum Erhalt der Lötbarkeit
- Zartes Gold
- Hartgold
14. Prüfung und Fertigung
Zunächst erfolgt die Prüfung auf einem Flying-Probe-Tester. Dabei handelt es sich um eine elektrische Prüfung. Das Ergebnis und die Reaktion werden mittels elektrischer Signale übermittelt. Das Gerät arbeitet mit mehreren Armen und Sonden. Auf diese Weise werden verschiedene Bereiche der Oberfläche der mehrschichtigen Leiterplatte geprüft. Die wichtigste Aufgabe des Geräts besteht darin, Lücken oder Öffnungen zu erkennen. Anhand dieser Ergebnisse kann der Hersteller die Leiterplatten entweder aussortieren oder eine Reparatur in Betracht ziehen.
Sobald die Tests abgeschlossen sind und die mehrschichtige Leiterplatte zur Fertigung bereit ist, kommt die CNC-Maschine zum Einsatz. Eine CNC-Maschine hilft dabei, die benötigten Leiterplatten aus einer einzigen großen Platte auszuschneiden. Mit diesem Gerät erhalten wir je nach Anforderung verschiedene mehrschichtige Leiterplatten in unterschiedlichen Größen. Auch Kanten mit Abschrägung oder Fase lassen sich mit dieser Maschine problemlos ausschneiden. Und so erhalten wir die perfekte mehrschichtige Leiterplatte.