Herstellung von elektronischen Leiterplatten (PCBs)

Herstellung von elektronischen Leiterplatten (PCBs) Leiterplatten (PCBs) sind das Rückgrat moderner elektronischer Geräte. Sie bieten die physische Plattform für die Montage elektronischer Komponenten und die Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen ihnen. Der Prozess der Leiterplattenherstellung umfasst mehrere Schritte, vom Design und der Materialauswahl bis zur Montage.

Entwurf und Planung
Bevor eine physische Produktion von Leiterplatten beginnt, findet eine Entwurfsphase statt. In dieser Phase werden spezielle Software wie Eagle, Altium oder KiCad verwendet, um den Schaltplan und das Layout der Leiterplatte zu erstellen. Diese Designdateien enthalten detaillierte Informationen wie die Größe der Platine, die Platzierung der Komponenten, die elektrischen Pfade (Leiterbahnen) und Lagenstapelkonfigurationen. Das Design wird von Ingenieuren erstellt, die sicherstellen, dass die Platine den beabsichtigten Zweck erfüllen kann, während die mechanischen Einschränkungen und elektrischen Anforderungen eingehalten werden.

Das Design wird normalerweise in einem Standardformat wie Gerber-Dateien gespeichert, der universellen Sprache für die Leiterplattenherstellung. Diese Dateien liefern dem Leiterplattenhersteller alle notwendigen Informationen, einschließlich:

Kupferschicht: Die elektrischen Wege.
Siebdruck: Komponentenbeschriftungen und Kennungen.
Bohrdateien: Für Löcher, in die Komponenten wie Stifte und Durchkontaktierungen eingefügt werden.
Lötstopplack: Die grüne Beschichtung, die leitende Pfade isoliert.
Kantenschnitte: Der Umriss der Leiterplatte.

Materialauswahl
Sobald das Design fertiggestellt ist, müssen die Materialien für die Leiterplatte ausgewählt werden. Die zwei häufigsten Arten von Material sind:

Basissubstrat: Das Kernmaterial der Leiterplatte, das häufig aus glasfaserverstärktem Epoxid (FR4) besteht, aber auch Materialien wie Polyimid oder Keramik können für spezielle Anwendungen verwendet werden.
Kupferfolie: Eine dünne Kupferschicht wird auf beide Seiten (oder mehr, abhängig von der Anzahl der Schichten) des Substrats aufgetragen. Diese Kupferschicht wird geätzt, um die Leiterbahnen zu bilden.
Die Dicke des Substrats, die Dicke der Kupferfolie und die Gesamtgröße der Leiterplatte werden alle basierend auf den elektrischen und mechanischen Anforderungen des Designs ausgewählt.

Drucken des Schaltungsmusters (Fotogravurverfahren)
Nachdem das Substrat vorbereitet wurde, besteht der nächste entscheidende Schritt darin, das PCB-Layout-Design auf die Kupferoberfläche zu übertragen. Dazu wird der Prozess der Fotogravur verwendet:

Reinigung: Die kupferkaschierte Platte wird zuerst gereinigt, um Verunreinigungen und Oxidationen zu entfernen.
Fotolackbeschichtung: Die Platine wird dann mit einem lichtempfindlichen Material namens Fotolack beschichtet. Dieses Material reagiert auf Licht, härtet an den exponierten Stellen aus und bleibt dort weich, wo es nicht exponiert ist.
Belichtung: Eine Fotomaske, die das PCB-Design enthält, wird über das mit Fotolack beschichtete Kupfer gelegt. Die Platine wird ultraviolettem (UV) Licht ausgesetzt. Die nicht von der Maske bedeckten Bereiche des Fotolacks werden gehärtet, während die belichteten Bereiche löslich bleiben.
Entwicklung: Nach der Belichtung wird die Platte mit einer Entwicklerlösung gewaschen, die den unbelichteten Fotolack entfernt und ein dem Design entsprechendes Muster zurücklässt.
Ätzen: Die freiliegenden Kupferbereiche, die nicht durch Fotolack geschützt sind, werden dann mit einer chemischen Lösung (typischerweise Eisenchlorid oder Ammoniumpersulfat) weggeätzt. Dieser Prozess entfernt das unerwünschte Kupfer und lässt die gewünschten Leiterbahnen intakt.

Schichtstapelung und Laminierung (für mehrschichtige Leiterplatten)
Für komplexere Leiterplatten (solche mit mehreren Schichten) wird der Prozess des Stapelns und Laminierens notwendig. Mehrschichtige Leiterplatten bestehen typischerweise aus mehreren kupferkaschierten Schichten, die durch Isoliermaterialien getrennt sind.

Schichten vorbereiten: Jede Schicht wird ähnlich wie beim Einschichtverfahren vorbereitet, einschließlich Aufbringen von Fotolack und Ätzen des Kupfers.
Ausrichtung: Die Schichten werden in präziser Ausrichtung mit Löchern gestapelt, die zu Registrierungszwecken gebohrt werden.
Laminierung: Die gestapelten Schichten werden dann unter hoher Temperatur und hohem Druck zusammengepresst. Dieser Prozess verbindet die Schichten zu einer einzigen, starren mehrschichtigen Leiterplatte.
Bohren
Sobald die Kupferbahnen angebracht sind, werden Löcher für Komponenten (z. B. Widerstände, Kondensatoren) und Durchkontaktierungen (vertikale Verbindungen) gebohrt. Durchkontaktierungen werden verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten der Leiterplatte herzustellen. Das Bohren erfolgt normalerweise mit computergesteuerten Maschinen, die so programmiert sind, dass sie Tausende von Löchern präzise bohren. Die Löcher werden anschließend gereinigt, um jeglichen Schmutz zu entfernen.

Beschichtung und Kupferfüllung
Nach dem Bohren werden die Löcher plattiert, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Schichten herzustellen. Dies beinhaltet einen Prozess, der als Galvanisieren bezeichnet wird:

Desmearing: Eine chemische Behandlung wird verwendet, um das Innere der Löcher zu reinigen, um Schmutz oder Rückstände aus dem Bohrprozess zu entfernen.
Beschichtung: Die Bohrlöcher werden mit einer dünnen Kupferschicht galvanisiert, um sicherzustellen, dass die elektrische Kontinuität zwischen den verschiedenen Schichten hergestellt wird.
Zusätzlich zur Lochplattierung kann die Leiterplatte einer Kupferfüllung unterzogen werden, wobei die Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen ebenfalls mit Kupfer gefüllt werden, um die Leitfähigkeit zu verbessern.

Lötstopplack-Anwendung
Nachdem alle Kupferbahnen angebracht und die Durchkontaktierungen plattiert sind, ist der nächste Schritt das Aufbringen einer Lötmaske. Dies ist eine Schutzschicht, normalerweise grün (aber andere Farben sind möglich), die die gesamte Leiterplatte mit Ausnahme der Pads bedeckt, auf denen Komponenten gelötet werden. Die Lötmaske verhindert unbeabsichtigte Lötbrücken zwischen eng beieinander liegenden Leiterbahnen beim Bauteillöten und schützt das Kupfer vor Oxidation.

Die Lötmaske wird auf ähnliche Weise wie der Fotolack aufgetragen — indem die Platine beschichtet und dann mit UV-Licht und einer Fotomaske die Bereiche belichtet werden, die unbedeckt bleiben.

Siebdruck
Als nächstes wird eine Siebdruckschicht auf die Platine aufgebracht. Der Siebdruck liefert die Komponentenbeschriftungen, Logos und andere Markierungen auf der Leiterplatte, die bei der Montage und Prüfung helfen. Der Siebdruck wird typischerweise mit einem Tintenstrahl- oder Siebdruckverfahren gedruckt.

Abschließende Ätzung und Inspektion
Nach dem Aufbringen der Lötstoppmaske und des Siebdrucks wird die Leiterplatte abschließenden Ätz- und Inspektionsprozessen unterzogen. Das abschließende Ätzen entfernt verbleibendes unerwünschtes Kupfer. Die Platine wird auch auf Defekte wie unvollständige Ätzung oder Löcher untersucht. Dies kann automatisierte optische Inspektionsmaschinen (AOI) umfassen, die die Leiterplatte auf Unregelmäßigkeiten scannen.

Herstellung von elektronischen Leiterplatten (PCBs) : Test
Sobald die Platinen vollständig hergestellt sind, werden sie getestet, um sicherzustellen, dass sie den Designspezifikationen entsprechen. Dies beinhaltet:

Elektrische Prüfung: Häufig wird eine fliegende Sonde oder ein Nagelbett-Test durchgeführt, um den elektrischen Durchgang der Leiterplatte zu überprüfen. Offene Stromkreise oder Kurzschlüsse können erkannt werden.
Sichtprüfung: Ein Bediener oder eine Maschine prüft auf kosmetische Mängel, wie z. B. falsch gedruckten Siebdruck oder Unvollkommenheiten in der Lötmaske.
Funktionstest: Bei High-End-Boards werden Funktionstests durchgeführt, bei denen die Platine mit Komponenten bestückt wird und das gesamte System unter realen Bedingungen getestet wird.
Versammlung
Nachdem die Leiterplatte hergestellt wurde, wird sie zur Montage geschickt. Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltkreise (ICs) und Steckverbinder werden auf der Platine montiert und verlötet. Die Montage kann manuell oder mit automatisierten Maschinen wie SMT- (Surface Mount Technology) oder THT-Maschinen (Through Hole Technology) erfolgen.

Endkontrolle und Verpackung
Die fertige Leiterplatte wird noch einmal gründlich inspiziert. Dies beinhaltet die Überprüfung der Lötqualität, der korrekten Platzierung der Komponenten und der ordnungsgemäßen Funktion. Nach der Inspektion wird die Leiterplatte für den Versand an den Kunden oder die nächste Stufe der Produktmontage verpackt.

Herstellung von elektronischen Leiterplatten (PCBs) ist ein sehr detaillierter und präziser Prozess, der mehrere Schritte umfasst, vom Design und der Materialauswahl bis hin zur Endprüfung und Montage. Mit dem technologischen Fortschritt werden Leiterplatten immer komplexer, kleiner und effizienter. Diese Prozesse stellen sicher, dass jede Leiterplatte die Hochleistungsanforderungen moderner elektronischer Geräte erfüllen kann.