So stellen Sie mehrschichtige Leiterplatten her

Vollständiger Leitfaden zu Multilayer-Leiterplatten

Mehrschichtige Leiterplatten bestehen aus drei oder mehr Schichten leitfähigen Materials. Diese Leiterplatten vergrößern die verfügbare Fläche für die Verdrahtung. Wenn wir von mehreren Schichten sprechen, bedeutet das, dass wir eine Reihe von Leiterbahnen auf der Leiterplatte berücksichtigen. Mehrschichtige Leiterplatten sind normalerweise Starre Leiterplatte. Das liegt daran, dass es sehr schwierig ist, es in einem flexiblen Format zu erstellen.

Die Anzahl der Lagen richtet sich nach Ihren Anforderungen. Bis zu 100 Lagen sind möglich. 4- bis 8-lagige Leiterplatten werden jedoch häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Mit zunehmender Anzahl an Lagen wird die Schaltung komplexer. Sie können die Anzahl der Lagen daher Ihren Anforderungen entsprechend anpassen.

Verschiedene wesentliche Komponenten einer mehrschichtigen Leiterplatte

Es gibt die folgenden vier Hauptkomponenten einer mehrschichtigen Leiterplatte:

1. Substrat: Es ist das wichtigste Bauteil und besteht üblicherweise aus Fiberglas. Fiberglas verleiht der Leiterplatte die Kernfestigkeit und schützt sie vor Brüchen. Das Substrat kann als das Skelett der Leiterplatte betrachtet werden.
2. Kupferschicht: Das hängt vom Platinentyp ab. Diese Schicht kann entweder aus Vollkupfer oder aus Kupferfolie bestehen. Unabhängig vom Platinentyp ist die Kupferschicht immer dieselbe. Kupfer überträgt elektrische Signale zu und von den Leiterplatten. Man kann sich diese Schicht wie ein Nervensystem vorstellen. Es überträgt Signale vom Gehirn zu den Muskeln und umgekehrt.
3. Lötmaske: Es handelt sich um eine Polymerschicht, die die Kupferschicht schützt. Sie verhindert somit grundsätzlich Kurzschlüsse, wenn Kupfer mit der Umgebung in Kontakt kommt. Man kann die Lötmaske also als die Haut der Leiterplatte betrachten.
4. Siebdruck: Es ist der letzte Teil der Leiterplatte. Der Siebdruck zeigt im Wesentlichen Teilenummern, Symbole und Logos der verschiedenen Komponenten auf der Platine. Darüber hinaus enthält er Informationen wie Symbolschaltereinstellungen, Testpunkte und Komponentenreferenzen.

Wie stellt man Multilayer-Leiterplatten her?

Hier ist die vollständige Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten:

1. Entwerfen

Der erste und wichtigste Schritt zu Design-Leiterplatte und bereiten sie für die Produktion vor. Jeder Hersteller verfolgt dabei seine eigene Herangehensweise. In der Regel erstellt der Designer einen Entwurf der Schaltung und erfüllt alle darin enthaltenen Anforderungen. Für den Entwurf stehen verschiedene Softwareprogramme zur Verfügung, beispielsweise Extended Gerber.

Sie können Extended Gerber oder ein anderes Tool zum Entwurf Ihrer Schaltung verwenden. Überprüfen Sie nach dem Entwurf sorgfältig den gesamten Entwurf. Stellen Sie sicher, dass der gesamte Entwurf fehlerfrei ist. Nach dem Entwurf können Sie diesen Entwurf an die Fertigungsfirma senden, um mit dem Bau der Schaltung zu beginnen.

2. Fotoplotten

In diesem Schritt können Sie mit einem Laser-Fotoplotter einen Film für jede einzelne Schicht plotten. Ein Laser-Fotoplotter ist ein Werkzeug zum Erstellen von Fotowerkzeugen für Lötstopplack und Siebdruck. Die Filmdicke beträgt ca. 7 mil.

Viele Hersteller verwenden spezielle Laser-Direktbebilderungsgeräte, die direkt auf den Trockenfilm drucken. Diese Technik reduziert die Kosten. Zudem ist der Prozess präziser und effektiver. So können Sie sowohl innere als auch äußere Schichten mittels Laser-Direktbebilderung (LSI) herstellen.

3. Bildgebung und Entwicklung oder Ätzen

Dieser Prozess bringt die Primärbilder wie Pads und Leiterbahnen auf die Leiterplatte auf. Außerdem erstellt der DES-Prozess das Kupfermuster für die Beschichtung. So gehen Sie in diesem Schritt vor:

• Bringen Sie ein Fotobedruckungsmittel auf den Kupferplatten an.
• Bilden Sie die Panels außerdem mithilfe von LSI ab.
• Ätzen Sie das gesamte freiliegende Kupfer von der Platte ab.
• Entfernen Sie den restlichen Trockenfilm und belassen Sie nur das restliche Kupfermuster für die inneren Schichten.

4. Automatisierte optische Inspektion

AOI prüft grundsätzlich verschiedene Schichten mehrschichtiger Leiterplatten, bevor diese miteinander laminiert werden. Die Optik vergleicht die PCB-Designdaten mit dem tatsächlichen Bild auf dem Panel. Abweichungen wie fehlendes oder zusätzliches Kupfer können zu Unterbrechungen oder Kurzschlüssen führen. Dieses Verfahren hilft Herstellern, Defekte in der Schaltung zu erkennen.

5. Oxid

Oxid ist eine chemische Behandlung der Innenschichten vor der Laminierung mehrschichtiger Leiterplatten. Je nach Verfahren ist der Oxidcode braun oder schwarz. Es ist ein wichtiger Schritt, um die Rauheit des Kupfers zu erhöhen und so die Verbundfestigkeit des Laminats zu verbessern. Darüber hinaus verhindert dieser Prozess die Trennung zwischen verschiedenen Schichten des Grundmaterials.

6. Laminierung

Zur Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte werden verschiedene Schichten epoxidharzgetränkter Glasfaser miteinander laminiert. Zur Laminierung wenden die Hersteller hohe Temperaturen und hohen Druck mithilfe einer hydraulischen Presse an. Durch die Presse und die Hitze schmilzt die Glasfaserplatte und verbindet die Schichten fest miteinander. Nach dem Abkühlen dieses Materials folgt der gleiche Herstellungsprozess wie bei einer doppelseitige Leiterplatte.

7. Bohren

Alle Leiterplatten benötigen Löcher, um Kupferschichten zu verbinden, Komponenten anzubringen und die Leiterplatte zu montieren. Mithilfe moderner Bohrsysteme können Löcher gebohrt werden. Diese Systeme verwenden Vollhartmetall-Schneidwerkzeuge. Darüber hinaus sind sie für die schnelle Entfernung von Spänen aus abrasiven Materialien ausgelegt.

Eine vorprogrammierte Bohrmaschine bohrt Löcher mit bestimmter Größe an der exakten Stelle. Die Bohrmaschine arbeitet dabei nach den Vorgaben des Konstrukteurs. Diese Informationen werden als CNC-Bohrdatei bereitgestellt.

Zusätzlich dient eine dünne Aluminiumplatte als Eingangsmaterial. Hartkarton dient als Ausgangsmaterial. Diese Technik sorgt für ein gleichmäßiges Bohren und verhindert die Bildung unterschiedlicher Fasern.

8. Stromlose Kupferabscheidung

Nach dem Bohren bringen die Hersteller auf chemischem Wege eine dünne Kupferschicht auf den freiliegenden Plattenoberflächen auf. Zusätzlich bringen sie mittels stromloser Beschichtung eine Kupferschicht auf den Lochwänden auf.

9. Trockenfilm-Außenschicht

Nach der Kupferabscheidung müssen Sie die Außenschichtbilder auftragen, um die Platte für die Galvanisierung vorzubereiten. Sie können eine Laminiermaschine verwenden, um die Außenschichten mit dem Trockenfilm zu beschichten. Der Trockenfilm ist ein fotobebilderbares Material. Darüber hinaus ähnelt dieser Prozess stark der Abbildung der Innenschichten einer mehrschichtigen Leiterplatte.

10. Plate

Beim Galvanisieren wird das Leiterbild sowie die Lochwände der Leiterplatte verkupfert. Die Schichtdicke beträgt ca. 1 mil. Nach der Verkupferung wird eine dünne Zinnschicht aufgetragen. Die Zinnschicht dient als Ätzbarriere.

11. Streifen und Ätzen

Nach Abschluss des Beschichtungsprozesses bleibt der Trockenfilm auf der Platte erhalten. Das darunterliegende Kupfer muss jedoch entfernt werden. Anschließend durchläuft die Platte den SES-Prozess. SES steht für String Etch Strip.

Bei diesem Verfahren müssen Sie das freiliegende Kupfer ätzen. Das bedeutet, dass Sie den unbedeckten Kupferbereich durch Zinn entfernen. So bleiben die Leiterbahnen und die Pads um die Löcher und Kupfermuster erhalten. Abschließend entfernen Sie chemisch das restliche Zinn, das die Löcher und Leiterbahnen bedeckt. Nach Abschluss dieses Schritts bleiben nur noch das freiliegende Laminat und Kupfer der Leiterplatte übrig.

In diesem Stadium ist das Grundgerüst der Leiterplatte fertig. Alle weiteren Schritte dienen nun dem Schutz der Leiterplatte.

12. Lötmaske und Legende

Die meisten Hersteller verwenden zum Schutz der Kupferoberfläche eine flüssig fotoabbildbare (LPI) Lötstoppmaske. Sie verhindert außerdem die Bildung von Lötbrücken zwischen verschiedenen Komponenten während der Montage.

LPI-Lötmaske ist im Grunde ein lichtempfindlicher Resist auf Epoxidbasis. Sie können das gesamte Panel im Siebdruckverfahren beschichten. Es gibt einige alternative Methoden zur herkömmlichen Siebbeschichtung. Sie können eine solche Alternative für die Lötmaskierung verwenden.

Nach der Lötmaske können Sie die Legende auftragen. Sie druckt verschiedene Symbole und Buchstaben auf die Leiterplatte, um sie bei der Montage als Referenz zu verwenden.

13. Oberflächenfinish

Es handelt sich um den letzten und abschließenden chemischen Prozess zur Herstellung einer Mehrschicht LeiterplatteDie Lötmaske deckt fast die gesamte Schaltung ab. So verhindert die Oberflächenbehandlung die Oxidation der verbleibenden freiliegenden Kupferflächen.

Dies ist ein wichtiger Schritt, da oxidiertes Kupfer nicht gelötet werden kann. Darüber hinaus können für diesen Schritt verschiedene Oberflächenbehandlungen verwendet werden, beispielsweise Heißluftlötverfahren (HASL).

Der Vorteil von Multilayer-Leiterplatten

Hier sind einige Vorteile von mehrschichtigen Leiterplatten gegenüber anderen Typen:

• Es weist eine höhere Bestückungsdichte als ein- und zweilagige Leiterplatten auf.
• Es sind keine Kabel erforderlich, um verschiedene Komponenten miteinander zu verbinden. Daher ist es die ideale Wahl für leichte Leiterplatten.
• Diese Leiterplatten sind kleiner und benötigen daher weniger Platz.
• Die EMI-Abschirmung ist unkompliziert und flexibel.
• Flexibilität ist ein weiterer Faktor, der Mehrschicht-Leiterplatten von allen Leiterplatten auszeichnet.

Verschiedene Anwendungen von Multilayer-Leiterplatten

Viele elektronische Bauteile verwenden mehrschichtige Leiterplatten. Diese Schaltungen umfassen Schaltungsstrukturen mittlerer bis komplexer Art. Hier sind einige wichtige Anwendungen von mehrschichtigen Leiterplatten:

• Herzmonitore
• Mobilfunkübertragung und Repeater
• Atombeschleuniger
• Raumsonde und Röntgengerät
• Wetteranalyse und GPS-Technologie
• Datenspeicher und Dateiserver
• Glasfaserrezeptoren und Cat-Scan-Technologie

So erkennen Sie eine mehrschichtige Leiterplatte

Wenn Sie einige Leiterplatten haben und die Gesamtzahl der Schichten überprüfen möchten, können Sie diese Schritte befolgen.

Setzen Sie die Kante der Leiterplatte dem Licht aus, um die Kupferflächen sichtbar zu machen. So können Sie Trancen leichter genauer beobachten. Auch wenn die mehrschichtigen Leiterplatten keine Blind Vias enthalten, können Sie helles Licht zur Analyse der inneren Schichten nutzen.

Die inneren Lagen lassen sich am besten dort erkennen, wo auf den äußeren Lagen keine Pfade und Linien sichtbar sind. Die meisten Hersteller drucken zudem Etiketten, um die Gesamtzahl der Lagen auf der Leiterplatte anzugeben. So lässt sich allein durch einen Blick auf die Kanten die Gesamtzahl der Lagen ermitteln.