Einführung
Leiterplatten (PCBs) bilden die Grundlage moderner elektronischer Geräte, von Mobiltelefonen bis hin zu fortschrittlichen Raumfahrttechnologien. Sie sind unerlässlich für die Verbindung elektronischer Komponenten und bieten eine stabile Plattform für deren Betrieb. Die Leiterplattenherstellung ist ein komplexer Prozess mit mehreren wichtigen Schritten, die alle akribische Detailgenauigkeit erfordern, um fehlerfreie Leiterplatten zu gewährleisten. Der Prozess beginnt mit der Design- und Prüfphase unter Verwendung von CAD- Tools (Computer-Aided Design) und setzt sich bis zur Fertigung der Leiterplatte fort. Um die Effizienz zu steigern und menschliche Fehler zu minimieren, werden computergestützte und maschinelle Verfahren eingesetzt, um unvollständige oder Kurzschlüsse zu vermeiden. Zur Sicherstellung hoher Qualität werden die Leiterplatten in verschiedenen Fertigungsphasen strengen Tests unterzogen, einschließlich einer abschließenden Prüfung als fertige Leiterplatten, bevor sie verpackt und versendet werden.
PCB-Herstellungsprozess – Schritt für Schritt
Schritt 1: PCB entwerfen
Der erste Schritt bei jeder Leiterplattenherstellung ist die Erstellung des Designs. Leiterplattenherstellung und -design beginnen immer mit einem Plan. Der Designer erstellt einen Entwurf für die Leiterplatte, der alle Anforderungen erfüllt. Sobald der Entwurf von der Software erstellt wurde, werden alle Aspekte und Teile des Designs erneut überprüft, um sicherzustellen, dass keine Fehler vorliegen.
Nach der Prüfung durch den Designer wird das fertige Leiterplattendesign an einen Leiterplattenhersteller zur Fertigung übermittelt. Dort wird das Design einer zweiten Prüfung unterzogen, dem sogenannten Design for Manufacture (DFM) -Check. Dieser bestätigt, dass das Leiterplattendesign mindestens die für die Fertigung erforderlichen Toleranzen erfüllt.
Schritt 2: PCB-Design drucken
Nachdem alle Prüfungen erfolgreich abgeschlossen sind, kann das Leiterplattendesign gedruckt werden. Anders als andere Pläne, beispielsweise Architekturzeichnungen, werden Leiterplattenpläne nicht auf einem normalen DIN-A4-Blatt ausgedruckt. Stattdessen kommt ein spezieller Drucker, ein sogenannter Plotter, zum Einsatz. Ein Plotter erstellt einen „Film“ der Leiterplatte – im Prinzip ein Negativ der Platine selbst.
Die Innenschichten der Leiterplatte sind durch zwei Tintenfarben gekennzeichnet:
Klare Tinte: Kennzeichnet die nichtleitenden Bereiche der Leiterplatte, beispielsweise die Glasfaserbasis.
Schwarze Tinte: Wird für die Schaltkreise und Kupferspuren der Leiterplatte verwendet
Auf den äußeren Schichten des PCB-Designs ist dieser Trend umgekehrt: Schwarze Tinte bezieht sich ebenfalls auf Bereiche, in denen das Kupfer entfernt wird, und klare Tinte bezieht sich auf die Linie der Kupferbahnen.
Jede Leiterplattenlage und die zugehörige Lötstoppmaske erhalten eine eigene Folie. Eine einfache zweilagige Leiterplatte benötigt daher vier Folien: eine für jede Lage und eine für die Lötstoppmaske. Nach dem Bedrucken werden die Folien aufeinandergelegt und mit einem Loch, dem sogenannten Passerloch, versehen. Dieses Passerloch dient als Führung, um die Folien später im Fertigungsprozess exakt auszurichten.
Schritt 3: Drucken Sie das Kupfer für die Innenschichten
Dieser Schritt ist der erste im Entwicklungsprozess der Leiterplatte . Nachdem das Leiterplattendesign auf ein Laminat gedruckt wurde, wird Kupfer auf dieses Laminat vorverklebt, um die Struktur der Leiterplatte zu unterstützen. Anschließend wird das Kupfer entfernt, um das zuvor aufgebrachte Design freizulegen.
Anschließend wird die Laminatplatte mit einer lichtempfindlichen Folie, dem sogenannten Resist, überzogen. Der Resist besteht aus einer Schicht fotoreaktiver Chemikalien, die durch UV-Bestrahlung aushärten. Der Resist ermöglicht es Technikern, eine perfekte Übereinstimmung zwischen den Fotos des Bauplans und dem auf dem Fotoresist gedruckten Material zu erzielen.
Wenn Resist und Laminat mithilfe der zuvor erstellten Löcher ausgerichtet sind, werden sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Das ultraviolette Licht durchdringt die lichtdurchlässigen Teile der Folie und härtet den Fotoresist aus. Dies kennzeichnet Kupferbereiche, die als Leiterbahnen erhalten bleiben sollen. Schwarze Tinte hingegen verhindert, dass Licht an die Bereiche gelangt, die nicht aushärten sollen, sodass diese später entfernt werden können.
Nach der Vorbereitung der Platine wird diese mit einer alkalischen Lösung abgewaschen, um alle Reste des Fotolacks zu entfernen. Anschließend wird die Platine mit einem Hochdruckreiniger gereinigt, um alle Rückstände von der Oberfläche zu entfernen, und anschließend getrocknet. Nach dem Trocknen sollte der einzige Fotolack, der auf der Leiterplatte verbleibt, auf dem Kupfer sein, das nach dem Ablösen als Teil der Leiterplatte verbleibt. Ein Techniker überprüft die Leiterplatten auf Fehlerfreiheit. Sind keine Fehler vorhanden, geht es weiter mit dem nächsten Schritt.
Schritt 4: Vermeiden Sie unnötiges Kupfer
Der nächste Schritt im Leiterplattenherstellungsprozess ist die Entfernung unerwünschten Kupfers. Ähnlich wie die zuvor beschriebene alkalische Lösung wird eine weitere starke Chemikalie verwendet, um das Kupfer, das nicht vom Fotolack bedeckt ist, zu entfernen. Sobald das ungeschützte Kupfer entfernt ist, muss auch der zuvor ausgehärtete Fotolack entfernt werden.
Hinweis: Wenn Sie das unerwünschte Kupfer von Ihrer Leiterplatte entfernen möchten, müssen Sie bei schwereren Platinen möglicherweise mehr Lösungsmittel oder mehr Kupferlösungsmittel einwirken lassen.
Schritt 5: Inspektion und Schichtausrichtung
Nachdem die einzelnen Leiterplattenschichten gereinigt wurden, sind sie bereit für eine optische Prüfung und Lagenausrichtung. Die zuvor erstellten Löcher dienen zur Ausrichtung der äußeren und inneren Schichten. Ein Techniker legt die Schichten auf eine Stanzmaschine, eine sogenannte optische Stanze, um sie auszurichten. Anschließend treibt die optische Stanze einen Stift durch die Löcher, um die Schichten der Leiterplatte anzuordnen.
Nach dem optischen Stanzen führt eine weitere Maschine eine optische Prüfung durch, um sicherzustellen, dass keine Fehler vorliegen. Diese optische Prüfung ist äußerst wichtig, da vorhandene Fehler nach dem Zusammenfügen der Schichten nicht mehr korrigiert werden können. Um die Fehlerfreiheit sicherzustellen, vergleicht die AOI-Maschine die zu prüfende Leiterplatte mit dem Extended Gerber-Design, das als Herstellermodell dient.
Nachdem die Leiterplatte die Prüfung bestanden hat – das heißt, wenn weder der Techniker noch die AOI-Maschine irgendwelche Defekte gefunden haben –, geht es weiter mit den letzten Schritten der Leiterplattenherstellung.
Schritt 6: Laminieren Sie die PCB-Schichten
In diesem Stadium des Leiterplattenherstellungsprozesses liegen die Leiterplattenschichten zusammen und warten auf die Laminierung. Sobald die Fehlerfreiheit der Schichten bestätigt wurde, können sie miteinander verschmolzen werden. Der Leiterplatten-Laminierungsprozess erfolgt in zwei Schritten: dem Laminieren und dem Laminieren.
Außerhalb der Leiterplatte befinden sich fertige Glasfaserstücke, die mit Epoxidharz vorbeschichtet/getränkt wurden. Das ursprüngliche Substratstück ist zusätzlich mit einer Schicht dünner Kupferfolie bedeckt, die nun die Ätzungen für die Kupferleiterbahnen enthält. Sobald die äußeren und inneren Schichten fertig sind, werden sie zusammengeschoben.
Das Einlegen dieser Schichten erfolgt mithilfe von Metallklammern auf einem speziellen Pressentisch. Jede Schicht wird mithilfe eines speziellen Stifts auf dem Tisch befestigt. Der Laminiertechniker beginnt mit dem Einlegen einer Schicht vorbeschichteten Epoxidharzes (Prepreg) in die Ausrichtungswanne des Tisches. Eine einzelne Schicht des Substrats wird auf das vorimprägnierte Harz gelegt, gefolgt von einer Schicht Kupferfolie. Auf die Kupferfolie folgen wiederum weitere Schichten vorimprägnierten Harzes, die schließlich mit einem Stück Kupfer und einem letzten Stück Kupfer (Pressplatte) abgeschlossen werden.
Sobald die Kupferpressplatte angebracht ist, kann der Stapel hartgepresst werden. Der Techniker bringt ihn zu einer mechanischen Presse und presst die Schichten zusammen. Dabei werden Stifte durch den Schichtstapel gestanzt, um die korrekte Fixierung zu gewährleisten.
Sind die Lagen korrekt fixiert, wird der Leiterplattenstapel zur nächsten Presse, einer Laminierpresse, transportiert. Die Laminierpresse verwendet zwei Heizplatten, um Druck und Hitze auf den Lagenstapel auszuüben. Die Hitze der Platten schmilzt üblicherweise das Epoxidharz im Prepreg. Dies und der Druck der Presse verschmelzen die Leiterplattenlagen.
Wenn die Leiterplattenschichten zusammengepresst sind, muss ein wenig ausgepackt werden. Der Techniker muss die Stifte und die obere Pressplatte entfernen, um die eigentliche Leiterplatte herausziehen zu können.
Schritt 7: Bohren
Vor dem Bohren werden die Bohrpunkte mit einem Röntgengerät lokalisiert. Anschließend werden Führungs-/Registrierungslöcher gebohrt, um den Leiterplattenstapel vor dem Bohren der präziseren Löcher zu schützen. Beim Bohren dieser Löcher wird ein computergesteuerter Bohrer verwendet, der die Designdatei als Vorlage verwendet.
Nach dem Bohren wird das an den Rändern noch vorhandene Kupfer abgefeilt.
Schritt 8: PCB-Beschichtung
Nachdem die Platte gebohrt wurde, ist sie bereit für die Beschichtung. Beim Beschichtungsprozess werden alle Schichten der Leiterplatte mithilfe einer Chemikalie miteinander verschmolzen. Nach einer gründlichen Reinigung wird die Leiterplatte in verschiedenen Chemikalien gebadet. Dabei wird die Platte mit einer mikrometerdicken Kupferschicht überzogen, die sich über der obersten Schicht und in den zuvor gebohrten Löchern ablagert. Bevor die Löcher vollständig mit Kupfer gefüllt sind, dienen sie lediglich dazu, das Glasfasersubstrat freizulegen, aus dem das Innere der Platte besteht. Durch das Kupferbad werden die Wände der zuvor gebohrten Löcher abgedeckt.
Schritt 9: Bildgebung und Beschichtung der äußeren Schicht
Zuvor im Prozess (Schritt 3) wurde ein Fotolack auf die Leiterplatte aufgetragen. Nun folgt eine weitere Schicht Fotolack. Diesmal wird der Fotolack jedoch nur auf die äußere Schicht aufgetragen, da diese noch belichtet werden muss. Nachdem die äußeren Schichten mit Fotolack beschichtet und belichtet wurden, werden sie auf die gleiche Weise galvanisiert wie die inneren Schichten der Leiterplatte im vorherigen Schritt. Obwohl der Prozess derselbe ist, werden die äußeren Schichten verzinnt, um das Kupfer der äußeren Schicht zu schützen.
Schritt 10: Die letzte Ätzung
Beim letzten Ätzen der äußeren Schicht dient der Zinnschutz zum Schutz des Kupfers während des Ätzvorgangs. Unerwünschtes Kupfer wird mit dem zuvor erwähnten Kupferlösungsmittel entfernt, wobei das Zinn das wertvolle Kupfer im Ätzbereich schützt.
Sobald das gesamte unerwünschte Kupfer entfernt ist, sind die Verbindungen der Leiterplatte ordnungsgemäß hergestellt und sie ist bereit für die Lötmaskierung.
Schritt 11: Lötstoppmaske auftragen
Um die Platten vollständig für die Lötstoppmaske vorzubereiten, müssen sie gereinigt werden. Nach der Reinigung wird ein Epoxidharz mit Lötstoppmaske aufgetragen. Anschließend werden die Platten mit ultraviolettem Licht bestrahlt, um bestimmte Bereiche der Lötstoppmaske für die Entfernung zu markieren.
Nachdem die nicht benötigten Lötstoppmaskenstücke vollständig entfernt wurden, wird die Leiterplatte in einen Ofen gelegt und erhitzt, damit die Lötstoppmaske aushärtet.
Schritt 12: Fertigstellen der Leiterplatte und des Siebdrucks
Im Rahmen des Endbearbeitungsprozesses wird die Leiterplatte mit Silber, Gold oder HASL beschichtet, sodass die Komponenten an die erstellten Pads gelötet werden können und das Kupfer geschützt ist.
Nachdem die Leiterplatte – je nach Bedarf – versilbert oder vergoldet wurde, wird sie im Siebdruckverfahren bedruckt. Im Siebdruckverfahren werden alle aktiven Informationen auf die Leiterplatte gedruckt, wie z. B. Firmen-ID-Nummern, Herstellermarken und Warnhinweise.
Sobald die Leiterplatte plattiert und mit den richtigen Informationen im Siebdruckverfahren bedruckt wurde, kann sie zur letzten Aushärtungsphase weitergeleitet werden.
Schritt 13: Prüfung der Stromzuverlässigkeit
Nachdem die Leiterplatte beschichtet und (falls erforderlich) ausgehärtet wurde, führt ein Techniker eine Reihe elektrischer Tests an den verschiedenen Bereichen der Leiterplatte durch, um deren Funktionalität sicherzustellen. Die wichtigsten Tests sind Isolations- und Stromkreisdurchgangsprüfungen. Der Stromkreisdurchgangstest prüft auf Unterbrechungen in der Leiterplatte, sogenannte „Öffnungen“. Der Stromkreisisolationstest hingegen prüft die Isolationswerte der verschiedenen Leiterplattenteile, um Kurzschlüsse festzustellen. Die elektrischen Tests dienen in erster Linie der Sicherstellung der Funktionalität, dienen aber auch dazu, die Beständigkeit des ursprünglichen Leiterplattendesigns im Herstellungsprozess zu prüfen.
Es gibt weitere Tests, mit denen die vollständige Funktionsfähigkeit einer Leiterplatte festgestellt werden kann. Einer der wenigen hierfür verwendeten Haupttests ist der sogenannte „Nagelbetttest“. Bei diesem Test werden zahlreiche Federvorrichtungen an den Testpunkten der Leiterplatte befestigt. Die Federvorrichtungen setzen die Testpunkte dann einem Druck von bis zu 200 Gramm aus, um zu prüfen, wie gut die Leiterplatte dem Hochdruckkontakt an ihren Testpunkten standhält.
Wenn die Leiterplatte die Prüfung auf elektrische Zuverlässigkeit und alle anderen vom Hersteller gewünschten Prüfungen vollständig bestanden hat, kann mit dem nächsten Schritt fortgefahren werden: dem Schneiden.
Schritt 14: Schneiden und Profilieren
Der letzte Schritt im Leiterplattenherstellungsprozess ist das Schneiden und Ritzen der Leiterplatte. Dabei werden die einzelnen Leiterplatten aus der Originalplatte herausgeschnitten. Es gibt zwei Möglichkeiten, Leiterplatten aus ihren Originalplatten herauszuschneiden:
Mit einer V-Nut, die einen diagonalen Kanal entlang der Seiten des Bretts schneidet
Verwenden Sie einen Fräser oder eine CNC-Maschine, die kleine Laschen an den Kanten der Leiterplatte ausschneidet.
In jedem Fall lässt sich Ihre Leiterplatte problemlos von der Bauverkleidung lösen.
Normalerweise werden bei Leiterplattennutzen größere Arrays oder ggf. einzelne Platinen geritzt und ausgefräst, um sie nach der Bestückung von der Bauplatte abzubrechen.
Wenn die Platinen von der Bauplatte abgebrochen werden, gibt es eine letzte Kontrollphase der Leiterplattenherstellung:
Die Bretter werden auf allgemeine Sauberkeit überprüft, um sicherzustellen, dass keine scharfen Kanten, Grate oder andere Herstellungsgefahren vorhanden sind
Bei Bedarf kann eine Sichtprüfung angeordnet werden, um sicherzustellen, dass die Platinen den Industriespezifikationen entsprechen und mit den in den Daten festgelegten Details übereinstimmen. Der Techniker kann die Sichtprüfung bei Bedarf auch verwenden, um die physischen Abmessungen und die Lochgrößen der Leiterplatte zu überprüfen.
Schlitze, Fasen, Abschrägungen und Senkungen werden bei Bedarf während des Fräs- und Fertigungsprozesses hinzugefügt.
Wenn möglich, werden alle Kurzschlüsse repariert. Die kurzgeschlossenen Platinen werden dann mit denselben elektrischen Zuverlässigkeitstests wie oben erneut getestet.
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Wie oben aufgeführt, umfasst die Leiterplattenfertigung viele Schritte, die alle präzise ausgeführt werden müssen, um die hohe Produktqualität zu gewährleisten. Schon der kleinste Fehler kann die Leistung der Leiterplatten beeinträchtigen. Wenn Sie mit der Leiterplattenfertigung nicht vertraut sind, empfiehlt es sich, die Fertigung an einen zuverlässigen Hersteller auszulagern. MOKO Technology ist mit jahrelanger Branchenerfahrung ein führender Anbieter von Leiterplattenfertigungsdienstleistungen, der die Bedürfnisse von Kunden aus verschiedenen Branchen erfüllt. Unsere hochmodernen Anlagen, fortschrittliche Fertigungstechnologie und unser erfahrenes Team garantieren, dass jede gefertigte Leiterplatte höchsten Qualitätsstandards entspricht und strengsten Normen genügt. Darüber hinaus bieten wir eine Reihe von Anpassungsmöglichkeiten, um den individuellen Bedürfnissen jedes Kunden gerecht zu werden. Kontaktieren Sie uns noch heute, um Ihr Leiterplattenfertigungsprojekt zu starten!
