Der 15-stufige Leiterplattenherstellungsprozess für mehrschichtige Leiterplatten

Es gibt keine Standard-Leiterplatte, da jede Leiterplatte eine einzige Funktion für ein bestimmtes Produkt hat. Die Herstellung einer Leiterplatte ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. Hier betrachten wir die wichtigsten Fertigungsschritte bei der Herstellung einer Multilayer-Leiterplatte.

Schritt 1: Design und Ausgabe

Der erste Schritt im PCB-Herstellungsprozess ist das Design. Designer verwenden spezielle Software wie Extended Gerber oder IX274X, um einen Entwurf für die Leiterplatte zu erstellen, der alle Anforderungen und Spezifikationen erfüllt. Diese Softwaretools dienen nicht nur der Layoutgestaltung, sondern kodieren auch die notwendigen Informationen für das Design-Ausgabeformat.

Extended Gerber ist eine häufig verwendete Designsoftware, die verschiedene Informationen kodiert, die Designer benötigen, wie z. B. die Anzahl der Kupferschichten, die Anzahl der Lötmaskenschichten und das Komponentensymbol. Sobald der PCB-Entwurf kodiert ist, werden alle Designaspekte überprüft, um sicherzustellen, dass keine Fehler vorliegen.

Das PCB-Fertigungshaus erhält das fertige PCB-Design zur Fertigungsvorbereitung. Im Fertigungswerk wird der Entwurfsplan DFM-Prüfungen (Design for Manufacturing) unterzogen, um sicherzustellen, dass der Entwurf die für den Herstellungsprozess erforderlichen Toleranzen einhält. Der Zweck der DFM-Inspektion besteht darin, die Herstellbarkeit zu gewährleisten und sicherzustellen, dass die Qualität des Designs auf dem besten Niveau ist.

Nach dem DFM-Check Wird die Prüfung bestanden, führt der Designer eine Entwurfsprüfung durch und löst mögliche technische Probleme, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Entwurfs sicherzustellen.

Schritt 2: Entwurfsprüfung und technische Fragen

Designüberprüfungen und technische Fragen sind im zweiten Schritt des PCB-Herstellungsprozesses von entscheidender Bedeutung. Dieser Schritt prüft das Design auf mögliche Fehler oder Mängel und sorgt für einen reibungslosen Herstellungsprozess.

Ingenieure führen Designprüfungen durch und prüfen jeden Teil des PCB-Designs, um sicherzustellen, dass alle Komponenten und korrekten Strukturen enthalten sind. Sie stellen außerdem sicher, dass das Design den erforderlichen Spezifikationen entspricht und nicht gegen Herstellungsrichtlinien verstößt. Erst nachdem der Ingenieur den Entwurf genehmigt hat, erfolgt der nächste Schritt – der Druck.

Schritt 3: Drucken des PCB-Designs

Nachdem alle Prüfungen durchgeführt wurden, ist das Drucken des PCB-Designs der nächste Schritt. Im Gegensatz zu anderen Plänen (z. B. Architekturzeichnungen) werden Leiterplattenentwürfe nicht direkt auf normales 8.5 x 11-Papier gedruckt. Stattdessen wird ein spezieller Drucker, ein sogenannter Plotter, verwendet, um einen „Film“ der Leiterplatte herzustellen. Diese „Filme“ sind eigentlich Negative der Leiterplatte selbst, ähnlich den in Schulen üblichen Transparentfolien.

Die inneren Schichten der Leiterplatte werden mit zwei Tintenfarben dargestellt: Schwarze Tinte wird verwendet, um die Kupferleiterbahnen und Schaltkreise der Leiterplatte darzustellen, während klare Tinte nicht leitende Bereiche wie die Glasfaserbasis darstellt. Auf den äußeren Schichten des PCB-Designs ist diese Darstellung jedoch umgekehrt – klare Tinte bezieht sich auf Kupferdurchkontaktierungsleitungen, während schwarze Tinte auf Kupferbereiche hinweist, die entfernt werden.

Jede PCB-Schicht und die entsprechende Lötmaskenschicht haben ihre eigene Folie, also eine einfache Zweischichtige Leiterplatte erfordert vier Blätter – eines für jede Schicht und zwei begleitende Lötmaskenblätter.

Nachdem die Folien bedruckt wurden, müssen sie ausgerichtet und mit einem Locher, auch Pilotloch genannt, in sie gestanzt werden. Diese Ausrichtungslöcher dienen als Referenzpunkte für die Ausrichtung der Folie bei der späteren Fertigung.

Schritt 4: Drucken der inneren Schichten

Schritt vier markiert den Beginn der Erstellung der Leiterplatte. Der Prozess beginnt mit dem Drucken des PCB-Designs auf ein spezielles Material namens Laminat. Dann eine Schicht Kupferfolie oder es wird eine Kupferbeschichtung auf das Laminat aufgebracht. Das Kupfer ist fest mit dem Laminat verbunden und bildet die Struktur der Leiterplatte. Anschließend wird überschüssiges Kupfer entfernt, um das gewünschte Design freizulegen.

Als nächstes wird ein lichtempfindlicher Film namens Resist aufgetragen, um das Laminat abzudecken. Resists, die spezielle Chemikalien enthalten, die unter ultraviolettem Licht (UV) aushärten, ermöglichen es Technikern, das PCB-Design und den Fotoresist perfekt aufeinander abzustimmen.

Um den Resist genau auszurichten, verwenden Techniker zuvor im Prozess erstellte Löcher. Anschließend werden Laminat und Resist UV-Licht ausgesetzt. UV-Licht dringt durch den transparenten Teil des Films und härtet den Fotolack aus. Dies zeigt Bereiche an, in denen Kupfer verbleiben und Kanäle bilden sollte. Gleichzeitig verhindert die schwarze Tinte auf dem Resist, dass UV-Strahlen Bereiche erreichen, die nicht aushärten sollen, sodass sie später leichter entfernt werden können.

Sobald die Platine fertig ist, wird sie mit einer alkalischen Lösung gereinigt, um eventuelle Fotolackreste zu entfernen. Anschließend erfolgt eine gründliche Hochdruckreinigung, um eine saubere Oberfläche zu gewährleisten. Lassen Sie den Teller trocknen.

Nach dem Trocknen sollte sich nur noch der Resist auf dem Kupfer befinden, das Teil der endgültigen Leiterplatte sein wird. Ein Techniker überprüft die Leiterplatte noch einmal auf etwaige Fehler. Wenn alles gut aussieht, geht der Prozess zum nächsten Schritt über.

Dieser wichtige Prozess legt den Grundstein für eine mehrschichtige Leiterplatte und definiert deren elektrische Verbindungen genau. Präzision stellt hier sicher, dass die Leiterplatte in ihrer beabsichtigten Anwendung korrekt und zuverlässig funktioniert.

Schritt 5: Ätzen Sie die inneren Schichten oder den Kern, um Kupfer zu entfernen

Bei diesem Schritt geht es darum, überschüssiges Kupfer vorsichtig von den inneren Schichten der Leiterplatte zu entfernen, um die Kupferleiterbahnen freizulegen, die zum PCB-Layoutdesign passen.

Beim Ätzen wird der Kern bzw innere Schichten der Leiterplatte werden einer chemischen Behandlung unterzogen. Das notwendige Kupfer auf der Platine wird abgedeckt und geschützt, während der Rest der Platine einer speziellen Chemikalie ausgesetzt wird. Dieser chemische Prozess entfernt geschickt das gesamte ungeschützte Kupfer, sodass nur genau die Menge Kupfer übrig bleibt, die für die Funktionalität der Leiterplatte erforderlich ist.

Die Zeit und Menge des verwendeten Kupferätzlösungsmittels kann je nach Größe und Struktur der Leiterplatte variieren. Bei größeren Leiterplatten oder solchen mit schwereren Strukturen kann mehr Kupfer verwendet werden, was mehr Zeit oder Lösungsmittel für den Ätzprozess erfordert.

Daher spielt das Ätzen eine entscheidende Rolle bei der Perfektionierung der Kupferleiterbahnen der Leiterplatte, um sicherzustellen, dass sie genau zum Design-Layout passen und die optimale Leistung der Leiterplatte gewährleisten.

Schritt 6: Ausrichtung und Verklebung der Schichten

Die Lagenausrichtung ist ein entscheidender Schritt im Herstellungsprozess einer mehrschichtigen Leiterplatte. Sobald die einzelnen inneren Kupferschichten der Leiterplatte erstellt wurden, müssen sie sorgfältig ausgerichtet und miteinander verbunden werden, um eine vollständige und funktionsfähige mehrschichtige Leiterplatte zu bilden.

Während des Schichtausrichtungsprozesses wird jede innere Kupferschicht präzise positioniert und mit den angrenzenden Schichten verbunden. Durch diese Ausrichtung wird sichergestellt, dass die elektrischen Anschlüsse und Vias (Löcher, die die Schichten verbinden) zwischen den Schichten sind genau ausgerichtet und schaffen so einen kontinuierlichen und zuverlässigen leitenden Pfad durch die gesamte Leiterplatte.

Techniker verwenden Ausrichtungswerkzeuge und Passmarken auf den Kupferschichten, um die richtige Positionierung sicherzustellen. Diese Passmarken dienen als Referenzpunkte und helfen dabei, die Kupferschichten richtig anzupassen. Anschließend werden die Schichten unter Hitze und Druck zusammenlaminiert und so dauerhaft zu einer soliden mehrschichtigen Leiterplatte verbunden.

Schritt 7: Bohren

Durch die Leiterplatte werden kleine Löcher, sogenannte Vias, gebohrt, um verschiedene Schichten elektrisch zu verbinden. Für die Komponentenmontage werden auch größere Löcher gebohrt.

Vor dem Bohren wird ein Röntgengerät eingesetzt, um die Bohrstellen zu lokalisieren. Anschließend werden Pass-/Führungslöcher gebohrt, damit der Leiterplattenstapel gesichert werden kann, bevor die spezifischeren Löcher gebohrt werden. Wenn es an der Zeit ist, diese Löcher zu bohren, wird ein computergesteuerter Bohrer verwendet, um die Löcher selbst zu bohren, wobei die Feile aus dem Extended Gerber-Design als Führung dient.

Schritt 8: Galvanisieren und Kupferabscheidung

Nachdem die Platine gebohrt wurde, ist der nächste entscheidende Schritt die Beschichtung. Während dieses Prozesses wird eine Reihe chemischer Behandlungen eingesetzt, um alle verschiedenen Schichten der Leiterplatte miteinander zu verschmelzen. Die Leiterplatte wird gründlich gereinigt und dann in Chemikalien gebadet, wodurch sich eine mikrometerdicke Kupferschicht abscheidet.

Diese Kupferschicht bedeckt die oberste Schicht der Leiterplatte und füllt die gerade gebohrten Löcher. Vor der Plattierung legten diese Löcher das Glasfasersubstrat im Inneren der Platte frei. Allerdings sind die Löcher nach der Plattierung nun mit Kupfer ausgekleidet, wodurch ihre Wände effektiv abgedeckt werden.

Schritt 9: Außenschicht-Bildgebung

Zu Beginn des Prozesses (Schritt vier) wurde ein Fotolack auf das PCB-Panel aufgetragen. In diesem Schritt tragen wir Fotolack auf die äußeren Schichten des Panels auf und setzen sie UV-Licht aus, um das PCB-Design zu erstellen. Der gelbe Raum verhindert, dass UV-Licht den Fotolack beeinflusst. Transparente mit schwarzer Tinte sorgen für eine präzise Ausrichtung bei der Belichtung mit starkem UV-Licht und härten den Fotolack aus.

Die Außenplatten werden einer Inspektion unterzogen, um sicherzustellen, dass sämtlicher unerwünschter Fotolack entfernt wird. Später tragen wir zur Bildgebung eine weitere Schicht Fotolack auf die Außenschicht auf. Die äußeren Schichten werden dann auf die gleiche Weise wie die inneren Schichten plattiert, wobei für zusätzlichen Schutz eine Verzinnung hinzugefügt wird.

Schritt 10: Ätzen der äußeren Schicht und AOI

Beim abschließenden Ätzen der Außenschicht schirmt der Zinnschutz das wertvolle Kupfer ab und sorgt dafür, dass es geschützt bleibt. Unerwünschtes Kupfer wird mit demselben Kupferlösungsmittel entfernt, während das Zinn das gewünschte Kupfer im Ätzbereich bewahrt.

Im Gegensatz zur Innenschicht sind die Tinten für die Außenschicht umgekehrt. Dunkle Tinte deckt nicht leitende Bereiche ab und helle Tinte wird auf das Kupfer aufgetragen, sodass es durch eine Verzinnung geschützt werden kann. Während des Ätzens entfernen Ingenieure unnötiges Kupfer und verbleibende Resistbeschichtungen und bereiten die äußere Schicht für die automatische optische Inspektion (AOI) und die Lötmaskierung vor.

AOI-Prüfungen stellen sicher, dass die Schicht den Designanforderungen entspricht, und stellen sicher, dass überschüssiges Kupfer entfernt wird, sodass eine voll funktionsfähige Leiterplatte mit ordnungsgemäßen elektrischen Verbindungen entsteht.

Schritt 11: Lötmaskenanwendung

Als Vorbereitung für das Auftragen der Lötmaske werden die Platten einer gründlichen Reinigung unterzogen. Anschließend wird eine Epoxid-Lötmaskenfarbe aufgetragen, um die Oberfläche der Platine zu bedecken. Ultraviolettes Licht wird verwendet, um Bereiche anzuzeigen, in denen die Lötstopplack Sollte entfernt werden.

Nachdem die Techniker die vorgesehene Lötmaske entfernt haben, wird die Leiterplatte zum Aushärten in einen Ofen gegeben. Diese Maske bietet wertvollen Schutz für das Kupfer der Platine und schützt es vor möglichen Schäden durch Korrosion und Oxidation.

Schritt 12: Siebdruckauftrag und Oberflächenveredelung

Bei der Leiterplattenherstellung werden wichtige Informationen durchgehend auf die Leiterplattenoberfläche gedruckt Siebdruck Applikations- oder Legendendruck. Dazu gehören Firmen-ID-Nummern, Warnschilder, Herstellerkennzeichen, Teilenummern und andere Kennzeichen. Nach dem Drucken dieser Daten und dem Aufbringen der Oberflächenveredelung werden die Leiterplatten getestet, geschnitten und geprüft.

Um die Lötbarkeit zu verbessern, werden einige Leiterplatten chemisch mit Gold oder Silber beschichtet und durch Heißluftnivellierung werden gleichmäßige Pads erzeugt. Dadurch entsteht die Oberflächenbeschaffenheit, die je nach Kundenwunsch individuell angepasst werden kann.

Die fast fertige Leiterplatte wird dann per Tintenstrahl mit wichtigen Informationen beschrieben. Abschließend erfolgt die letzte Beschichtungs- und Aushärtungsphase. Diese Schritte stellen sicher, dass eine voll funktionsfähige und gut beschriftete Leiterplatte für den vorgesehenen Einsatz bereit ist.

Schritt 13: Elektrischer Test

Nach der Leiterplattenfertigung führen Techniker elektrische Tests durch, um die Funktionalität und Übereinstimmung mit dem ursprünglichen Design sicherzustellen. Die elektrischen Tests folgen den IPC-9252-Standards und umfassen Stromkreisdurchgangs- und Isolationstests. Der Durchgangstest prüft auf Unterbrechungen („Öffnet“), während der Isolationstest überprüft, ob in verschiedenen Teilen der Leiterplatte Kurzschlüsse vorliegen. Diese Tests garantieren nicht nur die Funktionalität, sondern bewerten auch, wie gut das ursprüngliche PCB-Design dem Herstellungsprozess standhält.

Zusätzlich wird der „Bed of Nails“-Test zur Bestimmung der PCB-Funktionalität eingesetzt. Dabei werden Federhalterungen an Testpunkten angebracht und diese einem Hochdruckkontakt ausgesetzt, um die Haltbarkeit der Platine unter solchen Bedingungen zu bewerten. Diese umfassenden elektrischen Bewertungen stellen die Qualität und Zuverlässigkeit der Leiterplatte sicher.

Schritt 14: Profiling und V-Scoring

In den letzten Schritten der Leiterplattenfertigung sind Profilierung und Schneiden von entscheidender Bedeutung. Bei der Profilierung werden Form und Größe einzelner Leiterplatten auf der Bauplatte anhand von Informationen ermittelt Gerber-Dateien. Dies leitet den Fräsvorgang, bei dem ein Fräser oder eine CNC-Maschine entlang der Kanten der Platine kleine Stücke erzeugt, die sich leicht und ohne Beschädigung trennen lassen.

Alternativ verwenden einige Hersteller eine V-Nutmaschine, um diagonale Schnitte entlang der Seiten des Bretts zu erzeugen. Beide Methoden gewährleisten eine saubere Trennung ohne Rissbildung. Nachdem die Bretter geritzt wurden, werden sie von der Bauplatte abgebrochen, womit dieser Schritt abgeschlossen ist.

Im letzten Schritt, dem Zuschneiden, werden die verschiedenen Bretter mithilfe einer Oberfräse oder einer V-Nut von der Originalplatte getrennt. Der Fräser hinterlässt kleine Laschen entlang der Platinenkanten, während die V-Nut diagonale Kanäle erzeugt. Bei beiden Methoden können die Platinen leicht aus der Platte herausgezogen werden, wodurch der Herstellungsprozess abgeschlossen ist.

Schritt 15: Endkontrolle

Im letzten Schritt des Prozesses unterzieht ein Team von Präzisionsprüfern jeder Platte eine sorgfältige zusätzliche Prüfung. Visuelle Überprüfung der Leiterplatte anhand bestehender Standards.

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