Leiterplattenherstellung | Leiterplattenmontage

Bei Semecs sind wir voll auf die Serienproduktion ausgerichtet. Wir produzieren normalerweise Bestellungen in Mengen von 5.000 bis über 500.000 Stück. Unsere größte Stärke bei der Montage im industriellen Maßstab ist unsere Flexibilität.

Mit unseren flexiblen Linien und Prozessen können wir uns sofort auf die unvermeidlichen Veränderungen im Markt einstellen.

Egal, ob dies zu Beginn des Prozesses oder dem Ende des Produktlebenszyklus geschieht: Sie können sich auf uns verlassen. Das nennen wir außergewöhnliche Leiterplattenbestückung. Da bestimmte Bereiche der Leiterplattenmontage höchste Präzision erfordern, investieren wir erheblich in die Robotisierung.

Leiterplattenbestückung per Hand

Leiterplatte hersteller Kompetenzen

Aufbau von Leiterplattenherstellungskästen

Aufbau und Zweck der Leiterplatte

Eine Leiterplatte ist das Kernstück eines elektronischen Systems. Sie ermöglicht die Strom-, Signal- und Datenübertragung von Quellen zu Zielen. Die Leiterplatte hat zwei Hauptfunktionen: Sie ermöglicht auf der einen Seite die stabile Befestigung von elektronischen Bauteilen und auf der anderen Seite die elektrische Verbindung zwischen den Komponenten. Der Stromfluss zwischen den elektronischen Bauteilen innerhalb der Leiterplatte wird durch Leiterbahnen, Tracks oder Signalbahnen ermöglicht. Diese werden aus Kupferblechen geätzt, die auf ein nicht leitendes Substrat aufgebracht werden. Die Leiterplatte muss während ihrer Lebensdauer eine hohe Leistung beibehalten, um Übertragungsverzögerungen oder eine ungenaue Datenübertragung zu vermeiden. 

Substratmaterialien für Leiterplatten (PCB)

Einige der in der Leiterplattenherstellung weit verbreiteten Substratmaterialien sind Epoxid, Polyamide, Polyethylenterephthalat und Polyethylennaphthalate aufgrund ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Nach wie vor ist das am häufigsten verwendete Substrat in der Leiterplattenherstellung ein glasfaserverstärktes (Fiberglas) Epoxidharz mit einer ein- oder beidseitig aufgeklebten Kupferfolie. Aufgrund seiner festen Struktur und Haltbarkeit bietet Fiberglas eine außergewöhnliche mechanische Festigkeit. Die Glasfaserschicht ist mit einem Epoxidharz überzogen, das ein hervorragender elektrischer Isolator und ein schwer entflammbares Material ist. Dies ist unerlässlich, da die Temperatur einiger elektrischer Komponenten häufig ansteigt.

Seiten der Leiterplatte

Die Leiterplatte hat von ihrer Funktion her zwei Seiten, wobei die Oberseite im Falle einer Steckplatine zur Bauteilaufnahme dient, während die Unterseite weithin als Lötseite bekannt ist, da sie bei der Bestückung mit der Lötwelle in Berührung kommt. Die Leiterplatte wird oft aus mehreren dünnen Lagen zusammengesetzt, deren Gesamtdicke innerhalb eines bestimmten, vom Kunden vorgegebenen Größenbereichs liegen muss. Da der Ausführungsstandard und die Randbedingungen von Jahr zu Jahr strenger werden, müssen Leiterplattenhersteller immer den neuesten Technologietrends in verschiedenen Bereichen folgen, insbesondere in der Medizinbranche, Automobilbranche und der Industrie.

Was ist Leiterplattenherstellung und wie wird sie durchgeführt?

Digitale und aktuelle Ausführung der Leiterplatten

Jede kundenspezifische Ausführung von Leiterplatten ist ein Ergebnis der besonderen Bedürfnisse von Kunden aus der Elektronikindustrie. Die Konstrukteure fahren mit den Ausführungen der Leiterplatte nach ihren Anforderungen mit Hilfe spezieller Software fort. Das Endergebnis ihres Designs ist ein Entwurf einer kundenspezifischen Leiterplatte, die alle notwendigen Spezifikationen enthalten muss, damit die Hersteller mit der Leiterplattenherstellung fortfahren können. 

Vor dem Entwurf der Leiterplatte sollten sich die Konstrukteure mit den Herstellern über die kompatible Software beraten, um mögliche Probleme während der Fertigungsphase zu vermeiden. Probleme können durch Diskrepanzen bei der Generierung von Gerber-Dateien entstehen, wenn die Software des Konstrukteurs falsche Sequenzen aufruft. Auch wenn eine bestimmte Software alle technischen Spezifikationen über die Leiterplatte kodiert, wie z. B. Kupferleitschichten, Bohrbilder, Durchbrüche und Bauteilbezeichnungen, kann es sein, dass die in die Herstellersoftware übertragenen Daten nicht mit den Originaldaten übereinstimmen. Daher ist während der Entwicklung der Leiterplatte besondere Aufmerksamkeit erforderlich, um eine mehrfache Wiederholung des Konstruktionsprozesses zu vermeiden.

Sobald der Konstrukteur den Entwurf der Leiterplatte abgeschlossen hat, führt er anhand einer Software eine Prüfung durch. Dabei wird mit Hilfe von Überwachungsalgorithmen sichergestellt, dass keine Kurzschlüsse oder andere Fehler vorhanden sind. Die Konstrukteure liefern außerdem die folgenden Spezifikationen: Leiterbahnbreite, Platinenrandabstand, Leiterbahn- und Lochabstände sowie Lochgröße. Nach erfolgreicher Machbarkeitsprüfung leiten die Entwickler die Leiterplatten-Datei an die Leiterplatten-Fertigungsfirma weiter. 

Um sicherzustellen, dass die Ausführung den Anforderungen an die Mindesttoleranzen während des Fertigungsprozesses erfüllt, führen fast alle Fertigungsunternehmen vor der Leiterplattenherstellung eine Design for Manufacture (DFM) Prüfung durch. Um erfolgreich mit der Leiterplattenherstellung fortzufahren, ist das Aushärten und Verformen des Substrats unerlässlich. Zunächst wird das Substrat entsprechend der erforderlichen Größe der Leiterplatte zugeschnitten. Nachdem das Material die endgültige Form erreicht hat, muss es durch den Ofen, wo es 3 bis 4 Stunden lang einer Temperatur von 150 Grad Celsius ausgesetzt ist. Die Substrataushärtung sorgt für die zusätzliche Aushärtung des Materials. Gleichzeitig werden im Ofen hochgiftige flüchtige organische Verbindungen freigesetzt, wodurch sichergestellt wird, dass nach der Herstellung keine giftigen Stoffe aus der Leiterplatte freigesetzt werden. 

Wenn ein Substrat fertig ist, kann die Umwandlung der digitalen in eine reale Leiterplatte mit dem Bestückungsdruck der Leiterplatten beginnen. Die Leiterplattenhersteller verwenden zum Bedrucken sogenannte Plotter, die zur Gruppe der Laserdrucker gehören, sich aber in Aufbau und Funktionsweise vom Standard-Laserstrahldrucker unterscheiden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Plotter eine präzisere Drucktechnologie verwendet, um eine klare und sichtbare Darstellung aller Details in der produzierten Folie zu gewährleisten. Die Folie besteht aus zwei Arten von Schichten, einer inneren und einer äußeren. Die Innenschichten enthalten zwei Tintenfarben, wobei schwarze Tinte Kupferbahnen und elektrische Schaltkreise darstellt, während klare Tinte nicht leitende Bereiche repräsentiert. Im Gegensatz zum Aufbau der inneren Schichten ist der Aufbau der äußeren Schichten entgegengesetzt. Klare Tinte repräsentiert Kupferbahnen, während schwarze Tinte Bereiche darstellt, in denen das Kupfer weggeätzt wird. Jede einzelne Leiterplattenlage und die dazugehörige Lötmaske haben ihre eigene Folie. Nachdem die Folien aller entworfenen Schichten gedruckt sind, werden sie mit höchster Präzision ausgerichtet. Anschließend wird das Registrierungsloch durch alle Folien gestochen.  Die Genauigkeit der Lochposition wird durch die Einstellung der Tischposition, auf der die Folie sitzt, erreicht. Die Löcher passen genau auf die Passstifte im Bildgebungsprozess.

Erzeugung von Stromkreisen in den inneren Schichten

Das primäre Ziel der Folienherstellung ist es, eine exakte Abbildung der Kupferbahnen-Stromkreise zu erstellen. Elektrische Schaltkreise innerhalb der inneren Schichten werden durch das Aufdrucken der Kupferbahnen aus der Folie auf Kupferfolien erzeugt. Um die Langlebigkeit der Leiterplatten zu ermöglichen und die Erwartungen unserer Kunden zu erfüllen, verwendet Semecs einen Sterilisationsprozess, um die meisten Zinnteile zu entfernen, die Kurzschlüsse oder Unterbrechungen verursachen könnten. Nach dem Aufbringen der Folie auf eine Kupferfolie erhält die saubere Platte eine hochreaktive lichtempfindliche chemische Schicht, die oft als Fotolack bezeichnet wird. Die lichtempfindliche Chemikalie bildet einen winzigen Film, der bei Einwirkung von UV-Licht einer bestimmten Wellenlänge aushärtet. Der Härtungsprozess stellt sicher, dass das exakte Muster vom Fotofilm auf den Fotolack übertragen wird. Die Folien passen auf Stifte, die anhand der Laminatplatte in Position gehalten werden.

Da nur weiße Teile der bedruckten Folie der inneren Lagen in der Leiterplatte verbleiben sollen, durchdringt das UV-Licht diese Teile und härtet gleichzeitig den Fotolack auf dem darunter liegenden Kupfer. Da die schwarze Farbe der bedruckten Folie das Licht vollständig absorbiert, verhindert sie das Aushärten der Bereiche, die nicht aushärten sollen. Wenn die innere Struktur der Leiterplatte geformt ist, wird sie mit einer alkalischen Lösung gewaschen, die lichtempfindliche chemische Rückstände, die nicht ausgehärtet sind, entfernt. Oft sorgt der zusätzliche Einsatz von entionisierten hochreinen Druckwasser für eine vollständige Entfernung aller unerwünschten Partikel. Nach der Reinigung wird die Platine einem Trocknungsprozess unterzogen, so dass Feuchtigkeit, die Kurzschlüsse verursachen könnte, vollständig entfernt wird.  Nach dem Trocknungsprozess ist die innere Schicht der Kupferstruktur fertiggestellt, während der Überschuss an der Oberfläche zum späteren Entfernen übrig bleibt. 

Permanente Verbindung von Schichten

Sobald alle Schichten fertiggestellt sind, müssen sie mit Mikropräzision ausgerichtet werden. Die Schichten werden entweder mit einem mechanischen Bohrer oder einem Laser ausgerichtet, wobei der Durchmesser der Laserbohrung regelmäßig unter 0,2 mm liegt, während die mechanische Bohrung einen Durchmesser von 0,3 mm oder weniger hat. Vor dem Stanzen von Löchern legt der Techniker alle Lagen in die Maschine, die sogenannte optische Stanze, die eine exakte Ausrichtung aller Lagen ermöglicht und somit ein genaues Stanzen der Registrierlöcher erlaubt. Die Qualitätssicherung erfolgt durch eine weitere Maschine, die eine optische Kontrolle durchführt. In dieser Phase liefert das Gerät Informationen über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Defekten und Dejustierungen. Außerdem vergleicht das Gerät die ursprüngliche Konstruktion von Gerber, die der Hersteller erhalten hat, mit ausgerichteten Schichten. Die Maschine tastet die Schichten mit einem Lasersensor ab und vergleicht das digitale Bild elektronisch mit der ursprünglichen Gerber-Datei. 

Durch die durchgestanzten Löcher sind die ausgerichteten Schichten fest verbunden, während die äußeren Schichten mit dem Substrat verbunden werden sollen. Dieser Prozess beinhaltet 2 konsequente Schritte: Schichtaufbau und Verklebung. Im Auflegeteil fixieren Metallklammern alle Schichten auf einem speziellen Presstisch.  Dann werden die Schichten auf Stifte montiert, die auf dem Tisch befestigt sind, um die Fehlausrichtung unter Druck während des Schweißvorgangs zu verhindern. 

Der Schichtaufbau erfolgt in der folgenden Reihenfolge:

  • Zuerst kommt die Substratschicht über das Epoxidharz, allgemein als Prepreg bezeichnet.
  • Als nächstes wird das Kupferblech auf die Substratschicht gelegt.
  • Anschließend werden weitere Platten aus Prepreg auf die Kupferschicht gelegt.
  • Zum Schluss wird auf alle zusammengesetzten Schichten eine weitere Kupferschicht gelegt, die im folgenden Prozess als Pressplatte dient. 

Ist der Auflegevorgang beendet, übernimmt der Techniker den Lagenstapel zu einer Laminierpresse. Diese Presse wendet mit Hilfe von zwei beheizten Platten sowohl Druck als auch Wärme an. Durch die entstehende Wärme schmilzt das Epoxidharz, welches daraufhin feste chemische Verbindungen mit der angrenzenden Schicht eingeht. Nach dem Pressvorgang entfernt der Techniker die obere Pressplatte sowie die zuvor angebrachten Stifte.
 

Schaffung eines Platzes für die Montage elektrischer Komponenten und Ermöglichung einer elektrischen Verbindung zwischen den Schichten

Wenn Schichten aufeinander gestapelt werden, erfolgt das Durchstechen von Löchern. Die Löcher werden mit einem Bohrer gestanzt, während Röntgenanalyse und Untersuchung eine höchst präzise Ausrichtung gewährleisten. Wie der Name schon sagt, nutzt das Röntgengerät elektromagnetische Wellen im Röntgenbereich, um die Bohrstellen zu lokalisieren. 

Die Bohrungen dienen in erster Linie der Befestigung der Bauteile und ermöglichen Verbindungen zwischen den Lagen der mehrlagigen Leiterplatte. Die Löcher erlauben daher die vertikale Richtung des Stromflusses, während der Strom innerhalb der einzelnen Schicht horizontal fließt. Es gibt drei Arten von Durchgangsbohrungen:

  1. Blind Vias: Sie befinden sich sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Leiterplattenoberfläche. Sie dienen zum Verbinden des Oberflächenkreises und des inneren Kreises.
  2. Buried Vias:  Dieses Loch verbindet die innere Schicht der Leiterplatte.
  3. Standardvia Diese durchdringen die gesamte Leiterplatte. Sie werden zur Positionierung von Komponenten verwendet.

Die Bohrer werden von luftbetriebenen Spindeln angetrieben, deren Wellen sich mit extrem hohen Drehzahlen von bis zu 150.000 U/min drehen. Der Bohrvorgang wird über einen Computer gesteuert, wobei die Daten über den eindeutigen Standort, die benötigte Drehzahl und die Tiefe der Bohrung für jede Bohrung unterschiedlich sind.  In den Bohrungen befinden sich später die Durchkontaktierungen und mechanischen Befestigungslöcher für die Leiterplatte. Die endgültige Befestigung dieser Teile erfolgt im Anschluss an die Galvanisierung.

Kupfer-Galvanisierung

Nach dem Bohren kommt die Platte zum Beschichten. Wie bereits erwähnt, sollten die gestanzten Löcher den Strom entlang der vertikalen Achse leiten, aber an dieser Stelle behindern Isolatorschichten den Stromfluss. Daher wird die Kupferbeschichtung entlang der Lochwände mit einer Reihe von chemischen Bädern durchgeführt, die eine etwa ein Mikrometer dicke Kupferschicht auf der Oberfläche der Platte aufbringen. Der Plattierungsprozess hat seinen Namen erhalten, da das Kupfer die Wände der Löcher vollständig plattiert. Die Folge der Plattierung ist, dass die gesamte Platte eine neue Kupferschicht erhält. Das periodische Reverse-Pulse-Plating-Verfahren wird häufig für die Kupferabscheidung verwendet. Der hohe Strom wird für einige Millisekunden in umgekehrter Richtung angelegt, wodurch die Wurfgeschwindigkeit des Kupfers in kleine Löcher verbessert wird.

Später, nach der Entfernung des überschüssigen Kupfers, erfolgt die galvanische Beschichtung der Platte mit der Kupferschicht. Nach dem Eintauchen des Paneels in die Kupferbäder erhält das Paneel in der Regel eine zusätzliche Beschichtung aus dünnen Schichten. Der Zweck des Zinns ist übrigens der äußere Schutz des Kupfers vor dem Wegätzen im folgenden Schritt.

Erzeugung von Stromkreisen in äußeren Schichten

Nachdem zuvor die inneren Lagen erstellt wurden, ist es nun an der Zeit, die elektrischen Schaltungen in den äußeren Lagen des Panels mit den Anforderungen an die Leiterplatten zu erstellen. Die äußeren Lagen werden im Sterilraum erzeugt, wodurch sichergestellt wird, dass kein Staub oder irgendein winziges Teilchen auf eine Panel-Oberfläche gelangt, wo es einen Kurzschluss oder einen offenen Stromkreis auf der fertigen Leiterplatte verursachen könnte. Anschließend wird eine Fotolackschicht auf die Plattenoberfläche aufgetragen. Nun überführt der Techniker die Platte in den sogenannten Gelbraum, wo die UV-Licht-Emission die Aushärtung der Fotolackschicht bewirkt.

Als nächstes folgt die Reinigung, bei der die Maschine den ungehärteten Fotolack, der durch die schwarze Tintentrübung geschützt ist, entfernt. Daher ist der Aushärtungsprozess in dieser Stufe eine Umkehrung zur Innenschichtbildung. Abschließend werden die Außenplatten einer Inspektion unterzogen, um sicherzustellen, dass der unerwünschte Fotolack vollständig entfernt wurde.

Da die mit Dünnschicht bedeckten Bereiche nun geschützt sind, werden alle anderen Kupferreste, die sich unter der verbleibenden Fotolackschicht befinden, entfernt. Die gleiche Lauge wie in Schritt 4 wird verwendet, um alle nicht gehärteten Teile des Fotolacks zu entfernen. Schließlich werden die gewünschten Kupferlinien, wie sie zu Beginn des Fertigungsprozesses vom Konstrukteur in der Gerber-Datei erhalten wurden, vollständig festgelegt.

Aufbringen der Korrosionsschutzschicht und Kennzeichnung der Leiterplatten

Die Korrosionsschutzschicht, allgemein als Lötmaske bezeichnet, besteht aus einem hochstabilen spezifischen Polymer, das die Leiterplatte vor Korrosion und Oxidation schützt. Sie ist an einer grünen Farbe zu erkennen, die regelmäßig auf einer Leiterplatte zu sehen ist.  Vor dem Aufbringen der Lötmaske auf der Unter- und Oberseite der Platine müssen die Platten sterilisiert werden. Sobald die Platine sauber ist, wird sie mit Epoxidharz und der Lötmaskenfolie bedeckt. 

Anschließend wird die Platine mit elektromagnetischen UV-Wellen bestrahlt, die den Fotofilm der Lötmaske durchdringen. Die abgedeckten Teile bleiben unausgehärtet und werden entfernt. Nachdem der Techniker die Lötmaske entfernt hat, ist die Leiterplatte bereit, im Ofen auszuhärten, wo die Verbindungen zwischen den Schichten zusätzlich aushärten, während eventuelle überschüssige Feuchtigkeit verdampft.

In diesem Moment ist der Leiterplattenbestückungsprozess abgeschlossen und die Leiterplatten sind funktionsfähig. Jede einzelne Platine muss entsprechend beschriftet werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Siebdruckprogramms. Unter Siebdruck versteht man die chemische Beschichtung der Plattenoberfläche mit Gold oder Silber. Die Silberapplikation ist für ein modernes High-Speed-Signaldesign notwendig, da Silber eine außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit besitzt und auch für Hochfrequenzsignalanwendungen geeignet ist. Auf der anderen Seite ist Gold ein ideales Material für Anwendungen, die eine niedrige Spannung und einen niedrigen Widerstand erfordern, was bei Leiterplatten der Fall ist. 

Die Leiterplatte muss standardmäßig die folgenden Informationen auf der Platine enthalten:

  • Firmen-ID-Nummern
  • Warnhinweise
  • Herstellermarken oder -logos
  • Teilenummern
  • Stiftspuren und ähnliche Markierungen

Die Hersteller drucken die oben genannten Daten im Siebdruckverfahren auf die Oberfläche der Platine. Dieser Prozess wird mit einem Tintenstrahldrucker durchgeführt, einem Computerdrucker, der ein digitales Bild durch das Aufbringen von Tintentröpfchen auf die Oberfläche der Platte erzeugt.

Qualitätssicherung und Trennung des Panels in einzelne Leiterplatten 

Wenn die Leiterplattenbestückung abgeschlossen ist, muss geprüft werden, ob die Platine ordnungsgemäß funktioniert, sobald sie an eine Spannungsversorgung angeschlossen oder Funkwellen ausgesetzt wird. Daher führt der Techniker einen elektrischen Test durch, um zu bestätigen, dass die Karte für den Einsatz bereit ist. Bei Seemecs verwenden wir die neueste Technologie für In-Circuit- und Funktionstests, um jeden Defekt innerhalb der Leiterplatte festzustellen und jedes potenzielle Risiko zu erkennen. Den Abschluss des Herstellungsprozesses einer Leiterplatte bildet das Schneiden. In diesem Stadium werden verschiedene, übereinander gestapelte Platten aus der ursprünglichen Platte geschnitten. Semecs bietet V-Cutting und Fräsen von Nutzenteilen an, um die höchsten Qualitätsstandards zu erfüllen, die von Kunden aus verschiedenen Bereichen gefordert werden.
 

Hochmoderne Produktionsanlage

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