Wie Leiterplatten hergestellt werden

Bei der Leiterplattenherstellung werden Designdateien, einschließlich Gerber und Netzlisten, in physische Leiterplatten konvertiert, auf denen Komponenten platziert und gelötet werden können.

Der Herstellungsprozess beginnt mit Design-Ausgabedateien (Gerbers, Netzlisten, Bohrdateien usw.). Diese Ausgabedateien werden während der Designphase generiert, einschließlich der Entwicklung von Produktkonzepten, der schematischen Eingabe, des Layoutdesigns und der Dateigenerierung. Die nächste Stufe umfasst die Fertigung und Bestückung der Leiterplatten.

Das folgende Flussdiagramm zeigt die Schritte der Leiterplattenherstellung.

A. Design- und Board-Ausgabedateien

Nach Erhalt der Designdateien vom PCB-Designer beginnt die Fertigung schnell. Konstrukteure erstellen Ausgabedateien im Gerber- oder ODB plus plus-Format für die Fertigung und erstellen Stücklisten (BOMs) für die Montage.

Hersteller führen DFM-Inspektionen durch, um potenzielle Risiken und Fehler zu identifizieren, die im Herstellungsprozess auftreten können. Designer/Kunden werden benachrichtigt, wenn etwas schief geht. Die korrigierte Datei wird dann in ein CAM-System (Computer Aided Manufacturing) eingespeist, um das Format der Grafikschichten, Bohrlochdaten, IPC-Netzliste zu erkennen und die elektronischen Daten in ein Bild umzuwandeln. Es überprüft auch die Layer-Reihenfolge, führt Design Rule Checks (DRC) durch und macht viele andere Dinge.

Alle Schichten werden mit einer Gerber-Datei als Eingabe analysiert. Auch der Stapelplan wird entsprechend ablaufen. Später erstellt CAM Ausgabedateien für die verschiedenen Fertigungsabteilungen. Zu den Ausgabedateien gehören Bohrprogramme (Neben- und Hauptbohrlöcher), Bildgebungsschichten, Lötstoppmasken-Dateiausgabe, Routing-Dateien und IPC-Netzlisten.

B. Bildgebung der inneren Schicht

Hersteller verwenden aufgrund der Miniaturisierung meist LDI (Laser Direct Imaging). Sie verwendeten auch einen speziellen Drucker namens Plotter, der fotografische Filme von Schaltungsschichten, Lötmasken und Siebdruckschichten herstellte, um Schaltungsbilder zu drucken. Das Panel besteht aus einem lichtempfindlichen Film namens Photoresist. Fotolacke enthalten eine Schicht aus fotoreaktiven Chemikalien, die bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht polymerisieren. Die Platte befindet sich nun unter einem computergesteuerten Laser. Der Computer scannt die Oberfläche der Leiterplatte und wandelt sie in ein digitales Bild um. Dieses digitale Bild wird mit einer vorinstallierten CAD/CAM-Designdatei abgeglichen, die die erforderlichen Bildspezifikationen enthält. Auf die gleiche Weise wird auf der Innenschicht ein Negativbild erzeugt.

Der Prozessablauf von LDI ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Nach dem Entwickeln des Bildes wird der ungehärtete Fotolack (das zum Schutz benötigte Kupfer) mit einer alkalischen Lösung entfernt.

C. Radierung

In der Leiterplattenherstellung ist das Ätzen der Prozess, bei dem unerwünschtes Kupfer (Cu) von der Leiterplatte entfernt wird. Unerwünschtes Kupfer ist nichts anderes als stromkreisfremdes Kupfer. Als Ergebnis wird ein gewünschtes Schaltungsmuster erhalten.

Leiterplattenhersteller verwenden typischerweise Nassätzverfahren. Beim Nassätzen lösen sich unerwünschte Materialien, wenn sie in chemische Lösungen eingetaucht werden.

Wichtige Parameter, die während des Ätzprozesses zu berücksichtigen sind, sind die Geschwindigkeit, mit der die Platte bewegt wird, der Sprühnebel von Chemikalien und die Menge des wegzuätzenden Kupfers. Der gesamte Prozess wird in einer Förderband-Hochdruckzerstäubungskammer durchgeführt.

D. Photoresist-Stripping

Während dieses Prozesses wird der verbleibende Fotolack vom Kupfer weggeätzt. Das Verfahren umfasst die Verwendung einer Hochdruckwasserspülung, um korrosive Partikel (chemische Mittel) im Wasser aufzulösen, die den Fotolack zerstören.

E. Punch nach Inspektion und Ätzung

Wenn alle Schichten sauber und bereit sind, stellt der Hersteller sicher, dass Ausrichtungslöcher mit den Zielen auf den inneren Schichten für eine bessere Schicht-zu-Schicht-Ausrichtung gestanzt werden. Die Schichten werden in eine optische Stanze gelegt, um eine präzise innere und äußere Schichtausrichtung zu erreichen.

Die Inspektion bei diesem Verfahren wird durch visuelles Abtasten der Oberfläche der Leiterplatte erreicht. Die Leiterplatte wird von verschiedenen Lichtquellen beleuchtet, wofür eine oder mehrere hochauflösende Kameras verwendet werden. Auf diese Weise erstellt ein AOI-System (Automated Optical Inspection) ein vollständiges Bild der Platine zur Überprüfung.

F. Braune Oxidbeschichtung

Hier wird das Leitermuster aus Kupfer mit braunem Oxid beschichtet, um Oxidation und Korrosion der inneren Schichten nach der Laminierung zu verhindern. Außerdem bietet es bessere Bindungseigenschaften für die Verbindung mit Prepregs.

G. Laminierung

Die Laminierung ist der Prozess des Verbindens von Prepreg, Kupferfolie und Innenkern in einem symmetrischen Stapel unter kontrollierter Temperatur und kontrolliertem Druck. Es ist ein zweistufiger Prozess:

Stapelvorbereitung

Verbindung

Mehrschichtplatten bestehen aus Kupferfolie, Prepreg und Innenkern. Diese werden durch Hitze und Druck zusammengehalten. Zur besseren Verklebung werden mechanische Pressen sowohl zum Heiß- als auch zum Kaltpressen eingesetzt. Der Bonder-Computer verwaltet den Vorgang des Erhitzens des Stapels, des Aufbringens von Druck und des Abkühlenlassens des Stapels mit einer kontrollierten Geschwindigkeit.

Das folgende Diagramm fasst den LDI-Prozess zusammen:

H. Bohren

Während des Bohrvorgangs Löcher für Durchgangslöcher bohren und Bauteile führen. Der Röntgenbohrer lokalisiert das Ziel in der inneren Schicht. Die Maschine bohrt präzise die Pilotlöcher. Die Maschine ist computergesteuert, wobei der Bediener ein bestimmtes Bohrprogramm auswählen kann. Es positioniert die XY-Koordinaten in die richtige Richtung. Es können Löcher mit einem Durchmesser von bis zu 100 Mikron gebohrt werden. Die Maschine kann auch die richtige Bohrergröße auswählen und entsprechend ausführen.

Durch das Bohren von Löchern entstehen erhöhte Metallenden, die allgemein als Grate bezeichnet werden. Der Entgratprozess entfernt jegliche Grate oder Verunreinigungen von der Oberfläche der Leiterplatte.

1. Chemische Verkupferung

Der erste Schritt im Galvanisierungsprozess besteht darin, die Lochtrommel leitfähig zu machen, indem eine sehr dünne Kupferschicht auf den Lochwänden chemisch abgeschieden wird. Dieser Prozess wird als stromloses Verkupfern bezeichnet. Die Reaktion wird durch einen Katalysator initiiert. Nach gründlicher Reinigung durchlaufen die Platten ein kontinuierliches chemisches Bad. Eine etwa {{0}}0,08 bis 0,1 Mikrometer dicke Kupferschicht wird auf dem Lochrohr und auf der Oberfläche der Platte abgeschieden.

J. Abbildung der äußeren Schicht

Wir verwenden Photoresist auf dem Panel für die Abbildung der Innenschicht. In ähnlicher Weise wird die Außenschicht der Platte unter Verwendung eines positiven Bildes abgebildet. Dabei folgt der Prozess dem Druckplattenätzverfahren. Im ersten Schritt wird die Platte gereinigt, um zu verhindern, dass Verunreinigungen und Staubpartikel an der Platte haften bleiben. Als nächstes wird eine Fotolackschicht auf die Platte aufgebracht. Danach wird LDI verwendet, um das Bild zu drucken.

K. Verkupferung

In diesem Schritt werden die Löcher und Oberflächen mit Kupfer galvanisiert. Das Panel wird vom Bediener in den Flight Stick geladen. Die Platte wirkt als Kathode zum Galvanisieren der Löcher und Oberflächen, da die Löcher eine dünne Schicht aus leitfähigem Kupfer abgeschieden haben, bereit zum Galvanisieren. Dies erfolgt durch eine automatische Beschichtungslinie. Vor dem Galvanisieren werden die Bleche in mehreren Bädern gereinigt und aktiviert. Jeder Plattensatz ist computergesteuert, um sicherzustellen, dass er für eine bestimmte Zeit in jeder Wanne verbleibt. Typischerweise wird 1 mil dickes Kupfer in der Lochtrommel abgeschieden.

Nach der Verkupferung folgt die Verzinnung. Als Resist wird Zinnplattierung verwendet. Es verhindert die Korrosion von Oberflächenmerkmalen wie Kupferpads, Lochpads und Lochwänden während des Ätzens der Außenschicht.

L. Photoresist-Stripping

Sobald die Platte plattiert ist, wird der Photoresist unerwünscht und muss von der Platte abgezogen werden, um das unerwünschte Kupfer freizulegen. Hier wird eine durchgehende Linie verwendet, um den Resist, der das unerwünschte Kupfer bedeckt, aufzulösen und wegzuwaschen. Dies ist die erste Stufe des Lift-Etch-Stripping-Prozesses.

M. Final Etch

In diesem Schritt wird das unerwünschte freigelegte Kupfer unter Verwendung eines Ammoniak-Ätzmittels entfernt. Gleichzeitig kann Zinn das gewünschte Kupfer aufnehmen. An diesem Punkt sind die leitenden Bereiche und Verbindungen richtig hergestellt.

N. Abisolieren von Zinn

Nach dem Ätzen wird die Zinnschicht auf den Kupferbahnen entfernt. Konzentrierte Salpetersäure wird verwendet, um das Zinn zu entfernen, es wird die darunter liegenden Kupferleiterbahnen nicht beschädigen. Dadurch entstehen deutliche, deutliche Kupferspuren auf der Leiterplatte.

O. Lötmaskenauftrag

Lötstoppmaske hat die folgenden Verwendungen:

Es bietet Isolationswiderstand für Leiterbahnen.

Unterscheiden Sie schweißbare und nicht schweißbare Bereiche.

Bietet Schutz vor Umwelteinflüssen, indem nicht schweißbare Bereiche mit Tinte abgedeckt werden.

LPI-Masken (Liquid Photo Imaging) kombinieren Lösungsmittel mit Polymeren, um eine dünne Beschichtung zu bilden, die auf verschiedenen Leiterplattenoberflächen haftet. Der Drucker bebildert die beschichtete Platte. Das UV-Licht in der Maschine härtet die Tinte in den klaren Bereichen aus. Entfernen Sie danach den gesamten ungehärteten Resist vom Imaging-Panel.

Die LPI-Härtung (Trocknung) verbindet die Tinte mit dem Dielektrikum. Es erleichtert die Lötmaskenhaftung. Der letzte Backschritt findet in einem Ofen oder unter einer Infrarotwärmequelle statt.

Als typische Lötstopplackfarbe wurde Grün gewählt, da es die Augen nicht belastet. Bevor Maschinen während der Produktion und Bestückung Leiterplatten prüfen können, werden alle Prüfungen manuell durchgeführt. Die Deckenbeleuchtung, mit der Techniker Leiterplatten inspizieren, wird von der grünen Lötstoppmaske nicht reflektiert, was sie sicherer für ihre Augen macht.

P. Oberflächenbeschaffenheit

PCB-Finish ist die Metall-zu-Metall-Verbindung zwischen blankem Kupfer und Komponenten auf dem lötbaren Bereich der Leiterplatte. Die Substratkupferoberfläche einer Leiterplatte ist ohne Schutzbeschichtung anfällig für Oxidation. Daher ist die Oberflächenveredelung von entscheidender Bedeutung, um sie vor Oxidation zu schützen. Darüber hinaus bereitet es Komponenten für das Löten auf der Platine während der Bestückung vor und verlängert die Haltbarkeit der Platine.

Es gibt verschiedene Arten von Oberflächenbehandlungen. Aufgrund der strengen RoHS-Spezifikationen werden jedoch häufig bleifreie Oberflächenveredelungen verwendet.

Faktoren wie Kosten, Umwelt, Komponentenauswahl, Haltbarkeit und Ertrag sollten bei der Auswahl einer Oberfläche berücksichtigt werden.

F. Siebdruck

Dabei wird die Beschriftung mit einem Tintenstrahlprojektor direkt aus den digitalen Daten der Leiterplatte abgebildet. Die Tinte wird mit einem Tintenstrahldrucker auf die Oberfläche der Platte siebgedruckt (verschmiert). Die Platte wird dann gebacken, um die Tinte zu härten. Es spezifiziert verschiedene Arten von Texten wie Teilenummern, Namen, Codes, Logos usw.

Es gibt drei Druckverfahren:

Manueller Siebdruck

Direkter Beschriftungsdruck

R. Elektrischer Test

E-Prüfstände für die elektrische Prüfung von blanken Leiterplatten. Verwenden Sie in diesem Schritt eine elektronische Sonde, um jede unbestückte Leiterplatte auf Kurzschlüsse, Unterbrechungen, Widerstand, Kapazität und andere grundlegende elektrische Eigenschaften zu prüfen. E-Test prüft die Leitfähigkeit der Platine anhand der Netzlistendatei. Die Netzliste enthält Informationen über die leitenden Verbindungsmuster der PCB.

Implementieren Sie Nagelbett- und Flying-Probe-Tests, um die Funktionalität zu testen.

Flying-Probe-Test

Beim Flying-Probe-Test wird eine Sonde verwendet, die sich gemäß den Anweisungen einer bestimmten Software von einem Punkt zum anderen bewegt. Dies ist ein befestigungsloses Testverfahren. Zu Beginn wird ein Flying-Probe-Testprogramm (FPT) generiert und anschließend in den FPT-Tester geladen. Der Tester legt elektrische Signale und Strom an die Sondenpunkte an, die dann gemäß dem Testverfahren gemessen werden.

Nagelbett

Das Nagelbett ist die traditionelle Methode zum elektrischen Testen von unbestückten Leiterplatten. Es erfordert die Erstellung einer Testvorlage mit Pins, die mit Testpositionen auf der Leiterplatte ausgerichtet sind. Das Verfahren ist schnell und für großtechnische Produktionsanlagen geeignet.

S. Analyse und v-Scoring

Im letzten Fertigungsschritt werden die Leiterplatten aus den Produktionsplatten geformt und geschnitten. Das verwendete Verfahren besteht entweder darin, ein Pfostenloch oder einen V-förmigen Schlitz zu verwenden. V-Nuten schneiden diagonale Kanäle auf beiden Seiten des Bretts, während Pfostenlöcher seitliche Nuten entlang der Kante hinterlassen. In jedem Fall können die Platinen einfach aus dem Panel ausgeworfen werden.