WISSENSDATENBANK

FERTIGUNGSVERFAHREN VON LEITERPLATTEN

Herstellung einer Multilayer-Leiterplatte

1.0

DESIGNPRÜFUNG UND VORBEREITUNG DER PRODUKTIONSTOOLS.

Der erste Schritt im Herstellungsprozess von Leiterplatten ist die Kontrolle der Fertigungsdaten, die vom Designer bereitgestellt wurden, sowie die Vorbereitung der Fertigungswerkzeuge und CAM-Daten.

1.1

Produktionsdatenpaket

Resultatet av PCB-designen är ett datapaket åt tillverkaren i ett branschstandardformat – Extended Gerber eller ODB++.Gerberfilerna definierar kopparlager, lödmask och komponentbeteckningar. Dessutom innehåller paketet med tillverkningsdata en borrfil, en nätlistefil samt allmänna specifikationer.

1.2

Design for Manufacturing

Unsere Ingenieure überprüfen, ob die Produktionsdaten im Datenpaket vollständig und verständlich sind.Des Weiteren stellen wir sicher, dass unsere Fertigungsmöglichkeiten für das Design und die technischen Daten geeignet sind.{1].

1.3

Sobald alle technischen Fragen geklärt sind, werden die benötigten Fertigungswerkzeuge vorbereitet.

1.31

Vorbereitung der Produktionsnutzen

Für die Fertigung von Leiterplatten werden standardmäßige Produktionsnutzen verwendet.Diese müssen so konzipiert sein, dass die beste Auslastung des verfügbaren Materials unter Berücksichtigung der Abmessungen der Leiterplatte und der Herstellungsanforderungen wie Prozesskontrollcoupons, Werkzeuglöcher Aufnahmebohrungen und Bearbeitung Handling verwendet wird.

production panel
1.32

Vorbereitung des Belichtungsfilms

Für jeden Leiterplatten-Layer wird anhand eines Laserplotters ein Film erstellt.Der Laserplotter befindet sich in einer temperaturund feuchtigkeitskontrollierten Dunkelkammer.Die Filme werden gemeinsam aufgenommen, um zu gewährleisten, dass die einzelnen Layer einwandfrei zueinander ausgerichtet sind. Die gestanzten Registrierlöcher werden später dazu genutzt, die Filme für die UV-Belichtung miteinander auszurichten.Eine weitere Methode ist die Laserdirektbelichtung, kurz LDI (Laser Direct Imaging), bei der eine CCD-Kamera in einem Belichter zum Registrieren des Belichtungsfilms verwendet wird.Abbildung 1.3.2.

working film
2.0

INNENLAGEN

Zur Vorbereitung der Innenlagen wird Basismaterial aus Epoxidharz und Glasgewebe verwendet, welches auf beiden Seiten mit Kupferfolie überzogen ist. Das Prinzip besteht darin, überschüssiges Kupfer zu entfernen und nur dort Kupferbahnen beizubehalten, wo sie für die Schaltkreise benötigt werden.

2.1

Basismaterial

Der Kern der Innenlage besteht aus Epoxidharz und Glasgewebe und ist auf beiden Seiten mit Kupferfolie überzogen.In den meisten Fällen wird FR4-Material verwendet.
Die beidseitige Kupferschicht wird in einem chemischen Reinigungsverfahren gereinigt, um Oxide und eventuelle Verunreinigungen von den Innenlagen zu entfernen. Gleichzeitig wird die Kupferoberfläche mit Bürstwalzen aufgeraut, um eine ausreichende mechanische Adhäsion zu gewährleisten.

base material
2.2

Laminierung mit Trockenresist

Der Kern wird nun durch ein geheiztes Walzenpaar geführt (Temperatur: ca. 110{1] º[2} C, Druck: 3–5 bar).Da die Kupferoberfläche lichtempfindlich für UV-Strahlung ist, erfolgt die weitere Bearbeitung bei Gelblicht.

dray film lamination
2.3

Belichtung der Innenlagen

Das Resist für die Lage wird auf das laminierte Material gelegt und das Laminat mit einer starken UV-Lampe belichtet.Da die Leiterplattenbahnen auf dem Film durchsichtig sind, wird das darunter befindliche Laminat mit UV-Licht belichtet.Der belichtete Bereich wird in einem chemischen Prozess polymerisiert und die Bahnen härten aus.{1]
Die Bereiche unter den schwarzen Strukturen des Films werden auspolymerisiert und können im weiteren Entwicklungsprozess ausgewaschen werden.

exposure
2.4

Entwicklungsprozess

Für die Entwicklung werden die Innenlagen horizontal mit einer Natriumcarbonat-Lösung eingesprüht und anschließend mit klarem Wasser abgespült und getrocknet.Dadurch werden die nicht belichteten Bereiche entfernt.

development process
2.5

Ätzen des Innenlagenkerns

Der Innenlagenkern wird nun erneut besprüht, abgespült und getrocknet,dieses Mal jedoch unter Einsatz einer sauren Lösung.Hierdurch wird das Kupfer aus den belichteten Bereichen entfernt und verbleibt nur in den Leiterbahnen und Lötpads.Die Dauer des Prozesses hängt dabei von der Kupferdicke der Lagen ab.Je dicker die Kupferlagen sind, desto geringer ist die Feinheit des Leiterbildes.

inner layer
2.6

Strippen

Die Innenlagen werden nun einer AOI-Kontrolle, sprich einer automatischen optischen Kontrolle (oder Automatic Optical Inspection) unterzogen, um Unterbrechungen und Kurzschlüsse zu erkennen sowie die einwandfreie Anordnung der Leiterbahnen im Vergleich zu den ursprünglichen Designdaten zu überprüfen.

striping
2.7

AOI-Überprüfung

Inner layers undergo an automated optical inspection to detect opens and short as well as proper circuit geometrics in comparison with the original design data.

2.8

Vorbereitung zum Braunoxidieren

Die Oberflächen der Innenlagen werden nun chemisch vorbereitet und aufgeraut, um die Haftung zwischen der PREPREG-Harzschicht und der Kupferschicht der Innenlage während des Laminierungsprozesses zu verbessern.

3.0

LAMINIERUNG

3.1

Materialschichten

Vor der Laminierung werden die einzelnen Lagen geschichtet.Die untere und damit äußere Schicht bildet eine Kupferfolie.Darauf folgen PREPREGs, auf die die Innenlagen platziert werden, jeweils im Wechsel mit einem PRPREG, darauf wieder PREPREGs und abschließend eine zweite Kupferfolie als obere und damit äußere Schicht.Darauf folgen PREPREGs, auf die die Innenlagen platziert werden, jeweils im Wechsel mit einem PRPREG, darauf wieder PREPREGs und abschließend eine zweite Kupferfolie als obere und damit äußere Schicht.PREPREGs dienen als Isolierund Verbundmaterial zwischen den einzelnen Lagen einer Leiterplatte.

material layup
3.2

Hochdrucklaminierung

Die so geschichteten Lagen werden nun bei hohen Temperaturen und hohem Druck unter Vakuum laminiert.Die so geschichteten Lagen werden nun bei hohen Temperaturen und hohem Druck unter Vakuum laminiert.Mehrere durch Trennschichten getrennte Leiterplatten werden gleichzeitig miteinander verpresst.Durch die Hitze schmilzt das Epoxidharz in den PREPREGs und verhärtet und durch den Druck schmilzt die Leiterplatte zusammen.

high pressure
3.3

Besäumen

Das überlappende Material, das aus dem laminierten Produktionsnutzen ausgetreten ist, wird entfernt, und der saubere Nutzen sieht aus wie Laminat.

4.0

BOHREN

4.1

Röntgenanalyse

Zunächst werden die nicht sichtbaren Lötpads auf den Innenlagen mittels Röntgenstrahlen identifiziert.Anhand der Röntgenanalyse lassen sich die Lötpads erkennen und neue Referenzlöcher für das Bohren berechnen.

x-ray
4.2

Bohren

Die Bohrungen werden mit einer CNC-Hochgeschwindigkeitsbohrmaschine in die Leiterplatte gebohrt (bis zu 280.000 Umdrehungen/Minute).Die Bohrungen müssen möglichst sauber und glatt sein, um eine hochwertige Verkupferung zu ermöglichen.
Es können bis zu 3 Produktionsnutzen gestapelt und die Bohrungen in allen Nutzen gleichzeitig ausgeführt werden.Dazu wird unter die Produktionsnutzen eine Unterlegplatte und auf die Nutzen eine Aluminiumplatte gelegt. Die Unterlegplatte verhindert das Bohren in die Bohrmaschine, ermöglicht aber gleichzeitig das vollständige Durchbohren der Nutzen ohne Entstehung von Graten. Die obere Aluminiumplatte verhindert Grate und das Abrutschen des Bohrers. Beide Platten schützen die Nutzenoberfläche vor Beschädigung und Kratzern.

4.3

Bürsten und Desmear

Nach dem Bohren wird die Oberfläche der Leiterplatte mit schwingenden und drehenden Bürstwalzen mechanisch gebürstet.Die Bohrungen werden mit Permanganat oder Sauerstoffplasma gereinigt, um eventuelle durch geschmolzenes Harz auf dem Kupfer entstandene Verunreinigungen zu entfernen. Harzrückstände auf dem Kupfer können die elektrische Leitfähigkeit zwischen den verkupferten Bohrungen und den Leiterplattenbahnen in den Lagen beeinträchtigen.

5.0

CHEMISCHE VERKUPFERUNG

5.1

Chemische Verkupferung

Um eine elektrische Verbindung zwischen den Bohrungen und allen Lagen herzustellen, wird durch chemisches Kupfer ein leitender Film mit einer Stärke von 0,5–0,7 µ hergestellt. Diese leitende Schicht bildet die Grundlage für die anschließende Verkupferung.

electroless plating
6.0

VERKUPFERN DER AUSSENLAGE

Die Außenlagen werden gemäß einem ähnlichen Verfahren wie die Innenlagen verkupfert. Der Unterschied besteht darin, dass die Bohrungen, Leiterbahnen und Lötpads der Außenlagen anhand elektrolytischer Verkupferung verkupfert werden.

6.1

Laminierung der Außenlagen mit Trockenresist

Die Außenlagen werden gemäß demselben Verfahren wie die Innenlagen laminiert. Der Produktionsnutzen wird nun durch ein geheiztes Walzenpaar geführt (Temperatur: ca. 110{1] º[2} C, Druck: 3–5 bar). Da die Kupferoberfläche lichtempfindlich für UV-Strahlung ist, erfolgt die weitere Bearbeitung bei Gelblicht.

6.2

Belichten und Entwickeln

Die Außenlagen werden gemäß demselben Verfahren wie die Innenlagen belichtet und entwickelt. Allerdings kommt nun ein Negativ-Belichtungsprozess zur Anwendung. Die Leiterbahnen sind nicht vom Resist bedeckt und können daher galvanisch verkupfert werden. Die Bereiche zwischen den Leiterbahnen werden mit polymerisiertem Laminat bedeckt.

6.3

Elektrolytische Verkupferung

Alle Leiterbahnen und Bohrungen sind mit einer leitfähigen, elektrolytisch abgeschiedenen Kupferschicht überzogen. Die Bohrungen stellen die elektrische Verbindung zwischen den Leitungen auf den Lagen dar. Für eine gute Verbindung muss die Kupferschicht an den Bohrwänden 20–25 µ betragen. {1]Die Gesamtstärke der Kupferschicht auf den Außenlagen errechnet sich somit aus der Kupferstärke auf den einzelnen Lagen plus den zusätzlichen aufgekupferten 25–30 µ.

copper plating
6.4

Galvanische Zinnabscheidung

In einem zweiten galvanischen Schritt wird das Kupferleiterbild im Hinblick auf den anschließenden Ätzprozesses geschützt. Diese Lage wird auch oft als Ätzresist bezeichnet.

tin plating
6.5

Strippen des Laminats

Das Laminat wird entfernt, um die Kupferflächen für das Ätzen freizulegen.

6.6

Ätzen und Zinnstrippen

In einem Ätzprozess wird überschüssiges Kupfer entfernt, d. h., das Kupfer bleibt nur in den Leiterbahnen und Lötpads erhalten, die von der Zinnschicht geschützt sind. Anschließend wird das Zinn mit Salpetersäure entfernt.

7.0

7.0LÖTSTOPPMASKE

Auf die meisten Leiterplatten wird eine Lötstoppmaske aufgetragen, um freiliegende Kupferflächen bei späteren Lötprozessen zu schützen und Zinnbrücken zu vermeiden.

7.1

Die Produktionsnutzen werden gebürstet und gereinigt.

7.2

Die Produktionsnutzen werden auf beiden Seiten mit einer 15–25 µ dicken Lötstoppmaske aus Epoxidharz beschichtet.

7.3

Anhand von UV-Licht und einem Belichtungsfilm wird die Lötstoppmaske in den gewünschten Bereichen gehärtet.

7.4

Im anschließenden Entwicklungsprozess wird die Lötstoppmaske aus den nicht belichteten Bereichen weggespült.

7.5

Die Lötstoppmaske wird in einem Ofen weiter ausgehärtet.

solder mask
8.0

OBERFLÄCHENBEHANDLUNG

In diesem Prozess wird auf den Kupferflächen der Leiterplatte, die nicht mit der Lötstoppmaske überzogen sind, eine lötfähige Oberfläche erzeugt.Hierdurch wird das Kupfer geschützt, bis die Bauteile angebracht und auf die Leiterplatte gelötet werden.Verschiedene Oberflächenbehandlungen sind möglich. Am häufigsten wird Hot Air Leveling (HAL) und Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) verwendet.

8.1

HAL

Im HAL-Prozess, sprich bei der Heißluftverzinnung, wird auf allen Lötpads eine Lötschicht erzeugt. Der gesamte Produktionsnutzen wird in flüssiges Lot getaucht und beim Herausziehen mit heißer Pressluft freigeblasen.Das überschüssige Lot, welches sich nicht mit dem freiliegenden Kupfer verbunden hat, wird weggeblasen und die Kupferflächen und Bohrungen bleiben überzogen.
Als Lotmaterial wird entweder eine Zinn/Blei-Legierung oder nur Zinn (bleifrei) verwendet.

8.2

ENIG

Bei diesem Prozess wird zunächst Nickel chemisch auf das Kupfer abgeschieden und dann eine dünne Goldschicht auf das Nickel aufgetragen.Der gesamte Prozess erfolgt automatisch. Dabei werden die Nutzen durch eine Reihe von Behältern geführt, in denen die Kupferoberfläche zunächst gereinigt wird und anschließend eine 3–5 µ dicke Schicht Nickel und dann eine mindestens 0,05 µ dicke Schicht Gold abgeschieden werden.

8.3

Hartgoldauflage

Randstecker werden in einem galvanischen Prozess mit 1–1,5 µ Gold über 4–5 µ Nickel realisiert. Diese Art der Galvanisierung wird insbesondere für Leiterplatten mit umfangreicher Bestückung verwendet.

9.0

LEGENDE DRUCKEN

Der Kennzeichnungsdruck der Leiterplatte erfolgt im Siebdruckverfahren.

legend print
10

ROUTING

Die Produktionsnutzen werden gemäß den Gerber-Daten mithilfe einer CNC-Steuerung in einzelne Leiterplatten zugeschnitten.

routing
11

ELEKTRISCHER TEST

Jede Leiterplatte wird einer elektrischen Prüfung unterzogen. Hierbei wird sie mittels Nadelbetttester oder Fingertester gegen die Gerber-Daten geprüft.

lectrical test
12

ENDKONTROLLE

Im letzten Schritt erfolgt eine visuelle Kontrolle des Endprodukts. Hier wird die fertige Leiterplatte gemäß IPC-600 auf kosmetische Fehler wie Kratzer und Verunreinigungen überprüft.

final quality test