Ablauf der Leiterplattenfertigung

Ausgangssituation

Die industrielle Leiterplattenfertigung ist ein aufwendiger und vielschichtiger Prozess, der unterschiedlichste Bearbeitungsschritte erfordert. Dabei wechseln sich mechanische, chemische und fotosensible Prozesse ab.

Jede Leiterplatte wird individuell hergestellt – zwar gibt es einige grundlegende Prozesse und zeitlich festgelegte Abfolgen – je nach Aufbau, Material und Anforderungen unterscheiden sich jedoch die Reihenfolge bzw. Dauer der einzelnen Arbeitsschritte erheblich.
Nicht jeder Hersteller ist in der Lage die gleiche Platte in der gleichen Qualität oder Zeit zu liefern – Maschinenpark und Know-How spielen eine essenzielle Rolle bei der Wahl des richtigen Partners.

Im Folgenden daher ein stark vereinfachter Überblick über die wichtigsten Prozesse. Abhängig vom Leiterplattentyp, deren Aufbau und Material kann der tatsächliche Ablauf stark abweichen – Arbeitsschritte finden in einer anderen Reihenfolge oder Häufigkeit statt bzw. dauern unterschiedlich lang.

Kundenauftrag

Je nach Endprodukt unterscheiden sich die benötigten Leiterplatten unserer Kunden stark in ihrer Größe und Komplexität. Zusätzlich spielen Menge und Liefertermin bei der Angebotserstellung bzw. Auftragsbearbeitung eine wichtige Rolle. In der Regel schicken unsere Kunden sogenannte Gerberdaten bzw. Layout-Daten. Auf dieser Basis werden für die Produktion die notwendigen Daten erstellt. Folgende Parameter werden zum Beispiel standardmäßig abgefragt:

Stückzahl
Liefertermin
Leiterplattendicke (Standard ist meist 1,6 mm)
Leiterplattenmaterial (meist FR4 oder Sondermaterialien)
Kupferstärke (Schichtstärke zwischen 35 und 300 µm)
Lagenanzahl
Gewünschte Oberflächen (z. B. HAL, Chemisch-Zinn, OSP)
Eigenschaften des Lötstopplacks und Farbe

Datenkontrolle und Kundenrücksprache

Die Leiterplattenfertigung ist prozess- und maschinenparkbedingt begrenzt, diese Grenzen werden auch als „Design Rules“ bezeichnet. Bei der Erstellung des Schaltungslayouts wird ein Design Rule Check durchgeführt. Bei der Datenkontrolle werden die Informationen des Kunden auf Vollständigkeit und fertigungsrelevante Regeln der Leiterplattenherstellung überprüft. Dabei werden einige vorbereitende Maßnahmen wie z.B. die Optimierung von Frässtrecken und Bohrabläufen, das Versehen von Leiterbahnen mit Ätzzugaben oder allgemeine Plausibilitätsprüfungen wie beispielsweise Lücken in der Kontur überprüft. Im Falle von Unklarheiten wird der Kunde kontaktiert, um verbleibende Fragen zu klären.

Datenaufbereitung

Die Datenaufbereitung beinhaltet die sogenannte CAM-Bearbeitung und die Arbeitsplanerstellung. Bei der CAM-Bearbeitung werden die produktionsfertigen Daten mit Maschinendaten verknüpft. Eine Anwendung im Programm ist die Verknüpfung von Bohr- und Fräsdaten mit Passbohrungen und die damit verbundene Umschreibung in Maschinenformate. Die Arbeitsplanerstellung beinhaltet alle erforderlichen Informationen über Materialien, Lagenaufbau, Stückzahlen, Terminvorgaben, Bereitstellung von Filmen, Filme plotten und Arbeitsschritte in der Fertigung. Unter Multilayer versteht man Platinen, die aus mehr als zwei Lagen bestehen. Das Plotten von Filmen wird zur Belichtung von Lötstoppmasken, Kupferstrukturen oder anderen Druckbildern benötigt. Unter Plotten ist das Entwickeln von Filmen in Dunkelkammern zu verstehen, welche über Laserplotter realisiert werden und somit hochauflösende Bildqualität ermöglichen.

Mechanische Bearbeitung

Die Bestandteile der mechanischen Bearbeitung sind das Paketieren, das Bohren und das Entgraten. Ein häufig verwendetes Basismaterial für Leiterplatten ist das sogenannte FR4, eine in Epoxidharz getränkte Glasfasermatte. Dieses FR4 und andere Basismaterialen wie Teflon oder Keramik werden von den Herstellern in zu großen Abmessungen geliefert und müssen in ein passendes Maß geschnitten werden. Dieser Zuschnitt erfolgt zu meist über Schlagscheren. Die Zuschnitte werden aufeinandergestapelt, an zwei Seiten gebohrt und mit Stiften fixiert. Durch die Paketierung ist es möglich, mehrere Zuschnitte gleichzeitig während einem Bohrvorgang zu bohren. Beim Bohren der gestapelten Leiterplattenzuschnitte wird zwischen dem Bohren von Durchgangsbohrungen, Sacklöchern und vergrabenen Löchern unterschieden. Im Allgemeinen werden die Leiterplattenzuschnitte auf einer Bohrmaschine fixiert und das Bohrprogramm abgefahren. Hierbei variiert die Maschine je nach Bohrlochdurchmesser und reguliert die Bohrgeschwindigkeit, Eintauschgeschwindigkeit und Drehzahl. Im Anschluss an den Bohrprozess muss der Bohrgrat entfernt werden. Die Stifte werden gelöst, Bürstmaschinen und Schleifwalzen entgraten den Plattenzuschnitt. Dadurch wird zusätzlich zur Entgratung, die Kupferoberfläche gereinigt und angeraut, wodurch der Fotoresist besser haftet.

Aufbringung von Fotoresist und Leiterbild

Die aufgeraute Kupferoberfläche wird mit einer UV-lichtempfindlichen Fotofilm überzogen. Der geplottete Film wird passend zum Bohrbild ausgerichtet und belichtet. Die Belichtung hat zur Folge, dass der Fotoresist an den belichteten Stellen aushärtet und an nicht belichteten Stellen das Kupfer während des Entwickelns freigelegt wird.

Galvanischer Prozess

Unter dem galvanischen Prozess ist das Aufbringen einer galvanischen Kupferschicht zu verstehen. Hierbei wird die Leiterplatte für eine bestimmte Taktzeit bestromt und eine galvanische Kupferschicht baut sich in einer Bohrung auf.

Aufbringung von Metallresist

An Stellen, an denen die Kupferleitschicht freigelegt wurde, wird ein Blei-Zinn-Gemisch aufgebracht, welches die Kupferleitschicht des Leiterbilds beim folgenden Ätzvorgang schützt.

Ätzung

Die Ätzung ist das Entfernen des überflüssigen Kupfers. Hierbei wird die Leiterplatte in eine geeignete Ätzlösung getaucht und die überschüssige Kupferschicht wird abgeätzt.

Entfernung Metallresist

Die Entfernung des Metallresist, auch Strippen genannt, wird durch eine salz,- und salpetersauren Lösung realisiert. Das Blei-Zinn-Gemisch wird gelöst und die Leiterplatte ist erstmals technisch funktionsfähig.

Aufbringung Lötstopplack

Der Schutzlack, auch Lötstopplack genannt, wird an Stellen auf der Platte aufgetragen, an denen kein Lötzinn gewünscht ist. Hier kann das Zinn nun nicht mehr haften und eine mögliche Bildung von Zinnbrücken wird unterbunden.
Der Lötstopplack ist in der Regel grün und gibt der Leiterplatte ihre charakteristische Farbe. Da früher die Bestückung der Leiterplatte per Hand erfolgte und Grün eine für das Auge verträgliche Farbe ist, wurde diese Farbgebung etabliert. Heute ist die Leiterplatte in allen Farben herstellbar.

Oberflächenvergütung

Die Oberflächenvergütung beinhaltet die Arbeitsschritte für die Beschichtung der freiliegenden Kupferflächen, um eine optionale Lösung sicherzustellen.
Mögliche Verfahren der Beschichtung sind das HAL-Verfahren oder chemische Methoden mit den Elementen Zinn, Silber, Nickel und Palladium.
Der Bestückungsdruck hat keine elektrische Relevanz und dient lediglich als Hilfestellung. Die Standardfarben sind weiß und gelb, da diese auf dem typisch grünen Lötstopplack gut sichtbar sind. Das Verfahren zum Bestückungsdruck wird meist über einen Siebdruck verwirklicht. Auf ein Sieb wird eine lichtempfindliche Masse aufgetragen, welche über einen Film belichtet wird. Der belichtete Bereich härtet aus, der überschüssige Bereich wird mit Wasser abgespült. Alle nicht belichteten Bereiche werden gedruckt, sodass die Farbe weiß oder gelb durchdrückt und auf der Platine sichtbar wird. Das Sieb wird passend zur Leiterplatte ausgerichtet und die Farbe durch die Siebmaschen gepresst.

Elektrische Prüfung auf Kurzschlüsse und Leitfähigkeit

Der elektrische Test kann über zwei Möglichkeiten, Adaptertest oder Fingertester durchgeführt werden.
Beim Fingertester wird auf Grundlage der Layoutangaben die Netzlisten erstellt. Diese Netzlisten werden auf offene Stellen, Kurzschlüsse und Leitungsfähigkeit überprüft.
Beim Adaptertest werden Adapterplatten gebohrt und Kontaktnadeln zwischen die Platten montiert. Die Kontaktnadeln tasten die Leiterplattenkontakte nach den erstellten Netzlisten ab und prüfen die Leiterplatten auf Funktionsfähigkeit.

Vereinzelung

Die Vereinzelung wird über drei technische Verfahren, das Stanzen, Ritzen, Fräsen oder die Kombinationen aus diesen Verfahren ermöglicht.
Beim Stanzen werden Platinen aus dem Nutzen gestanzt. Die Nachteile dieses Verfahrens sind die hohen Kosten für das Stanzwerkzeug. Der Vorteil liegt in der hohen Vereinzelungsgeschwindigkeit.
Beim Ritzen wird die Leiterplatte beidseitig zwischen zwei Ritzscheiben eingespannt und entlang der Kontur geritzt. Anzuwenden ist diese Methode vorzugsweise bei kleinen Platinen, da zwischen den kleinen Platten keine Abstände benötigt werden und die Fläche des Nutzens komplett genutzt werden kann.
Beim Fräsen werden nicht kontaktierte Bohrungen gebohrt und an der Kontur entlang gefräst. Diese Methode der Vereinzelung ist sehr präzise, allerdings auch langsam und kostspielig.

Endkontrolle

Vor dem Versand an den Kunden werden die Leiterplatten auf Kratzer, Konturabweichungen und Fehler im Lötstopplack untersucht. Platinen, die die Prüfung nicht bestehen werden aussortiert und die Rohstoffe wie Zinn und Kupfer, aber auch das Epoxidharz, welches das Basismaterial für die Leiterplatte bildet, werden abgelöst und wiederverwertet.

Kundenversand

Die nach der Endkontrolle überprüften und funktionsfähigen Leiterplatten werden entweder eingelagert oder für den Kundenversand vorbereitet.
Je nach Größe, Art und Empfindlichkeit der Leiterplatte wird diese entweder in Luftpolsterfolie verpackt oder in luftdichte Folie eingeschweißt.