Bei der Herstellung von Leiterplatten werden nackte Platinen hergestellt, die als Grundlage für die Montage von Leiterplatten dienen. Es ist wichtig, den Auftragnehmer für die Leiterplattenherstellung sorgfältig auszuwählen, da selbst kleine Fehler die gesamte Leiterplatte unbrauchbar machen können. Eine effektive Kommunikation zwischen dem Designteam und den Herstellern ist von entscheidender Bedeutung, zumal die Fertigung zunehmend ins Ausland verlagert wurde.
In diesem Beitrag erfahren Sie alles, was Sie über den Herstellungsprozess von Leiterplatten wissen müssen. Wir behandeln den Vorprozess, den gesamten PCB-Fertigungsprozess und wichtige Überlegungen, die Sie bei der Auswahl eines PCB-Fertigungsunternehmens beachten sollten.
Was ist PCB-Fertigung?
Die Leiterplattenfertigung ist der Prozess der Umsetzung eines Leiterplattenentwurfs in eine physische Struktur auf der Grundlage der im PCB-Designpaket angegebenen Spezifikationen. Sie umfasst eine Reihe von Schritten und Techniken zur Herstellung einer funktionalen Leiterplatte.
Die Herstellung von Leiterplatten ist ein entscheidender Schritt im Entwicklungsprozess von Leiterplatten. Dabei wird das Design in eine physische Leiterplatte umgesetzt, die mit elektronischen Komponenten bestückt werden kann, um ein funktionierendes elektronisches Gerät zu schaffen. Die Qualität des Herstellungsprozesses wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit der Leiterplatte aus. Sie stellt sicher, dass die Leiterplatte die erforderlichen Spezifikationen erfüllt und eine optimale elektrische Leistung, Signalübertragung und Haltbarkeit bietet.
Die Herstellung von Leiterplatten ist nur ein Teil des gesamten PCB-Herstellungsprozesses. Die Leiterplattenbestückung ist ein separater Schritt, der sich an die Leiterplattenherstellung anschließt und bei dem die Komponenten auf der Leiterplatte angebracht werden, um sie funktionsfähig zu machen. Bei der Leiterplattenherstellung liegt der Schwerpunkt auf der Erstellung der physischen Struktur der Leiterplatte.
Was ist der Unterschied zwischen PCB-Fertigung und PCB-Montageprozess?
Die Leiterplattenherstellung und die Leiterplattenbestückung sind zwei entscheidende Schritte im Herstellungsprozess von Leiterplatten.
PCB-Fertigung
Bei der Herstellung von Leiterplatten wird ein Leiterplattenentwurf in eine physische Leiterplattenstruktur umgesetzt. Das ist so, als würde man den Bauplan einer Stadt erstellen, mit Wegen, Straßen und Bebauungsplänen. Bei diesem Prozess wird das Design mit verschiedenen Techniken wie Ätzen oder Drucken auf die Leiterplatte übertragen. Ziel ist es, eine robuste und zuverlässige Grundlage für die elektronischen Komponenten zu schaffen, die darauf platziert werden.
Leiterplattenbestückung
Die Leiterplattenbestückung ist der Prozess, bei dem die Bauteile auf der hergestellten Leiterplatte angebracht werden, um sie funktionsfähig zu machen. Das ist wie der Bau von Gebäuden in einer Stadt. Während dieses Prozesses werden elektronische Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren und Mikrochips auf die Platine gelötet. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um die gewünschte elektronische Schaltung zu erstellen. Die Leiterplattenmontage erweckt die Platine zum Leben und ermöglicht es ihr, die ihr zugedachte Funktion zu erfüllen.
Die Leiterplattenmontage ist ein heikler Prozess, der Präzision und Fachwissen erfordert. Die Bauteile müssen genau platziert und richtig gelötet werden, um eine zuverlässige und leistungsstarke Leiterplatte zu gewährleisten.
Der Unterschied
Die Leiterplattenherstellung konzentriert sich auf die Erstellung der physischen Struktur der Leiterplatte, während die Leiterplattenmontage das Hinzufügen der elektronischen Komponenten beinhaltet, um die Leiterplatte betriebsbereit zu machen. Beide Prozesse sind unerlässlich und gehen Hand in Hand, um eine funktionale und zuverlässige Leiterplatte herzustellen.
Vor dem PCB-Fertigungsprozess
Die Herstellung einer Leiterplatte erfordert viel Liebe zum Detail. Bevor Sie mit dem Prozess beginnen, müssen Sie einige wichtige Schritte ausführen, um eine erfolgreiche Leiterplattenherstellung zu gewährleisten. Schauen wir uns diese Schritte einmal genauer an:
Durchführung einer umfassenden technischen Überprüfung der Schaltkreise
Bevor mit der Herstellung der Leiterplatte begonnen wird, ist eine gründliche technische Prüfung des Schaltkreises unerlässlich. Bei dieser Prüfung wird der Entwurf sorgfältig untersucht, um mögliche Probleme oder verbesserungswürdige Bereiche zu ermitteln. Durch diese Prüfung können Sie Fehler oder Unstimmigkeiten frühzeitig erkennen und so langfristig Zeit und Ressourcen sparen.
Synchronisieren von Schaltplan- und Layoutdatenbanken
Um Diskrepanzen oder Fehlausrichtungen zu vermeiden, ist es wichtig, die Schaltplan- und die Layout-Datenbank zu synchronisieren. Dieser Schritt stellt sicher, dass das Design sowohl im Schaltplan als auch im physischen Layout der Leiterplatte korrekt dargestellt wird. Durch die Synchronisierung dieser Datenbanken können Sie alle Unstimmigkeiten vermeiden, die während des Herstellungsprozesses auftreten können.
Durchführen einer vollständigen Schaltungssimulation, Signalintegritäts- und Leistungsintegritätsanalyse
Um die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Leiterplatte zu gewährleisten, ist es unerlässlich, eine umfassende Schaltungssimulation sowie eine Analyse der Signal- und Stromversorgungsintegrität durchzuführen. Diese Analysen helfen dabei, potenzielle Probleme mit dem Schaltungsentwurf zu erkennen, z. B. Signalstörungen oder Probleme bei der Stromverteilung. Wenn Sie diese Probleme vor der Fertigung angehen, können Sie spätere kostspielige Nacharbeiten oder Fehlerbehebungen vermeiden.
Prüfen von PCB-Designregeln und -Einschränkungen
Bevor mit dem Herstellungsprozess begonnen wird, muss unbedingt überprüft werden, ob das Leiterplattendesign den vorgegebenen Designregeln und -einschränkungen entspricht. Mit diesem Schritt wird sichergestellt, dass das Design die erforderlichen Fertigungsstandards und -richtlinien erfüllt. Durch die Überprüfung dieser Regeln und Einschränkungen können Sie Fertigungsprobleme oder Qualitätsprobleme, die während der Herstellung auftreten können, vermeiden.
Überprüfung von Stücklisten und Design for Manufacturing-Regeln
Schließlich ist es wichtig, die Stückliste (BOM) und die Regeln für das Design for Manufacturing (DFM) zu überprüfen. Die Stückliste enthält eine Liste aller Komponenten und Materialien, die für die Leiterplattenbestückung benötigt werden, während die DFM-Regeln die Fertigungsrichtlinien und -spezifikationen umreißen. Durch die Überprüfung dieser Dokumente können Sie sicherstellen, dass die Stückliste korrekt und vollständig ist und das Design den DFM-Regeln entspricht.
Wie wird die Leiterplatte hergestellt?
Die Herstellung von Leiterplatten umfasst mehrere Schritte, die sicherstellen, dass eine qualitativ hochwertige und funktionale Leiterplatte entsteht. Es handelt sich um ein komplexes und kompliziertes Verfahren, das Fachwissen und Liebe zum Detail erfordert. Jeder Schritt spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Qualität und Zuverlässigkeit der fertigen Leiterplatte. Wenn Ingenieure und Designer verstehen, wie die Leiterplattenherstellung funktioniert, können sie während des Entwurfs- und Herstellungsprozesses fundierte Entscheidungen treffen, die zu leistungsfähigeren elektronischen Geräten führen.
Der Herstellungsprozess von Leiterplatten kann in folgende Schritte unterteilt werden:
Abbilden des gewünschten Layouts
Der erste Schritt ist die Abbildung des gewünschten Layouts auf kupferbeschichtete Laminate. Dazu wird mit spezieller Software ein Design-Layout erstellt, das dann mit Hilfe von bildgebenden Verfahren mit einem lichtempfindlichen Material, dem so genannten Photoresist, auf die Kupferoberfläche übertragen wird. Das Leiterplattenlayout wird auf einen Film gedruckt, der dann verwendet wird, um den Fotolack mit ultraviolettem (UV) Licht zu belichten. Die dem Licht ausgesetzten Bereiche härten aus, während die nicht belichteten Bereiche weich bleiben.
Ätzen oder Entfernen von überschüssigem Kupfer
Nachdem das gewünschte Layout auf der Kupferoberfläche abgebildet wurde, wird in einem nächsten Schritt das überschüssige Kupfer entfernt, um die Leiterbahnen und Pads freizulegen (Ätzen). Beim Ätzen wird das überschüssige Kupfer von den Innen- und Oberflächenschichten der Leiterplatte entfernt, um die gewünschten Leiterbahnen und Pads freizulegen. Die durch den gehärteten Photoresist geschützten Bereiche bleiben intakt, während das freiliegende Kupfer durch eine Ätzlösung aufgelöst wird.
Erstellen des PCB-Lagenaufbaus
Sobald das überschüssige Kupfer entfernt ist, erstellen wir den Lagenaufbau der Leiterplatte durch Laminieren (Erhitzen und Pressen) der Leiterplattenmaterialien bei hohen Temperaturen. Dabei werden die Leiterplattenmaterialien zusammengepresst und erhitzt, um eine feste Struktur mit der gewünschten Anzahl von Lagen zu bilden. Dadurch wird die richtige Ausrichtung und Verbindung der verschiedenen Lagen der Leiterplatte sichergestellt.
Bohren von Löchern
Nach dem Lagenaufbau werden Löcher in die Leiterplatte gebohrt, um Befestigungslöcher, Durchgangsstifte und Vias unterzubringen. Diese Löcher ermöglichen die Platzierung von Komponenten und Verbindungen zwischen den Lagen. Die gebohrten Löcher werden in der Regel mit einem leitfähigen Material beschichtet, um die elektrische Kontinuität zu gewährleisten.
Beschichtung
Der nächste Schritt ist die Galvanisierung. Die Leiterplatte wird in ein galvanisches Bad gelegt, in dem eine dünne Metallschicht, in der Regel Kupfer, auf die freiliegenden Kupferflächen und Bohrungen aufgebracht wird. Dieser Beschichtungsprozess verbessert die Leitfähigkeit und sorgt für zuverlässige Verbindungen. Durch die Verkupferung kann auch die Dicke der Kupferbahnen erhöht werden oder es können durchkontaktierte Löcher geschaffen werden.
Lötmaske
Eine Lötstoppmaske wird auf die Leiterplatte aufgebracht, um die Kupferbahnen zu schützen und Lötbrücken während des Bestückungsvorgangs zu vermeiden. Die Lötstoppmaske ist in der Regel grün, kann aber auch in anderen Farben, wie rot, blau oder schwarz, ausgeführt werden.
Siebdruck
Der Siebdruck ist ein Verfahren zum Aufbringen von Bauteilkennzeichnungen, Logos und anderen Markierungen auf die Leiterplattenoberfläche. Dieser Schritt hilft bei der Platzierung und Identifizierung von Bauteilen während der Montage und Fehlersuche.
Oberfläche
Der letzte Schritt bei der Herstellung von Leiterplatten ist das Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf die freiliegenden Kupferbereiche der Leiterplatte. Die Oberflächenbeschichtung schützt die Kupferbereiche und erleichtert das Löten während der Montage, um Oxidation zu verhindern und die Haltbarkeit der Leiterplatte zu verbessern.
Zu den üblichen Oberflächenbehandlungen gehören HASL (Hot Air Solder Leveling), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) und OSP (Organic Solderability Preservative).
Nach Abschluss des PCB-Herstellungsprozesses werden die fertigen Leiterplatten geprüft und getestet, um ihre Funktionalität vor der Montage oder dem Versand sicherzustellen. Automatisierte Prüfgeräte werden eingesetzt, um Kurzschlüsse oder Defekte zu erkennen, die die Leistung der Leiterplatte beeinträchtigen könnten.
Wie man einen effektiven PCB-Herstellungsprozess implementiert
Bei der Herstellung von Leiterplatten werden der Entwurfs- und der Herstellungsprozess oft von verschiedenen Unternehmen durchgeführt. In den meisten Fällen fertigt der Auftragsfertiger (CM) die Leiterplatte auf der Grundlage des vom Erstausrüster (OEM) erstellten Entwurfs. Um einen reibungslosen und effektiven Prozess zu gewährleisten, ist die Zusammenarbeit zwischen diesen Gruppen unerlässlich. Diese Zusammenarbeit umfasst Diskussionen über Komponenten, Designüberlegungen, Dateiformate und Leiterplattenmaterialien.
Komponenten
Um den Herstellungsprozess zu rationalisieren, sollte sich der Konstrukteur mit dem Hersteller über die Verfügbarkeit der Komponenten beraten. Im Idealfall verfügt der Hersteller über alle für den Entwurf erforderlichen Bauteile. Fehlt jedoch etwas, müssen Konstrukteur und Hersteller gemeinsam einen Kompromiss finden, der eine schnellere Fertigung ermöglicht, ohne die Mindestanforderungen an die Konstruktion zu gefährden.
Überlegungen zum Design for Manufacturing (DFM)
Das fertigungsgerechte Design (DFM) ist ein wichtiger Aspekt, der berücksichtigt werden muss. DFM konzentriert sich darauf, wie gut der Entwurf die verschiedenen Phasen des Herstellungsprozesses durchlaufen kann. In der Regel stellt der Hersteller, oft der CM, eine Reihe von DFM-Richtlinien für seine Anlage zur Verfügung. Diese Richtlinien können vom OEM während der Entwurfsphase konsultiert werden. Durch die Einbeziehung dieser Richtlinien in das PCB-Design kann der Designer sicherstellen, dass das Design mit dem Produktionsprozess des Herstellers kompatibel ist.
Dateiformate
Eine effektive Kommunikation zwischen dem OEM und dem CM ist von entscheidender Bedeutung, um die genaue Herstellung der Leiterplatte gemäß den Designspezifikationen des OEM zu gewährleisten. Es ist wichtig, dass beide Parteien die gleichen Dateiformate für das Design verwenden. Diese Praxis hilft, Fehler oder Informationsverluste zu vermeiden, die auftreten können, wenn Dateien zwischen verschiedenen Formaten konvertiert werden müssen.
Plattenmaterialien
OEMs können bei der Entwicklung von Leiterplatten teurere Materialien verwenden, als der CM vorsieht. Daher ist es wichtig, dass sich beide Parteien auf die zu verwendenden Materialien einigen. Die gewählten Materialien sollten nicht nur die Anforderungen des Leiterplattendesigns erfüllen, sondern auch für den Endabnehmer kosteneffizient bleiben.
Durch die Befolgung dieser Richtlinien und die Förderung der Zusammenarbeit zwischen OEM und CM kann ein effektiver PCB-Herstellungsprozess implementiert werden. Durch diese Zusammenarbeit wird sichergestellt, dass das Design mit dem Herstellungsprozess kompatibel ist, die Komponenten leicht verfügbar sind und das Endprodukt die gewünschten Spezifikationen erfüllt und gleichzeitig kostengünstig ist.
Warum ist der PCB-Fertigungsprozess so wichtig?
Die Herstellung von Leiterplatten ist wichtig, da sie sich direkt auf die Herstellbarkeit, die Ausbeute, die Zuverlässigkeit von Leiterplatten und die Gesamtleistung der Leiterplatte auswirkt. Die während des Herstellungsprozesses getroffenen Designentscheidungen können einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistung und Funktionalität des PCB-Endprodukts haben.
Herstellbarkeit
Ein entscheidender Aspekt bei der Herstellung von Leiterplatten ist die Herstellbarkeit. Design-Entscheidungen wie Abstände zwischen Oberflächenelementen, die Auswahl von Materialien mit geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und die richtige Verkleidung von Designs sind entscheidend, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte gebaut werden kann, ohne dass ein Redesign erforderlich ist.
Werden in der Entwurfsphase keine angemessenen Entscheidungen bezüglich der Fertigungsspezifikationen getroffen, kann dies zu Problemen während des Fertigungsprozesses führen.
Ausbeutesatz
Die Ausbeute an Leiterplatten ist ein weiterer wichtiger Faktor, der durch den Herstellungsprozess beeinflusst wird. Die Angabe von Parametern, die die Toleranzgrenzen der Anlagen des Auftragsherstellers überschreiten, kann zu einer höheren Anzahl unbrauchbarer Leiterplatten führen.
Durch das Verständnis des Herstellungsprozesses und fundierte Designentscheidungen kann die Ausbeute optimiert werden, wodurch der Ausschuss verringert und die Gesamteffizienz erhöht wird.
Verlässlichkeit
Auch die Zuverlässigkeit ist ein wichtiger Aspekt. Je nach Verwendungszweck werden Leiterplatten nach bestimmten, in IPC-6011 beschriebenen Parametern klassifiziert, da dies für die Erreichung des gewünschten Zuverlässigkeitsniveaus entscheidend ist. Wird die erforderliche Klassifizierungsstufe nicht eingehalten, kann dies zu einem inkonsistenten Betrieb oder einem vorzeitigen Ausfall der Leiterplatte führen.
Gesamtleistung
Die Herstellung von Leiterplatten spielt auch eine wichtige Rolle für die allgemeine Haltbarkeit und Effizienz elektronischer Geräte. Der Herstellungsprozess umfasst die Auswahl geeigneter Materialien und Fertigungstechniken, die verschiedenen Umgebungsbedingungen standhalten und sicherstellen, dass das elektronische Gerät unter verschiedenen Bedingungen zuverlässig funktioniert, ohne dass es zu vorzeitigen Ausfällen oder Fehlfunktionen kommt.
Das Verständnis des Leiterplattenherstellungsprozesses ist von entscheidender Bedeutung, da die in dieser Phase getroffenen Designentscheidungen erhebliche Auswirkungen auf den gesamten Lebenszyklus der Leiterplattenentwicklung, -produktion und -nutzung haben können. Die Einbeziehung von Kenntnissen über die Fertigung in Designentscheidungen kann dazu beitragen, unnötige Zeitverzögerungen, zusätzliche Fertigungskosten und Leistungsprobleme zu vermeiden. Design for Manufacturing (DFM)-Regeln und -Richtlinien, die auf den Fähigkeiten des Auftragsherstellers basieren, können genutzt werden, um optimale Ergebnisse zu gewährleisten.
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