Ein Tag im Leben eines PCB-Herstellungsprozess

Bevor Sie ein fertigungsgerechtes Design (Design for Manufacturing, DFM) umsetzen, sollten Sue den zugrunde liegenden Prozess der Leiterplattenherstellung genau verstehen. Unabhängig von den verschiedenen Technologien, die in jeder Produktionsstätte zur Verfügung stehen, folgt eine große Mehrheit der branchenführenden Hersteller einer bestimmten Reihe von Schritten, um ein Design ausgehend von einer Zeichnung in einer CAD-Anwendung in eine physische Leiterplatte zu verwandeln.

Für Designer ist es dabei wichtig, alle Schritte der Leiterplattenfertigung genau zu kennen und auch wirklich zu verstehen. Denn wenn man die Schritte des Herstellungsprozess genau kennt, ist es viel einfacher, Fehler im PCB-Design zu erkennen. Dies ist besonders für solche Fehler relevant, die das Risiko von Produktionsausfällen mit sich bringen und letztlich sogar eine Verschrottung der Leiterplatte zur Folge haben könnten. Jeder Designer muss dabei verschiedene Schritte für das fertigungsgerechte Design (DFM) implementieren. Denn nur so kann eine Leiterplatte dann auch überall gefertigt und montiert werden.

Dieser Artikel ist Teil unserer Crashkurs-Reihe zur Leiterplattenherstellung. Hier behandeln wir die wichtigsten Grundlagen, die Designer hinsichtlich des PCB-Herstellungsprozess kennen müssen. Wir beginnen dabei mit dem PCB-Fertigungsprozess und gehen kurz darauf ein, wie eine blanke Leiterplatte erstellt wird. Als Nächstes betrachten wir den Prozess der Leiterplattenbestückung; bei diesem werden Komponenten zunächst auf die fertige Leiterplatte gelötet, bevor die Leiterplatte dann einem finalen Test und der End-Inspektion unterzogen wird. Montagegerechtes Design (Design for Assembly, DFA) konzentriert sich auf Designpraktiken, die sicherstellen, dass Komponenten zuverlässig montiert werden. Genau wie bei der Herstellung von blanken Leiterplatten liegt es auch hier in der Verantwortung der Designer, mit dem PCB-Montageprozess genau vertraut zu sein.

Leiterplattenherstellung von A bis Z

Wie werden Platinen hergestellt? Die PCB-Fertigung konzentriert sich auf die Konstruktion von blanken Leiterplatten sowie das Ätzen, Bohren und Veredeln dieser. Die folgende Tabelle zeigt die Standardschritte zur Herstellung von Multilayer-PCBs. Dieser Prozess beginnt dabei mit einem vollständigen Satz von Designspezifikationen und ersten Laminatmaterialien. Enden sollte er mit einer gefertigten Leiterplatte, die vollständig montagebereit ist.

Nach der endgültigen Aushärtung Ihrer Leiterplatte beginnt der Hersteller mit einem elektrischen Testverfahren. Dieses basiert auf den Testpunkten, die Sie in Ihrem PCB-Layout angegeben haben. In der Herstellungsphase beinhalten elektrische Tests normalerweise auch Durchgangstests. Bei diesen werden Unterbrechungen und Kurzschlüsse zwischen verschiedenen Knoten überprüft, die in Ihrer PCB-Netzliste aufgeführt sind. Alle Leiterplatten, die diesen Verifizierungsprozess bestehen, gelten als vollständig und werden zur Montage weitergeleitet.

Häufige Fehler und deren Ursachen

Während des gesamten PCB-Herstellungsprozess können zahlreiche Fehler auftreten. Die häufigsten Defekte treten allerdings beim Ätzen, Bohren oder Beschichten auf. Einige potenzielle Herstellungsfehler und deren mögliche Lösungen sind in der folgenden Tabelle exemplarisch aufgeführt.

Sobald das Design die Herstellung durchlaufen hat und elektrisch getestet wurde, kann die Leiterplatte einer ganzen Reihe weiterer Tests unterzogen werden. Diese Tests sind vorrangig dafür gedacht, die Qualität der Leiterplatte sicherzustellen. Dazu gehören in der Regel auch Umwelt- oder mechanische Tests. Bei diesen geht es darum sicherzustellen, dass die Materialien oder geätzten Merkmale der Leiterplatte nicht durch den Herstellungsprozess der Leiterplatte beschädigt werden.

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PCB-Bestückung

Bei der Leiterplattenbestückung werden die Komponenten automatisch mit Maschinen (Bestückungsautomaten) platziert und anschließend auch in einem automatisierten Verfahren gelötet. Zu den wichtigsten automatisierten Löt-Techniken im PCB-Bestückungsprozess gehören:

• Wellenlöten (wird bei Komponenten zur Durchsteckmontage verwendet)
• Reflow-Löten (wird bei SMD-Komponenten verwendet)
• Selektives Löten (eine automatisierte Version des Kolbenlötens)

Kolbenlöten wird nicht in Fertigungsanlagen verwendet, die Leiterplatten in hoher Stückzahl herstellen (außer es ist unbedingt notwendig). Der Grund dafür liegt zum einen in der sehr langsamen Natur des Kolbenlötens und zum anderen in der variierenden Konsistenz aufgrund unterschiedlicher Fähigkeiten der Arbeiter.

Nachdem eine fertige Leiterplatte den Lötprozess verlassen hat, wird sie mit automatisierten Geräten inspiziert und von allen Rückständen (insbesondere Flussmittelrückständen) gereinigt. Hat sie all dies gut gemeistert, wird sie verpackt und versandt. Fertige PCBs können auch ihr eigenes Inspektions- und Testverfahren durchlaufen, um alle Leiterplatten zu identifizieren, die vorzeitig ausfallen würden. Bei diesen beschleunigten Lebensdauertests wird eine PCB extremer Hitze, Druck sowie mechanischer und elektrischer Belastung ausgesetzt. Dies wird getan, um die Betriebsgrenzen des Geräts zu ermitteln. Sobald diese Grenzen ermittelt wurden, können die Verarbeitungsparameter oder das Design entsprechend geändert werden. So kann eine langfristige Zuverlässigkeit des Designs und des Endprodukts gewährleistet werden.

Der einfachste Weg, um sicherzustellen, dass Ihr Design den DFM/DFA-Standardanforderungen entspricht, besteht darin, Ihre eigenen PCB-Designregeln clever zu nutzen. Denn die DRC-Engine in Ihrer Designsoftware kann an bestimmte Regelsätze angepasst werden. Wenn Sie dies entsprechend nutzen, können Sie sicher sein, dass Ihr Layout nicht unter den üblichen PCB-Herstellungsfehlern leiden wird. Bevor Sie mit Ihrem PCB-Layout starten, legen Sie also unbedingt DFM/DFA-Anforderungen in Ihren Designregeln fest.

Wenn Sie einen DFM-zentrierten Ansatz für das Design Ihrer Leiterplatte nutzen möchten, ist es wichtig zu beachten, dass der Prozess manchmal schon mit der Materialauswahl zu Beginn des PCB-Lagenaufbaus startet. Denn die Materialauswahl kann sich bei einigen Spezialprodukten auf das DFM auswirken, z. B. bei Hochfrequenzdesigns oder Hochspannungs-PCBs. Vergewissern Sie sich also, dass Sie die zahlreichen Eigenschaften von PCB-Materialien genau kennen und auch wissen, wie sich diese auf die Fertigung auswirken.

• Weiter mit Teil 2: DFM bei der Auswahl von PCB-Materialien

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