Lassen Sie nicht zu, dass Lithografie-Fehler Ihre PCB-Herstellung beeinträchtigen

Erstellt: December 22, 2017
Aktualisiert am: October 10, 2021

Eingeschalteter Projektor in einem Raum mit Menschen

Beamer können wirklich nervtötend sein. Dabei spielt es keine Rolle, ob Sie zu Hause einen Filmabend mit Popcorn veranstalten und keine gerade Projektionsfläche finden, eine wichtige Präsentation vor Kollegen und Vorgesetzten halten und dabei bemerken, dass der Beamer alle Bilder verzerrt, oder ob Sie eine Unterrichtsstunde halten möchten und sehen, dass der Beamer alles nur in schwarzweiß wiedergibt. All die Arbeitsstunden, die Sie in die Folien gesteckt haben, scheinen vergeblich gewesen zu sein, denn die projizierten Bilder sehen einfach lächerlich aus. Viele dieser stressigen Situationen wären vermeidbar, wenn Sie die Ausrichtung des Projektors und seine Anzeige steuern könnten.

Wenn Ihre PCBs hergestellt werden, finden ähnliche optische Ausrichtungen statt. Sie sind Teil des Lithografieprozesses, mit dem die Muster der einzelnen Lagen erzeugt werden, während die Leiterplatte aufgebaut wird. Schiefe Präsentationsfolien und schlecht aufeinander ausgerichtete Bauteile in einem PCB-Design müssen aber kein Problem für Sie sein. Erfahren Sie in diesem Artikel, wie Sie Ihren Lithografieprozess ordentlich planen, und lernen Sie die Faktoren kennen, die ihn beeinflussen und Fehler verursachen.

Wie beeinflusst Lithografie die PCB-Herstellung?

Die bei der Leiterplattenherstellung verwendeten Ätz- und Galvanisierungsverfahren sind nicht sehr zielgerichtet. Ohne eine strukturierte Schutzschicht auf der Leiterplatte würde alles ohne Unterschied geätzt oder beschichtet. Bei der schützenden Struktur kann es sich um eine Metallschablone, eine Polyamidfolie oder eine Resistschicht handeln. Welches Material am geeignetsten ist, hängt vom jeweiligen Herstellungsprozess ab – eine Metallschablone ist beim Ätzen völlig unpassend, weil sie Schaden nehmen würde und nach wenigen Leiterplatten unbrauchbar wäre.

Resistschichten sind lichtempfindlich (photosensitiv) gegenüber bestimmten Wellenlängen (meist UV-Licht). Ein Photolithographie-Prozess wird genutzt, um bestimmte Bereiche dem Licht auszusetzen und so die Resistschicht an diesen Stellen zu härten. Der Rest wird abgewaschen, bevor der nächste Verarbeitungsschritt beginnen kann. Die Maske (das ist so etwas wie eine Schablone für Licht), mit der die Strukturen definiert werden, muss so mit der Lichtquelle und der Leiterplatte ausgerichtet werden, dass keine unerwünschten Effekte wie beim Beamer entstehen. Andernfalls werden Sie Fehler in der Lithografie feststellen.

Beleuchteter Computerchip.
Eine Lichtquelle, die in den Ecken schwächer ist, verursacht Probleme bei der Herstellung.

Ursachen für Lithografiefehler

Vielleicht wird es Ihnen nie gelingen, die Ausrichtung am Beamer richtig einzustellen – einige Dinge hat man einfach nicht in der Hand. Die Ursachen von Lithografiefehlern und ihre Vermeidung sind allerdings einfach nachzuvollziehen. Hier sind einige der häufigsten Probleme:

Schatten: Wenn Ihr Hersteller die Arbeitsumgebung sauber hält, dürfte dies für Sie kein Problem darstellen. Manchmal allerdings fallen Partikel auf die Maske und werfen Schatten, wo das Licht die Schutzschicht härten sollte. Das ist so, als ob jemand einen Stuhl vor den Beamer stellt und daher ein kleiner Teil des Bildes unsichtbar bleibt. Die Folge ist, dass einige Bereiche nicht wie geplant aushärten und stattdessen in den nächsten Schritten weggeätzt werden.

Dosis- und Belichtungsprobleme: Die „Dosis“ des Lichts, dem eine Resistschicht ausgesetzt wird, wird wie ein Integral berechnet – sie entspricht der Helligkeit des Lichts über die Gesamtbelichtungszeit. Wenn die Belichtungszeit nicht stimmt oder das Licht nicht hell genug ist, bekommt die Resistschicht nicht genügend Licht ab, um vollständig auszuhärten. Manchmal ist die Lichtquelle nicht gleichmäßig und die Aushärtung variiert über die Resistschicht hinweg. Hier weichen die Ergebnisse oft voneinander ab. Manchmal sind Sie hier auf der sicheren Seite, weil der Ätz- oder Galvanisierungsschritt schnell geht und Ihr Hersteller eine widerstandsfähige Resistschicht nutzt. Es kann aber auch passieren, dass die Resistschicht im nächsten Schritt abblättert und kleine Bereiche der Leiterplatte unerwünschten Einflüssen ausgesetzt werden.

Seitenverhältnisse: Ein häufiges Problem stellt eine leichte Winkelschiefstellung entweder des Lichts, der Maske oder der Leiterplatte dar. Es ist wie bei einem Beamer, der im falschen Winkel steht, sodass die Ober- und Unterseiten Ihrer Folien unterschiedlich breit erscheinen. Bei Ihrer Leiterplatte führt dies dazu, dass die Resist-Maske mit einem falschen Seitenverhältnis (Öffnungsweite vs. Schablonendicke) aufgebracht wird. Wenn die Leiterplatte dann fertig ist, resultiert hieraus ein höheres Risiko minderwertiger Lötverbindungen, die häufig zu Stromkreisunterbrechungen führen. Wenn die Leiterplatte nicht vollständig ausgehärtet wird, kann es auf den inneren und äußeren Lagen zu Schrumpfungen, Ausdehnungen oder Verwerfungen unterschiedlichen Ausmaßes kommen, die ebenfalls Probleme mit den Seitenverhältnissen verursachen können. Dies trifft nicht nur auf Photolithografie zu und kann auch zu Verwerfungen der Leiterplatte führen. Diese Art der Schrumpfung und Ausdehnung hat ihre Ursache häufig in unterschiedlichen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten, wobei sich auch die Gesamtgröße der Leiterplatte auswirkt: größere Leiterplatten leiden häufiger unter diesen Problemen.

Ausrichtung: Fehlausrichtungen können auch als horizontaler oder vertikaler Versatz vorliegen, wenn Muster um Millimeter oder auch weniger von ihrem beabsichtigten Platz entfernt platziert werden. Je kleiner die Strukturabmessungen werden, umso stärker wirken sich selbst kleine Fehlausrichtungen aus, weil Lötpads oder Durchkontaktierungen leichter komplett verfehlt werden. Da die Toleranzen immer kleiner werden, sollten Sie sicherstellen, dass Ihr Hersteller in der Lage ist, Features zu produzieren und auszurichten, die klein genug sind, um den Spezifikationen Ihrer Platine zu entsprechen.

Toleranz: Die Toleranz ist so wichtig, dass sie besondere Erwähnung verdient. Die Toleranz der Strukturabmessungen hängt von Ihrem Prozess ab. Einige Ätzmittel neigen dazu, in Bereiche überzugreifen, die eigentlich geschützt werden sollen. Dies muss von Ihrer Maskenlage berücksichtigt werden. Schablonen für Farb- oder Siebdrucklagen sind hier wesentlich toleranter.

Ätzen von PCBs in Eisenchlorid
Ätzen ist ein gängiger Prozess, der eine Maske voraussetzt, auch wenn Sie bei sich zu Hause Leiterplatten herstellen.

Genauso wie bei Ihrer Präsentation viel schiefgehen kann, gibt es auch andere Faktoren, die sich auf Ihren PCB-Herstellungsprozess auswirken. Die Strukturabmessungen und die Platzierung beeinflussen ebenfalls die Toleranz. Sehr kleine, nah beieinander liegende Pads lassen wenig Spielraum für Fehler. Einige Ätzverfahren sind zielgerichtet und setzen eine dickere Resistschicht oder mehr Toleranz in der X- oder Y-Richtung voraus. Sie sollten immer eng mit Ihrem Hersteller zusammenzuarbeiten und die Grenzen und Anforderungen der Prozesse kennen, mit denen Ihre PCBs gefertigt werden. Wenn Sie Ihr Design gemäß den Fähigkeiten Ihres Herstellers planen, wird Ihnen dies später viel Frust ersparen.

Die Masken, die in der Lithografie eingesetzt werden, basieren meist auf den Gerber-Dateien Ihres PCB-Designs. Mit den erstklassigen PCB-Design- und Layout-Features in Altium Designer® können Anwender DFM-Praktiken in ihre PCB-Designtechniken implementieren. Die Anwender können die Vorteile einer einzigen integrierten Designplattform mit Funktionen für das Schaltungsdesign und das PCB-Layout nutzen, um herstellbare Platinen zu entwickeln. Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und die Dateien an Ihren Hersteller weitergeben möchten, können Sie auf der Altium 365-Plattform mühelos zusammenarbeiten und Ihre Projekte teilen.

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