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    Lassen Sie es nicht zu, dass Lithographie-Probleme Ihre PCB-Herstellung beeinträchtigen

    December 22, 2017

    Eingeschalteter Beamer in einem vollen Raum

    Beamer können wirklich nervtötend sein. Dabei spielt es keine Rolle, ob Sie zu Hause einen Filmabend mit Popcorn veranstalten wollen 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 Ausrichtung des Projektors und seiner Anzeige steuern könnten.

    Wenn Ihre PCBs hergestellt werden, finden ähnliche optische Ausrichtungen statt. Sie sind Teil des Lithographieprozesses, 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 sollten kein Problem für Sie sein. Lernen Sie, wie Sie Ihren Lithographieprozess ordentlich planen, und verstehen Sie die Faktoren, die ihn beeinflussen und Fehler verursachen können.

    Wie wird die PCB-Herstellung von der Lithographie beeinflusst?

    Die Ätz- und Galvanikverfahren, die in der PCB-Herstellung Anwendung finden, sind nicht besonders gerichtet. 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. Ansonsten würden Sie bald Defekte in in der Lithographie bemerken.

    Beleuchteter Computerchip.

    Eine Lichtquelle, die in den Ecken an Intensität einbüßt, sorgt für Probleme in der Fertigung.

    Ursachen für Lithographiedefekte

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

    Schatten: Wenn Ihr Fabrikant 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 wie wenn jemand einen Stuhl vor den Beamer stellt, sodass 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 Photolithographie 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. Bei immer kleiner werdenden Toleranzen sollten Sie sichergehen, dass Ihrem Hersteller die Produktion und Ausrichtung mit den kleinen Strukturabmessungen möglich ist, die für Ihre Leiterplatten erforderlich sind.

    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 einer Leiterplatte 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 können. Die Strukturabmessungen und die Platzierung beeinflussen ebenfalls die Toleranz. Sehr kleine, nah beieinander liegende Pads lassen wenig Spielraum für Fehler. Einige Ätzverfahren sind gerichtet und setzen eine dickere Resistschicht oder mehr Toleranz in der X- oder Y-Richtung voraus. Es kommt darauf an, eng mit dem Fertiger zusammenzuarbeiten und die Grenzen und Anforderungen der Prozesse zu kennen, mit denen Ihre PCBs hergestellt werden. Wenn Sie Ihr Design gemäß den Fertigungs-Fähigkeiten planen, kann Ihnen dies später viel Frust ersparen.

    Die Masken, die in der Lithographie eingesetzt werden, basieren meist auf den Gerber-Dateien Ihres PCB-Designs. Sie sollten eine Software nutzen, die Ihnen ausreichend viele Dateien für jede Lage Ihrer Leiterplatte zur Verfügung stellt und sich sauber in das System Ihres Herstellers integriert. Übertragungsfehler sind eine ganz eigene Problemquelle! CircuitStudio von Altium ist eine bewährte PCB-Designsoftware, die für eine große Vielfalt von Produkten genutzt wird und auch für Ihre Projekte geeignet ist. Fangen Sie noch heute an und sprechen Sie mit einem Experten bei Altium.

     

     

     

     

     

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