Leiterplattenherstellungsverfahren und Bestückungsprozesse – wo Wellenlöten zum Einsatz kommt

Titelbild zu Leiterplattenherstellungsverfahren und PCB-Bestückung

Als ich aufwuchs, fühlte ich mich manchmal wie ein Armeegöre. Mein Vater war zwar in der Luftwaffe, nicht in der Armee und wir zogen nur ein paar Mal um. Dennoch hatte ich jedes Mal mit den gleichen Problemen zu kämpfen, wenn wir in eine neue Stadt umzogen: Ich musste lernen, mich in eine neue Umgebung mit neuen Menschen einzufügen.

Für Kunden kann der Versuch, sich über die Leiterplattenfertigung und -bestückung zu informieren und welche Rolle bestimmte Prozesse spielen, ähnlich wie meine Erfahrung sein. Es ist von Vorteil für unser Design und unsere Entwicklung, gutes Design für die Fertigung (DFM-Praktiken) anzuwenden, um sicherzustellen, dass unsere Leiterplatten auch wirklich hergestellt werden können und zuverlässig sind. Daher ist es wichtig zu wissen, wo und wie das Leiterplattenherstellungsverfahren beeinflusst werden kann.

Obwohl es sich um klar definierte Schritte bei der Herstellung von PCBs handelt, gibt es alternative Techniken und Materialien, die von verschiedenen Herstellern eingesetzt werden können und werden. Das Lötverfahren zur Sicherung Ihrer Komponenten ist einer dieser Prozesse. Das bekannteste und am häufigsten verwendete Verfahren war im Laufe der Jahre das Wellenlöten, das einige Vor- und Nachteile hat.

Werfen wir einen Blick auf die Prozesse des Leiterplattenherstellungsverfahren und die Bestückung und wie Sie Ihre Leiterplatte so gestalten können, dass das Wellenlöten problemlos integriert werden kann.

Das Leiterplattenherstellungsverfahren

Das Ziel der Leiterplattenfertigung ist es, Ihr Software-Design in ein verwendbares Gerät, die Leiterplatte, umzuwandeln, das die von Ihnen definierten Komponenten und die definierte Konnektivität enthält. Die Fertigung ist hier der erste Prozess. Während dieses Prozesses wird die Platine für die Befestigung Ihrer Komponenten vorbereitet. Jeder Schritt baut auf dem vorherigen auf, so dass eine Leiterplatte entsteht, die alle Leiterbahnen, Bohrungen, Bauteilpads und alle zusätzlichen Bilder wie Logos oder Texte enthält.

Der erste Schritt des Leiterplattenherstellungsverfahren ist das Skizzieren eines Bildes des Layouts. Dieses Bild sollte genau so wie  das aussehen, welches Sie in der Software erstellt haben, und kann auf die Platine oder ein Bildüberlagerung gedruckt werden. Der nächste Schritt ist die Ätzung der Innenschicht. Bei diesem Schritt wird überschüssiges Kupfer aus den Innenlagen der Platte entfernt, so dass nur noch die Kupferspuren übrig bleiben.

Der nächste Schritt ist das Hinzufügen aller Schichten, aus denen sich das Board zusammensetzt – das wird als Stackup bezeichnet. An diesem Punkt wurde die Leiterplatte bereits konstruiert, einschließlich aller Innenlagen. Der nächste Schritt ist das Bohren der Löcher, zu denen auch Vias und Befestigungslöcher gehören. Danach wird die Ätzung der Außenschicht durchgeführt, die die Kupferspuren der Oberflächenschicht hinterlässt. Mit den gebohrten Löchern kann die Beschichtung für Vias durchgeführt werden.

Als nächstes erfolgt die Lötmaskierung, die alle Bereiche der Leiterplatte abdeckt, in denen kein Lot aufgetragen werden soll. Im Siebdruckschritt werden Symbole, Pin-1-Indikatoren, Logos und andere Bilder hinzugefügt. Abschließend wird die Platte gereinigt und alle Rückstände entfernt. Zum Schutz wird zusätzlich eine Schutzschicht aufgebracht. Dies ist der letzte Schritt im Leiterplattenherstellungsverfahren. Nun ist das Fundament fertig, auf dem Ihre Komponenten durch Löten befestigt werden.

Das Wissen darüber, wie Sie Ihren Herstellungsprozess optimieren können, wird Ihnen eine bessere Vorstellung von der endgültigen Version Ihres Produktes geben. 

Der Prozess zur Bestückung von Leiterplatten

Nach der Herstellung ist Ihr Board soweit, dass Sie die Komponenten montieren können. Jeder Schritt während des Bestückungsprozesses unterstützt die Sicherung Ihrer Komponenten auf der Leiterplatte. Das Löten ist hier die Methode zur Sicherung der Komponenten. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich bei den Komponenten um Durchsteck- oder Surface Mount Devices (SMDs) handelt.

Das Lötverfahren für Durchgangslöcher und SMDs ist unterschiedlich. Je nach den Komponenten Ihres Designs kann die Baugruppe leicht variieren; der Gesamtprozess kann jedoch im Allgemeinen durch einen bestimmten Vorgang von Schritten definiert werden. Das erste, was auf der fertigen Leiterplatte gemacht wird, ist das Auftragen einer ersten Schicht Lot. Wenn Ihr Design diese beinhaltet, werden SMDs so platziert, dass sie mit den entsprechenden Pads verbunden sind. Um SMDs zu sichern, wird ein Reflow-Löten durchgeführt, bei dem das Lot in einem Ofen erwärmt wird, um Verbindungen herzustellen.

An dieser Stelle werden die Verbindungen auf gute Konnektivität überprüft. Bei Bedarf müssen Sie nacharbeiten, was zum Beispiel manuelles Löten oder das Umsetzen von Komponenten beinhalten kann. Als nächstes werden Durchgangslochbauteile montiert, sofern sie von Ihnen vorgesehen sind. Zur Sicherung von Durchgangslochbauteilen kann eine Form des Wellenlötens durchgeführt werden, was die vorteilhafteste Anwendung ist.

Dies kann Vollwandwellenlöten sein, wenn Ihr Design alle Durchgangslochbauteile hat und sie in ausreichendem Abstand angeordnet sind. Es kann auch selektives Wellenlöten sein, bei dem ein gerichtetes Strahlsprühen zum Auftragen des Lotes verwendet wird. Auch hier sollten Sie die Komponentenverbindungen inspizieren. Überschüssiger Schmutz oder potenzielle Verunreinigungen werden durch Waschen entfernt und die Platten in einzelne Einheiten getrennt.

Wo Wellenlöten zum Einsatz kommt

Das Wellenlöten war das erste automatisierte Verfahren zur Befestigung von Komponenten auf Leiterplatten. Im Laufe der Jahre wurde die Methode angepasst, um mit den Veränderungen der Komponententypen und -größen mitzuhalten. Heutzutage steht das Wellenlöten im Wettbewerb mit anderen Verfahren, die vor allem zur Verbesserung der Präzision bei der Lötanwendung entwickelt wurden. Abhängig von Ihren Entscheidungen zu Komponenten in Ihrem Leiterplattenlayout kann das Wellenlöten immer noch die beste Technik für Ihre Leiterplattenbestückung sein.

Wellenlöten hat die folgenden Vorteile: 

• Geschwindigkeit – weil alle Komponenten für eine bestimmte Stelle gleichzeitig gelötet werden, ist das Wellenlöten schneller als andere Methoden, die ein individuelles Pad-Löten erfordern. 
• Bestücken von Durchgangslochbauteilen – entwickelt, um mehrere Durchkontaktierungen gleichzeitig zu löten.

Sowie Nachteile: 

• Mangelnde Präzision – Lötbrücken können sich zwischen den Pads bilden, die eng beieinander liegen und nachbearbeitet werden müssen.
• Ressourcenverbrauch – verbraucht mehr Lot, Flussmittel und Energie als andere Prozesse im Leiterplattenherstellungsverfahren.

Um diese Probleme zu lösen, wurde selektives Wellenlöten entwickelt, bei dem das Lot mit einem Strahlspray aufgetragen wird, um eine gezielte Anwendung zu ermöglichen. Auf diese Weise kann das Wellenlöten überall dort eingesetzt werden, wo Präzision gefragt ist.

Anpassen

Wie bei allen Leiterplattendesigns sollte ein gutes Design für die Fertigung (DFM) angewendet werden. Dies kann die einfache Anwendung des Wellenlötens beinhalten, so dass es in die Fertigung Ihrer Leiterplatte passt.

Das Leiterplattenherstellungsverfahren und dessen Montage soll eine Plattform für Ihre Komponenten schaffen und diese so montieren, dass Ihr Design wie vorgesehen funktioniert. Ihre Wahl der Komponenten und ihres Typs Mit dem richtigen PCB-Design-Softwarepaket, wie z.B. Altium, und dem Entwicklungstool sind Sie mit allen Tools ausgestattet, die Sie benötigen, um das Wellenlöten zur Sicherung Ihrer Komponenten einfach zu machen.