Mehrschichtiges PCB-Design

Multilayer-Leiterplatten spielen eine wesentliche Rolle in modernen elektrischen Schaltungen.

Dies liegt an ihrem robusten Design, ihrer Multifunktionalität und ihren robusten Fähigkeiten.

Um jedoch die beste mehrschichtige Leiterplatte zu erhalten, müssen Sie alle komplizierten Details dieser Leiterplatten verstehen.

Genau darum geht es in diesem Ratgeber – unter anderem von einer grundlegenden Definition, Vor- und Nachteilen, Klassifizierung, Designtipps, Komponentenbeschaffung, Materialbeschaffung und Prototyping bis hin zum Montageprozess.

Lass uns anfangen:

Was ist Multilayer-Leiterplatte?

Gedruckte Leiterplatten können basierend auf der Anzahl der Schichten leitfähiger Materialien, aus denen sie bestehen, kategorisiert werden. Auf dieser Grundlage kategorisieren wir Leiterplatten im Allgemeinen in Single-Layer, Double-Layer oder Multilayer.

 Einschichtige Leiterplatte

 Doppelschichtplatine

Mehrschichtleiterplatte

Lange Zeit gab es nur ein- und zweilagige Leiterplatten. Es gab jedoch Veränderungen in der Elektronikindustrie, die komplexere Leiterplatten erforderten.

Die verfügbaren Optionen hatten Designbeschränkungen, die sie für die anspruchsvolleren Fortschritte in der Elektronik unerwünscht machten. Dies erforderte das neue Design mit mehreren Schichten.

Eine Multilayer-Leiterplatte ist eine Leiterplatte, die mehr als zwei Schichten leitfähiger Kupferfolienschichten aufweist.

Diese Platten werden laminiert und zwischen Schichten aus Wärmeschutzdämmstoffen verklebt. Jede Leiterplatte mit drei oder mehr Schichten aus leitfähigem Material fällt daher in diese Kategorie.

Eine Multilayer-Leiterplatte setzt also zwei oder mehr zusammen zweilagige Leiterplatten, oder eine Kombination aus zwei- und einlagigen Leiterplatten. Der Hauptgrund dafür ist normalerweise die Vergrößerung der Oberfläche für die Verdrahtung.

Multilayer-Leiterplatten sind in der Regel meist starr, da es sehr schwierig ist, die vielen Lagen in einem flexiblen Leiterplattenformat zu erreichen.

Mehrschichtige Leiterplatte – Foto mit freundlicher Genehmigung: The Engineering projects

DurchkontaktierungenB. blinde und vergrabene Durchkontaktierungen, werden verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten herzustellen.

Die Anordnung ist derart, dass zwei Schichten auf der Oberfläche zum Verbinden der PCB mit der äußeren Umgebung platziert werden.

Im Allgemeinen sind die Lagen der Leiterplatten gerade. Dies liegt hauptsächlich daran, dass ungerade Zahlen zu Problemen wie Verziehen neigen.

Die Anzahl der Schichten hängt normalerweise von der Anwendung ab, liegt aber meistens zwischen vier und zwölf Schichten.

Im Wesentlichen werden Sie feststellen, dass die meisten Anwendungen zwischen vier und acht Schichten erfordern. Anwendungen wie Smartphones verwenden jedoch meist zwölf Schichten.

Es gibt jedoch einzigartige Anwendungen, die Leiterplatten mit sehr vielen Lagen erfordern. So finden Sie Leiterplatten mit bis zu 100 Lagen, die aber sehr selten sind, da sie nur wenige Einsatzgebiete haben.

Einschichtige vs. mehrschichtige Leiterplatten

Mehrschichtige Leiterplatten und einschichtige Leiterplatten weisen mehrere offensichtliche Unterschiede auf, die von ihrem Design bis zu ihrer Funktionalität reichen. Sie haben jedoch auch einige Ähnlichkeiten, insbesondere in den Materialien, die bei der Herstellung verwendet werden.

Um Ihnen bei der Entscheidung für die beste Option für Ihre spezifischen Bedürfnisse zu helfen, lassen Sie uns die beiden kurz vergleichen. Wir werden unseren Vergleich auf Faktoren wie Gewicht, Größe, Kosten und Bestückungsdichte der Platine stützen.

Einschichtige vs. mehrschichtige Leiterplatte

·Größe

Einlagige Leiterplatten sind größer als mehrlagige Leiterplatten. Dies liegt daran, dass sie eine größere Oberfläche benötigen, um dem Bedarf an verbesserten Schaltkreisen gerecht zu werden.

Multilayer-Leiterplatten hingegen sorgen für den größeren Flächenbedarf durch die zusätzlichen Schichten.

Multilayer-Leiterplatten mit hoher Kapazität können daher in kleine Geräte wie Smartphones passen. Einlagige Leiterplatten mit hoher Kapazität würden sehr große Produkte erfordern, um sie aufzunehmen.

·Gewicht

Komplexe elektrische Anwendungen mit Single-Layer-Leiterplatten zu realisieren, würde viel Masse bedeuten. Dies liegt daran, dass Sie so viele Steckverbinder und andere Komponenten verwenden müssen, um die einzelnen Leiterplatten zu verbinden.

Eine sehr leichte Multilayer-PCB-Lösung kann das gleiche Leistungsniveau erreichen. Dies liegt daran, dass sie keine komplexen Verbindungen benötigen, da sich alles auf einer kompakten Platine befindet.

·Montagedichte

Bei einlagigen Leiterplatten ist die Bestückung rein abhängig von der Fläche der Leiterplatte.

Multilayer-Leiterplatten hingegen erreichen durch Schichtung eine höhere Dichte. Dies gewährleistet auch eine größere Funktionalität für eine kleinere Leiterplatte.

·Design-Funktionalität

Basierend auf den oben genannten Unterschieden haben Multilayer-Leiterplatten im Vergleich zu Single-Layer-Leiterplatten eine überlegene Funktionalität.

Dies wird auch durch die Integration anderer Faktoren wie kontrollierte Impedanzfunktionen und eine bessere EMI-Abschirmung unterstützt.

·Kosten

Die Kosten für das Design und die Herstellung von Multilayer-Leiterplatten überwiegen bei weitem die von Single-Layer-Leiterplatten. Das liegt vor allem an der ausgeklügelten Technik und dem damit verbundenen hohen Know-how.

Im Gebrauch sind Multilayer-Leiterplatten jedoch in der Regel billiger zu handhaben, was die Verdrahtung und den Transport betrifft. Sie sind auch langlebiger und pflegeleichter und daher auf lange Sicht möglicherweise kostengünstiger.

Sie müssen sich also im Wesentlichen die folgenden Fragen stellen, um zu entscheiden, ob Sie sich für Single-Layer- oder Multilayer-Leiterplatten entscheiden:

• Ist Haltbarkeit ein Problem? Dann entscheiden Sie sich besser für Multilayer-Leiterplatten
• Was ist dein Budget? Wenn Sie mit einem bescheidenen Budget arbeiten, ist Single-Layer-PCB das Beste
• Wie komplex ist Ihr Funktionsbedarf? Wenn Sie auf anspruchsvolle Elektronik abzielen, benötigen Sie mehrere Schichten
• Auf welche Boardgröße zielen Sie ab? Mit Multilayer-Leiterplatten können Sie mit sehr kleinen Platinengrößen eine größere Funktionalität erzielen.
• Wie schnell benötigen Sie die Leiterplatte? Mehrschichtige Leiterplatten erfordern eine längere Vorlaufzeit und sind daher möglicherweise nicht die beste Option, wenn Sie die Leiterplatten schnell benötigen

Vorteile von Multilayer-Leiterplatten

Wie wir bereits bei der Definition von Multilayer-Leiterplatten erwähnt haben, sind diese Leiterplatten auf eine bessere Leistung als ihre Vorgänger ausgelegt.

Sie bieten daher mehrere Vorteile, insbesondere in Bezug auf die Leistung. Lassen Sie uns daher diese Vorteile untersuchen.

Mehrschichtige Leiterplatte – Foto mit freundlicher Genehmigung: The Engineering Project

i.Leichtbau

Die Leistung mehrerer Double-Layer-Leiterplatten wird in einer Multilayer-Leiterplatte zusammengefasst. Dadurch werden mehrere Steckverbindungen überflüssig, was das Gewicht reduziert und die Mobilität erhöht.

ii.Größe

Die Fähigkeit, die Leistung vieler doppellagiger Leiterplatten in einer einzigen Leiterplatte zu erreichen, bedeutet kleinere, aber leistungsstarke Elektronik. Dies hat zu kleinen, aber sehr raffinierten Geräten wie Tablets und Smartphones geführt

iii. Haltbarkeit

Mehrschichtige Leiterplatten sind aufgrund ihres Designs langlebiger – sie haben mehrere Isolierschichten zwischen den Schichten. Dies führt zu einer sehr stark verklebten Diele, anstatt zu mehreren losen.

iv. Verbesserte Qualität

Diese PCBs sind zuverlässiger und von besserer Qualität als Double-Layer-PCBs. Dies liegt insbesondere an der aufwendigen und aufwendigen Planung und Fertigung.

v.Bessere Funktionalität und Leistung

Der Einbau einer hohen Schichtdichte in eine Leiterplatte ermöglicht eine hohe Leistungsfähigkeit der Leiterplatten. Die Platinen sind verbindungsstärker, mit angeborenen elektrischen Eigenschaften, die zu einer höheren Geschwindigkeit selbst bei ionenkleinen PCBs führen.

vi. Bietet Single Point of Connection

Als einzelne Einheit stellen Multilayer-PCBs einen einzigen Verbindungspunkt dar, wodurch das Design des Endprodukts vereinfacht wird. Der Hersteller muss nur einen Verbindungspunkt einbauen, was normalerweise für die meisten Endbenutzer elektronischer Produkte wünschenswerter ist

Aufgrund dieser Vorteile überholen Multilayer-PCBs schnell Double-Layer-PCBs. Dies liegt insbesondere daran, dass die leistungsstarken, aber kleineren und leichteren Leiterplatten helfen, Platz zu sparen und eine bessere Portabilität zu haben.

Nachteile von Multilayer-Leiterplatten

Obwohl diese PCBs mehrere Vorteile haben, die sie wünschenswerter machen, haben sie auch gewisse Nachteile.

Wir werden nun einige der Eigenschaften sehen, die Multilayer-Leiterplatten für bestimmte Anwendungen unattraktiv machen können.

 Mehrschichtige Leiterplatte

Dazu gehören:

 i.Eingeschränkte Verfügbarkeit

Es gibt nur sehr wenige Hersteller, die in der Lage sind, Multilayer-Leiterplatten herzustellen. Das liegt vor allem an den teuren Maschinen, die für die Herstellung von Multilayer-Leiterplatten benötigt werden.

Komplexität des Produktionsprozesses

Mehrschichtige Leiterplatten sind komplexer und beinhalten normalerweise einen komplizierten und heiklen Produktionsprozess. Jeder kleine Fehler im Prozess kann die Leistung der Leiterplatte beeinträchtigen, daher ist viel Sorgfalt erforderlich.

ii.Längere Produktionszeiten

Die Umschlagshäufigkeit bei der Herstellung von Multilayer-Leiterplatten ist sehr gering. Dies liegt an der Komplexität der Leiterplatten. Dies kann eine große Herausforderung sein, wenn viele Bestellungen gleichzeitig bearbeitet werden.

iii.Der Designprozess ist zu technisch

Allein der Prozess des Designs von Multilayer-Leiterplatten ist sehr komplex und dauert ziemlich lange. Es erfordert extreme Fähigkeiten, perfekte Verbindungen zwischen Schichten zu entwerfen und gleichzeitig Übersprechen und Impedanz zu mindern.

iv. Sie sind teuer

Das erforderliche Qualifikationsniveau, die teuren Maschinen und der lange, komplizierte Produktionsprozess machen diese Leiterplatten sehr teuer.

Der Prozess ist so komplex, dass Nacharbeiten bei Fehlern in der Produktion nahezu ausgeschlossen sind. Dies führt zu großen Verlusten, da solche Platinen Schrott sind.

Aufgrund der Kosten sind Multilayer-Leiterplatten trotz aller Stärken, die sie haben, weniger beliebt

Wo es jedoch auf geringe Größe und hohe Leistung ankommt, kommt man an Multilayer-Leiterplatten nicht vorbei.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass kostengünstigere Produktionsmöglichkeiten realisiert werden und Unternehmen sich mehr an Multilayer-Leiterplatten wagen. Basierend auf den Vorteilen, die wir zuvor betrachtet haben, ist es in der Tat ein lohnendes Unterfangen für Wissenschaftler, darin zu investieren.

In diesem Fall beginnen ein- und zweilagige Leiterplatten langsam zu verblassen, obwohl sie möglicherweise nicht vollständig verschwinden.

Arten von mehrschichtigen Leiterplatten

Einige der gebräuchlichsten Arten von mehrschichtigen Leiterplatten sind:

Starre Multilayer-Leiterplatten

Starre Multilayer-Leiterplatten sind Leiterplatten, die nicht gefaltet oder verdreht werden können. Dies liegt daran, dass es eine FR4-Versteifung hat, die ihm die Steifigkeit verleiht.

Das Basismaterial dafür starre Leiterplatten ist normalerweise ein starres Substrat, um sicherzustellen, dass die Platte steif und stark ist.

Starre Leiterplatte

Eine starre Multilayer-Leiterplatte ist vereinfacht gesagt eine mehrschichtige Leiterplatte, deren Form sich nach dem Einbau nicht ändern kann. Es hat normalerweise eine sehr lange Lebensdauer und ist die stärkste Option von mehrschichtigen Leiterplattentypen

Aufgrund ihrer Festigkeit und Lebensdauer ist dies die am weitesten verbreitete mehrschichtige Leiterplatte. Ein Computer-Motherboard ist ein Beispiel für eine starre mehrschichtige PCB. Es wird im RAM, der GPU und der CPU des Computers verwendet

Eine starre Multilayer-Leiterplatte kann bis zu mehr als 12 Lagen haben.

Flex-Multilayer-Leiterplatten

Diese sind flexible Schaltungen mit drei oder mehr Leiterlagen.

Flex-Multilayer-Leiterplatten werden durch die Kombination mehrerer ein- oder doppelseitiger Schaltungen hergestellt. Ingenieure erreichen dies, indem sie komplexe Verbindungs-, Abschirmungs- und Oberflächenmontagetechnologien mit einem mehrschichtigen Design verwenden.

Die Lagen sind in den meisten Fällen über durchkontaktierte Löcher verbunden.

Sie können Schichten aufweisen, die kontinuierlich miteinander laminiert sind, aber das ist nicht immer der Fall. Wenn Sie maximale Flexibilität benötigen, ist eine kontinuierliche Laminierung nicht geeignet.

Flexible Leiterplatte

Denn eine durchgehende Laminierung führt in der Regel mit jeder weiteren Schicht zu einer erhöhten Steifigkeit. Um dies zu erreichen, werden die Bereiche zum Flexen oder Biegen nicht verklebt.

Die Anzahl der Schichten bestimmt normalerweise, wie schwierig es ist, diese Leiterplatten herzustellen. Dies liegt an der Notwendigkeit, immer mehr Isolier- und Klebeschichten einzubauen.

Um eine angemessene Isolierung zu erreichen und gleichzeitig die Flexibilität zu erhalten, sind fortschrittliche Maschinen erforderlich, über die nur wenige Unternehmen verfügen.

Flex-Multilayer-Leiterplatten haben den Vorteil, dass sie die Gehäusegröße und das Gewicht weiter reduzieren. Dies liegt daran, dass flexible Schaltungen sehr dünne dielektrische Substrate verwenden.

Dies ergibt ein stromlinienförmiges Design; daher besteht keine Notwendigkeit für die sperrigen starren Bretter. Das macht diese Leiterplatten immer begehrter.

Zu den weiteren allgemeinen Vorteilen flexibler Multilayer-Leiterplatten gehören:

• Reduzierung von Montagefehlern
• Verringerte Montagezeit und -kosten
• Designfreiheit
• Flexibilität bei der Installation
• Anwendungen mit hoher Dichte
• Verbesserter Luftstrom
• Erhöhte Wärmeableitung
• Erhöhte Systemzuverlässigkeit
• Punkt-zu-Punkt-Drahtersatz
• Zuverlässigkeit und Haltbarkeit
• Wiederholbare Routings
• Vereinfachte Schaltungsgeometrie

Aufgrund dieser Vorteile werden flexible Multilayer-Leiterplatten häufig in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wo eine Gewichtsreduzierung eine Notwendigkeit ist.

Starrflexible Multilayer-Leiterplatten

Dies ist eine Art Mehrschicht-Leiterplatte, die die Technologien von kombiniert starre und flexible Leiterplatten. Es besteht aus einer oder mehreren starren Multilayer-Leiterplatten, die auf einer flexiblen Leiterplatte befestigt sind.

Starr-Flex-PCB-Design

Der Vorteil dieser Art von Leiterplatte besteht darin, dass sie die Festigkeit einer starren Multilayer-Leiterplatte und die Flexibilität einer flexiblen Leiterplatte in einer Einheit vereint. Das bedeutet, dass der von der Tafel eingenommene Platz minimiert wird, indem der flexible Teil der Tafel gefaltet wird.

Je mehr Schichten der flexible Abschnitt jedoch hat, desto steifer wird er. Dies bedeutet, dass Sie möglicherweise nicht viele Schichten davon haben, wenn Ihr Hauptanliegen die Flexibilität des Boards ist.

Starrflexible Multilayer-Leiterplatten sind weit verbreitet, insbesondere dort, wo Platz und Gewicht eine Rolle spielen und gleichzeitig die Leistung hoch gehalten werden muss.

Ein solches Anwendungsgebiet ist die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Materialien für Multilayer-Leiterplatten

Die Materialien, die beim Laminierungsprozess für mehrschichtige Leiterplatten verwendet werden, umfassen den Kern der inneren Schicht, Prepreg (das ein gewebtes Glasgewebe mit Epoxid ist) und Blätter aus Kupferfolie.

Wenn jedoch das Wort Material in der Leiterplattenherstellung erwähnt wird, bezieht es sich meistens auf das Basismaterial für die Platine.

Die Wahl des Materials für Leiterplatten hängt normalerweise von vielen Faktoren ab. Die Materialien werden jedoch hauptsächlich nach Brennbarkeit, Hochtemperaturstabilität und Feuchtigkeitsaufnahme der Platte eingestuft.

Dabei werden leider Parameter wie der spezifische Widerstand und die Dielektrizitätskonstante des Materials außer Acht gelassen.

Die Einstufung von laminierten Materialien basiert normalerweise auf der Flammwidrigkeit (FR) des Materials. Das am wenigsten schwer entflammbare Material ist mit FR-1 eingestuft, während das schwerste schwer entflammbare Material FR-5 ist, wie in dieser Tabelle angegeben.

Aufgrund seiner starken Eigenschaften verwenden die meisten Hersteller FR-4 für Leiterplatten. FR-2 wird teilweise auch verwendet, ist aber nicht für Multilayer-Leiterplatten geeignet.

Ein weiterer Grund warum FR-4 meistens verwendet wird, liegt daran, dass viele Verarbeiter und Lieferanten ihre Werkzeuge bereits darauf eingestellt haben. Es kann teuer sein, davon zu wechseln, um die anderen Optionen zu berücksichtigen.

 FR4-Material für Leiterplatte

Bei der Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten für Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen kann es sich als besser erweisen, Teflon- oder Keramikplattensubstrate in Betracht zu ziehen. Je exotischer Ihre Wahl des Substratmaterials ist, desto mehr kostet es Sie jedoch.

Bei der Auswahl des Plattenmaterials ist unter anderem die Feuchtigkeitsaufnahme des Materials zu beachten.

Dies liegt daran, dass es Leistungsmerkmale wie Oberflächenwiderstand und dielektrische Leckage beeinflusst. Es wirkt sich auch auf die Materialstabilität und den Hochspannungsdurchbruch und die Bogenbildung aus.

Denken Sie daran, dass Multilayer-PCBs sehr kostspielig sind und Sie nicht mit Boards enden möchten, die nicht lange halten.

Auch die Betriebstemperaturen sollten ein wichtiger Aspekt sein. In den meisten Fällen werden Multilayer-Leiterplatten in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt.

Die Temperaturen können manchmal sehr hoch werden, insbesondere wenn die Platine in der Nähe eines anderen Stromkreises positioniert ist, der viel Wärme erzeugt. Aus diesem Grund sollten Sie sich für ein Material mit der besten Betriebstemperatur für Ihre gewünschte Anwendung entscheiden.

Designtipps für mehrschichtige Leiterplatten

Beim Entwerfen Ihrer Multilayer-Leiterplatte sind einige Tipps immer nützlich. Wenn Sie diese nicht befolgen, werden Sie wahrscheinlich Probleme wie eine ungleichmäßige Belastung beim Drücken der Bretter bekommen.

Asymmetrische Konstruktionen oder Konstruktionen mit unterschiedlich dicken Schichten führen in der Regel zu Verwindungen/Krümmungen.

Um solche Probleme im Multilayer-Leiterplattendesign zu vermeiden, liegt der zentrale Fokusbereich normalerweise auf dem Stapelaufbau. Die Entscheidungen, die Sie bezüglich Ihres Schichtaufbaus treffen, sollten von Überlegungen zu Funktionalität, Herstellung und Bereitstellung geleitet werden.

Die folgenden Tipps helfen Ihnen, beim Design Ihrer Multilayer-Leiterplatte das Beste zu erreichen.

1. Optimieren Sie die Boardgröße

Beginnen Sie immer damit, Ihre Brettgröße festzulegen, da dies Ihre Auswahl bei den anderen Attributen leiten wird. Um die beste Platinengröße zu bestimmen, müssen Sie Folgendes berücksichtigen:

• Die Anzahl der auf der Platine unterzubringenden Bauteile
• Die Größe der Komponenten
• Standort-wo Sie beabsichtigen, die Platine zu montieren, und
• Die Toleranz des Lohnherstellers für Abstände, Freiräume und Bohrlöcher

2. Optimieren Sie Ihr Ebenendesign

Das Design Ihrer Layer sollte von Signaltypen abhängen. Sie können beispielsweise die folgende Gleichung verwenden, um die Anzahl der Schichten zu bestimmen, die Sie benötigen:

PIN-Dichte

Wenn eine feste oder kontrollierte Impedanz verwendet wird, sollten Sie auch Ihre Impedanzanforderungen berücksichtigen.

3. Optimieren Sie Ihre Auswahl an Vias

Ihre Auswahl an Vias, ob Blind, Through Hole, Buried oder Via in Pad, wirkt sich auf die Komplexität der Herstellung und damit auf die Qualität der Leiterplatte aus. Sie sollten daher sicherstellen, dass Ihre Wahl am besten für Ihre Funktionsanforderungen geeignet ist.

4. Materialauswahl

Wählen Sie das beste Material für jede Schicht Ihrer Leiterplatte, abhängig von Ihren Funktionsanforderungen. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Signallagen und die Ebenenverteilung auf dem Stack symmetrisch sind. Sie sollten eine gute Signalintegrität unterstützen.

5. Optimieren Sie die Platinenherstellung

Nachdem Sie an dem Design gearbeitet haben, müssen Sie den besten Auftragshersteller auswählen. Dies hilft, die Genauigkeit zu gewährleisten. Sie müssen neben anderen DFM-Richtlinien auch die besten Lötmaskierungsoptionen und Trace-Parameter auswählen.

Sourcing für mehrschichtige PCB-Komponenten

Wenn Sie über das Entwerfen und Herstellen Ihrer Multilayer-Leiterplatte nachdenken, sollten Sie bedenken, dass Sie Folgendes benötigen Leiterplattenkomponenten.

Die Platine kann nicht alleine funktionieren, ohne die Komponenten und andere Teile hinzuzufügen, von denen jedes eine bestimmte Funktion erfüllt.

 Mehrschichtige PCB-Komponenten

Sie werden wahrscheinlich nicht in der Lage sein, alle Komponenten herzustellen, die Sie benötigen. Sie müssen daher früh genug mit der Vorbereitung und Beschaffung dieser Komponenten beginnen.

Bewaffnet mit deinem Stückliste (BOM), achten Sie darauf, genau so zu bestellen, wie darin angegeben. Ihre vollständige Stückliste enthält hauptsächlich die folgenden Informationen:

• Die Anzahl der benötigten Komponenten und Materialien
• Codes (Referenzbezeichner) zur Identifizierung einzelner Teile
• Die Spezifikationen für die Komponenten und Materialien in Einheiten wie Farad und Ohm
• Footprint, d. h. die Position/Position jeder Komponente auf der Prototyp-PCB-Platine
• Hersteller-Teilenummer

Bei der Auswahl der Komponenten sollten Sie sich von den folgenden Überlegungen leiten lassen

• Function Fit: Wird das Bauteil genau das können, was Sie wollen?
• Verfügbarkeit: Ist es (in der angegebenen Form) jetzt in ausreichender Menge bei mindestens einem großen Online-Anbieter verfügbar?
• Qualität: Ist das Bauteil langlebig genug
• Preis: Dies sollte nicht die erste Überlegung sein. Wenn Sie sich jedoch um die anderen Punkte kümmern, erhalten Sie eine einigermaßen erschwingliche Option?
• Glaubwürdigkeit des Herstellers: Dies ist eine sehr wichtige Überlegung, wenn Sie die besten Komponenten erhalten möchten.

Denken Sie daran, dass Multilayer-Leiterplatten sehr teuer sind und Sie nicht einmal eine einzige Platine wegen Problemen mit dem Bauteil verlieren möchten. Die Glaubwürdigkeit des Lieferanten ist daher ein sehr kritischer Aspekt.

Seit wann gibt es das Unternehmen?

Haben Sie schon einmal mit ihnen gearbeitet? Wenn nicht, sind Sie sicher, dass sie Teile mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis herstellen?

Überprüfen Sie zusammenfassend die folgenden Attribute des Unternehmens:

• Zuverlässigkeit
• Versandkosten und Zeit
• Garantie
• Technologischer Fortschritt des Lieferanten
• Erfahrung
• Professionalismus

Schauen Sie sich auch die Bewertungen früherer Kunden an. Diese sind jedoch nicht immer absolut zuverlässig und sollten neben anderen Attributen überprüft werden

Mehrschichtiger PCB-Designprozess

Wir haben uns bereits einige wichtige Tipps zum Design von Multilayer-Leiterplatten angesehen. In diesem Kapitel werden wir uns nun den schrittweisen Prozess zum Entwerfen einer Multilayer-Leiterplatte ansehen.

Bevor wir dazu kommen, lassen Sie uns einige wichtige Überlegungen hervorheben, um die Sie sich kümmern müssen.

Negative Ebenenschichten: Dies sind die Schichten, die Sie verwenden, um Strom- und Erdungsebenen auf dem Layout Ihrer mehrschichtigen Leiterplatte herzustellen.

Richten Sie Ihre Pad-Footprint-Formen immer mit den richtigen negativen Ebenenabständen ein. Andernfalls führt dies normalerweise zu einem Kurzschluss.

 Mehrschichtiges PCB-Design

Pad-Formen auf den inneren Signallagen: Einige Pads verwenden auf den äußeren Lagen andere Pad-Formen als auf den inneren Lagen.

Sie müssen daher Ihre Bibliothek für Multilayer-Leiterplatten konfigurieren, um sicherzustellen, dass Sie Ihre gewünschten Pad-Formen erhalten.

Zeichnungsteile: Stellen Sie sicher, dass Sie Logos, Tabellen und PCB-Ansichten an Ihre Multilayer-Leiterplatten anpassen.

Wenn diese kritischen Überlegungen gut berücksichtigt sind, können wir nun mit dem eigentlichen Prozess zum Entwerfen von mehrschichtigen Leiterplatten fortfahren.

Es ist wichtig zu erkennen, dass es verschiedene Software gibt, die zum Entwerfen von Multilayer-Leiterplatten verwendet werden kann. Basierend auf Ihren Vorlieben und Ihrem Hintergrund; Sie können unter den vielen verfügbaren Softwareoptionen ORCAD, ENGLE CAD und KICAD verwenden.

In diesem Leitfaden werden wir uns jedoch mit dem mehrschichtigen PCB-Design mit KiCad befassen. Dabei bleiben die üblichen Schritte des PCB-Designs mit KiCad bestehen. Für alle Leiterplatten umfasst dieser Prozess im Allgemeinen zwei einfache Schritte, die zusammengefasst werden:

• Erstellung des schematischen Diagramms und
• Gestaltung des Layouts

Bevor wir jedoch dazu kommen, werfen wir einen Blick auf einige spezielle Verfahren im Umgang mit Multilayer-Leiterplatten.

Schritt 1. Wählen Sie die Anzahl der Ebenen aus

Wählen Sie nach dem Öffnen der Software die Anzahl der Schichten, die Ihre Leiterplatte haben soll. Klicken Sie dazu auf die Registerkarte „Design Rules“ und dann auf „Layers Setup“.

Wählen Sie im angezeigten Fenster die Anzahl der Schichten aus, die Ihre Leiterplatte haben soll. Hier ordnen Sie auch Signal-, Power- und Ground-Layer zu.

Möglicherweise sind mehr Schichten erforderlich, wenn Sie mehr Verbindungen benötigen, um Platz zu sparen

Schritt 2. Bearbeiten Sie das PCB-Design

Wählen Sie die Arbeitsschicht über die Registerkarte „Visibles“ aus, die sich auf der rechten Seite des Fensters befindet.

Um den Typ der Durchkontaktierung (Blind, Vergraben oder Durchgangsloch) festzulegen, klicken Sie mit der rechten Maustaste und wählen Sie Durchkontaktierung aus. Wählen Sie die Ebene aus, die das Via erreichen soll.

Achten Sie darauf, wo Sie die Durchkontaktierung anschließen, da nicht alle Spuren mit Durchkontaktierungen verbunden werden können.

Hinweis:

Wenn Sie viele Masse- und Stromanschlüsse benötigen, müssen Sie separate Schichten für Masse und Strom zuweisen, um Verwechslungen zu vermeiden.

Nachdem dies erledigt ist, kann die übliche Vorgehensweise zum Entwerfen von Leiterplatten wie folgt aussehen:

1)Erstellen des schematischen Diagramms

Als Eeschema bezeichnet, erstellen Sie hier den elektrischen Schaltplan, der die beabsichtigte Schaltung beschreibt.

Um den Schaltplan zu zeichnen, wählen Sie Symbole aus der Bibliothek aus und fügen sie dem Schaltplanblatt hinzu. Verwenden Sie den Schaltplanbibliothekseditor, um Komponenten zu erstellen, die nicht in der Bibliothek vorhanden sind.

Als nächstes müssen Sie eine regelmäßige Überprüfung der elektrischen Regeln durchführen, um Fehler zu erkennen.

Es gibt zwei Dinge zu beachten, bevor Sie von diesem Punkt zu Pcb new übergehen:

1. Verknüpfen Sie zunächst die Komponenten in „Eeschema“ mit Footprints
2. Erstellen Sie eine Netzlistendatei mit den Informationen, die Pcbnew verwenden wird, um das Layoutblatt einzurichten.

2)Layout gestalten

Hier verwenden Sie eine aus dem Eeschema generierte Netzliste, um das Layout zu entwickeln. Dabei werden die Footprints auf dem Blech positioniert und verdrahtet.

Führen Sie eine Designregelprüfung durch, um Defekte in der Platine zu erkennen. Achten Sie auf Spuren, die zu nahe an Pads, überlappenden Footprints und anderen Fehlern liegen.

Exportieren Sie schließlich die Layoutinformationen in eine Gerber-Datei, die vom Hersteller zur Herstellung der Leiterplatte verwendet wird.

Technologie, die beim Design von mehrschichtigen Leiterplatten verwendet wird

Einige der gebräuchlichsten Technologien, die Sie beim Entwerfen von Mehrschicht-Leiterplatten benötigen, sind die folgenden:

·Multilayer-PCB-Design-Software

Wie wir bereits im Abschnitt Mehrschicht-PCB-Design erwähnt haben, PCB-Design-Software ist ein wesentlicher Bestandteil des Designprozesses.

Es hilft Ihnen, die Struktur der mechanischen und Verdrahtungsverbindung der Leiterplatte aus der Netzliste zu generieren.

Es hilft Ihnen, diese Verbindungsstruktur auf Multilayern zu platzieren und computergestützte Designdateien zu generieren. Dieses CAD ist für die Herstellung der Leiterplatte unerlässlich.

Es gibt mehrere Softwareoptionen für das PCB-Design, mit denen Sie Ihre Multilayer-PCB entwerfen können. Einige wenige werden jedoch häufiger verwendet als andere, insbesondere wegen ihrer einfacheren Schnittstelle, unter anderem aus Gründen.

Entscheiden Sie sich immer für Designsoftware, die einfach zu bedienen und erprobt und getestet ist und nachweislich die gewünschten Ergebnisse liefert.

Im Folgenden sind einige der häufig verwendeten Software beim Entwerfen von mehrschichtigen Leiterplatten aufgeführt.

• Adler
• KiCAD
• Altium Designer
• OderCAD
• EasyEDA, neben vielen anderen auf dem Markt erhältlichen Software für mehrschichtige Leiterplatten.

·Konstruktion für die Fertigung (DFM)

DFM zielt darauf ab, Produktteile und -komponenten zu entwerfen, um die Produktion zu vereinfachen. Ziel ist es, gute Produkte zu geringeren Kosten zu erzielen. Es geht also darum, das Design des Produkts zu vereinfachen, zu optimieren und zu verfeinern.

DFM sollte früh genug durchgeführt werden, bevor Sie mit der Werkzeugerstellung beginnen.

Alle Stakeholder sollten in DFM einbezogen werden. Die Konstrukteure, Ingenieure, Lohnfertiger, Materiallieferanten und Formenbauer sollten alle einbezogen werden. Dadurch werden potenzielle Probleme mit dem Design vermieden.

Die folgenden Grundsätze sollten DFM immer leiten

• Prozess
• Material
• Design
• Umwelt
• Anforderungsprüfung

Computergestütztes Design für mehrschichtige Leiterplatten

Wie wir bereits gesehen haben, ist CAD bei der Herstellung einer Leiterplatte sehr wichtig. Es beinhaltet die Verwendung einer Computersoftware zum Generieren, Modifizieren und Optimieren eines Teils oder von Teilen der Leiterplatte.

Dies erhöht die Präzision und Genauigkeit und hilft bei der Integration der Konstruktionsskizze in die Stückliste.

Vorteile von CAD

• Es macht die Automatisierung genau und unkompliziert und die Prozessmodellierung (Mechanical Design Automation)
• Es ermöglicht Computer Aided Manufacturing
• Es verbessert die Genauigkeit bei der Dimensionsanalyse
• Es bietet eine sehr geringe Fehlerspanne zwischen den Teilen

Mehrschichtiger PCB-Prototyping-Prozess

Das Prototyping ist ein wesentlicher Bestandteil Ihres PCB-Fertigungsprozesses. Es hilft Ihnen, Verschwendung und unnötige Ausgaben zu vermeiden.

Multilayer-Leiterplatten sind sehr kostspielig, daher möchten Sie nicht einmal ein paar aufgrund einfacher Herstellungsfehler verlieren.

Mehrschichtiges PCB-Prototyping

Sie können Ihren Prototypen testen und gegebenenfalls Anpassungen vornehmen. So geben Sie die Massenproduktion der Leiterplatten erst in Auftrag, wenn Sie mit den Qualitäten zufrieden sind.

Der Prozess des Mehrschicht-PCB-Prototyping umfasst die folgenden Schritte – ich habe den gesamten Prozess in drei Hauptphasen unterteilt: Design, Fertigung und Montage.

Bitte beachten Sie, dass wir einige dieser Phasen in anderen Abschnitten dieses Handbuchs ausführlicher erklären. Wir werden sie daher an dieser Stelle nur kurz hervorheben.

Ein Design

Schritt 1: Entwerfen Ihres PCB-Prototyps

Dies ist die Grundlage Ihres mehrschichtigen PCB-Prototyping-Prozesses.

Das Verfahren zum Entwerfen Ihrer Leiterplatte wird im Abschnitt „Multilayer-Leiterplattendesign“ dieses Handbuchs beschrieben. Befolgen Sie dieses Verfahren, um das Design für Ihren PCB-Prototyp mit einer Software Ihrer Wahl zu erstellen.

Hinweis:

Wenn Sie einen benutzerdefinierten PCB-Prototypen bauen, können Sie Breadboards und Perfboards kaufen, die normalerweise online verfügbar sind.

Diese Bretter haben normalerweise einige Teile bereits fertig, wie die Löcher auf dem Brett. Sie sind daher zeitsparend zu verwenden, wenn Sie einen benutzerdefinierten Prototyp erstellen möchten.

Schritt 2: Erstellen einer Stückliste (BOM)

Eine Stückliste ist eine Liste aller Komponenten und Materialien, die Sie zur Herstellung des Leiterplatten-Prototyps benötigen.

Wir haben den Inhalt der Stückliste bereits im Abschnitt „Komponentenbeschaffung“ dieses Leitfadens gesehen.

GUT

Anhand der Stückliste stellen Layouter und Komponenteningenieur die richtigen Komponenten und Materialien zusammen.

Schritt 3: Entwerfen von PCB-Routen

Verbinden Sie die Leiterbahnen auf der Platine unter Berücksichtigung von Faktoren wie Leistungspegel und Rauschempfindlichkeit. Sie sollten dies auf der Grundlage der im Gerber enthaltenen Informationen aus der Entwurfsphase tun.

Hinweis:

Kontrollieren Sie Ihren Prototypen in jeder Phase regelmäßig, um eventuelle Fehler rechtzeitig korrigieren zu können. Zu den zu prüfenden Problemen gehören Wärmeflecken und Temperaturinkonsistenzen.

Andere Prüfungen umfassen elektrische Prüfung (ERC) und Layout-versus-Schematic (LVS) und Antennenprüfung. Sie sollten erst dann zur nächsten Stufe übergehen, wenn Ihr Prototyp diese Tests bestanden hat.

B. Fertigung

Wenn Sie mit dem Design fertig sind, erstellen Sie für jede Schicht und jede Lötmaske einen Fotofilm der Prototyp-Leiterplatte.

Die folgenden Schritte bilden den Fertigungsprozess für Mehrschicht-PCB-Prototypen. Ich werde sie in unserem nächsten Kapitel ausführlich erläutern. Ich werde sie daher auflisten, mit nur wenigen Klarstellungen, wo nötig.

Dazu gehören:

Schritt 4: Drucken der inneren Schichten

Hier beginnen Sie mit dem Bedrucken der Innenlagen von Multilayer-Leiterplatten.

Schritt 5: Ebenen ausrichten

Richten Sie die innere Schicht, die Kupferfolie und das Prepreg genau aus und kombinieren Sie sie dann, um eine laminierte Platte zu erhalten

Schritt 6: Bohren von Löchern

Hier kommt es vor allem darauf an, beim Bohren der Löcher auf Präzision zu achten. Genauigkeit ist ein Muss!

Schritt 7: Kupferbeschichtung

Dies dient dazu, eine Oberfläche zum Galvanisieren auf der Oberfläche und den Löchern bereitzustellen.

Von hier aus umfasst der weitere Prozess Folgendes:

• Bildgebung der äußeren Schicht
• Kupfer- und Zinnplattierung
• Schlussätzung
• Auftragen von Lötstopplack
• Oberflächenfinish auftragen
• Siebdruckverfahren
• Schneide das Brett

Dies ist der letzte Schritt in der Platinenherstellung. Von hier aus ist Ihr Board bereit für die Montage.

Bevor Sie mit dem Zusammenbau Ihres Prototyps einer mehrschichtigen Leiterplatte beginnen, müssen Sie zunächst sicherstellen, dass Sie alle Komponenten haben.

Die Stückliste (BOM), die Sie zuvor erstellt haben, sollte Sie bei der Beschaffung der Komponenten unterstützen. Stellen Sie sicher, dass Sie alle in der Stückliste enthaltenen Komponentenspezifikationen einhalten.

Sie können jetzt mit der Montage Ihres Multilayer-PCB-Prototyps beginnen.

C.Montage

Mehrschichtiges Leiterplattendesign

Lotpastenschablonen

Beginnen Sie mit dem Auftragen einer Lötpaste auf die Platine. Die Lötpaste vermischt sich mit einem Flussmittel, damit das Lötmittel schmelzen und sich mit der Oberfläche der Platine verbinden kann.

Durch das Aufbringen einer Edelstahlschablone auf die Oberfläche des Prototyps wird sichergestellt, dass das Lot nur zu den Bauteilpositionen gelangt. Das Lot verteilt sich gleichmäßig über den offenen Bereich.

Wenn Sie die Schablone schließlich entfernen, bleibt die Lötpaste nur noch auf den gewünschten Stellen der Platine.

Kommissionieren und Platzieren

Verwenden Sie eine Bestückungsmaschine, um SMD-Komponenten auf der Prototyp-Leiterplatte zu platzieren.

Reflow-Löten

Ein Förderband transportiert den PCB-Prototyp durch einen Reflow-Ofen. Der Ofen hat Heizungen, die das Brett auf etwa 480 0F erhitzen. Dadurch schmilzt die Lötpaste.

Die Platine wird dann gekühlt, wodurch die geschmolzene Lötpaste verfestigt wird. Dadurch kleben die SMDs auf der Platine.

Wenn Sie einen Prototyp mit Komponenten auf beiden Seiten erstellen, schmelzen Sie zuerst eine Seite und wechseln Sie dann zur anderen.

Inspektion von PCB-Prototypen

In diesem Stadium sollten Sie Ihren Prototypen auf schlechte Verbindungen oder elektrische Kurzschlüsse überprüfen. Diese resultieren in der Regel aus den Bewegungen, während sich die Platte auf dem Förderband befindet.

Zu den Kontrollen in dieser Phase gehören manuelle Kontrollen, Röntgeninspektion und AOI.

Einsetzen von Durchgangslochkomponenten

Wenn Ihr Prototyp für Durchgangslochkomponenten ausgelegt ist, ist dies die Phase, in der sie zusammengebaut werden. Stecken Sie die Anschlussdrähte der Bauteile in die dafür vorgesehenen Durchgangslöcher und verwenden Sie Handlöten oder Schwalllöten.

Wenn die Platine zweiseitig ist, müssen Sie manuell löten, insbesondere für die zweite Seite. Wellenlöten ist in diesem Fall keine gute Option.

Funktionstests

Hier simulieren Sie die realen Bedingungen, denen der Prototyp ausgesetzt wird.

Testen von PCB-Prototypen

Achten Sie ein letztes Mal auf Anomalien am Prototyp, bevor Sie die eigentliche Fertigung in Auftrag geben. Suchen Sie nach Möglichkeiten für umgekehrte Polarität, Leitungsüberkreuzungen, fehlende oder beschädigte Komponenten oder andere Probleme.

Testen Sie den Prototyp nach Möglichkeit an dem Produkt, das die endgültige Leiterplatte mit Strom versorgen soll. Wenn Sie mehrere Prototypen haben, testen Sie sie unter denselben Bedingungen und wählen Sie den besten aus.

Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten

Der erste Schritt bei der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten ist die Auswahl des Innenschichtkerns (dünnes Laminatmaterial) in der gewünschten Dicke.

Denken Sie daran, dass die Dicke zwischen 0.038 Zoll und 0.005 Zoll liegen kann. Die Anzahl der Kerne hängt vom Design der Platine ab.

§Trockenfilm-Resistbeschichtung des Kernmaterials der inneren Schicht

Bringen Sie einen lichtempfindlichen Film/fotoabbildbaren Resist an, indem Sie Wärme auf die Metalloberflächen des Kerns anwenden. Die Verwendung von gelbem Licht hilft, eine versehentliche Belichtung des Resists zu verhindern.

Dies liegt daran, dass der Film für ultraviolettes Licht empfindlich ist. Die Filter entfernen die Lichtwellenlänge, die die Resistbeschichtung beeinträchtigen würde.

§Fotowerkzeuge oder Artwork

Verwenden Sie die Gerber-Daten, um einen Film zu zeichnen, der die Spuren und Pads des beabsichtigten Platinendesigns darstellt. Das Artwork sollte Lötstopplack und die Legende sowie Kupfermerkmale enthalten.

Der Film wird verwendet, um ein Bild auf dem Resist zu platzieren

§Belichten Sie das Bild

Als nächstes setzen Sie die Platten hochintensivem UV-Licht aus, das durch die Folie kommt. Die sauberen Bereiche lassen Licht durch, um den Filmresist zu polymerisieren. Dies erzeugt ein Bild des Schaltungsmusters.

§Entwickle das Bild

Behandeln Sie den freigelegten Kern durch eine chemische Lösung/einen Entwickler, um den Resist von den unpolymerisierten Bereichen zu entfernen.

§Ätzen der inneren Schicht

Entfernen Sie das Kupfer chemisch vom Kern in den Bereichen, die nicht vom Trockenfilmresist bedeckt sind. Das Ergebnis ist ein Muster, das dem auf dem Film entspricht. In Bereichen, in denen Kupfer weggeätzt wird, bleibt die Oberfläche des Kernlaminats freigelegt.

§Strippen des Resists

Entfernen Sie den Trockenfilmresist chemisch von der Platte. Dadurch bleibt das Kupfer auf der Platte.

Die Leiterbahnen, Pads, die Masseebene und andere Konstruktionsmerkmale bleiben freigelegt.

§Automatisierte Optische Inspektion (AOI)

Untersuchen Sie die inneren Schichten auf Konstruktionsprobleme. Dies geschieht mit den Daten aus den Gerber-Dateien. Wenn es minimale Inkonsistenzen gibt, können minimale Reparaturen durchgeführt werden. Alle relevanten Abteilungen sind auf die Ergebnisse der Inspektion angewiesen, um etwaige Prozessprobleme zu beheben.

§Oxidbeschichtung

Als nächstes behandeln Sie die Platten chemisch. Dies soll helfen, die Haftung der Kupferoberfläche zu verbessern. Sie können organische Chemie oder andere Arten von Chemie verwenden. Es können auch mechanische Verfahren verwendet werden. Die erhaltene Farbe variiert normalerweise je nach verwendetem Verfahren.

Mehrschichtiger Aufbau

Für diesen Prozess benötigen Sie Kupferfolie, Prepreg und die Innenlagenkerne.

Kupferfolie – es kommt normalerweise in Bögen von ½ oz. und 1 Unze pro Quadratfuß oder 0.007 Zoll und 000134 Zoll Nenndicke

Vorimprägnierte Verbundfolie (Prepreg) – das hält die Kerne zusammen.

PCB-Material – Foto mit freundlicher Genehmigung: Orbotech

Aus den vorherigen Kapiteln haben wir gelernt, dass das am weitesten verbreitete Prepreg FR4 ist. Dies ist ein gewebtes Glasfasergewebe, das mit Epoxidharz vorimprägniert ist.

Während der Laminierung schmilzt dieses Harz durch Druck und Hitze und fließt über die Kupfermerkmale und das freigelegte Laminat auf dem Kern. Beim Abkühlen verbindet es die Schichten der Folie und des Kerns miteinander.

Laminierte Platten – während des Laminierungsprozesses werden die innere Schicht, die Kupferfolie und das Prepreg unter Hitze und Druck miteinander verbunden.

Dies geschieht manchmal im Vakuum. Das Ergebnis ist eine Platte mit vielen Kupferschichten im Inneren. Es hat auch die Folie auf der Außenseite.

Sobald Sie die laminierte Platte erhalten haben, ähnelt der Prozess im Wesentlichen dem der zweischichtigen Leiterplattenkonstruktion. Es dauert die folgenden Schritte.

§Primärer Bohrer

Bohren Sie Löcher durch den Plattenstapel in einem Muster, das zu Ihrer beabsichtigten Komponentenpositionierung passt. Die Löcher werden normalerweise 5 mil größer gebohrt als die beabsichtigten Größen der fertig plattierten Durchgangslöcher, da sie verkupfert werden.

Die Löcher müssen so genau wie möglich sein. Leiterplattenhersteller verwenden Röntgensuchgeräte, um die richtigen Löcher zu lokalisieren, und das Bohren erfolgt computergesteuert.

§Entgraten

Dies ist die Entfernung des Grats (erhabene Kanten des Metalls), der die Löcher umgibt. Diese Grate entstehen normalerweise während des Bohrvorgangs.

Auch eventuell im Bohrloch verbliebene Ablagerungen werden an dieser Stelle entfernt.

§Desmear

Dieser Prozess ist spezifisch für mehrschichtige Leiterplatten. Es ist die chemische Entfernung der dünnen Harzbeschichtung von den Verbindungen der inneren Schicht.

Diese Schicht entsteht normalerweise aufgrund der Hitze und Bewegung der Bohrer beim Erstellen der Löcher. Dieser Prozess trägt zur Verbesserung der elektrischen Konnektivität bei

§Kupferabscheidung

In diesem Stadium wird eine dünne Kupferbeschichtung auf der gesamten freigelegten Oberfläche der Platte chemisch abgeschieden. Dies schließt die Wände der Löcher ein.

Dadurch wird eine metallische Basis für die Kupfergalvanisierung auf der Oberfläche und in den Löchern geschaffen.

§Trockenresistbeschichtung der Außenschicht

Hier verwenden Sie die gleiche Folie, die auf den Innenlagen verwendet wird, um die Außenlagen vollflächig zu beschichten. Dies sollte sogar die gebohrten Löcher abdecken.

§ Freilegung und Entwicklung der äußeren Schicht

Legen Sie die Platte nach dem gleichen Verfahren wie bei den Innenschichtkernen frei. Licht dringt durch klare Bereiche im Film und härtet so den Resist aus. Es erzeugt ein Bild des Schaltungsmusters.

§Kupfermusterplattierung

Als nächstes wird Kupfer bis zu einer Dicke von etwa 0.001 Zoll auf die freigelegte Oberfläche galvanisiert.

§Verzinnen

Als nächstes wird eine Verzinnung auf die gesamte freigelegte Kupferoberfläche aufgebracht. Zinn dient als Ätzresist, um die Kupferspuren, die Lochpads und Wände während des Ätzens der äußeren Schicht aufrechtzuerhalten.

§Der „SES“

Dies sind drei zusammenhängende und aufeinander folgende Schritte von Strip-Etch-Strip.

• Resiststreifen – Der nächste Schritt besteht darin, den Trockenfilmresist von der Platte zu entfernen. Die Verzinnung bleibt unberührt. Alle Löcher, die mit Resist bedeckt waren, werden offen und nicht plattiert.
• Ätzen – Dieser Prozess entfernt Kupfer von allen Teilen, die nicht verzinnt sind. Zinn schützt das Kupfer darunter vor dem Ätzen.
• Tin Strip-das Zinn hat seine Rolle erfüllt. Es wird daher chemisch entfernt, wobei das Kupfer zurückbleibt

§Lötmaskenanwendung

Reinigung – Der erste Schritt hier ist die Reinigung der freigelegten Kupferflächenpads, Leiterbahnen und Durchgangslöcher. Hier wird die Oberfläche mit Bimsstein geschrubbt. Dies trägt dazu bei, die Haftung der Maske zu verbessern und Oberflächenverunreinigungen zu entfernen

Aufbringen einer Lötmaske – Auftragen einer lichtempfindlichen Tinte auf Epoxidbasis bedeckt die Platte vollständig. Als nächstes wird die Platte getrocknet, jedoch ohne abschließendes Aushärten. Die Platte wird dann über ein Filmwerkzeug einer Lichtquelle ausgesetzt. Schließlich wird die Platte entwickelt, wodurch die Kupferpads und Löcher freigelegt werden, wie sie durch das Kunstwerk definiert sind

Aushärten der Lötmaske – dies geschieht durch Backen in einem Ofen, obwohl einige Hersteller Infrarotwärmequellen verwenden.

§Siebdruck

In diesem Stadium wird die Farbe je nach Kundenwunsch auf einer oder beiden Seiten des Kartons im Siebdruckverfahren aufgebracht. Danach durchlaufen die Platten einen Backvorgang, um die Tinte auszuhärten

§Heißluft-Lotnivellierung

Dabei werden die Bleche mit Flussmittel beschichtet und anschließend vollständig in ein Bad aus geschmolzenem Lot getaucht. Das Lot bedeckt alle freiliegenden Metalloberflächen.

Während Sie die Platte aus dem Lot entfernen, richten Sie heiße Luft auf beide Seiten der Platte. Dadurch wird überschüssiges Lot aus den Löchern entfernt und die Oberfläche der Pads geglättet

§Route

Verwenden Sie eine CNC-Maschine oder einen Router, um die Bretter zuzuschneiden. Sie können die Bretter auch anritzen und nach dem Zusammenbau einfach auseinanderbrechen.

Als nächstes werden die Platten auf Sauberkeit, Grate und andere Anforderungen überprüft.

§Elektrische Prüfung und Endkontrolle

Testen Sie die Platinen auf Unterbrechungen und Schüsse in ihren Schaltkreisen. Reparieren Sie nach Möglichkeit die Kurzschlüsse und führen Sie einen Überprüfungstest durch.

Anschließend die Platinen einer Sichtprüfung unterziehen. Bestätigen Sie, dass sie den Anforderungen und Branchenspezifikationen des Kunden entsprechen. Überprüfen Sie auch die physischen Abmessungen und Lochgrößen

§Verpackung und Versand

Der letzte Schritt besteht darin, die guten Platinen zu zählen und einzuschweißen, damit sie versandfertig sind.

Mehrschichtiger PCB-Montageprozess

Wir sind jetzt in der letzten Phase, von wo aus wir am Ende eine komplette Leiterplatte haben. In dieser Phase fügen Sie nun Komponenten hinzu, indem Sie sie auf die Leiterplatte montieren und löten.

Bevor wir jedoch in den Prozess der Leiterplattenbestückung einsteigen, müssen Sie einen DFM-Check durchführen. Erinnern Sie sich an DFM?

Wir haben bereits in den früheren Abschnitten dieses Handbuchs darüber gesprochen.

Der DFM-Check zielt darauf ab, herauszufinden, ob es irgendwelche problematischen Merkmale auf der Leiterplatte gibt.

Sie werden sich daher alle Designspezifikationen der Leiterplatte ansehen, um festzustellen, ob irgendwelche fehlenden oder falsch ausgeführten Merkmale vorhanden sind.

Mehrschichtige Leiterplattenbestückung

Ein Beispiel für solche Probleme besteht darin, dass zwischen den Komponenten unzureichend wenig Platz gelassen wird, was zu Kurzschlüssen führen kann.

DFM-Prüfungen sind daher sehr wichtig, um Kosten zu senken. Denn es hilft Ihnen, die Probleme früh genug zu erkennen und so Ausschuss zu reduzieren.

Wenn Sie damit fertig sind, können Sie nun mit dem eigentlichen PCB-Montageprozess fortfahren.

Es gibt zwei Hauptmethoden, die zum Bestücken von Leiterplatten verwendet werden. Diese sind:

§Oberflächenmontagetechnik für Multilayer-Leiterplatten

Dabei werden oberflächenmontierte Komponenten mit einer Bestückungsmaschine platziert und dann mittels Reflow-Löten auf die Platine geklebt.

Oberflächenmontagetechnologie – Foto mit freundlicher Genehmigung: Wikimedia

Oberflächenmontierte Komponenten sind solche Komponenten, die keine Leitungen haben und keine Durchgangslöcher verwenden. Sie sind auf der einen Seite der Platine montiert und können nicht zur anderen Seite durchdringen.

Die Oberflächenmontage ist normalerweise stark mechanisiert.

§Durchgangsloch-Technologie für Multilayer-Leiterplatten

Dieses Verfahren wird verwendet, um Durchgangslochkomponenten auf der Platine zu montieren. Durchgangslochkomponenten haben Leitungen, die in die Löcher auf der Platine eingeführt werden. Diese Leitungen werden dann mittels Hand- oder Schwalllöten verlötet.

Die meisten Leiterplatten haben normalerweise sowohl oberflächenmontierte als auch durchkontaktierte Leiterplatten. Sie benötigen daher eine Kombination dieser beiden Methoden für ihre Montage. Die verwendete Technik wird Mixed PCB Assembly genannt.

Betrachten wir daher den schrittweisen Montageprozess für mehrschichtige Leiterplatten.

Schritt 1: Schablonieren der Lötpaste

Wie der Name schon sagt, ist dies die Phase, in der Sie Lötpaste auf die vorgesehenen Teile der Platine auftragen.

Dies sind die Teile, an denen Sie die Komponenten montieren und löten möchten. Die Verwendung einer Schablone hilft, die unbeabsichtigte Oberfläche zu blockieren, damit sie nicht die Lötpaste erhält.

Eine mechanische Halterung stellt sicher, dass sich die Leiterplatte in der richtigen Position befindet, und dann trägt ein Applikator die Lötpaste auf.

Als nächstes verteilt die Maschine die Paste auf der Schablone, sodass sie sich gleichmäßig auf allen Bereichen verteilt, die nicht von der Schablone bedeckt sind. Wenn Sie die Schablone entfernen, verbleibt die Lotpaste nur auf den vorgesehenen Stellen.

 Schritt 2: Pick-and-Place

Sobald Sie die Paste auf die Platine aufgetragen haben, können Sie SMD-Bauteile darauf platzieren. Es gibt Robotergeräte, die helfen, diese SMD-Komponenten mit hoher Präzision aufzunehmen und zu platzieren. Deshalb haben sie heute die früher verwendeten Pinzetten weitgehend ersetzt.

Schritt 3: Reflow-Löten

Dies ist der Prozess, der dazu beiträgt, dass die Komponenten in ihrer Position bleiben. Ein Förderband bewegt den Reflow-Ofen, wo die Lötpaste schmilzt.

Später wird es gekühlt, um die Komponenten zu verfestigen und festzuhalten. (Ich habe den Prozess im Abschnitt „Prototyping“ erklärt, also belasse ich es dabei).

Schritt 4: Inspektion und Qualitätskontrolle

Hier untersuchen Sie die Platine auf eventuelle Fehler, die durch Bewegungen während des Reflow-Lötprozesses entstanden sein könnten.

Grundsätzlich sind die folgenden Hauptarten von Inspektionen, die Sie in dieser Phase durchführen werden

• Manuelle Kontrollen
• Automatische optische Inspektion (AOI)
• Röntgeninspektion

Auch hier habe ich mich bereits im Abschnitt Prototyping eingehender damit beschäftigt. Die Vorgehensweise ist bei der eigentlichen Montage genauso wie beim Prototyping.

Schritt 5: Einsetzen der Durchgangslochkomponenten

Die meisten mehrschichtigen Leiterplatten sind so konzipiert, dass sie durchkontaktierte Komponenten enthalten. Wenn dies der Fall ist, ist dies der Zeitpunkt, an dem diese Komponenten auf der Platine hinzugefügt werden.

Sobald Sie die Komponenten auf der Platine platziert haben, wobei die Leitungen gut in den Löchern positioniert sind, ist es jetzt an der Zeit, sie zu löten.

Reflow-Löten funktioniert hier nicht. Stattdessen können Sie sich je nach Art und Größe der Bauteile für Handlöten oder Wellenlöten entscheiden.

Handlöten ist einfacher, aber im Vergleich zum Wellenlöten langsamer.

Es wird daher nur dort eingesetzt, wo Wellenlöten nicht ideal ist, z. B. wenn eine Leiterplatte auf beiden Seiten durchkontaktierte Komponenten hat. In diesem Fall wird das Wellenlöten nicht verwendet, da es die bereits gelöteten Komponenten auf der ersten Seite der Platine stören kann.

Schritt 6: Endkontrolle und Funktionstest

Dies ist der letzte Schritt, in dem Sie die nun fertig bestückte Platine auf Funktionalität testen. Dazu simulieren Sie die tatsächlichen Arbeitsbedingungen, unter denen die Leiterplatte funktionieren soll.

In der Zwischenzeit überwachen Sie die Leistung und nehmen jede Anomalie zur Kenntnis.

Wenn es ein Problem mit irgendeiner der Eigenschaften der Platine gibt, besteht diese Platine den Test nicht.

Je nach Ausfallgrad und Unternehmensstandards kann die Leiterplatte recycelt oder verschrottet werden.

Wenn die laufenden Tests erfolgreich durchgeführt wurden, ist die Wahrscheinlichkeit schwerwiegender Fehler beim Abschlusstest sehr gering. Der Test ist jedoch immer noch ein Muss, um sich des Endprodukts sicher zu sein.

Verwendung von mehrschichtigen Leiterplatten

Im Abschnitt Vor- und Nachteile haben wir mehrere positive Eigenschaften gesehen, die mehrschichtige Leiterplatten gegenüber einschichtigen Leiterplatten haben. Wie Sie es wirklich erwarten, hat dies viele Branchen dazu gebracht, sich für Multilayer-Leiterplatten zu entscheiden.

Insbesondere die Mobilität und Funktionalität, die Multilayer-Leiterplatten garantieren, haben viele dazu veranlasst, sich für sie zu entscheiden

Lassen Sie uns daher in diesem Abschnitt einige dieser Anwendungen betrachten.

 Unterhaltungselektronik

Consumer Products

Menschen auf der ganzen Welt wechseln schnell zu intelligenten Produkten wie Smartphones, die Multitasking mit viel Leichtigkeit ermöglichen.

Um diese Qualität zu erreichen und tragbar zu bleiben, müssen diese Geräte mehrschichtige PCBs verwenden.

Telekommunikationsausrüstung

Langlebigkeit und Funktionalität sind die beiden wichtigsten Eigenschaften von Telekommunikationsgeräten. Aus diesem Grund werden mehrschichtige Leiterplatten für die Herstellung mobiler Geräte oder Türme im Freien für diese Branche bevorzugt.

Industrielle Ausrüstung

Auch hier ist der Hauptfaktor die Haltbarkeit. Industrieanlagen werden manchmal einer rauen Behandlung ausgesetzt, die Zerbrechlichkeit nicht tolerieren kann.

Aus diesem Grund werden Multilayer-Leiterplatten für industrielle Steuerungen verwendet, die Maschinen in der Industrie antreiben.

Medizinische Ausrüstung

Ob Diagnose oder Behandlung, Mobilität und Funktionalität medizinischer Geräte zeichnen sich besonders aus.

Daher werden Multilayer-Leiterplatten in diesem Sektor häufig verwendet, von Herzmonitoren bis hin zu CAT-Scan-Geräten und mehr.

Militär- und Verteidigungsausrüstung

Die Militärindustrie hängt in hohem Maße von Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen und hochkompaktem Konstruktionsdesign ab. Sie müssen eine Elektronik entwickeln, die mehrere Funktionen beinhaltet, aber dennoch eine leichte Bewegung ermöglicht.

Das ist nur mit Multilayer-Leiterplatten erreichbar

Automobilindustrie

Die gute Wärmebeständigkeit, geringe Größe und hohe Leistungsfähigkeit von Multilayer-Leiterplatten eignen sich perfekt für die Innenumgebung von Automobilen.

Aus diesem Grund werden sie unter anderem in diesem Bereich häufig bei der Herstellung von Bordcomputern und Motorsensoren verwendet.

Luft-und Raumfahrtindustrie

Dies ist eine der sensibelsten Branchen, wenn es um Gewicht, Größe, Haltbarkeit und Leistung geht. Die Kombination dieser Attribute hat Multilayer-Leiterplatten zu den besten für Elektronik wie Cockpit-Computer gemacht.

Computerelektronik

In der Computerindustrie sind Portabilität und Leistung so wichtig, dass sie die Auswirkungen auf die Kosten meist überwiegen.

Laptops zum Beispiel brauchen sowohl hohe Leistung als auch einfache Mobilität. Sie sind daher für ihre Hauptplatinen und andere Teile auf mehrschichtige Leiterplatten angewiesen.

Fazit

Der Zweck dieses Leitfadens war es, Ihnen ein solides Verständnis von Multilayer-Leiterplatten zu vermitteln. In dem Bestreben, dieses Verständnis zu entwickeln, habe ich sowohl die Konzepte als auch die Prozesse so treffend wie möglich erklärt. In dieser Hinsicht versetzt Sie der Leitfaden in eine gute Position, um alle Probleme mit Multilayer-Leiterplatten zu lösen.

Auch mit diesem Verständnis sind Sie nun in der Lage, entscheidende Entscheidungen zu allen Fragen zu treffen, die diese Art von Leiterplatten betreffen.

Sie sind hier immer willkommen für weitere solcher informativen Führer.