Ob Sie nun ein professioneller Elektronikdesigner oder ein Hobbybastler sind, hochwertige, individuell bedruckte Leiterplatten (PCBs – Printed Circuit Boards) können innerhalb einer Woche nach Bestellung geliefert werden – in manchen Fällen sogar noch schneller. Diese Leiterplatten sind zu so niedrigen Preisen erhältlich, dass Sie sich fragen werden, wie sie überhaupt hergestellt werden können. Die Antwort liegt zum großen Teil in den Konzepten stark automatisierter Smart Factories, die in der Produktion eingesetzt werden, angefangen beim Bestellvorgang selbst.
Sobald Sie Ihre Leiterplatte mit einer EDA-Software (Electronic Design Automation) wie KiCad, Eagle oder Altium entworfen haben, wird der automatisierte PCB-Herstellungsprozess bei einem PCB-Hersteller fortgesetzt, der oft einfach als „Fab“ bezeichnet wird. Sie entwerfen (virtuell) einen Standardsatz von Anweisungen – in der Regel Gerber-Dateien im Format RS-274X oder RS-274X2 – zusammen mit den Bohrdateien. Diese werden dann an den PCB-Hersteller Ihrer Wahl hochgeladen. Viele Anbieter, wie OSHPark und PCBWay, geben Ihnen ein sofortiges Angebot, mit dem Sie Ihre Leiterplatte bestellen können.
Die Hersteller prüfen in der Regel die hochgeladenen Leiterplatten, um sicherzustellen, dass ihre Designregeln nicht verletzt werden, damit die Leiterplatte ordnungsgemäß hergestellt werden kann. Dies erfordert einen hohen Grad an Automatisierung, aber auch ein gewisses menschliches Eingreifen und/oder Hin- und Hergehen kann erforderlich sein. Sobald die Prüfungen und die Kommunikation abgeschlossen sind, werden mehrere für Kunden angefertigte Leiterplatten zu einem einzigen zu schneidenden Panel kombiniert. Normalerweise werden diese kombinierten Panels auf eine Standardgröße für den weiteren Fertigungsprozess bei einem PCB-Hersteller zugeschnitten, mit Außenschichten aus Kupfer und einem inneren FR4-Substrat (Glasfaser), das für Festigkeit und Isolierung sorgt.
Elemente des automatisierten PCB-Herstellungsprozesses
Es wäre zwar unmöglich, hier die Feinheiten der Arbeitsweise aller PCB-Hersteller zu beschreiben, aber wir können den automatisierten PCB-Herstellungsprozess in mehrere Hauptelemente unterteilen. Beachten Sie, dass wir der Einfachheit halber die Herstellung von zweilagigen Leiterplatten betrachten. Durch einen Stapel- und Klebeprozess können jedoch auch je nach Bedarf weit mehr Lagen verwendet werden. Auch wenn dieser intelligente Fertigungsprozess ein hohes Maß an Automatisierung beinhaltet, werden immer noch Menschen für Aufgaben wie den Transport unfertiger Produkte, die Einrichtung der Maschinen und die Endkontrolle benötigt.
1. Durchkontaktierungs- und Durchgangslöcher bohren
Der erste Schritt bei der Herstellung von Leiterplatten (nach dem Reinigen und Entgraten) ist in der Regel das Bohren von Durchgangslöchern für Komponenten und Durchkontaktierungen. Dies geschieht in einer Bohrmaschine, die Löcher mit einer Größe von bis zu 100 Mikrometern erzeugen kann, also kleiner als ein menschliches Haar (das einen Durchmesser von etwa 150 Mikrometern hat). Bohrerwechsel für verschiedene Durchmesser werden automatisch durchgeführt.
2. Fotomaskenplotten und Fotolack
Um Leiterbahnen und Füllflächen auf der Leiterplatte zu erstellen, wird ein Negativbild des fertigen Kupfers auf eine transparente Folie gedruckt, basierend auf den gelieferten Gerber-Informationen. Das Panel ist auf beiden Seiten mit einer Schicht aus lichtempfindlichem Film beschichtet, dem so genannten Fotolack. Die bedruckte Folie wird an der Ober- und Unterseite des Panels ausgerichtet. UV-Lampen härten den Fotolack in den Bereichen, in denen kein Bild auf den Film gedruckt ist. Bei der weiteren Verarbeitung wird der ungehärtete Fotolack zusammen mit dem darunter liegenden Kupfer abgewaschen.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Platte noch Teil eines ganzen Panels, das mehrere Designs enthalten kann. Die Reinigung erfolgt an vielen Stellen während des gesamten PCB-Herstellungsprozesses, und verschiedene Inspektionen, einschließlich optischer Verfahren, werden nach und nach durchgeführt, um Fehler so früh wie möglich zu beseitigen.
3. Plattierung und chemische Prozesse
Zusätzliches Kupfer wird galvanisch auf die Leiterplatten aufgebracht, wodurch ein leitender Kanal für Durchkontaktierungen und Durchgangsbohrungen entsteht und die ursprüngliche Folie aufgebaut wird. Es können verschiedene Stärken der Kupferplattierung angegeben werden, und der gesamte Prozess wird sorgfältig kontrolliert, um die Kundenanforderungen zu erfüllen.
4. Lötstoppmaske, Siebdruck, Heißluftlöten (HASL)
Die Lötstoppmaske, die die Kupferbahnen schützt, wird als Flüssigkeit auf beide Seiten einer Leiterplatte aufgetragen. Nach dem Auftragen dieser Folie werden die Platten in einen halb gehärteten Zustand gebrannt und dann beidseitig mit einer transparenten Druckfolie versehen. Die belichtete Lötstoppmaske wird mit einem UV-Verfahren gehärtet und die unbelichtete Lötstoppmaske wird entfernt, ähnlich wie bei dem zuvor durchgeführten Fotolack-Prozess.
Ein Tintenstrahldrucker bringt anschließend eine sichtbare Schicht auf, den so genannten Siebdruck, der zur Kennzeichnung von Komponenten und anderen Beschriftungsaufgaben dient. Schließlich wird in der Regel ein Prozess wie das Heißluftlöten (HASL) durchgeführt, um freiliegende Lötstellen vor Oxidation zu schützen. Anschließend können Sie mit einer fliegenden Bleisonde prüfen, ob die Leiterplatte den Stromfluss wie vorgesehen leitet und widersteht.
5. Profilerstellung und Routing
Nachdem jede Leiterplatte auf einem Panel ordnungsgemäß bearbeitet und geprüft wurde, schneidet ein computergesteuerter Fräsvorgang das Profil und die internen Merkmale der Leiterplatte ohne Durchgangslöcher aus. Diese Kanten und Merkmale müssen nicht gerade sein. Die Panels können auch vor diesem Prozess v-geritzt werden (teilweise in einem „V“ geschnitten). V-Scores beschränken sich auf gerade Linien und erlauben dem Kunden, die Module nach Erhalt zu zerlegen.
6. Fertigstellen, Verpacken, Versenden
Nach einer abschließenden Reinigung, einer weiteren Bearbeitung zur Beseitigung von Artefakten aus dem Routing und einer Inspektion können die Leiterplatten dann verpackt und an die Kunden versandt werden. Es ist ein erstaunlicher Prozess, an diesen Punkt zu gelangen.
Leiterplatten: Prozess- und Lieferungsoptimierung
Beachten Sie jedoch, dass der hier beschriebene Prozess eine Vereinfachung darstellt und dass diese Vorgänge je nach Hersteller und sogar Produkt variieren. Berücksichtigen Sie neben der Automatisierung auch geografische Arbitrage, Geopolitik, Versand und eine Reihe anderer Faktoren, um sich ein vollständiges Bild davon zu machen, wie es möglich ist, Leiterplatten schnell und zu einem erschwinglichen Preis zu produzieren.
Gleichzeitig sind gedruckte Schaltungen seit vielen Jahrzehnten weit verbreitet, so dass der Herstellungsprozess Zeit hatte, zu reifen. Inkrementelle Verbesserungen Jahr für Jahr führen oft zu unglaublichen Ergebnissen. Denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal eine Reihe von hochwertigen Leiterplatten zu einem niedrigen Preis für eine schnelle Lieferung bestellen. Wenn Sie wissen möchten, woher Sie die hochwertigen Teile für die Platten bekommen, hat Arrow einen riesigen Bestand, der sofort lieferbar ist!
