Welche sind die wichtigsten Schritte bei der Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten?

Die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer-PCB) ist die führende Technologie, die die Entwicklung fortschrittlicher Elektronik unterstützt und die Integration kompakter sowie leistungsstarker Geräte ermöglicht, die breite Anwendungen in der Unterhaltungselektronik, Luft- und Raumfahrt sowie in der medizinischen Messtechnik finden. Während ein- oder zweilagige Leiterplatten nur eine oder zwei Kupferschichten aufweisen, bestehen mehrlagige Leiterplatten aus drei oder mehr Kupferschichten, die durch isolierende Materialien voneinander getrennt und übereinander gestapelt sind. Dies ermöglicht komplexere Leiterbahnen, eine höhere Bauteildichte und eine bessere elektrische Leistung. Das Verständnis der grundlegenden Schritte bei der Herstellung mehrlagiger Leiterplatten vermittelt Konstrukteuren, Ingenieuren und Einkäufern umfassendere Kenntnisse hinsichtlich Qualität, Zuverlässigkeit und Produktionsfähigkeit.

Designprüfung und technische Vorbereitung

Neben der physischen Fertigung ist die Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten im Wesentlichen ein Produkt des Entwurfsstadiums. Sobald die Gerber-Dateien, Schichtaufbauangaben und technischen Anforderungen vorliegen, prüfen Ingenieure den Entwurf sehr genau. Sie analysieren den Entwurf hinsichtlich Spurbreiten, Abstände, Impedanzanforderungen, Lagenanpassung, Via-Strukturen und Materialauswahl.

Simulation und Design for Manufacturability (DFM)-Analyse sind zwingend erforderlich für sehr komplexe Leiterplatten.

Hersteller wie King Field können kostspielige Überarbeitungen vermeiden und sicherstellen, dass der Produktionsablauf reibungslos verläuft, indem sie DFM-Ergebnisse bereitstellen, bei denen potenzielle Probleme frühzeitig erkannt werden, beispielsweise Signalintegritätsprobleme und Schwierigkeiten beim Bohren.

Belichten und Ätzen der Innenschichten

Jede innere Kupferschicht wird separat hergestellt. Zunächst wird die Oberfläche eines kupferkaschierten Verbundwerkstoffs gereinigt und mit einem Fotolack beschichtet. Auf präzise Weise wird das Schaltmuster mithilfe von UV-Strahlen in den Fotolack durch einen Prozess namens Lichtätzung eingebracht.

Bei der Entwicklung werden der durch Licht belichtete Resist und das nicht durch den Resist geschützte Kupfer chemisch durch ein Oxidationsmittel weggeätzt. An dieser Stelle kommt eine automatische optische Inspektion (AOI) zum Einsatz, um sicherzustellen, dass die Leiterbahnbreiten und -abstände den Vorgaben entsprechen und das Muster intakt ist. Da nach der Laminierung festgestellte Fehler nicht mehr behoben werden können, ist es entscheidend, dass die inneren Schichten von hoher Qualität sind.

Oxidbehandlung der Innenschichten

Vor der Laminierung werden die Innenschichten mit Oxid oder anderen Oberflächen behandelt, die die Verbindung fördern. Während dieser Behandlung wird die Kupferoberfläche atomar aufgeraut, wodurch die Haftung der Kupferschichten auf dem Prepreg-Isolationsmaterial bei der anschließenden Laminierung verbessert werden soll. Die Haftfestigkeit zwischen den Schichten ist ein sehr wichtiger Faktor für die mechanische Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit von mehrschichtigen Leiterplatten. Dies gilt insbesondere für Mehrschicht-Bauelemente, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder Vibrationen betrieben werden.

Schichtaufbau und Laminierung

Die Laminierung ist zweifellos eine der charakteristischsten Phasen des Herstellungsprozesses mehrschichtiger Leiterplatten. Die Innenschichten werden dabei entsprechend dem genehmigten Schichtaufbau mit Prepreg-Stücken (Glasfasergewebe, das mit Epoxidharz getränkt ist) dazwischen angeordnet, und die äußeren Kupferfolien werden oben und unten hinzugefügt.

Der Stapel wird dann in eine Laminierpresse eingebracht, wo er einem kontrollierten Zyklus aus Hitze und Druck unterzogen wird. Das Prepreg-Harz schmilzt, fließt und härtet anschließend aus, wodurch alle Schichten zu einer festen Einheit verbunden werden. Eine genaue Steuerung von Temperatur, Druck und Zeit ist erforderlich, um eine präzise Ausrichtung der Schichten zu gewährleisten und typische Fehler wie Hohlräume oder Delamination zu vermeiden.

Bohren und Via-Erstellung

Nach dem Laminieren wird die mehrlagige Leiterplatte gebohrt, um Löcher sowohl für Durchsteckkomponenten als auch für Vias bereitzustellen, die die elektrischen Verbindungen zwischen den Schichten herstellen. Eine CNC-Bohrmaschine erzeugt die mechanischen Löcher, während bei Mikrovias in hochdichten Verbindungsstrukturen (HDI) eine Laserbohranlage zum Einsatz kommen kann.

Die Lochwände werden nach dem Bohren gereinigt und aktiviert, um eine Metallisierung der Löcher zu ermöglichen. Selbstverständlich muss das Bohren äußerst genau erfolgen, da sonst Fehlausrichtungen die elektrische Verbindung zwischen den Schichten beeinträchtigen würden.

Metallisierung und Kupferbeschichtung von Bohrungen

Um die Durchkontaktierungen leitfähig zu machen, wird zunächst ein dünner Kupferfilm auf die Bohrwände durch einen stromlosen Kupferprozess abgeschieden. Danach folgt der elektrolytische Kupferniederschlag, um die Schichtdicke so weit zu erhöhen, dass sie elektrisch und mechanisch zuverlässig ist.

Strukturierung und Ätzung der Außenschichten

Die Leiterbahnen der letzten Schicht werden durch Belichtung der Außenschichten mit Fotolack entsprechend den Innenschichten erzeugt. Nach den Prozessen der Fotolithografie und Entwicklung wird das überschüssige Kupfer weggeätzt, wodurch die fertigen Leiterbahnen auf den Außenschichten verbleiben.

In diesem Stadium werden die Kontaktpad-Geometrie, die Leiterbahnführung und die Verbindungspunkte für Bauteile festgelegt, was letztendlich sowohl die Montageausbeute als auch die elektrische Leistung beeinflusst.

Lötmaskenauftrag

Eine Lötstoplack ist eine Schicht aus lackähnlichem Polymer, die über die Leiterplatte aufgebracht wird, um die Kupferbahnen vor unerwünschter Oxidation und Kontamination zu schützen sowie die Gefahr von Lötbrücken zwischen benachbarten Pads zu verringern. Öffnungen für Pads und Vias, die verlötet werden sollen, sind daher ausschließlich in der Lötstopmaske definiert.

Die Genauigkeit bei der Ausrichtung der Lötstoplack wird besonders bei der Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten entscheidend, insbesondere wenn die Bauteile feinverzahnt sind. Zu diesem Zweck setzen Hersteller wie King Field hochmoderne Belichtungs- und Aushärtegeräte ein, um eine gleichmäßige Abdeckung und langanhaltende Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

Oberflächenbearbeitung

Lötfähigkeit ist neben dem Schutz der freiliegenden Kupferpads ein weiterer Vorteil der Oberflächenbeschichtung. Die gebräuchlichsten Optionen für Oberflächenbeschichtungen sind HASL, ENIG, OSP, Immersionssilber und Immerginszinn. Die Auswahl der am besten geeigneten Variante hängt von Faktoren wie Haltbarkeit, Montageverfahren und elektrischer Leistung ab.

Aufgrund seiner ebenen Oberfläche und hervorragenden Korrosionsbeständigkeit wird für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit häufig ENIG bevorzugt.

Elektrische Prüfung und endgültige Inspektion

Prüfung und Inspektion sind die letzten Schritte bei der Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten. Um sicherzustellen, dass es in keiner Schicht der sehr komplexen mehrlagigen Struktur Kurzschlüsse oder Unterbrechungen gibt, wird eine elektrische Prüfung durchgeführt, um die Kontinuität und Isolationsbedingungen zu überprüfen. Zusätzlich können visuelle Inspektionen, Messungen (Abmaßprüfungen) und gelegentlich Röntgenuntersuchungen verwendet werden, um die korrekte innere Ausrichtung und die Qualität der Durchkontaktierungen zu verifizieren.

Nur Platinen, die allen geforderten Spezifikationen entsprechen, dürfen zum Verpackungs- und Versandprozess übergehen.

Fazit

Die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten ist äußerst anspruchsvoll und erfordert hohe Präzision, umfangreiche Erfahrung sowie die Entwicklung und strikte Einhaltung strenger Qualitätskontrollmaßnahmen in jedem Arbeitsschritt. Daher ist es nur folgerichtig, dass die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Produkts unbedingt von der korrekten Umsetzung all dieser Schritte sowie der Tests – insbesondere der abschließenden – abhängt.

King Field ist es gelungen, mehrlagige Leiterplatten anzubieten, die es verschiedenen Branchen ermöglichen, modernste elektronische Produkte zu entwickeln, indem hochentwickelte Ausrüstung in Verbindung mit einer disziplinierten Prozessführung eingesetzt wird. Das genauere Verständnis dieser Schichten macht die Komplexität hinter dem Funktionieren moderner Elektronik deutlich und hilft Kunden zudem dabei, die richtige Wahl eines zuverlässigen Leiterplatten-Herstellers zu treffen.