Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und Fertigung

Hochschule Pforzheim

Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und Fertigung

Geschrieben als Skript für eine Wahlvorlesung gleichen Titels an der Hochschule Pforzheim für
Studenten der Elektro- und Informationstechnik.

Wolf-Dieter Schmidt

Inhaltsverzeichnis

1. Übersicht

1.1. Hintergründe
1.2. Ziel dieser Vorlesung
1.3. Untergliederung des Lehrstoffes
1.4. Begriffsbestimmungen
1.5. Normen
1.5.1. Sinn und Zweck von Normen
1.5.2. Herausgeber von Normen
1.5.3. einige Normen als Beispiele

2. Entstehung einer Leiterplattenbaugruppe

2.1. Aufgliederung des technischen Ablaufes
2.2. Einflüsse und Wechselwirkungen

3. Technologie der Leiterplatte

3.1. Grundlagen
3.2. Materialien
3.3. Aufbautechniken
3.3.1. einseitige Leiterplatte – Grundlagen Ätztechnik
3.3.2. doppelseitige Leiterplatte – galvanisieren und modifizierte Ätztechnik
3.3.3. Multilayer
3.3.4. Multilayer – spezielle Bauformen und besondere Aspekte
3.3.4.1. Sacklöcher, Buried Vias, Laserstrukturierung
3.3.4.2. Sequentiell aufgebaute Multilayer (SBU), ultradünne Multilayer (UTM) und LASERStrukturierung
3.3.4.3. Multilayer mit integrierten Wärmeableitschichten
3.3.5. sonstige Leiterplatten(-Sonder)bauformen
3.4. mechanische Bearbeitung: Stanzen, Bohren, Fräsen und Ritzen
3.5. Lackschichten
3.6. metallische Oberflächen bzw. Oberflächenschutz
3.7. Qualitätsaspekte und Leiterplatten-Fehler
3.7.1. Lagenversatz
3.7.2. Bohrprobleme
3.7.3. Kontaktabriss
3.7.4. Orangenhaut
3.7.5. Delaminierung
3.7.6. Entnetzung
3.8. Kostenaspekte

4. elektronische Bauteile

4.1. Begriffsbestimmung
4.2. bedrahtete Bauteile
4.3. SMDs („Surface Mounted Devices“) bzw. OMBs („oberflächenmontierte Bauteile“)
4.3.1. Chips in Bauform „MA“
4.3.2. Chips in Bauform „AB“
4.3.3. diskrete Halbleiter in diversen Bauformen
4.3.4. integrierte Schaltungen in diversen Bauformen
4.4. Materialaspekte: Gehäuse und Anschlüsse
4.4.1. Gehäuse
4.4.2. Anschlüsse
4.4.3. Materialprobleme
4.5. Bauteil-Empfindlichkeiten
4.5.1. Mechanik
4.5.2. ESD – Electro Static Discharge
4.5.3. Feuchte

5. Bestücktechnik

5.1. Bauteilbereitstellung
5.2. Handbestückung
5.3. Maschinenbestückung
5.3.1. bedrahtete Bauteile
5.3.2. SMDs
5.3.2.1. Bestückvorbereitung
5.3.2.2. bedrahtete Bauteile und SMDs / einseitig Wellen-Löttechnik
5.3.2.3. bedrahtete Bauteile und SMDs / Reflow- und Wellenlöt-Technik
5.3.2.4. SMDs auf beiden Seiten / beidseitig Reflow-Technik
5.3.3. Pick-and-Place-Prinzip
5.3.3.1 Detail-Unterschiede
5.3.3.2 ortsfeste Leiterplatte
5.3.3.3 Leiterplatte entlang einer Achse bewegt
5.3.3.4 Leiterplatte entlang beider Achsen bewegt
5.4. Sondertechniken

6. Verbindungstechnologie

6.1. Begriffsbestimmung
6.2. Löttechnik
6.2.1. allgemeine Grundlagen
6.2.1.1. Abgrenzung Löten – Schweißen
6.2.1.2. wichtige Lotlegierungen
6.2.1.3. Aufbau der Lötstelle
6.2.1.4. Fähigkeit zum Ausbilden einer Lötstelle – Benetzungseigenschaften
6.2.1.5. Kompatibilität von bleihaltigen und bleifreien Loten und Oberflächen von Bauteilanschlüssen
6.2.1.6. Funktion des Flussmittels
6.2.2. Handlötung
6.2.3. Wellenlöten
6.2.3.1. Grundlageninformationen Welle
6.2.3.2. Lötbilder und Lötfehler Welle
6.2.4. Reflow-Löten
6.2.4.1. Grundlageninformationen Reflow
6.2.4.2. Heißgas-Reflow-Anlagen
6.2.4.3. Vapourphase-Löten
6.2.4.4. Lötbilder und Lötfehler Reflow
6.2.5. „Pin in Paste“
6.2.6. sonstige Löttechniken
6.2.7. Kompatibilität Bauteil – Lötprozess
6.3. Leitklebetechnik
6.4. Schweißen / Bonden
6.5. Einpresstechnik

7. Prüfung

7.1. Begriffsbestimmung Prüfung – Abgleich
7.2. Prüfmethoden
7.2.1. Optische Methoden
7.2.1.1. Sichtprüfung
7.2.1.2. Automatic Optical Inspection (AOI)
7.2.1.3. Röntgenuntersuchung
7.2.2. Elektrische Methoden
7.2.2.1. Moving Probe Tester / Flying Probe Tester
7.2.2.2. In-Circuit-Test = ICT
7.2.2.3. Boundary-Scan
7.2.2.4. Funktions-Test = FUT
7.3. Abgleich

8. Arbeitsorganisation

8.1. Analyse
8.2. Zeitplanung
8.3. Fertigungskonzept
8.4. Typengebundene Werkzeuge
8.5. Daten- bzw. Unterlagenverteilung, Arbeitspläne

9. Leiterplatten-Layout – allgemeine Voraussetzung

9.1. Definition prozessrelevanter Parameter
9.1.1 Feinheit der Struktur
9.1.2 Pad und Bohrung
9.1.2.1 grundlegende Dimensionierung
9.1.2.2 Besonderheiten der Bohrung-Pad-Kombination
9.1.3 Lötstopplack
9.1.4. Kennzeichnungsdruck
9.1.5 Technologische Anforderung als Auswahlkriterium
9.2 Symbol-Bibliothek
9.2.1 Sinn einer Bibliothek, Aufbau & Struktur
9.2.2 Elemente der Bibliothekssymbole
9.2.3. Funktion der Sperrzonen
9.3. bedrahtete Technik (THT)
9.3.1. Block- und Scheiben-Gehäuse, 2-polig
9.3.2. axiale Bauteile, 2-polig
9.3.3. vielpolige Gehäuse
9.3.3.1. Steckverbinder, Schalter u.a. („Electromechanics“)
9.3.3.2. Transistorgehäuse, Ics in runden Metallgehäusen o.ä.
9.3.3.3. Ics in DIL-Gehäusen (Dual-Inline)
9.3.3.4. Leistungshalbleiter mit Kühlkörpern u.ä.
9.4. SMT
9.4.1 Grundlagen
9.4.1.1 SMD in der Lötwelle
9.4.1.2 SMDs beim Reflowlöten
9.4.1.3. Lötstopplackfenster
9.4.1.4 Lotpastenfenster
9.4.2. Layout für Chip-Bauteil (Anschluss-Typ „MA“)
9.4.2.1. Wellen-Löten
9.4.2.2. Reflowlöten (Anschluss-Typ „MA“)
9.4.3. Layout für Chip-Bauteil (Anschluss-Typ „AB“)
9.4.3.1. Wellen-Löten
9.4.3.2. Reflowlöten (Anschluss-Typ „AB“)
9.4.4. Layout für Halbleiter-Gehäuse (Anschluss-Typ „GW“)
9.4.4.1. Wellen-Löten (Anschluss-Typ „GW“)
9.4.4.2. Wellen-Löten – spezielle Aspekte (Anschluss-Typ „GW“)
9.4.4.3. Reflowlöten (Anschluss-Typ „GW“)
9.4.5. Layout für IC-Gehäuse (Anschluss-Typ „JL“) – nur Reflow-Technik
9.4.6 Layout für IC-Gehäuse (Anschluss-Typ „BGA“)
9.4.7 Layout für „Exoten“
9.4.7 schwere / große Bauteile (‚heavy components’):

10. Leiterplatten-Layout – Details

10.1 Festlegung der Eckdaten der zu konstruierenden LP
10.1.1 Kontur und Befestigung
10.1.2 Technologieauswahl
10.1.3 Definition des Aufbaus
10.2. erste Schritte im Layout
10.2.1 Bauteilplatzierung
10.2.2. thermische Aspekte
10.3. Detaillierung des Layouts
10.3.1 Layout
10.3.2 Justierung und Test
10.4 High-Speed-Layout
10.4.1 ideale Leitungen und Anpassung
10.4.2 reale Leitungen auf Leiterplatten
10.4.3 Ausgangs- und Eingangsimpedanzen
10.4.4 Konsequenzen für das Layout
10.5 Abschluss des Themas „Layout“

Literatur und Quellen

Verzeichnis gängiger Abkürzungen

1. Übersicht

1.1. Hintergründe

An der Entstehung einer Leiterplattenbaugruppe sind mehrere Abteilungen einer Firma bzw. mehrere Firmen beteiligt, was im 2. Abschnitt genauer betrachtet werden soll. Unabhängig von der Konstellation gibt es zu den technischen Schwierigkeiten nur zu häufig Kommunikationsprobleme zwischen den Beteiligten. Wie leicht einzusehen ist, kann eine Arbeit nur dann sinnvoll, d.h. mit gutem technischen und wirtschaftlichem Ergebnis ausgeführt werden, wenn der oder die Ausführende zumindest einen Überblick über die aus der eigenen Arbeit resultierenden Konsequenzen für die nachfolgenden Fertigungsschritte hat. Hier muss man aber leider allzu oft deutliche Mängel feststellen.

1.2. Ziel dieser Vorlesung

Aus den zuvor dargestellten Überlegungen resultiert der Ansatz für die Struktur dieser Vorlesung. In den folgenden Kapiteln sollen die Grundzüge der am Entstehungsprozess einer Leiterplattenbaugruppe beteiligten Technologieschritte erläutert werden, wobei der Schwerpunkt auf Standard-Techniken Stand 2008 liegt. Bei spezialisierten Firmen und / oder ohne Berücksichtigung der Kosten sind auch heute schon weitaus anspruchsvollere Konstruktionen möglich.
Sehr wichtig ist es, die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Fertigungsschritten zu betrachten. Dabei sollen die folgenden Stichworten eine Art Leitlinie darstellen:

• Darstellung der komplexen Verkettung der Einzelschritte
• Übersicht über die beteiligten Verfahren (Grundlagen
• Ausrichtung auf ‚gesamtheitliches Denken
• wirtschaftliches Engineering

Unter dem letzten Stichwort verstehe ich die Brücke zwischen der technischen und der kaufmännischen Welt. Jedem sind die immer wieder aufkommenden Diskussionen um den „Standort Deutschland“ und das Schlagwort „Lohnstückkosten“ bekannt. Nur wenn man sich bereits zu Beginn eines Projektes gründlich Gedanken über die Kostenanteile der ‚Zutaten’ macht bzw. die Wechselwirkung von Technologieauswahl und Kosten angemessen berücksichtigt, kommt man letztlich auch zu einem vermarktbaren Produkt. Ingenieuren wird häufig nachgesagt zu ‚verspielt’ zu sein und zu wenig auf das ‚liebe Geld’ zu achten. Daher werden auch immer wieder Denkanstöße für das Kostendenken gegeben. Eine Kostenoptimierung bis zur letzten Konsequenz dürfte allerdings in den meisten Fällen ein Wunschtraum bleiben, da der dafür notwendige Aufwand nur unter besonderen Randbedingungen realisiert werden kann.
Diese Zusammenstellung kann viele Themen nur streifen und Anregungen vermitteln. Beim Beurteilen von Sachverhalten hilft ein gutes Verständnis grundlegender physikalischer Gesetzmäßigkeiten ganz erheblich. Wenn man bedenkt, wie verschiedenartig Leiterplattenbaugruppen sein können, dann wird schnell klar, dass es zu solch einem Thema keine „Kochrezepte“ geben kann.

1.3. Untergliederung des Lehrstoffes

Der gesamte Lehrstoff ist in 10 Hauptkapitel mit unterschiedlichem Umfang unterteilt:

1. Übersicht
2. Entstehung einer Leiterplattenbaugruppe
3. Technologie der Leiterplatte
4. elektronische Bauteile
5. Bestücktechnik
6. Verbindungstechnologie
7. Prüfung
8. Arbeitsorganisation LP-Baugruppen-Fertigung
9. LP-Layout – allgemeine Voraussetzungen
10. LP-Layout – Details

Dabei sind die kursiv und fett gedruckten 4 Kapitel verhältnismäßig umfangreich. Die Reihenfolge der Kapitel ergibt sich aus der Erkenntnis, dass für ein erfolgreiches Layout die Grundkenntnisse über die sich daraus abzuleitenden Prozessschritte notwendig sind.

1.4. Begriffsbestimmungen

Bisweilen werden die gleichen Begriffe für verschiedene Dinge verwendet. Diese verschiedenen Bezeichnungen sind nicht genormt und ich möchte die üblichen Bezeichnungen hier erläutern und den Gebrauch innerhalb unserer Veranstaltung festlegen:

Tab. 1.1: Begriffe [nur in der Download-Version verfügbar]

1.5. Normen

1.5.1. Sinn und Zweck von Normen

Zu Beginn des industriellen Zeitalters wurden technische Produkte nach Gutdünken des ‚Machers’ erstellt. Vor rund 100 Jahren erkannte die Industrie wie auch ihre Großkunden, dass man Regeln erstellen musste, so dass verschiedene Firmen vergleichbare Produkte herstellen konnten. Mit der Einführung leistungsfähigerer Maschinen und der Elektrizität ergaben sich auch beträchtliche Gefahren, die durch die Anwendung von Sicherheitsnormen begrenzt werden mussten. Hier mischte sich dann auch der Gesetzgeber in das Geschehen ein. Das war der Beginn der Normung.
Normen wurden im Laufe der Zeit von den verschiedensten Institutionen und Verbänden erstellt und herausgegeben. Es gibt fünf Hauptgründe Normen zu erstellen:

a.) Vereinheitlichung
(Festlegung technischer Daten um gleiche Produkte von verschiedenen Herstellern herstellen lassen bzw. beziehen zu können.)

Bekannteste Vertreter sind die DIN-Normen (z.B. für Schrauben, Muttern, verschiedenste Materialien, Kabel, ....).
Im Bereich der Elektronik sind das vor allem JEDEC und EIA für Gehäusebauformen und für Bauteile mit vergleichbaren elektrischen Daten.

Dazu ein Beispiel:
Zu Beginn der Transistortechnik hatten die einzelnen Transistoren nur gemein, dass aus einem Glasröhrchen 3 Beinchen herausragten – mehr nicht. Von Telefunken gab es den TF65, von Valvo den OC71 – aber die waren nur ähnlich. Industrieunternehmen sind andererseits immer bestrebt, das gleiche Bauteil von mehreren Herstellern beziehen zu können (Liefersicherheit). So begann JEDEC Transistor-Kenndaten zu definieren. Alle wesentlichen Daten eines 2N2222 oder 2N2907 wurden festgelegt, und jetzt konnte man ohne Schaltungsänderung den Transistor gleichen Namens von Texas Instruments, RCA, Philips, Motorola usw. einsetzen.

b.) Definition technischer Sachverhalte und Darstellungsmethoden
(Ziel ist das gleiche Verständnis für Begriffe und zeichnerische Darstellungen in Dokumentationen und Unterlagen zu gewährleisten)

Im deutschsprachigen Raum waren es zunächst die DIN-Normen, inzwischen sind es Neuveröffentlichungen in Verbindung mit IEC- und ISO-Normen (meist mit identischem Inhalt), die z.B. Auflistungen von Fachbegriffen und deren Definitionen enthalten oder aber die einheitliche Methoden zur Darstellungen in technischen Zeichnungen beschreiben.

c.) Definition von Mindestanforderungen an Produkte
(Funktion eines Lastenheftes)

Die ältesten Beispiele sind die MIL-Normen und die Normen des FTZ (Fernmeldetechnisches Zentralamt der Bundespost), wichtig sind heute VDA-Normen, sofern diese inzwischen nicht in Form von DIN- oder ISO-Normen erscheinen. Diese Normen sind die Basis für viele Lieferverträge. Sie binden zwar den Lieferanten auf der einen Seite, aber sie schaffen auch von vornherein Klarheit und vermeiden später Auseinandersetzung insbesondere unter dem Aspekt Schadenersatz.

d.) Definition von Qualitätsmaßstäben

Hier sind vor allem die IPC-Standards für die Elektronik zu nennen, die mit Daten und Bildern Normal- und Grenzwerte von akzeptabler Qualität wie auch Fehler darstellen. Derartige Normen sind häufig Vertragsbestandteile zwischen Auftraggeber und Kunden, um eine definierte Basis für die Beurteilung von gelieferten Produkten zu haben.

e.) Sicherheitsaspekte – Schutz des Anwenders bzw. Käufers

Vom VDE wurde hier viel Normarbeit geleistet. Diese Normen erscheinen heute vielfach in Zusammenarbeit mit DIN. Gegenüber den anderen 3 Gruppen haben eine Reihe dieser Normen sogar Gesetzescharakter, d.h. ein Produkt welches einer Sicherheitsnorm nicht entspricht, darf nicht vermarktet werden.

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