Grundlagen der

Leiterplatten-

Baugruppen-

Entwicklung

und

Fertigung

Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Schmidt

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Schmidt: 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.

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und Quellenangaben am Ende.

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Schmidt: Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und -Fertigung

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 LASER-

Strukturierung

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

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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

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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

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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")

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Schmidt: Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und -Fertigung

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

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Schmidt: Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und -Fertigung

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 Berücksichti-

gung 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 Gesetz-

mäßigkeiten ganz erheblich. Wenn man bedenkt, wie verschiedenartig Leiterplattenbaugruppen

sein können, dann wird schnell klar, dass es zu solch einem Thema keine ,,Kochrezepte" geben

kann.

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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

andere Bezeichnungen

Erläuterung

Leiterplatte:

PB (= printed board)

die nicht bestückte einzelne

PCB (= printed circuit board)

Leiterplatte

gedruckte Schaltung

Leiterplatten-

PBA (= printed board assembly)

die einzelne bestückte Leiterplatte

Baugruppe:

PCBA (= printed circuit board

assembly)

Flachbaugruppe

Baugruppe:

assembly

-

einzelne Baugruppe

(z.B. Einschub in System)

oder

-

mehrere Leiterplattenbaugruppen

zusammengebaut

Gerät:

system

-

eine oder mehrere

Leiterplattenbaugruppe(n)

oder

-

Baugruppen, meist eingebaut in

Gehäuse oder Gestell

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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. Industrieunterneh-
men 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 (Fernmelde-
technisches 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

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