Vorlesung "Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und Fertigung" für Studenten der Elektrotechnik.
An der Entstehung einer Leiterplattenbaugruppe sind mehrere Abteilungen einer Firma bzw. mehrere Firmen beteiligt. 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.
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. 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. 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.
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
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“
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist es, die komplexen technologischen Grundzüge und Zusammenhänge im Entstehungsprozess einer Leiterplattenbaugruppe – von der ersten Geräteidee über das Layout bis hin zur Fertigung und Prüfung – darzustellen und das Verständnis für wirtschaftliches Engineering zu fördern.
- Darstellung der komplexen technologischen Verkettung der Einzelschritte in der Leiterplattenfertigung.
- Vermittlung der physikalischen Grundlagen und Anforderungen an Materialien und Bauteile.
- Analyse der Wechselwirkungen zwischen Designvorgaben und fertigungstechnischer Realisierbarkeit.
- Betrachtung von Qualitätsaspekten und Fehlerquellen im Produktionsprozess.
- Einführung in das kostenbewusste Layout-Engineering unter Berücksichtigung von Stückzahlen und Fertigungskonzepten.
Auszug aus dem Buch
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Übersicht: Einführung in die Problematik der firmenübergreifenden Zusammenarbeit bei der Entwicklung von Leiterplattenbaugruppen sowie Festlegung der Zielsetzung und Begriffsdefinitionen.
2. Entstehung einer Leiterplattenbaugruppe: Analyse der sieben beteiligten Funktionsbereiche und Untersuchung der wirtschaftlichen Seite des Engineerings in Abhängigkeit vom Fertigungsprozess.
3. Technologie der Leiterplatte: Detaillierte Darstellung der Grundlagen, Trägermaterialien, Aufbautechniken wie Multilayer sowie mechanische und chemische Oberflächenbehandlung.
4. elektronische Bauteile: Definition und Kategorisierung elektronischer Bauteile (bedrahtet vs. SMD) inklusive ihrer Gehäusebauformen und physikalischer Empfindlichkeiten.
5. Bestücktechnik: Erklärung der Hand- und Maschinenbestückung sowie der notwendigen Vorbereitungsschritte wie Lotpastenauftrag oder Kleben.
6. Verbindungstechnologie: Umfassende Behandlung der Löttechnik (Wellen-, Reflow- und Vapourphase-Löten), Flussmittel und alternativer Verbindungsverfahren.
7. Prüfung: Darstellung der Prüfmethoden vom Soll-Ist-Vergleich über optische Inspektionen bis hin zu elektrischen Testmethoden wie ICT und Boundary-Scan.
8. Arbeitsorganisation: Erläuterung der notwendigen Analyse- und Zeitplanungsschritte zur Steuerung der Fertigung sowie der Bedeutung typengebundener Werkzeuge.
9. Leiterplatten-Layout – allgemeine Voraussetzung: Definition prozessrelevanter Layout-Parameter, Einsatz von Bibliotheken und Designregeln für verschiedene Bauteilgehäuse.
10. Leiterplatten-Layout – Details: Detaillierte Planung von mechanischen Eckdaten, thermische Auslegung, Hochfrequenz-Layout-Anforderungen und die Bedeutung einer lückenlosen Dokumentation.
Schlüsselwörter
Leiterplatte, Baugruppe, Bestücktechnik, Löttechnik, SMD, THT, Reflow-Löten, Wellenlöten, Multilayer, Layout, Bauteilgehäuse, Prüfmethoden, Qualitätssicherung, Prozesstechnik, Elektrotechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in diesem Skript grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die ganzheitliche Betrachtung der Entstehung von Leiterplattenbaugruppen, von der ersten Idee über die technologische Definition bis hin zur Fertigung und Prüfung.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zu den Kernbereichen gehören die Leiterplattentechnologie, die elektronischen Bauteile, verschiedene Bestückungstechniken, moderne Verbindungstechnologien wie das Löten sowie die zugehörige Arbeitsorganisation und das Design (Layout).
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, ein besseres Verständnis für die komplexen technischen Abhängigkeiten und die Schnittstelle zwischen technischem Engineering und wirtschaftlichen Anforderungen („Standort Deutschland“, Lohnstückkosten) zu vermitteln.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es handelt sich um eine technologische Bestandsaufnahme, die auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten, normativen Vorgaben (IPC, DIN) und langjährigen praktischen Erfahrungen in der Fertigung basiert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in technologische Prozessschritte, angefangen bei den Materialgrundlagen der Leiterplatte über die Bestückungs- und Löttechniken bis hin zu detaillierten Layout-Vorgaben für unterschiedliche Bauteilfamilien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Werk?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Leiterplattendesign, Fertigungsprozesse, Oberflächenschutz, Lötanlagen, Fehleranalyse und Qualitätsaspekte beschreiben.
Wie unterscheidet die Arbeit zwischen verschiedenen Lötverfahren?
Das Werk differenziert detailliert zwischen Wellenlöten und Reflow-Techniken (einschließlich Vapourphase) und analysiert deren Vor- und Nachteile in Abhängigkeit von Bauteilart, Geometrie und thermischer Belastung.
Welchen Stellenwert nimmt das "Layout" in diesem Dokument ein?
Ein sehr hohen. Das Layout wird als entscheidende Basis betrachtet, da hier bereits alle Weichen für die spätere technologische Realisierbarkeit, die Kosten und die Prozesssicherheit gestellt werden.
- Quote paper
- Wolf-Dieter Schmidt (Author), 2009, Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und Fertigung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/122962
