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
- 6.2.1. allgemeine Grundlagen
- 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
- 7.2.1. Optische Methoden
- 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’)
- 9.4.1 Grundlagen
- 9.1. Definition prozessrelevanter Parameter
- 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
- 10.2.3. Ströme und Spannungen
- 10.3. Detaillierung des Layouts
- 10.3.1 Layout
- 10.3.2 Justierung und Test
- 10.3.3 diverse Feinheiten
- 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“
- 10.1 Festlegung der Eckdaten der zu konstruierenden LP
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Vorlesung vermittelt die Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und -Fertigung. Ziel ist es, den Studierenden ein ganzheitliches Verständnis des Entstehungsprozesses zu geben, von der Geräteidee bis zur fertigen Baugruppe, unter Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher Aspekte.
- Zusammenspiel verschiedener Fertigungsschritte
- Standard-Techniken der Leiterplattenherstellung
- Auswirkungen der Bauteilauswahl auf das Layout und die Fertigung
- Verbindungstechnologien (insbesondere Löten)
- Prüfmethoden und Qualitätskontrolle
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1 bietet eine Einleitung und definiert wichtige Begriffe. Kapitel 2 beschreibt den Prozess der Leiterplattenbaugruppenerstellung und die Interaktion verschiedener Abteilungen. Kapitel 3 behandelt die Technologie der Leiterplatten, inklusive Materialien, Aufbautechniken und Qualitätsaspekte. Kapitel 4 beschreibt verschiedene elektronische Bauteile, ihre Eigenschaften und Empfindlichkeiten. Kapitel 5 fokussiert auf die Bestückungstechnik, sowohl manuell als auch maschinell. Kapitel 6 behandelt verschiedene Verbindungstechnologien, insbesondere Lötverfahren (Handlöten, Wellenlöten, Reflow-Löten). Kapitel 7 erläutert verschiedene Prüfmethoden für Leiterplattenbaugruppen.
Schlüsselwörter
Leiterplatten, Baugruppenentwicklung, Fertigung, SMD, THT, Wellenlöten, Reflow-Löten, Verbindungstechnologie, Prüfmethoden, Layout, Kostenoptimierung, Bleifrei-Technik.
- Citation du texte
- Wolf-Dieter Schmidt (Auteur), 2009, Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und Fertigung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/122962
