Wie PCB-Design die Fertigungskosten beeinflusst

Bereits in der Designphase werden wesentliche Kostenfaktoren festgelegt. Jede Designentscheidung hat Auswirkungen auf andere Designentscheidungen und praktisch immer auch auf Kosten für die Leiterplatten, weil sie durch die nachfolgend genannten Faktoren die Komplexität des Produkts Leiterplatte beeinflussen. Zu den wichtigsten Faktoren gehören:

• Komponentenwahl: Die Auswahl der Bauteile bestimmt nicht nur die Performance der Leiterplatte, sondern auch deren Fertigungsaufwand.
• Strom- und Spannungsanforderungen: Höhere Ströme und Spannungen erfordern spezielle Designmaßnahmen, die die Kosten erhöhen können.
• Betriebsumgebung: Extreme Umgebungsbedingungen verlangen oft besondere Materialien oder Schutzmaßnahmen, z.B. gasdichter Verschluss von Vias und/oder erweiterte Prüf- und Dokumentationspflichten
• Hochfrequenz-Designs: Leiterplatten für High-Speed-Anwendungen benötigen ggfs. besondere Materialien und haben evtl. höhere Prozessüberwachungs- und Testanforderungen.
• Platinengröße und -form: Komplexe Formen oder übergroße Platinen steigern die Fertigungskosten.
• Montage- und Testanforderungen: Spezielle Testverfahren oder Zertifizierungen erhöhen den Aufwand.

Die Aufgabe des Designers ist es, den bestmöglichen Kompromiss zwischen Performance und Wirtschaftlichkeit für die Anforderungen an das Produkt zu finden.
Die Hauptkostentreiber in der Leiterplattenfertigung sind in Bild 1 zusammengefasst.

Das Konzept der Produktionsblöcke

Die PCB-Fertigung lässt sich in verschiedene generalisierte Produktionsblöcke unterteilen, von denen jeder spezifische Arbeitsschritte umfasst. Jede Leiterplatte setzt sich aus einer individuellen Anzahl und Kombination der Blöcke zusammen. Die Anzahl und Art dieser Blöcke beeinflussen den Zeit- und Kostenaufwand erheblich.

• Innenlagenfertigung IL: Dieser Produktionsblock umfasst grundlegende Fertigungsschritte wie Belichtung, Entwicklung und Ätzen der Leiterbahnen.
• Verpressen V: Das Vorbereiten, Zusammenlegen, Registrieren und Verpressen von Multilayern.
• Außenlagenprozess AL: In diesen Block fallen die Bohr-, Laserprozesse sowie die galvanischen Prozesse für die Kupferabscheidung zur Herstellung der elektrischen Verbindung der Ebenen.
• Beschichtung B: Zu diesem Block gehören Lackierungen, Trocknungs- und Härtungsprozess sowie die finale Oberflächenbehandlung der Lötstellen, z.B. eine chemische Goldbeschichtung.
• Trennen T: Abhängig davon, ob ein Bestückungsnutzen gewünscht ist, werden entweder Vortrennungen einbracht oder der finale Zuschnitt der Leiterplatte erstellt.

Referenzprodukt zur Vergleichbarkeit

Um eine Bewertung und Vergleich des Aufwands zu ermöglichen, wurde ein Referenzprodukt definiert (Bild 2). Als Referenz dient ein 8-Lagen-Multilayer mit grünem Lötstopplack, der Endoberfläche ENIG (chem. Gold), 500 Through-Hole-Bohrungen metallisiert (PTH) mit kleinstem Durchmesser 150 µm, 5 Bohrungen nicht-metallisiert (NPTH). Der dünnste Kern ist 100 µm, Leiterbahnen und Abstände mindestens 100 µm. Bei einer Leiterplattengröße von 80 x 100 mm wurde ein 4-fach-Bestückungsnutzen mit Abständen zwischen den Leiterplatten von 8 mm und einem umlaufenden Rand von 10 mm vorgegeben, das ergibt eine Größe des Bestückungsnutzens von 188 x 228 mm.

Technologische Einflussfaktoren

Ein wichtiger Aspekt in der Betrachtung des Fertigungsaufwands sind der Lagenaufbau und die vorgesehene Viastrategie sowie die Anforderungen an das Verfüllen von Vias. Insbesondere die Viastrategie kann zum Beispiel mehrfache Verpressungen nötig machen, die Verfüllungen von Vias erfordern ebenfalls zusätzliche Prozesse. Beides treibt den Aufwand in die Höhe.

• Lagenanzahl und Lagenabstände: Je höher die Anzahl der Lagen und je dünner die Cores, desto höher ist der Handling-Aufwand.
• Microvias: Die Anzahl der Microvialagen bestimmt die Anzahl der nötigen Verpressungen, sie sind aber für die Entflechtung hochpoliger BGAs und in der Hochfrequenztechnik manchmal unabdinglich.
• Via-Filling-Technologien: Gefüllte oder versiegelte Vias sind in bestimmten Anwendungen erforderlich, bringen aber zusätzliche Bearbeitungsschritte mit sich.
• Panelauslastung: Die effiziente Anordnung der PCBs und somit die optimale Auslastung des Produktionspanels bieten meist das größte Einsparungspotenzial.

Die Vergleiche in Bild 3 zeigen den prozentualen Mehraufwand für den Einsatz von Microvias gegenüber dem Referenzprodukt.

Der zusätzliche Aufwand für das Verfüllen, in diesem Fall in Copperfill-Technologie, wird in Bild 4 gegenüber dem vorherigen Vergleich verdeutlicht. Ein noch höherer Aufwand entsteht für das Verfüllen nach IPC-4761 Typ VII oder gar einer Kombination aus beiden Verfülltechniken (Bild 5).

Panelauslastung

Mit das größte Einsparpotenzial birgt immer noch die Auslastung des Produktionsnutzens. Für den Designer bedeutet dies in erster Linie, die für Leiterplatten verwendbare Nutzfläche des Produktionspanels zu kennen oder zu erfragen. Mit dieser Kenntnis kann, wenn technisch möglich, durch Anpassung von Leiterplattengröße und/oder Bestückungsnutzen der bestmögliche Yield und damit die größte Einsparung erzielt werden.

Schlussfolgerung

Die Kosten einer Leiterplatte sind das Ergebnis einer Vielzahl von Design- und Fertigungsfaktoren. Die pauschale Berechnung von PCB-Kosten ist jedoch kaum möglich – individuelle Lösungen sind der Schlüssel zur Kosteneffizienz. Das Konzept der Produktionsblöcke erlaubt dem Designer eine schnelle Einschätzung, welche Designentscheidung welche Auswirkung auf den Produktionsaufwand und damit die Kosten hat. Eine durchdachte Planung, enge Abstimmung mit Herstellern und eine optimale Nutzung der Produktionsressourcen können erhebliche Einsparpotenziale bieten.

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