PCB-Prototypen selber herstellen

Viele gute Gründe sprechen dafür, Leiterplatten-Prototypen und Baugruppen selbst herzustellen. Sensible Daten und Schaltungen sollen das eigene Labor nicht verlassen, die Produktionszeit spielt eine Rolle oder auch die Kosten, die bei mehreren Expressfertigungen für unterschiedliche Iterationsschritte anfallen. Grundsätzlich gilt, dass Entwickler mit eigener Prototypen-Produktion unmittelbar Einfluss auf den Gesamtvorgang nehmen können. Wenn sich mehrere Versionen einer elektronischen Baugruppe in weniger als einem Tag herstellen lassen, verkürzt sich die Markteinführungszeit ganz beträchtlich. In der Ausbildung schließlich schafft die manuelle Herstellung einen persönlichen Bezug zwischen Gelerntem und dem endgültigen Produkt.

Durch eine Isolationsfräsung arbeitet der Fräsbohrplotter Leiterstrukturen aus dem vollflächig beschichteten Material heraus. LPKF

Chemielose Verfahren bringen weitere Vorteile mit: Sie beanspruchen erheblich weniger Platz als mehrstufige Badsysteme, benötigen keine Überwachung beziehungsweise Entsorgung der Chemikalien und bringen deutlich weniger Arbeitsschutzauflagen mit sich.

Prototyp in drei Schritten

Der Prozess des Leiterplatten-Prototypings gliedert sich in verschiedene Abschnitte. Am Anfang stehen der Schaltungsentwurf und die Übertragung in ein Leiterplatten-Layout. Darin unterscheiden sich herkömmliches und chemiefreies Prototyping nicht wesentlich. Im zweiten Schritt entsteht die Leiterplatte mit dem Leiterbild und der dritte Schritt besteht in der Bestückung, auch wenn dafür mehrere Teilprozesse zu durchlaufen sind.

Die Herstellung des Leiterbilds ohne umweltschädliche Ätzchemie erfolgt mit einem Fräsbohrplotter oder einem Lasersystem. Bei der mechanischen Strukturierung arbeitet eine Hochfrequenzspindel Leiterbahnen aus einer vollflächig beschichteten Platte heraus. Ein Werkzeug fräst Isolationskanäle, die Leiterbahn selbst bleibt stehen. Je höher die Spindeldrehzahl, desto geringer ist die Materialbeanspruchung. Fräsbohrplotter mit Spindeldrehzahlen von bis zu 100 000 U/min können auch empfindliche Substrate präzise bearbeiten.

Mechanisch oder mit Laser strukturieren

So lassen sich Leiterbahnen mit einer Breite von nur 100 µm herstellen – auch doppelseitig, wenn die Systemsoftware dies unterstützt. Doppelseitige Leiterplatten erfordern ein Passersystem für eine genaue Platzierung des Basismaterials – nach dem Umdrehen müssen die beiden Leiternetze exakt übereinander passen. Noch einfacher funktioniert es mit einem Visionsystem: Die Kamera erfasst Passermarken (Fiducials) und richtet daran die Strukturierung aus.

Fräsbohrplotter können nicht nur fräsen, sondern auch bohren. Gut ausgestattete Systeme entscheiden sich selbstständig für das optimale Werkzeug und bedienen sich aus einem Werkzeugmagazin. Für kleine Bohrungen kommen Bohrer zum Einsatz, größere Bohrungen oder Haltelöcher legt ein Fräswerkzeug an.

Laser verdampft Kupfer

Die Strukturierung durch einen Laserstrahl erfolgt ähnlich. Hier entfernt ein energiereicher Laserstrahl Material in den Isolationskanälen neben den Leiterzügen. Der Laser verdampft mit jedem Laserpuls eine geringe Menge des Kupfermaterials. Der Vorteile des Lasers: Die Bearbeitung findet in der Breite des Laserfokus statt. Je nach Lasersystem sind Leiterstrukturen mit einem Pitch von 75 µm (25 µm Abstand, 50 µm Leiterbahn) oder noch feiner möglich.

Laser können auch empfindliche Materialien wie Gold ohne mechanische Belastungen bearbeiten. LPKF

Außerdem entfernt der Laser die Metallschichten berührungslos ohne mechanische Einwirkung. So lassen sich auch empfindliche Materialien und Baugruppen bearbeiten. Je nach Wellenlänge können Laser zudem auch Leiterplatten ausschneiden oder bohren: statt eines Bohrers schneidet der Laser ein rundes Loch durch Metallschicht und Substrat. Auch der Laser kann problemlos doppelseitige Leiterplatten herstellen, hier sind Visionsysteme Stand der Technik.

Von der Leiterplatte zur Baugruppe

Sind die Leiterstrukturen erstellt, folgt die Durchkontaktierung der Löcher. Beim herkömmlichen galvanischen Verfahren findet zunächst eine Aktivierung der Oberfläche der Bohrhülsen statt, dann baut sich galvanisch eine Metallschicht auf. Die galvanische Durchkontaktierung ist sowohl in der Serienproduktion als auch im Prototyping üblich. Für die Arbeit im Elektroniklabor existieren kompakte Galvanikeinheiten mit allen erforderlichen Bädern und Anschlüssen, um einzelne Leiterplatten oder kleine Serien im eigenen Haus herzustellen.

Die chemiefreie Durchkontaktierung nutzt eine spezielle Pastenbeschichtung. Die zu kontaktierenden Löcher werden durch eine Schutzfolie in die Leiterplatte gebohrt. Mithilfe einer Rakel und eines Vakuumtisches wird die Kontaktpaste durch die Löcher gezogen, im Ofen ausgehärtet, und dann die Schutzfolie abgezogen. Durch diese Pastentechnik lassen sich auch Durchmesser von 0,4 mm mit einem Aspekt-Ratio von 4:1 mit einem Übergangswiderstand von lediglich 25 mΩ sicher kontaktieren.

Auch Lötstoppmasken und Bestückungsdruck lassen sich ohne umweltbelastende Chemikalien aufbringen. Dabei kommt ein lithografisches Verfahren zum Einsatz: Beim Lötstopplack wird zunächst die gesamte Oberfläche fotosensitiv beschichtet. Mit einem Film – auch Laserdrucker eignen sich dafür – werden die zu öffnenden Bereiche wie etwa Lotpads auf die Lackschicht belichtet. Nach der Entwicklung lässt sich die Beschichtung im Bereich der Lotpads einfach in einem Wasserbad entfernen. Mit einem ähnlichen Prinzip lässt sich auch der Bestückungsdruck auf die Leiterplatte aufbringen.

Sechslagige Multilayer herstellen

Für das Herstellen von Multilayern sind separate Außen- und Kernlagen erforderlich. Derzeit lassen sich im Inhouse-PCB-Prototyping sechslagige Multilayer herstellen, unter Umständen sind auch acht Lagen möglich.
Die einzelnen, strukturierten Lagen und die erforderlichen Klebeschichten werden auf ein Registersystem aufgelegt und dann mit einem definierten Wärme-/Druckprofil zu einer Einheit verbacken.

Der Protomat D104 kombiniert mechanische Leiterplattenbearbeitung mit einem integrierten UV-Laserwerkzeug. LPKF

Nach der Herstellung der Leiterplatte folgt die Bestückung. Bei SMD-Komponenten ist das Aufbringen von Lotpaste auf den Pads erforderlich. Dazu kann ein Dispenser winzige Mengen an Lotpaste nacheinander aufspritzen, schneller ist indes ein Schablonendruck: Eine Schablone mit Löchern wird präzise über der Leiterplatte platziert und die Lotpaste im Siebruckverfahren aufgetragen. Spezielle Stencil-Laser schneiden die (Metall-) Schablonen für die Serienproduktion. Im Prototyping lassen sich ausreichend standfeste Schablonen in Polyimidfolien mit Fräsbohrplottern herstellen.

Lötprozess oder Lötkolben

Für bedrahtete Bauteile (THDs) reicht eine ruhige Hand und vielleicht ein Platinenhalter. SMDs oder kompakte ICs lassen sich mit halbautomatischer Bestückung einfacher aufbringen. Eine Vakuumpipette nimmt das Bauteil auf und bewegt es über die Leiterplatte. Die Feinpositionierung mit Mikrometerschrauben findet besonders bei hochintegrierten Bauteilen unter Kamerakontrolle statt. Wenn das Bauteil exakt über den Lotpads steht, wird es auf die Lotpaste abgesetzt.

Der Lötprozess verbindet die aufgebrachten Bauteile dauerhaft mit der Leiterplatte. Im Prototyping sind alle Verfahren denkbar, wenn die Ausrüstung für die Serienfertigung vorhanden ist. Sonst reicht auch ein Lötkolben. Für häufige manuelle Lötarbeiten ist eine Lötstation mit Temperaturregelung, Reinigungsschwamm und Lötkolbenhalter angeraten.

(mou)