PCB-Fertigungsprozessschritte: Ein umfassender Leitfaden für den Bau von Leiterplatten

Die Herstellung von Leiterplatten (PCB) ist ein präziser, mehrstufiger Prozess, der ein digitales Design in eine physische Plattform für elektronische Komponenten verwandelt.Jeder Schritt – von der Materialauswahl bis zur Endprüfung – erfordert Genauigkeit, um sicherzustellen, dass das PCB in seiner vorgesehenen Anwendung zuverlässig funktioniert.Ob für einen einfachen IoT-Sensor oder eine komplexe 5G-Basisstation, das Verständnis des Herstellungsprozesses ist der Schlüssel zur Optimierung von Design, Kosten und Leistung.

Dieser Leitfaden beschreibt die 10 wichtigsten Schritte der PCB-Fertigung und hebt Schlüsseltechnologien, Qualitätskontrollen und Unterschiede zwischen Standard- und fortgeschrittenen Prozessen hervor.Sie werden eine klare Roadmap haben, wie Ihr Design zu einer funktionalen Leiterplatte wird..

Wichtige Erkenntnisse
a. Die PCB-Fertigung umfasst 10 kritische Schritte, vom Materialschneiden bis zur Endprüfung, wobei jede Stufe Auswirkungen auf Leistung und Kosten hat.
b. Fortgeschrittene Verfahren (z. B. Laserdrohung, automatisierte optische Inspektion) verbessern die Präzision, erhöhen aber im Vergleich zu Standardmethoden die Produktionskosten um 10 bis 30%.
c. Die Auswahl der Materialien (FR4 vs. Rogers) und die Schichtzahl (2 vs. 16 Schichten) beeinflussen die Komplexität der Herstellung und die Vorlaufzeit erheblich.
d.Qualitätskontrollen in jedem Schritt verringern die Fehlerquote von 10% (keine Inspektionen) auf <1% (umfassende Prüfung), wodurch die Nachbearbeitungskosten um 70% gesenkt werden.

Überblick über die PCB-Fertigung: Vom Entwurf bis zur Produktion
Die PCB-Fabrikation wandelt eine CAD-Datei (Computer-Aided Design) durch eine Reihe subtraktiver und additiver Prozesse in eine physische Platine um.und Anwendung, folgt aber einer konsistenten KernfolgeNachfolgend finden Sie einen Überblick auf hoher Ebene, bevor Sie in die Details eintauchen:
1.Design Review & CAM-Dateivorbereitung
2.Materialschneiden
3.Bildgebung der inneren Schicht
4.Innerer Schicht Ätzen
5.Schichtlaminierung
6.Bohrungen
7- Das ist alles.
8.Außenschichtbildgebung und Radierung
9.Überflächliche Veredelung
1.Finale Prüfung und Prüfung

Schritt 1: Überprüfung des Entwurfs und Vorbereitung der CAM-Datei
Vor Beginn der Herstellung muss das Design validiert und in herstellungsfähige Dateien umgewandelt werden.
a.Kontrolle der Fertigungsfähigkeit des Designs (Design for Manufacturability, DFM): Die Ingenieure überprüfen das CAD-Design, um sicherzustellen, dass es den Fertigungsbeschränkungen entspricht (z. B. Mindestspurenbreite von 0,1 mm, Lochgröße ≥ 0,2 mm).Probleme wie enge Abstände oder nicht unterstützte Funktionen werden markiert, um Produktionsverzögerungen zu vermeiden.
b.CAM-Dateiumwandlung: Das Design wird in CAM-Dateien (Computer-Aided Manufacturing) umgewandelt, die Schichtdaten, Bohrkoordinaten und Materialspezifikationen enthalten.Software wie Gerber und ODB++-Formate sind Standard.
c.Panellierung: Kleine PCBs werden in größere Platten (z.B. 18"×24") gruppiert, um den Materialverbrauch zu maximieren und die Produktion zu optimieren.
Schlüsselindikator: Eine gründliche DFM-Prüfung reduziert die Nachbearbeitung um 40%.

Schritt 2: Material schneiden
Das Basissubstrat (typischerweise FR4, ein glasverstärktes Epoxid) wird auf die gewünschte Plattengröße geschnitten.
a.Substratwahl: FR4 wird wegen Kosten und Vielseitigkeit für 90% der PCB verwendet. Hochleistungsplatten verwenden Rogers (für Hochfrequenz) oder Metallkern (für thermisches Management).
b. Schneidverfahren: Automatische Scheren oder Laserschneider schneiden das Substrat auf die Abmessungen der Platten (z. B. 12"×18") mit einer Toleranz von ±0,1 mm ab. Das Laserschneiden ist präziser (±0,0 mm).05 mm) aber um 20% langsamer als beim mechanischen Scheren.
c. Entwurzelung: Die Kanten werden glättet, um Entwurzelungen zu entfernen, wodurch Schäden an der Ausrüstung in nachfolgenden Schritten verhindert werden.

Schritt 3: Bildgebung der inneren Schicht
Bei mehrschichtigen Leiterplatten werden die inneren Schichten mit Kupferspuren mittels Photolithographie gestaltet.
a.Reinigung: Die Platten werden chemisch gereinigt, um Öl, Staub und Oxidation zu entfernen und so die richtige Haftung von Photoresisten zu gewährleisten.
b.Anwendung mit Photoresist: Ein lichtempfindliches Polymer (Photoresist) wird über eine Walzbeschichtung (Stärke: 10 ‰ 20 μm) aufgetragen.Trockenfolie für größere Modelle.
c.Exposition: Das Panel wird durch eine Photomaske (Schablone des Schaltkreislaufdesigns) UV-Licht ausgesetzt.
d. Entwicklung: Unverhärteter Photoresist wird mit einer chemischen Lösung (z. B. Natriumcarbonat) weggewaschen, wodurch das gewünschte Spurenmuster geschützt bleibt.
Weiterentwickelte Technologie: Laser-Direktbildgebung (LDI) ersetzt Fotomasken durch Laser-Scannen und ermöglicht Spurenbreiten von nur 0,025 mm für HDI-PCBs (High-Density Interconnect).

Schritt 4: Eingehauen der inneren Schicht
Das Ätzen entfernt unerwünschtes Kupfer und lässt nur die Musterspuren zurück.
a.Rädertypen:
Eisenchlorid: Erschwinglich, aber langsamer; zur Produktion in geringerem Volumen verwendet.
Ammoniumpersulfat: Schneller, präziser; ideal für große Volumen und feine Tonhöhe.
b.Verfahren: Die Platte wird mit einem Ätzer eingetaucht oder gesprüht, der ungeschütztes Kupfer auflöst.Die Brennzeit (2 ̊5 Minuten) ist so kalibriert, dass eine Überbrennung (Verengung von Spuren) oder eine Unterbrennung (Rückstände aus Kupfer) vermieden wird.
c. Widerstandsentfernung: Der verbleibende Photoresist wird mit Lösungsmittel oder einer alkalischen Lösung entfernt, wodurch die Kupferspuren sichtbar werden.
Qualitätskontrolle: AOI (Automated Optical Inspection) untersucht Mängel wie fehlende Spuren, Kurzschriften oder Unterstriche und erfasst 95% der Fehler vor der Lamination.

Schritt 5: Lamination der Schichten
Mehrschichtige PCBs werden mit Hilfe von Hitze und Druck miteinander verbunden.
a.Prepreg-Zubereitung: Bleche aus Prepreg (Glasfaser, impregniert mit nicht gehärtetem Epoxid) werden auf eine bestimmte Größe geschnitten.
b.Stack-Up: Die inneren Schichten, die Präpregs und die äußeren Kupferfolien werden mit Hilfe von Werkzeugstiften ausgerichtet (Toleranz: ±0,05 mm). Für 16-Schicht-PCBs erfordert dieser Schritt eine präzise Ausrichtung, um eine falsche Schichtregistrierung zu vermeiden..
c. Pressen: Der Stapel wird erhitzt (170°C bis 180°C) und für 60°C bis 90 Minuten gedrückt (300°C bis 500°C), wodurch die Präpregschichten und die Bindeschichten zu einer einzigen Platte gehärtet werden.
Herausforderung: Luftblasen zwischen den Schichten verursachen eine Delamination.

Schritt 6: Bohren
Es werden Löcher gebohrt, um Schichten (Vias) zu verbinden und Bauteile zu montieren (Durchlöcher).
a.Typ der Bohrungen:
Mechanische Bohrmaschinen: für Löcher ≥ 0,2 mm; schnell, aber weniger präzise.
Laserbohrgeräte: Für Mikrovia (0,05 ∼0,2 mm); verwendet in HDI-PCBs.
b.Verfahren: CNC-Bohrmaschinen folgen den CAM-Datei-Koordinaten und bohren bis zu 10.000 Löcher pro Stunde.
c. Entwurzelung: Die Löcher werden gereinigt, um Kupferbrüche zu entfernen und eine zuverlässige Plattierung zu gewährleisten.

Schritt 7: Plattieren
Die Löcher und Außenschichten werden mit Kupfer beschichtet, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten herzustellen.
a.Abschmieren: Chemikalien (z. B. Permanganat) entfernen Epoxidschmiere aus gebohrten Löchern und sorgen für Kupferhaftung.
b.Elektrolose Kupferplattierung: Eine dünne Kupferschicht (0,5 μm) wird ohne Elektrizität auf Löcherwände und Außenflächen abgelagert, wodurch eine leitfähige Basis entsteht.
c. Elektroplattierung: Die Platte wird in ein Kupfersulfatbad getaucht und Strom wird auf Spuren und Löcherwände mit einem Dicke von 15-30 μm Kupfer aufgetragen, wodurch ein geringer Widerstand (≤ 10 mΩ) in den Durchgängen gewährleistet wird.
Erweiterte Option: Durch Füllung (Elektroplattierung zur vollständigen Füllung von Löchern) ergänzt die mechanische Festigkeit, ideal für Anwendungen mit hohen Vibrationen (Automotive, Luftfahrt).

Schritt 8: Bildgebung und Ätzung der äußeren Schicht
Die äußeren Schichten sind ähnlich wie die inneren Schichten geformt, jedoch mit zusätzlichen Schritten für Lötmaske und Seidenmaske.
a.Bildgebung: Photoresist wird aufgetragen, ausgesetzt und entwickelt, um äußere Spuren zu definieren.
b.Etisch: Ungeschütztes Kupfer wird entfernt und hinterlässt äußere Spuren und Pads.
c. Anwendungsweise der Lötmaske: Ein grünes (am häufigsten verwendetes) oder farbiges Polymer wird auf die Spuren aufgetragen, wodurch die Pads zum Lösen freigelegt werden. Lötmaske verhindert Kurzschlüsse und schützt vor Oxidation.
d. Seidenflächendruck: Auf der Lötmaske wird Tinte gedruckt, um Bauteile zu kennzeichnen (z. B. "R1", "+5V"), um die Montage und Fehlerbehebung zu erleichtern.
Trend: Durchsichtige Lötmasken und weißes Seidenbildschirm werden für LED-PCBs immer beliebter und verbessern so die Lichtdiffusion.

Schritt 9: Oberflächenbearbeitung
Oberflächenveredelungen schützen freiliegende Kupferpolster vor Oxidation und sorgen für eine zuverlässige Lötung.

Schritt 10: Endprüfung und Prüfung
Die Fertigplatte wird streng getestet, um die Qualität zu gewährleisten.
a.Elektrische Prüfung: Ein Flugsonde-Tester prüft, ob in allen Netzen Kurzschnüren, Öffnungen und Widerstand vorhanden sind und überprüft die Verbindung.
b.AOI: Hochauflösende Kameras untersuchen Mängel (z. B. fehlerhaft ausgerichtete Lötmaske, fehlende Seidenwand).
c. Röntgenuntersuchung: Für BGA- und HDI-PCBs zur Überprüfung verborgener Lötverbindungen und Qualitätsüberprüfung.
d. Impedanzprüfung: Bei Hochgeschwindigkeits-PCBs überprüft ein TDR (Time Domain Reflectometer) die kontrollierte Impedanz (z. B. 50Ω, 100Ω), um die Signalintegrität zu gewährleisten.
e. Depanellierung: Das Panel wird je nach Design mit Routing, Scoring oder Laserschneiden in einzelne PCBs geschnitten.

Standard- vs. fortgeschrittene Fertigung: Hauptunterschiede

Häufig gestellte Fragen
F: Wie lange dauert die Herstellung von PCB?
A: 5­7 Tage für Standard­2-Schicht­PCBs; 10­14 Tage für 16-Schicht­HDI­Boards.

F: Was verursacht PCB-Fertigungsfehler?
A: Häufige Probleme sind Schichtfehlregistrierung (schlechte Lamination), Unter-/Über-Ätzen und Bohrfehlstellung.

F: Kann ich mein Design ändern, nachdem die Fertigung begonnen hat?
A: Änderungen nach der Schichtlaminierung sind teuer (50% der ursprünglichen Kosten).

F: Wie viel kostet die Herstellung von PCBs?
A: (5 ¢) 15 für Standard-2-Layer-PCBs (1000 Einheiten); (20 ¢) 50 für fortgeschrittene 16-Layer-HDI-Boards. Material (z. B. Rogers vs. FR4) und Volumenantriebspreis.

F: Was ist die maximale Schichtzahl für PCB?
A: Kommerzielle PCBs erreichen 40+ Schichten (z. B. Supercomputer), aber die meisten Anwendungen verwenden 2 ∼16 Schichten.

Schlussfolgerung
Die PCB-Fabrikation ist ein präzisionsgesteuerter Prozess, der die Komplexität des Designs, die Materialwissenschaft und die Fertigungstechnologie ausgleicht.Jeder Schritt spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung, dass das Board elektrische Anforderungen erfüllt, mechanische und Zuverlässigkeitsanforderungen.
Das Verständnis dieser Schritte hilft Ingenieuren bei der Optimierung von Entwürfen für Kosten und Leistung, egal ob sie für ein Medizingerät ENIG statt HASL wählen oder Laserbohrungen für eine HDI-Smartphone-PCB spezifizieren.Wie sich die Elektronik entwickelt, werden die Fertigungsprozesse weiter voranschreiten und kleinere, schnellere und zuverlässigere PCBs für die Technologien von morgen ermöglichen.

Wenn Sie mit einem Hersteller zusammenarbeiten, der Qualitätskontrollen Priorität gibt und fortschrittliche Geräte verwendet, können Sie sicherstellen, dass Ihre Leiterplatten auch den anspruchsvollsten Anwendungen gerecht werden.