Grundlagen der Leiterplatten-Baugruppen-Entwicklung und Fertigung

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

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.