1. Fertigungsgerechtes Konstruieren von Leiterplatten

In der Vergangenheit haben wir immer wieder feststellen müssen, daß bei den Konstrukteuren von Leiterplatten häufig ein großes Wissensdefizit über die technologischen Möglichkeiten und Grenzen der Leiterplattenherstellung besteht. Öfters kam es entweder zu Reklamationen oder Kontroversen zwischen Kunde und Leiterplattenhersteller, weil durch Unkenntnis des Layouters Fehler “eingebaut” wurden, die von der AV des LP-Herstellers - nach Kundenmeinung - “nicht gesehen” wurden und ein fehlerhaftes oder gar funktionsuntüchtiges Produkt zur Folge hatten. Andererseits sind wir als Leiterplattenhersteller - bei der Vielzahl der täglich zu bearbeitenden Aufträge - nicht in der Lage jedes Gerberfile auf evtl. mögliche Fehler zu untersuchen. Es kann daher nur im Interesse aller Beteiligten liegen durch Information und Kommunikation derartige "Reibungspunkte" zu minimieren. Der folgende Beitrag nimmt Bezug auf die nach unserer Erfahrung häufigsten Fehlerquellen.


2.    Doppelseitige Schaltungen + Außenlagen von
       Multilayern

2.1      Restring

Bei Herstellung von doppelseitigen Schaltungen oder Multilayern wird die Leiterbildmaskierung nach dem Bohren der Leiterplatte aufgebracht. Obwohl das Einpassen der Leiterbildfilme auf das “Bohrbild” heute mit Hilfe von CCD-Kameras erfolgt, kann in der Regel kein 100 %-iger Passer (d.h. absolute maßliche Übereinstimmung zwischen Bohrbild und Leiterbild) erreicht werden. Die Ursachen hiefür sind vielfältig und reichen vom Bohrerverlauf (Microbohrungen!) über Filmverzug bis zur mangelnden Dimensionsstabilität des Basismaterials bzw. der Multilayer-Innenlagen. Um Schwierigkeiten zu vermeiden, müssen daher bereits beim Layouten die Durchmesser der Pads entsprechend dem vorhandenen Bohrdurchmesser dimensioniert werden. Um den Mindest-Paddurchmesser zu erhalten, muß zum Bohrdurchmesser ein Zuschlag addiert werden (=Padzuschlag), der dem nachstehenden Diagramm entnommen werden kann.

Abb. 2 Der Padzuschlag in Abhängigkeit vom zulässigen Restring


2.2      Minimale Leiterbahnbreiten und -abstände

2.3      Kleinste testbare SMD-Pads

2.3.1   Adaptertest

		Mindestmaße   mm mil a 1,27 50 b 0,254 10 c 0,635 25
Abb. 3 Kleinste mit Adapter testbare SMD-Pads

2.3.2   Fingertest (Flying Probe)

Beim elektrischen Endtest per Flying-Probe-Tester werden alle SMD-Pads nacheinander mit je einer beweglichen Prüfspitze kontaktiert. Zur Verkürzung der Testzeit werden für jede LP-Seite 4 Prüfspitzen eingesetzt, so dass pro Seite gleichzeitig 2 Verbindungsmessungen durchgeführt werden können. Im Vergleich zum Adaptertest ist der E-Test mit dem Flying Probe Tester trotz deutlich höherer Testzeit/Nutzen bei kleinen Stückzahlen kostengünstiger, da die Kosten für den Adapterbau entfallen.

		Mindestmaße   mm mil a 0,05 2 b 0,05 2 c 0,1 4
Abb. 4 Kleinste mit Flying Probe testbare SMD-Pads

2.4      Lötstopmasken

2.4.1   Durchmesser der Lötstop-Pads

Grundsätzlich sollten die Durchmesser der Lötstop-Pads einen 0,1 bis 0,2 mm (für alle Pads einheitlichen!) größeren Durchmesser als die Leiterbild-Pads haben, um Fertigungstoleranzen auszugleichen und das teilweise Überdecken der Lötpads mit Lack zu verhindern.

2.4.2   Nicht metallisierte Bohrungen (NDK)

Aus fertigungstechnischen Gründen sollten auch nicht metallisierte Bohrungen (NDK) mit Pads entsprechender Größe abgedeckt sein. Andernfalls können Lötstoplackreste in den NDK-Bohrungen auftreten.

2.4.3   Durchsteiger (Via’s)

3.    Multilayer-Innenlagen

3.1      VCC- und GND-Lagen

Üblicherweise werden die Power-Lagen negativ dargestellt: d.h. Teile, die in pos. Darstellung als Cu erscheinen, werden in neg. Darstellung ausgeätzt.
Die häufigsten Layoutfehler sind:

3.1.1   Geätzte Freisparungen zu klein

Die Paddurchmesser für nicht ankontaktierte Bohrungen sind zu knapp bemessen, so daß die Freisparungen zu klein werden. Durch Fertigungstoleranzen kommt es zu unkontrollierbaren Kurzschlüssen, da die metallisierte Lochhülse durch evtl. Lagenversatz Kontakt mit der GND- und / oder VCC-Lage bekommt.

Dringende RINDE-Empfehlung:
min. Paddurchmesser = Bohrungsdurchmesser + 0,6 mm
Falls es die Packungsdichte zuläßt, sollte ein Zuschlag von 0,8 mm auf den Bohrungsdurchmesser angestrebt werden um größere Sicherheit (= niedrigerer Ausschuß, = günstigerer Preis) zu erzielen.

3.1.2   Konturlinie zu dünn

Wird bei neg. Darstellung keine Konturlinie ausreichender Breite vorgesehen, kommen am Rand des Multilayers die Cu-Kaschierungen der Power-Lagen zum Vorschein: Kurzschlüsse und Ausfall der gesamten Baugruppe sind die katastrophalen Folgen!

RINDE-Empfehlung:
Der Abstand spannungführender Flächen und Leiterzüge von der Konturlinie sollte mindestens 0,5 mm betragen.

3.1.3   Runde Cu-Pads in den Freisparungen

Wird die Freisparung als Ring definiert, erscheint in den Freisparungen ein Cu-Pad, welches keinerlei Funktion hat und sich bei der Fertigung sogar störend auswirken kann.

RINDE-Empfehlung:
Freisparungen nicht als Ring- sondern als Rund-Symbole definieren.
Falls Ihr CAD-System dies nicht zuläßt, bitte diese Freisparungen gesondert definieren. So besteht für uns bei der CAM-Aufbereitung die Möglichkeit die "falschen" Symbole zu selektieren und umzudefinieren.

3.1.4    Falsche Dimensionierung von Thermal-Pads

Abb. 6     Thermal-Pad



RINDE-Empfehlung:

3.2  Multilayer-Signal-Innenlagen

3.2.1   Isolationsabtand zur Konturlinie

RINDE-Empfehlung:
Min. Abstand aller Leiterzüge zu innen- und außenliegenden Konturlinien: 0,5 mm

3.2.2   Restring

RINDE-Empfehlung:
Falls Restring = 0 mm zulässig ist, gilt:
Paddurchmesser = Bohrungsdurchmesser + 0,5 mm.
Werden größere Restringe gefordert, ist die entsprechende Erhöhung dem Pad-Zuschlag doppelt hinzuzurechnen!

Sollte die Packungsdichte diese Pad-Zuschläge nicht zulassen, besteht im Zuge unserer CAM-Aufbereitung die Möglichkeit, runde Lötpads durch sog. "Teardrops" zu ergänzen. Hierbei wird in den besonders kritischen Bereich der Leiterzuganbindung ein zusätzliches kleineres Lötauge "angesetzt". Durch diese Maßnahme kann der Pad-Zuschlag auf 0,35 mm reduziert werden. Dies setzt allerdings voraus, daß in dem übrigen Lötaugenbereich ein Restring < 0 mm zulässig ist.

Der Lochversatz ist bei allen 3 Varianten exakt gleich. Abb. 7 a) zeigt ein normales Pad ohne Teardrop.

Abb. 7  Verbesserung der Ankontaktierung durch „Teardrops“

Die Anbindung entspricht nur noch der Leiterbahnbreite b (gestrichelte Linie). Abb. 7 b) zeigt den Einsatz von Teardrops unter gleichen Bedingungen. Die Anbindung entspricht dem vollen Unfang des Bohrdurchmessers d. Abb. 7 c) zeigt den „negativen" Restring bei dem Betrage nach gleichen Lochversatz in anderer Richtung. Die Anbindung beträgt immerhin noch mehr als 3/4 des Lochumfangs.

3.2.3   Minimale Leiterzugbreiten und -abstände

Die nachfolgende Tabelle zeigt die minimal zulässigen Leiterzugbreiten und -abstände für Signallagen. Im Interesse einer sicheren Fertigung sollten diese Werte nicht unterschritten werden.

4.    Nicht metallisierte Bohrungen (NDK)

Nicht metallisierte Bohrungen können nach 3 unterschiedlichen Verfahren in die Leiterplatte eingebracht werden. Die Auswahl des Verfahrens richtet sich nach den Toleranzforderungen und dem Layout:

4.1      NDK-Bohren als separater Bohrvorgang nach dem Durchkontaktieren

Diese Methode ist die klassische Art des NDK-Bohrens. Falls die Außenkontur gefräst wird, können die NDK-Bohrungen im Rahmen der Konturbearbeitung eingebracht werden.

Vorteile:
Durchmesser beliebiger Größe (d>6,3 mm gefräst) realisierbar
Ohne Modifkationen des Leiterbild-Layouts möglich
Unabhängig vom Layout (d.h. Metallisierung bis zum Lochrand möglich)

Nachteile:
Versatz zwischen dem DK-Bohrbild und dem NDK-Bohrbild relativ groß
(max. 0,25 mm). Für Aufnahmelöcher etc. daher ungeeignet.
Erhöhter Fertigungsaufwand falls Außenkontur nicht gefräst wird


4.2      NDK-Bohrungen zusammen mit DK-Bohrungen einbringen (Tenting-
            Technik)

Diese Methode wird immer häufiger angewandt, da sie rationelles Arbeiten bei hoher Genauigkeit ermöglicht. Die NDK-Bohrungen werden zusammen mit den DK-Bohrungen in einem Arbeitsgang gebohrt und durchkontaktiert. Im anschließenden Fotoprozeß wird auf die Leiterplatte eine UV-



Abb. 8  Tenting-Prinzip

lichtempfindliche Folie aufgebracht (Laminieren). Diese Folie dient grundsätzlich zur Maskierung des Leiterbilds. Durch die Belichtung mit UV-Licht werden die belichteten Teile der Folie gehärtet, so daß die nicht zu metallisierenden Teile der Leiterplatte geschützt werden. Wenn man die Folie über den NDK-Bohrungen von beiden Seiten ebenfalls belichtet, wird die Bohrung durch die Folie verschlossen (engl. tent = Zelt). Hierdurch wird eine Metallabscheidung im nachfolgenden Galvanoprozeß verhindert. Die dünne Cu- bzw. Shadowâ-Schicht der Durchkontaktierung wird beim Ätzen mit entfernt, so daß die Lochwandung wieder frei von Metallisierung ist.

Voraussetzungen:

1. In den Leiterbild-Layouts dürfen an den NDK-Bohrpositionen keine Pad's sein (sonst gibt's "ein Loch im Zelt"!).

2. Das "Tent" muß 0,3 mm um die Bohrung herum eine durchgehende Auflagefläche haben, damit es sich ausreichend verankern kann.

3. In beiden Lötstopmasken muß die NDK-Bohrung mit einem Pad ausreichender Größe (ca. 0,2 - 0,3 mm größer als der Bohrdurchmesser) abgedeckt werden, sonst verbleiben Lötstoplackreste auf den Bohrlochwandungen.

Vorteile:
Geringer Versatz zwischen DK- und NDK-Bohrbild, daher besonders für
Aufnahmebohrungen geeignet
Wirtschaftlich, da Mehraufwand für 2. Bohrvorgang entfällt

Nachteile:
Nur max. Durchmesser von ca. 6 mm möglich
Metallisierte Flächen am Lochrand nicht zulässig
Leiterbilder und Lötstopmasken müssen bei der CAM-Bearbeitung
nachgearbeitet werden, falls der Layouter kein Tenting-Spezialist ist (aber
das sind Sie ja, nach dem Studium dieses Beitrags...).

4.3      NDK-Bohrungen zusammen mit DK-Bohrungen einbringen (Stopfen-
            Technik)

Diese Methode zur Herstellung von NDK-Bohrungen ist im Grunde genommen ein "Notbehelf" und wird daher nur dann angewandt, wenn folgende Bedingungen zugleich erfüllt werden müssen:

a) Geringstmöglicher Versatz zwischen DK-Bohrbild und NDK-Bohrbild gefordert.

b) Aus technischen Gründen reichen zu metallisierende Flächen
    (z.B. Masseflächen o.ä.) bis an die NDK-Bohrungen heran.

Wie bei der Tentingtechnik werden die NDK-Bohrungen zusammen mit den DK-Bohrungen in einem Arbeitsgang eingebracht. Im Leiterbild-Layout müssen an den NDK-Bohrpositionen runde Pads in der Größe des Bohrdurchmessers gesetzt werden, so daß die Bohrung nach Fotoprozeß frei von Fotoresist ist. Um im nachfolgenden Galvanoprozeß eine weitere Metallisierung der Bohrhülse zu verhindern, werden in die betreffenden Bohrungen konische Gummistopfen manuell eingezogen. Diese werden nach dem Galvanisieren wieder entfernt, so daß die bereits vorhandene chemische Verkupferung bzw. Shadowâ-Schicht zusammen mit der überflüssigen Kupferkaschierung ausgeätzt werden kann.

Vorteile:
Exakte NDK-Bohrpositionierung möglich
Unabhängig vom Layout

Nachteile:
Hohe Herstellkosten, da zeitintensiv
Fehleranfällig, da schlecht kontrollierbare "wilde" Metallabscheidung im
Bereich des NDK-Lochrandes möglich

5.    Konturbearbeitung

5.1      Gefräste Konturen

Das Konturenfräsen von Leiterplatten hat sich heute weitgehend durchgesetzt, insbesondere im Bereich kleiner und mittlerer Stückzahlen. Selbst komplizierte Konturverläufe sind durch Einsatz der CNC-Technik leicht und präzise herstellbar.
Einige wichtige Punkte sollten jedoch unbedingt beachtet werden:

a) Fertigungstoleranzen beim Fräsen berücksichtigen und bei Leiterbahnen und Lötpads einen Randabstand von mindestens d=0,1 mm einhalten. So ist sichergestellt, daß keine Leiterbahnen o.ä. "angefräst" werden.

b) Bei Aussparungen, Durchbrüchen etc. berücksichtigen, daß Fräserdurchmesser nicht beliebig klein gemacht werden können. Radien von 0,4 - 0,5 mm sind zwar herstellbar, jedoch unter wesentlich erhöhtem Aufwand (= höhere Kosten), da nicht mehr "im Paket" gefräst werden kann sondern jeder Nutzen einzeln gefräst werden muß. Für Standardkonturen werden normalerweise Fräser mit D = 2,4 mm oder D = 2,0 mm eingesetzt.

c) Sämtliche Umrißlinien (außen & innen !) sollten nicht in den Leiterbild-Layern erscheinen, sondern in einem separaten Konturfile enthalten sein: Konturlinien im Leiterbild verursachen Kurzschlüsse auf der Leiterplatte falls diese nicht von uns bei der CAM-Bearbeitung entfernt werden. Als Ersatz können L-förmige Ecksymbole von ca. 2,5 mm (100 mil) Kantenlänge dienen, die tangential von außen an die Umrißlinie gesetzt werden. Die Linienbreite sollte 0,2 .. 0,5 mm betragen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Umrißlinien nur in den Layern für die Lötstopmaske zu belassen, falls die Generierung eines separaten Konturfiles nicht möglich sein sollte.

5.2      Geritzte Konturen

Grundsätzlich gilt das gleiche wie bereits vorher beschrieben. Da der Ritzspalt ein Doppel-V-Profil hat, ragt die Ritzung im Gegensatz zur Fräsung "in die Leiterplatte hinein". Der Zuschlag a ( siehe Abb.) ist von der Materialdicke c, dem Reststeg b sowie anderen fertigungsbedingten Faktoren abhängig und muß dem bereits bei der Fräsbearbeitung genannten Wert von d = 0,1 mm zugerechnet werden.


Abb. 9  Geritzte Kontur im Querschnitt

RINDE-Empfehlung:
Besonders bei geritzten Konturen auf ausreichenden Randabstand von Leiterzügen und Lötaugen achten.

Technische Informationen
„Fertigungsgerechtes Konstruieren von Leiterplatten“
(Ausgabe c)
© 1991 – 2006  RINDE Regeltechnik GmbH
07.09.2006