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3-2020

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Rund um die Leiterplatte

Rund um die Leiterplatte Kupferverteilung: Hauptkriterium beim fertigungsgerechten Design Die Herausforderung beim Design ist es, die erforderlichen spezifischen Eigenschaften der Leiterplatte mit einer ausgewogenen Kupferverteilung geschickt in einem funktionsfähigen Design zu kombinieren. Die richtige Balance zu finden, ist nicht immer leicht, doch die Mühe wert. Ungleichmäßig dicke Kupferschichten Die beste Voraussetzung für die gleichmäßige Metallisierung des Leiterbildes in Galvanik ist ausgewogene Kupferverteilung Autor: Uwe Dörr Produktmanager Eurocircuits http://eurocircuits.de Thermische Prozesse wie das Löten der Bauteile in der Bestückung verursachen das Verwinden und Verwölben der Leiterplatte Neben der einwandfreien Platzierung der Bauteile, korrekten Anschlussflächen und Passermarken sorgt die homogene Kupferverteilung für eine reibungslose und effiziente Fertigung der Leiterplatte und elektronischen Baugruppe. Die Kupferverteilung auf einer Leiterplatte hat großen Einfluss auf den Ätzprozess und die Kupferabscheidung beim Metallisieren sowie die spätere Bestückung. Basis für ein gutes Ergebnis Beim Ätzen des Leiterbildes führt eine gleichmäßige Kupferverteilung zu gleichmäßigeren Ergebnissen. Die Freiräume zwischen den Kupferelementen werden gleichmäßig geätzt und es entsteht ein einheitliches Leiterbild. Außerdem begünstigt eine gute Kupferverteilung über die gesamte Leiterplatte eine gleichmäßige Metallisierung der Bohrungen und Leiter. Umgedreht kann eine extrem ungleichmäßige Kupferverteilung bereits in der Leiterplattenfertigung zu Komplikationen führen. Kleinere Freiräume können nicht sauber geätzt werden und Kurzschlüsse entstehen. Bei der Metallisierung führt eine ungleichmäßige Kupferverteilung zu einer stärkeren Kupferabscheidung in Bereichen mit wenig Kupferfläche im Leiterbild und eine geringere Kupferabscheidung auf Flächen mit einem höheren Kupferanteil. Für durchkontaktierte Bohrungen bedeutet das, dass mehr Kupfer in die Bohrungen abgeschieden wird und der Durchmesser kleiner wird. Während die Kupferhülsen in den Bohrungen aufgebaut werden, werden auch die Leiterstrukturen auf den Decklagen verkupfert. Falls sich dort nur wenige Leiterbahnen befinden, kann sich eine besonders dicke Schicht bilden. Außergewöhnlich dicke Kupferschichten sind für Hochfrequenz- Anwendungen unerwünscht, weil die Impedanz an dieser Stelle negativ beeinflusst wird. Zu wenig Kupfer könnte dagegen zu fehlerhaften Durchkontaktierungen von Bohrungen führen und die einzelnen Lagen nicht miteinander verbinden und Lötfehler zur Folge haben. Unsymmetrisch angeordnete Kupferflächen führen Verformungen in thermischen Prozessen z.B. beim Heißluftverzinnen der Lötoberflächen oder beim Löten in der Leiterplattenbestückung. Wölbung bezeichnet eine Verbiegung, bei der die vier Ecken der Leiterplatte auf einer Ebene liegen. Verwindung bezeichnet eine diagonale Verbiegung, wobei eine der vier Ecken der Leiterplatte außerhalb der Ebene der drei anderen liegt. Bessere Ergebnisse mit Pulse Plating Eine ausgewogenere Metallisierung ermöglicht das Plulse Plating beim Leiterplattenhersteller. Vergleicht man das Ergebnis der Galvanisierung mit Gleichstrom und Pulse Plating der gleichen Schaltung, dann ist eine deutlich gleichmäßigere Kupferablagerung erkennbar. Dennoch sollte das Ziel darin bestehen bleiben, Leiterplatten mit einer ausgewogenen Kupferbalance zu entwickeln. Für eine möglichst gleichmäßige Kupferverteilung während des galvanischen Prozesses, benötigt der 18 3/2020

Rund um die Leiterplatte Das sollten Designer kennen: Mit dem Analyse-Tool PCB Visualizer sowie Tipps und Tricks für eine gleichmäßige Kupferverteilung hilft Eurocircuits Hardware- Entwicklern Leiterplatten fertigungsgerecht zu designen. Das spart Kosten bei der Leiterplattenfertigung und vermeidet Fehler und Verzögerungen beim Bestücken der Leiterplatte. Die Tipps und Tools stehen kostenfrei auf der folgenden Website zur Verfügung: http://eurocircuits.de Beispiel für eine extrem ungleiche Kupferverteilung, eine Hälfte der Leiterplatte viel Massefläche, dort herausführend nur wenige dünne Leiterbahnen Leiterplattenhersteller einen Galvano-Index der dem Wert 1 möglichst nahe kommt. Dieser Wert zeigt die Kupferverteilung des Leiterplattendesigns, sowohl auf der Oberseite und Unterseite der Leiterplatte an. Für eine gleichmäßige Kupferverteilung auf der Leiterplatte verwenden wir eine spezielle Simulations-Software der Firma Elsyca aus Belgien. Wir ermitteln damit die optimale Stromdichte und die Zykluszeit. Eine ähnliche Analyse der Kupferverteilung können Leiterplatten-Designer bei Eurocircuits bereits während der Leiterplattenkonfiguration nach der Datenanalyse durchführen. PCB Visualizer ermittelt die Kupferverteilung Eurocircuits stellt Leiterplattendesignern mit dem Analysewerkzeug PCB Visualizer ein kostenloses Werkzeug zur Verfügung, um ein Design auf Richtigkeit und Fertigbarkeit zu prüfen. Der PCB Visualizer zeigt die Kupferverteilung und das zu erwartende Verhalten des Designs beim galvanischen Kupferaufbau an. So funktioniert die Prüfung: Durch klicken auf einen Galvano-Eintrag, wird das Galvano- Fenster mit dem entsprechenden Eintrag geöffnet. Die Ansicht Kupferdichte Bauteilseite/Lötseite zeigt die relative Kupferfläche im Vergleich zur Leiterplattenoberfläche. Ähnliche Kupferdichten auf beiden Seiten der Leiterplatte reduzieren das Risiko von Verbiegungen und Verwölbungen. Die Einstellung Galvano-Index Bauteilseite/Lötseite zeigt dem PCB-Designer ein Bild des erwarteten galvanischen Verhaltens. Werte oberhalb von 0,4 (das Maximum ist 1) zeigen eine für den galvanischen Aufbau akzeptable Kupferverteilung. Tipps und Tricks für eine gute Kupferverteilung • Der beste und grundsätzlich empfohlene Weg, um den Galvano- Index einer Leiterplatte zu verbessern, ist eine gleichmäßige Kupferverteilung über die Leiterplatte. Das Design sollte möglichst für jede einzelne Lage eine homogene Kupferbelegung aufweisen. • Leiterbahnen sollten möglichst gleichmäßig über die Leiterplatte verteilt sein und keine Kupfernester entstehen. Das gilt sowohl innerhalb einer Lage als auch gegenüber einer gedachten symmetrischen Achse zwischen zwei oder mehr Lagen. • Masseflächen sollte man auf der symmetrisch gegenüberliegenden Lage durch Auffüllen mit Kupfer ausgleichen. Die freien mit Kupfer gefüllten Flächen bilden ein Gegengewicht zum Kupfer der gegenüberliegenden Lage. • Multilayer sollten symmetrisch mit gegenüberliegenden Lagen mit aufgefülltem Kupfer angeordnet sein. Die Dicke der Kupferfolien im Lagenaufbau der Leiterplatte sollte symmetrisch verteilt sein. • Kupfer zu Bereichen niedrigerer Dichte hinzufügen: Das Kupfer kann in Form einer oder mehrerer Kupferflächen hinzugefügt werden. Bei Eurocircuits bevorzugt man geschlossene Kupferflächen und empfehiehlt diese als erste Option. Wenn mit geschlossenen Flächen keine gleichmäßige Kupferverteilung möglich ist, dann eine Kreuzschraffur (Rasterung) für eine oder mehrere Bereiche auf der Leiterplatte. Aber Achtung: Die Kreuzschraffur muss mit Bedacht verwendet werden. • Kupfer von Bereichen mit hoher Dichte entfernen: Man kann einen lokal geschlossenen Bereich durch eine Kreuzschraffur ersetzen, um eine Gleichverteilung zu erreichen. • Das komplette Re-Design oder gar das Entfernen einer Kupferlage kann auch eine Lösung sein. • Gute Nutzengestaltung sorgt für Kupferbalance: Ein gutes Nutzen- Design beginnt mit einem guten Einzelbild-Design und endet mit der richtigen Nutzen-Zusammenstellung. Bei der Konstruktion gibt es verschiedene designabhängige elektrische Eigenschaften der Leiterplatte, die der Designer berücksichtigen muss. Bei Maßnahmen zur elektromagnetischen Abschirmung, Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenz-Leiterplatten übernehmen Kupferflächen eine wichtige Funktion. Leiterplatten die hohe Spannungen bei eingebetteten Antennensystemen aushalten müssen, können große Isolationsbereiche oder kupferfreie Bereiche erforderlich machen. Eine gute Kombination zu finden, ist nicht immer leicht, aber wichtig. Mit einer guten Kupferverteilung über die gesamte Leiterplatte kann der Leiterplatten-Designer nicht nur die gleichmäßige Metallisierung beim Leiterplattenhersteller begünstigen, sondern auch die Verwindung und Verwölbung im Lötprozess bei der Bauteilebestückung einschränken. Der Designer wird mit einer höheren Lebenserwartung der Leiterplatte bzw. elektronischen Baugruppe im Feld belohnt. ◄ Der PCB Visualizer zeigt die Kupferverteilung und das zu erwartende Verhalten des Designs beim galvanischen Kupferaufbau an 3/2020 19

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