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3-2022

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Rund um die Leiterplatte

Rund um die Leiterplatte Inhouse-Leiterplatten-Prototyping mit LPKF-Systemen 4-Lagen-PCBs an einem Tag Wie in nur einem Tag komplexe Multilayer im eigenen Haus entstehen, zeigt dieser Praxisbericht. LPKF Laser & Electronics AG www.lpkf.com Viele Elektronikentwicklungs- Teams stehen unter Zeitdruck. Der Mangel an elektronischen Bauteilen und dringende Redesigns belasten die Entwickler zusätzlich. Trotz ausgefeilter Software-Simulation und fortschrittlichen CAD-Systemen: Ohne Prototypen geht es nicht. LPKF ist als Maschinenbauunternehmen mit all diesen neuen Herausforderungen ebenfalls konfrontiert – das Elektroniklabor ist rund um die Uhr im Einsatz. Aus dieser Praxis wird ein 4-Layers-PCB-Prototyp beschrieben, vom Import der CAD-Daten bis zur fertigen Leiterplatte. Es handelt sich um eine präzise 4-Punkt-Messeinheit mit einer Reihe von Operationsverstärkern. Sie erkennt Mikrovolt-Differenzen, wandelt sie in digitale Daten um und überträgt sie über eine serielle Datenleitung. Die erforderlichen Spannungsregler sind ebenfalls Teil des notwendigen 4-Lagen-Designs. Die eingesetzten Systeme sind für eine problemlose Zusammenarbeit konzipiert: LPKF Proto- Laser H4, LPKF MultiPress S4 und LPKF Contac S4 sind die Systeme der Wahl. Der brandneue LPKF ProtoLaser H4 ist ein Desktopsystem mit einem Strukturierungslaser, mechanischen Werkzeugen zum Bohren und Fräsen, einem integrierten PC und der CircuitPro RP-Software. Zielmaterial ist zum Beispiel ein- und doppelseitiges FR4. Die LPKF MultiPress S4 – ebenfalls ganz neu auf dem Markt – ist ein eigenständiges Plug&Play- Presssystem mit geringem Platzbedarf. Dank eingebautem Vakuum, frei einstellbarer Temperatur-, Druckund Zeitsteuerung eignet sie sich zum Verpressen von starren, starrflexiblen, flexiblen und RF-Multilayern mit bis zu acht Lagen. Das Tisch-Galvanisiersystem LPKF Contac S4 sorgt für die zuverlässige Durchkontaktierung von starren, flexiblen und RF-Multilayern. Es verfügt über eine integrierte PC-Schnittstelle mit großem Touch-Display für eine einfache und komfortable Bedienung. Der Prozess beginnt mit der Software LPKF CircuitPro RP, die auf dem eingebauten Rechner des LPKF Proto- Mat H4 läuft. Der erste Schritt beim Start eines neuen Projekts ist die Wahl oder Neuanlage einer Vorlage. Die geplante Kombination ist bereits vorhanden: Es ist ein 4-Lagen-Multilayer mit galvanischer Durchkontaktierung und unter Verwendung der MultiPress S4. Dann folgt die Materialauswahl, im beschriebenen Fall ein doppelseitiger 1-mm-FR4-Kern mit je 18 µm Kupfer und eine 0,2 mm starken ML 104 mit je 5 µm Cu auf jeder Seite des Kerns. Diese 5 µm Kupfer werden bei der finalen Durchkontaktierung zusätzlich mit 12,5 µm Cu beschichtet, was die Standarddicke der Ober- und Unterseite definiert. Die Verwendung des entsprechenden Prepregs ist ebenfalls in der Vorlage vorgesehen. Die Schablone ist auf ein Viertel der Plattengröße 12 x 9 Zoll ausgelegt. Der nächste Schritt ist der Import von CAD-Daten. Typischerweise werden die Lagen aus der CAD-Software mit Circuit- Pro verknüpft und die Lagen klar benannt. Nach dem Import ist das Layout sichtbar und kann bearbeitet werden. Bis zu diesem Zeitpunkt sind keine weiteren Kenntnisse erforderllich, für fortgeschrittene Anwender stehen weitere Optionen zur Verfügung. Und so geht es weiter: Die Lagenstapel werden später mit Referenzstiften im Presswerkzeug der MultiPress S4 ausgerichtet. Auch die Positionen dieser Stifte sind bereits in der Vorlage von CircuitPro definiert. Im vorgeschlagenen Arbeitsablauf werden zunächst die Ausschnitte für die Referenzstifte und die Öffnungen für die Passermarken in den Außenlagen hergestellt. Als Nächstes wird die Kernlage bearbeitet, beginnend mit den Bohrungen für die Passermarken und Referenzöffnungen sowie der Laser- In der Systemsoftware LPKF CircuitPro werden die einzelnen Layer für die Produktion vorbereitet. Vorlage wählen, Layout laden und die Software führt durch den Prozess 14 3/2022

Rund um die Leiterplatte Im ersten Produktionsschritt strukturiert das Laserwerkzeug des ProtoLaser H4 die Kernschicht Die strukturierte Kernschicht, die PrePregs und die Außenlagen werden für die Verpressung übereinander angeordnet Strukturierung der beiden inneren Lagen. Der gesamte Prozess dauerte nur 25 min. Nach der Reinigung der einzelnen Lagen mit Isopropanol wird der Stapel von der untersten Lage an auf dem Boden des Presswerkzeugs aufgebaut. Die Passstifte und der Text am Rand jeder Lage helfen dem Bediener, die Lagen korrekt auszurichten. Das zwischen den Lagen eingelegte Prepreg wird auf die Mitte des Materials ausgerichtet. Nachdem auch noch die Abdeckung des Presswerkzeugs montiert ist, wird der komplette Aufbau in die LPKF MultiPress S4 eingelegt. Der Pressvorgang des Standardprogramms läuft automatisch und ohne Benutzereingriff 2:45 Stunden lang. Am Ende des Pressvorgangs wird aus Wunsch eine E-Mail- Benachrichtigung an den Bediener gesendet. Wenn das Material länger in der Presse verbleibt, entstehen keine Schäden. Der gepresste Multilayer-Stapel wird zum Bohren an den ProtoLaser H4 zurückgegeben. Die zuvor auf der Kernlage gebohrten Passermarken werden verwendet, um das gesamte Panel automatisch auszurichten. Das PCB Layout weist zwölf 3/2022 verschiedene Lochdurchmesser auf, daher sind zwölf verschiedene Bohrer erforderlich. Der Bohrprozess beginnt vom kleinsten Durchmesser aufwärts; die ersten sechs dünneren Werkzeuge werden für einen ununterbrochenen Prozess in eine Toolbox geladen. Wenn diese Löcher gebohrt werden, fragt ein Kommunikationsfenster nach fehlenden Werkzeugen und fordert zum manuell Tausch im Werkzeughalter auf. Der Bohrprozess wird nach Bestätigung fortgesetzt, und alle 762 Löcher werden in 33 Minuten gebohrt. Der Stapel ist nun für die Durchkontaktierung in der LPKF Contac S4 vorbereitet. Es wird ein Galvanisierungsprogramm mit 95 min Laufzeit ausgewählt, um 12,5 µm Kupfer aufzubauen. Prozessanweisungen auf dem Display führen den Bediener durch die Reinigungsphasen, eine Black-Hole-Aktivierung, Trocknung und die abschließende Vorbereitung für die Beschichtung. Der gesamte Prozess dauert etwa 2,5 h, wobei innerhalb der ersten Stunde manuelle Eingriffe des Bedieners erforderlich sind. Die letzte Stufe, die Strukturierung der äußeren Schichten, ist identisch wie bei doppelseitigen PCBs. Der LPKF ProtoLaser H4 bearbeitet die untere Schicht in 6 min und 16 s, während eine komplexere obere Schicht 9 min benötigte. Das mechanische Ausschneiden der Leiterplatte dauerte 3 min und 7 s – Spitzenwerte für anspruchsvolles Strukturieren doppelseitiger Leiterplatten. Zusammenfassend ist festzustellen: Trotz relativ langer Press- und Durchkontaktierungsprozesse wurde die vierlagige Multilayer-Leiterplatte innerhalb von 7 h hergestellt. Ein zusätzlicher Schritt, der Schutz der Leiterplatte mit Lötstopplack, würde durch die Aushärtungszeit eine zusätzliche Stunde erfordern. Der LPKF ProtoLaser H4 mit MultiPress S4 und Contac S4 können hausintern 4-Lagen-Leiterplatten- Prototypen innerhalb eines Arbeitstages herstellen. Die Benutzer werden einfach durch den Prozess geführt. ◄ Nach dem Verpressen wird gebohrt, dann folgt die Durchkontaktierung und schließlich die Strukturierung der Außenlagen. Im Ergebnis: ein vierlagiges PCB in weniger als einem Tag 15

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel