12. Platinenherstellung

Transkript

1 Andere Bezeichnungen: Englische Bezeichnung: Leiterplatte, gedruckte Schaltung PCB (Printed Circuit Board) Aufgabe: Mechanische Befestigung und elektrische Verbindung der Bauelemente Grundmaterial: (Glas-)Faserverstärktes Kunstharz, früher: Pertinax, d.h. gepresste Pappe 12.1 Layoutentwicklung PCB des Arduino Uno Die elektrische Verbindung der Bauteile erfolgt durch Kupferleiterbahnen. Das Muster der Leiterbahnen muss für jede Leiterbahnebene als Film (durchsichtig mit schwarzen Leiterbahnen und PADs) vorliegen. Je nach Komplexität hat eine Platine eine (Single-Layer), zwei (Double- Layer) oder mehrfache von 2 (Multilayer). Bei Multilayern werden mehrere einzelne Platinen übereinandergeklebt. Klassische Layoutentwicklung Auf eine transparente Folie werden die Leiterbahnen, Lötaugen und Symbole aufgeklebt oder aufgerubbelt. Die Leiterbahnen gibt es als Klebeband von der Rolle in vielen Breiten, Symbole für integrierte Schaltungen als Aufreibesymbole. Die Folie kann im Maßstab 1:1 hergestellt und direkt zum Belichten verwendet werden oder sie wird im Maßstab 2:1 hergestellt und fotografisch verkleinert. Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2015 Platinenherstellung 12-1

2 Moderne Layoutentwicklung Die übliche Entwicklung von PCB-Layouts wird mit CAD-Systemen wie z.b. das bekannte Eagle vorgenommen. Vorteile von CAD-Systemen bei der Platinenentwicklung: Die Fingerspitzen werden nicht verletzt. (Für eingeweihte!) Änderungen und Umplatzierungen sind einfach realisierbar Direkte Kontrolle verschiedener Layer Direkter Vergleich mit dem Schaltplan Aber auch bei Verwendung von CAD-Systemen werden in der Regel Planfilme benötigt. Folgende Ausgabemöglichkeiten gibt es: Plotter mit Tusche (Schweinerei und relativ ungenau) Fotoplotter (Wird teilweise noch von Platinenherstellern verwendet. Satzbelichter (DTP) Laserdrucker (nur im Hobbybereich, da die Schwärzung nicht perfekt ist) Gerber-Fotoplotter Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2015 Platinenherstellung 12-2

3 Wenn eine mit einem CAD-System entwickelte Platine professionell hergestellt werden soll, so sind folgende Daten erforderlich: Leiterbahnenstruktur (für jede Ebene!) Lötstopmaske (Nur die Lötpunkte sind frei. Erzeugt die charakteristische Platinenfarbe) Bestückungsaufdruck Bohrdaten (Koordinaten und Werkzeugnummer aller Bohrungen. Bei Multilayerplatinen gibt es auch sogenannte Sacklochungen, die nicht durch die gesamte Platine verlaufen) Layoutrichtlinien Hoher Stromfluß: Die Leiterbahndichte beträgt bei üblichen Platinen nur 35 µm und kann bei größeren Strömen zu unzulässig hohen Stromdichten. Außerdem macht sich der Widerstand der Leiterbahn bemerkbar, was zumindestens zu einer erhöhten Störempfindlichkeit führt. Dimensionieren Sie die Leiterbahnen, vor allem die Stromversorgung, so breit wie möglich. Bei Multilayerplatinen dienen die beiden äußeren Ebenen oft nur zur Stromversorgung. Fügen Sie Entstörkondensatoren in die Stromversorgung ein. Aufgabe dieser Kondensatoren ist es, kurze Einbrüche der Stromversorgung auszugleichen. Dazu sind Kondensatoren geeignet, die bei hohen Frequenzen besonders niederohmig werden. Zum einen sind das Tantal-Elkos (keine AL-Elkos) für größere Schwankungen und Keramik-Vielschichtkondensatoren für kurze Spikes (keine Folienkondensatoren). Spikes werden vor allem von CMOS-Schaltungen erzeugt, so dass optimalerweise an jedem IC ein Keramik-Vielschichtkondensator platziert werden sollte. Vermeiden Sie Masseschleifen! Hohe Frequenzen: Bei sehr hohen Frequenzen muss die Laufzeit auf den Leiterbahnen und deren Impedanz einkalkuliert werden. Hohe Spannungen: Achten Sie auf ausreichende Sicherheitsabstände, z.b. bei galvanischen Trennungen durch Optokoppler. Platinengrößen In Industriesystemen für Rackmontage werden sogenannte Europakarten verwendet, die es in 2 Formaten gibt: Europakarte (3HE): 160mm 100mm (DIN Teil 2), an der Schmalseite kontaktiert Doppeltes Europakarten-Format (6HE): 233mm 160mm, an der Breitseite kontaktiert. Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2015 Platinenherstellung 12-3

4 12.2 Herstellung der Trägerplatine Testmuster oder Kleinserie Ausgangsmaterial ist eine kupferbeschichtete Trägerplatine (Bitte Epoxy und kein Pertinax). Die Platine muss mit einem Fotolack beschichtet sein oder manuell mit Fotolack beschichtet werden (Bitte nicht!!!) Achtung: Die fotobeschichteten Platinen dürfen nicht zu lange gelagert werden und die Schutzfolie darf erst kurz vor der Belichtung entfernt werden. Bei doppelseitigen Platinen werden die Filme zu einer Tasche zusammengeklebt. Achten Sie auf Deckungsgleichheit und erzeugen Sie bitte keine gespiegelte Platine. Die Belichtung erfolgt mit UV-Licht in einem speziellen Gerät. (Belichtungskoffer) Die Entwicklung des Fotolacks erfolgt in einer Fotoschale mit angesetztem Entwickler. Achtung: Der Entwickler besteht in der Regel aus Natronlauge. Nur mit Schutzbrille arbeiten und anschließend die Hände waschen. Die Entwicklung ist fertig, wenn außerhalb der Leiterbahnen das Kupfer zu sehen ist. Der anschließende Ätzvorgang greift das Kupfer an und löst es auf. Die Leiterbahnen sind vom Fotolack geschützt (hoffentlich!) und bleiben stehen. Der Ätzvorgang ist abgeschlossen, wenn kein Kupfer, sondern nur noch das Trägermaterial zu sehen ist. (Abgesehen von den Leiterbahnen natürlich.) Es gibt verschiedene Arten von Ätzgeräten. Bitte verzichten sie möglichst auf einen Ätzvorgang in der Fotoschale unter Zugabe von Wasserstoffperoxid. Das ist eine große Sauerei. Zum Schluss muss noch der Fotolack entfernt werden. Das geht mit Azeton (Iiih!) oder Brennspiritus. Damit das Kupfer nicht gleich oxidiert, wird die Platine mit Lötlack besprüht. (Bitte nach draußen gehen. Das stinkt!) Bitte fragen Sie den Werkstattlehrer für die genaue Handhabung der Geräte und Chemikalien. Eins fehlt noch: Löcher bohren. Bitte verwenden sie nur Hartmetallbohrer und eine möglichst hohe Drehzahl. Ansonsten bleibt das Lötauge am Bohrer hängen. Durchkontaktierung: Darunter versteht man die Herstellung einer elektrischen Verbindung der Leiterbahn, die auf der einen Seite eines Lochs ankommt mit der, die auf der anderen weitergeht. Wenn es sich nur um eine Durchkontaktierung handelt: Draht an beiden Enden anlöten und Enden abschneiden. Ansonsten muss das Bauelement von beiden Seiten verlötet werden. Industrie Das Prinzip der Platinenherstellung ist auch in der Industrie ähnlich, es werden aber einige Schritte zur Rationalisierung verwendet. Es werden keine einzelne (kleine) Platinen gefertigt, sondern es werden viele Platinen auf einer großen Trägerplatte zusammengefasst, die später zersägt/zerfräst wird. Das Grundmaterial ist nicht Kupferbeschichtet. Der erste Schritt ist das Bohren der Löcher. Dazu wird aber ein ganzer Stapel von Platinen gleichzeitig gebohrt. Das Kupfer und die Durchkontaktierungen werden in einem Galvanikbad abgeschieden. Es erfolgt eine elektrische Verbindungsüberprüfung. Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2015 Platinenherstellung 12-4

5 12.3 Bestückungstechnik TTH Quelle: Die klassische Bestückungstechnik ist die Thrue-The-Hole-Technik. D.h. die Bauteile werden von einer Seite (der Bestückungsseite) durch die Löcher gesteckt und auf der anderen Seite (Lötseite) verlötet. Die Abstände der Bauteilanschlüsse betragen in der Regel 1 mil (1/10 Zoll = 2,54 mm), so dass auch eine händische Bearbeitung möglich ist. Dieses ist immer noch die im Privat- und Kleinserienbereich verbreitetste Technik. Die Handarbeit lässt sich durch Bestückungsautomaten (Bauteile werden von der Rolle zugeführt) und ein Schwallötbad automatisieren. Quelle: Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2015 Platinenherstellung 12-5

6 SMD Oberflächenmontierte Bauteile (Surface Mounted Devices) führten neben der höheren Integrationsdichte auf dem Chip zu einer enormen Verkleinerung elektronischer Komponenten. Platinen können sogar von beiden Seiten mit SMD-Bauteilen bestückt werden. Die Bauteile und vor allem die Kontaktabstände sind allerdings so klein, dass eine Bestückung und Verlötung von Hand nur noch schwer möglich ist. Quelle: Die Bauteile werden üblicherweise mit einem Reflow-Lötverfahren verlötet. Das Lötzinn wird als pastenförmiges Weichlot im Siebdruckverfahren aufgebracht. Die Lötpaste ist etwas klebrig, so dass darauf aufgesetzten Bauteile haften. Zum Schluss wird die komplette Platine durch einen Reflowofen geschickt, d.h. die Temperatur wird erhöht, so dass das Lot aufschmilzt. Durch die Oberflächenspannung richten sich die Bauteile perfekt aus. Bauteile auf der unteren Seite, müssen mit Sekundenkleber fixiert werden. Für eine Reparatur ist es möglich, Bauteile mit einem Heißluftföhn auszulöten. Aufgabe: Erstellen Sie eine Liste der üblichen SMD-Gehäuse für passive Bauelemente und digitalen Schaltungen (Logikschaltungen, Prozessoren) Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2015 Platinenherstellung 12-6