Leiterplatten & Baugruppendesign Übersicht. Leiterplatten & Baugruppendesign Bewertung: Leiterplatten & Baugruppendesign Bewertung:

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Nikolas Siegel
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März 2017 1 Übersicht Baugruppenfertigung als Bauteil, ihre

Eigenschaften Designgrundlagen in der Leiterplattenentwicklung

1 März Übersicht Baugruppenfertigung als Bauteil, ihre Herstellung, ihre phys. Eigenschaften Designgrundlagen in der Leiterplattenentwicklung Leiterplattendesign und Geräteentwicklung EMV High Speed Leiterplattendesign März Bewertung: Bewertung: März März

Bewertung: Note wird durch ein Projekt ermittelt Abgabe ist ein EAGLE Projekt für eine industriell fertigbare Baugruppe Es müssen die Zyklen Pflichtenheft > Schaltplan > Schaltplan Review > Layout >

8.2017 Wer keine Note möchte, kann trotzdem teilnehmen Was bedeutet Baugruppendesign heute, die Mitspieler Leiterplatten fertiger Einkauf Bauteile Management Fertigung Verkauf Software Juristik März

2 Bewertung: Note wird durch ein Projekt ermittelt Abgabe ist ein EAGLE Projekt für eine industriell fertigbare Baugruppe Es müssen die Zyklen Pflichtenheft > Schaltplan > Schaltplan Review > Layout > Layout Review eingehalten werden Abgabe Termin ist der Wer keine Note möchte, kann trotzdem teilnehmen Was bedeutet Baugruppendesign heute, die Mitspieler Leiterplatten fertiger Einkauf Bauteile Management Fertigung Verkauf Software Juristik März März Einkauf & Bauteilemanagement Welche Bauteile dürfen/sollen verwendet werden Freigabe von neuen Bauteilen Zweit & Drittlieferant (Second, Third Source) Aufnahme in die CAD Lib Erforderliche Papiere/Zertifikate Abstimmung mit der Fertigung Programmiermöglichkeiten/Geräte Verkauf & Juristen Einkaufspreis Marktchancen Absatzmenge Einmalkosten für Fertigungsstart Eigene & fremde Patente Gesetze Normen CE Kennzeichnung & EMV März März

3 Software & Fertigung Ausstattung Pining Programmieradapter Lötverfahren Bauteilgehäuse Leiterplatten Technologie Mengen Montage Leiterplattendesigner Fertigungstechnologie Lagenanzahl Dokumentation für ext. Leiterplattendesigner Vorgaben (Abstände, Dicken) März März Die Basis Bauteile Die Basis-Bauteile sind Widerstände, Spulen und Kondensatoren. Jedes dieser Bauteile besitzt neben den gewünschten Eigenschaften auch noch unerwünschte, die parasitären Eigenschaften. Die Basis Bauteile Der Widerstand Die Spule Ein Halbleiterübergang hat neben der physikalischen Eigenschaft ebenfalls parasitäre Eigenschaften. Für alle gilt, wird die Frequenz verändert, ändert sich das Verhalten. Ergebnis: Nur wer die Bauteile kennt, kann eine funktionierende Baugruppe entwicklen. LS besteht aus Hülse/Pad, Draht / Anschluss und event. der Wicklung. RS: Datenblatt (Achtung, Anschluss fehlt bei diesem Wert) März März

4 Die Basis Bauteile Der Kondensator Der PN Übergang Vor 30 Jahren war eine Leiterplatte nur ein Stück Kunststoff mit Kupferstreifen drauf. Bei den heutigen Frequenzen der Bauteile ist es leider nicht mehr so, weshalb vom vierten Bauteil (neben R s, C s & L s) gesprochen wird. Die Platine besteht schon im unbestückten Zustand aus den unterschiedlichsten Kombinationen von R, L und C. Mit jedem Bauteil mehr kommt eine weitere Variante hinzu. ESR: Datenblatt ESL: Datenblatt Wird die Frequenz verändert, ändert sich das Verhalten. Ergebnis: Leider kein Stück Kunststoff mehr, sondern ein sehr komplexes Bauteil. März März Eine Leiterplatte besteht aus einem Träger und Kupferfolien bestimmter Stärke. Eine Prototypen-Leiterplatte aus der Werkstatt hat folgenden Aufbau: oberer Photoresist obere Kupferschicht mm Träger (Kern oder Core), 1.6 mm untere Kupferschicht mm unterer Photoresist Diese Rohleiterplatten können in unterschiedlicher Trägerdicke bzw. Folienstärken gekauft werden. Für das eigene Ätzen gibt es folgende Varianten: Trägerdicken in mm: 0.7, 0.8, 1.0, 1,6, 2.0 Folienstärke Kupfer in µm: 35, 70, 110 Das Leiterbild entsteht durch das Abätzen der nicht benötigten Kupferanteile. Je dicker das Kupfer, desto größer müssen Leiterbahndicke und Abstand sein. Fertigungsschritte Werkstatt: Belichten von Ober und Unterseite (UV Licht) Entwickeln des Leiterbildes (Natronlauge) Abätzen des freistehenden Kupfers (das ohne Photoresist) Entfernen des Photoresistes (Aceton) Bohren der Löcher Säubern (IPA, Leiterplattenradiergummi ) Lackieren mit Lötlack (leichter Korrosionsschutz, besser lötbar) März März

Die industrielle Leiterplatte unterscheidet sich grundlegend vom Eigenbau: oberer Photoresist 25 µm gal. Kupfer 17 µm Kupferfolie Träger (Kern oder Core) 17 µm Kupferfolie 25 µm gal.

5 Die industrielle Leiterplatte unterscheidet sich grundlegend vom Eigenbau: oberer Photoresist 25 µm gal. Kupfer 17 µm Kupferfolie Träger (Kern oder Core) 17 µm Kupferfolie 25 µm gal. Kupfer unterer Photoresist Obige Darstellung gilt für eine doppelseitige Leiterplatte. Das Ätzen Die Leiterbahnenzüge sind durch einen Photoresist gegen Beschädigungen gesichert. Das Leiterbild entsteht durch das Abätzen der nicht benötigten Kupferanteile. Die Dicke der zu ätzenden Kupferschicht hat einen Einfluss auf das Ätzergebnis. Mit der Leiterbahnenbreite sind physikalische Parameter verbunden: Widerstand & Induktivität -> Impedanz Entwärmung Stromtragfähigkeit Diese Eigenschaften müssen beim Layoutdesign beachtet werden. März März Das Ätzen Halbzeug Stufe 1 Stufe 2 Ätzen fertig Halbzeug: Träger, Kupferfolie & Fotoresist Stufe 1: Nach dem Belichten erfolgt das Anätzen der freien Kupferflächen Stufe 2: Das Medium ätzt einen Kanal in die Tiefe und greift die Seiten an Stufe 3: Da der Träger erreicht ist, werden nur noch die Seiten geätzt Ätzenverluste Die durch den Ätzvorgang entstehenden Ätzverluste sind abhängig vom Fertigungsverfahren. Die Verluste sind nicht von der Leiterbahnenbreite abhängig, nur von der Höhe. Basiskupfer 35 µm Basiskupfer 17 µm März März

Ätzprofil Leiterbahnenquerschnitt Die durch den Ätzvorgang entstehenden Ätzverluste sorgen dafür, dass aus einem rechteckig geplanten Leiterbahnenquerschnitt eine Trapezform mit Einschnürungen wird.

Das Ätzprofil ist u.a. abhängig von der Leiterplattenposition auf dem Nutzen und der Ätzanlage.

6 Ätzprofil Leiterbahnenquerschnitt Die durch den Ätzvorgang entstehenden Ätzverluste sorgen dafür, dass aus einem rechteckig geplanten Leiterbahnenquerschnitt eine Trapezform mit Einschnürungen wird. Bildquelle: Taube Elektronik Anschlussflächen Das Rückätzen ist an den Seitenflächen sehr viel ausgeprägter, als oben und unten. Alleinstehende Pads werden viel stärker zurückgeätzt. Das Ätzprofil ist u.a. abhängig von der Leiterplattenposition auf dem Nutzen und der Ätzanlage. März Ätzprofil/Querschnittsprofil Das durch den Ätzvorgang entstehende Querschnittsprofil ist abhängig von der Ätztechnologie und der Kupferdicke. Regel (Querschnittsprofil) Als Querschnitt wird ein gleichschenkliges Trapez angenommen ohne Einschnürung. Je schmaler eine Leiterbahn bzw. je höher sie ist, umso mehr müssen die Auswirkungen des Querschnittprofils auf die phys. Eigenschaften der Leiterbahnen/Pads beachtet werden. März Ätzprofil: Definition Tangens α Die Längen c und a sind nicht ohne Probleme ermittelbar, da sie nicht in den CAD Daten enthalten sind. Ätzprofil: Rückätzung für Tangens α Tabelle für Rückätzungen in Abhängigkeit der Kupferdicke und tan α Wird b durch die Kupferdicke ersetzt, kann mit Hilfe des vom Hersteller genannten tan α die Gegenkathete berechnet werden. Soll z.b. ein Pad eine bestimmte Mindestbreite haben, muss zu dieser Breite noch 2 x die Rückätzung bei gegebenen tan α hinzu addiert werden. Gegenkathete a Das führt allerdings dazu, dass diese Daten vom Leiterplattenhersteller erfragt werden müssen. März März

7 Ätzprofil: Probleme wegen Tangens α Wenn Pads sehr genau sein müssen (BGA, Bondflächen), ist die Einbeziehung von Tangens α unbedingt notwendig Eine Verbreiterung der Leiterbahnen ist der Vergrößerung der Schichtdicke vorzuziehen Bei einer größeren Schichtdicke müssen SMD Footprints auf Produzierbarkeit geprüft werden Hohe, schmale Leiterbahnen (Pyramidenform) sind mechanisch anfällig Leiterbilder Alle in Kupfer realisierten Strukturen ( Bilder ) einer Leiterplatte Sie dienen zur Stromversorgung und Signalübertragung Die Oberseite Die Unterseite März März Leiterbildstruktur Da die Leiterbilder einer Leiterplatte aufeinander, also als 3D Aufbau, angeordnet werden, entsteht eine Leiterbildstruktur. In diese Struktur werden jetzt weitere Geometrien mit einbezogen: > > Leiterbildstruktur Durch den Schichtaufbau entstehen nun physikalische Elemente in Kupfer, deren Eigenschaften die Funktion der Leiterplatte beeinflussen. Das ganze Leiterbild beeinflusst das el. Feld und damit die Impedanz Es entstehen ungewollt Antennen und Koppler März März

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