Leiterplattentechnik

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1 Handbuch der Leiterplattentechnik Laminate Manufacturing Assembly Test Herbert Bruch Paul J. Bud und Peter E.J. Müller Karl Alexander Egerer Wolfgang Ganter Günther Herrmann Manfred Hummel Manfred Kayser Ernst F. Lechner Klaus Neubert Gerd Niklassowski Theodor Passlick Werner Peters Claus-Werner Ruff Hans-Gerd Scheer Igor Schovanka Lothar Veite Zweite Auflage mit 602 Abbildungen und 48 Tabellen EUGEN G. LEUZE VERLAG D-7968 SAULGAU/WÜRTT.

2 Inhaltsverzeichnis 1. Geschichte der Leiterplatten Basismaterial für die Subtraktiv- und die Additiv-Technik 2.1. Basismaterial für die Subtraktiv-Technik Herstellung von Basismaterial Typen und Anwendungsbereiche Eigenschaften des Basismaterials Elektrische Eigenschaften Thermische Eigenschaften Spezifikationen, Standards und Tests Spezifikationen und Standards Tests - Verarbeitungstechnische Kennwerte Basismaterial für die Additiv-Technik Anforderungen und Eigenschaften Basismaterial für flexible Schaltungen Basismaterial Eigenschaften und Tests Vorteile und Anwendungsbereiche Basismaterial zur Herstellung von Multilayern 3.1. Kupferkaschierte Laminate für Multilayer Laminatstärke und Toleranzen Dimensionsstabilität Kett- und Schußrichtung Konstruktion der Laminate Kupfer-Folien Haftfestigkeit Spezialfolie für Multilayer-Innenlagen Prepreg oder Verbundfolie für die Herstellung von Multilayern Prepreg-Typen Harzanteil Harzfluß Gelierzeiten Rückstände an flüchtigen Stoffen Lagerung von Prepregs 60

3 8 Inhaltsverzeichnis 4. Vorlagenerstellung 4.1. Werdegang vom Stromlaufplan zum Druckwerkzeug Manueller Weg zum Druckwerkzeug Kleben und Anreiben Verarbeitung manuell erstellter Layouts mittels DV-Einsatz Layout-Erstellung Digitalisierung Entflechtungs-Systeme Vollautomatische Entflechtung Druckvorlage (Reprotechnik) Fotoplotter Mehrfach-Nutzen Repromaterial Kontrollen Anforderungen an das Druckwerkzeug Raumbedingungen Entscheidungskriterien Mechanische Bearbeitung von Basismaterial 5.1. Schneiden und Sägen Bohren von Leiterplatten Bohrmaschinen Bohrer Programme für das Bohren Arbeitsrichtlinien für das Bohren Fräsen von Leiterplatten Fräswerkzeuge Arbeitsrichtlinien für das Fräsen Sonderanlagen Stanzen von Leiterplatten Stanzwerkzeuge Lochen und Konturenschneiden Schnittspiel bei Stanzwerkzeugen Siebherstellung und Siebdruck 6.1. Einleitung Siebherstellung Gewebe, Typen und Eigenschaften Polyestergewebe VA-Stahlgewebe Metallisierte Polyestergewebe Einflüsse des Gewebes auf die relative Maßgenauigkeit im Siebdruck Einflüsse des Gewebes auf die Randschärfe des Druckbildes und auf die Druckbarkeit feiner Leiter- und Isolationsabstände Einflüsse des Gewebes auf die Dicke des Färb- oder Pastenauftrages 99

4 Inhaltsverzeichnis Siebrahmen Spanngeräte Spannungsmeßgeräte Der Spannvorgang Herstellung der Druckform Einflüsse aus dem Querschnitt der Schablone auf die qualitative und kapazitive Leistungsgrenze des Siebdrucks Die Belichtung Klimatische Einflüsse auf die Druckqualität und die kapazitive Druckleistung der Schablone Entschichten Einrichtung für die Siebherstellung Der Druckvorgang Einflüsse auf die relative Maßgenauigkeit des Siebdrucks aus dem Druckvorgang Siebdruckanlagen Siebdruckfarben Farbtrocknungsanlagen Siebdrucklacke für den Schaltungsdruck 7.1. Zusammensetzung der Siebdrucklacke Siebdruck Vorreinigung Auswahl der Siebdrucklacke Ätzreserven Ätzreserven, konventionell trocknend Ätzreserven, lötbar Ätzreserven, UV-härtend Galvano-Resists Lösemittel-entfernbare Galvano-Resists Alkalisch-entfernbare Galvano-Resists UV-härtende Galvano-Resists Lötstoppläcke Lötstopplacke, 1 -Komponenten-Systeme Lötstopplacke, 2-Komponenten-Systeme UV-härtende Lötstopplacke ' Abziehbare Lötstopplacke Kennzeichnungs-Signierlacke Signierlacke, 1-Komponenten, physikalisch trocknend Signierlacke, 1-Komponenten, ofentrocknend Signierlacke, 2-Komponenten Signierlacke, UV-härtend Isolationsdrucklacke Allgemeine Vorteile und Nachteile der UV-härtenden Schaltungsdrucklacke Hilfsprodukte für den Schaltungsdruck Verdünnung Verzögerer Reinigungsmittel Verlaufmittel Antistatikmittel Sieböffner Sonstige Hilfsprodukte 137

5 10 Inhaltsverzeichnis 7.4. Trocknungsanlagen Umlufttrockner Durchlauftrockner mit Warmluft Infrarot-Trocknungsanlagen UV-Härtungsanlagen Sicherheits-Vorschriften Desoxidation, Konservierung und Trocknung der Leiterplatten Anlagen zur Desoxidation Chemikalien für die Desoxidation Konservierung von Leiterplatten durch Lackieren (Lötschutzlackierungen) Konservierung mit wasserverdrängenden Systemen Wasserverdränger Wasserverdrängungslack Konservierung mit Lötlacken Tauchverfahren mit Lötlack Walzlackierverfahren mit Lötlack Spritzlackierverfahren mit Lötlack Konservierung mit Wasserverdränger in Kombination mit Lötlack Trocknungseinrichtung Kontrolle / Qualitätssicherung von Siebdrucklacken und Schutzlacken Vorschriften und Verordnungen, Arbeitssicherheit Feuer- und Explosionsgefahren Gesundheitsgefahren Umweltschutz Rechtsvorschriften (Lagerung, Abfüllung) Rechtsvorschriften (Arbeitsschutz) Rechtsvorschriften (Umweltschutz) Fotoresiste und ihre Verarbeitung 8.1. Flüssig-Resiste Trocken-Resiste Verfahrenstechnik bei der Verarbeitung Vorreinigung Beschichten Laminieren Belichten/Registrieren Entwickeln Strippen oder Entschichten Trocken-Resiste für Sonderanwendungen Lötstoppmasken (Solder Mask) Phototape-Technik mit Festresisten Maschinen und Anlagen Ätztechnik für starre und flexible Schaltungen 9.1. Vorreinigung Ätzen 168

6 Inhaltsverzeichnis Ätzen mit Eisen (Ill)-chlorid (FeCl 3 ) Ätzen mit Kupferchlorid (CuCl 2 ) Ätzen mit Ammoniumpersulfat (NH 4 )S Wasserstoffperoxid (H )-Schwefelsäure (H 2 S0 4 ) Alkalische Ätzmedien Elektrolytisch-chemisches Verfahren Verfahren und Anlagen zur Regeneration für saure Ätzmittel Verfahren und Anlagen zur Regeneration alkalischer Atzmedien Atzmaschinen LJnterätzung von Leiterzügen Desoxidieren und Schutzlackieren Kombinierte Subtraktiv-Additiv- und Resisttechnik Kombinierte Subtraktiv-Additiv-Technik Basismaterial Foto- und Ätzprozeß Mechanische Bearbeitung Maskendruck und chemische Metallabscheidung Tenting-Technik Verfahrensbeschreibung Metallresist-Technik Verfahrensablauf Nickeltechnik Anlagen zur Resist-Technik Das Semiadditiv-Verfahren Auswahl der Basismaterialien Beschichtung mit Haftvermittler Beizen des Haftvermittlers Die Rückgewinnung von Chromsäure aus Beizlösungen Aktivieren Chemische Verkupferung Verschiedene Badtypen für die chemische Verkupferung Automatische Badüberwachung Physikalische Eigenschaften chemisch abgeschiedener Kupferschichten Galvanischer Aufbau des Leiterbildes Differenzätzung (Quick-Etch-Verfahren) Qualitative und wirtschaftliche Betrachtung der Semiadditiv-Technik im Vergleich zur Metallresist-Technik Qualitative Vorteile Wirtschaftliche Vorteile Nachteile des Verfahrens 216

7 12 Inhaltsverzeichnis 12. Multilayer-(ML-)Fertigung Begriff Multilayer Anwendung Fertigung Fertigungsunterlagen Materialien Multilayer-Fertigung Multilayer-Kern-Herstellung Laminieren Lochreinigung End-Oberflächen Fertigungseinrichtungen Multilayer-Presse Schwärzen Smear-Entfernung Prüfungen Fertigungsüberwachung Produkt-Prüfung Sonderverfahren Verarbeitung Fein- und Feinstleitertechnik Das Erstellen der Druckbildunterlagen Die Anwendung der Feinleitertechnik Einseitige Schaltungen ohne metallisierte Löcher Zweiseitige Schaltungen ohne metallisierte Löcher Zweiseitige Schaltungen mit metallisierten Löchern und galvanischer Behandlung vor dem Ätzen Zweiseitige Schaltungen mit stromlos metallisierten Löchern Zweiseitige Schaltungen mit metallisierten Löchern und galvanischer Behandlung nach dem Ätzen Herstellverfahren Verfahrensbedingte Toleranzen Leiterbreite und -abstand Ätzverfahren ohne galvanische Plattierung der Leiterbahnen Auswahl des Basismaterials Prüfung Prioritäten Standard-Volladditiv-Verfahren Einführung in die Volladditiv-Technik Basismaterial und Haftvermittler Verfahrensablauf und Einrichtungen Standard-Zweiseitenvolladditiv-Verfahren Multilayer-Volladditiv-Technik bis vier Ebenen Verbindung im Loch und auf der Fläche Einfache Verbindung im Loch Eineinhalbseiten-Volladditiv-Technik Einrichtungen für die Volladditiv-Technik 253

8 Inhaltsverzeichnis Chemie des Metallabscheidens ohne äußere Stromquelle Eigenschaften von chemisch komplexen, reduktiv arbeitenden Metallisierungsbädern Arbeitsweise der reduktiv arbeitenden Metallisierungsbäder Die chemisch-thermodynamischen Vorgänge bei reduktiven Metallisierverfahren, im besondern beim Verkupfern Der stabile Arbeitsbereich Das Abscheiden von weiteren Metallen (außer Kupfer) ohne äußere Stromquelle Katalysatoren für Kupferbäder ohne äußere Stromquelle Industriell angewandte Badtypen Badführung, Meß- und Regeltechnik Notwendigkeit des Einfahrens von kontinuierlich arbeitenden Meßverfahren und Regelanlagen Messen der Abscheidegeschwindigkeit und der Schichtdicke ph-wert-messung und Regelung Metallionenkonzentrationsregelung Cyanidkonzentrationsregelung Reduktionsmittelkonzentrationsregelung Geräte und Einrichtungen für die Meß- und Regeltechnik Fotoadditiv-Verfahren Allgemeines Foto-elektrochemischer Aufbau katalytisch wirksamer Flächen Typische Verfahren Das Zinndruck-Verfahren Das PD-R-Verfahren Photoforming-Verfahren Qualität von fotoadditiv hergestellten Leiterplatten Multiwire -Technik Entwicklung der Multiwire-Technik Eigenschaften, Zuverlässigkeit und Prüfergebnisse von Multiwire-Platten Das Anfertigen der Trägerplatte Multiwire-EDV-Programme Verfahrensablauf Weiterentwicklung der Multiwire-Technik für höchste Packungsdichten Multiwire-Verlegemaschinen für mittlere Packungsdichten Multiwire-Verlegemaschinen für höchste Packungsdichten Maschinenaufbau Verlegekopfkonstruktion für Multiwire-Platten höchster Packungsdichte Leistungsdaten der T14-Maschinen 311

9 14 Inhaltsverzeichnis 17. Metallkern-Leiterplatten Allgemeines und Anwendungsgebiete Metallträger und deren Beschichtung Wirbelsinterverfahren Kern-Laminierprozeß Porzellan-Beschichtung Elektrostatische Beschichtung Elektrophoretische Beschichtung Tauchbeschichtungs-Verfahren Leiterbildaufbau Subtraktiv-Technik Leitpasten-Druck-Technik Semiadditiv-Technik Volladditiv-Technik Volladditive Technik mit katalysierter Siebdruckfarbe Volladditiv-Technik mit katalysiertem Beschichtungsmaterial Volladditiv-Technik mit resistfreiem Leiterbilddruck-Verfahren Multiwire Metallkern-Leiterplatten Besondere Herstellverfahren für Leiterplatten Kopierverfahren auf der Drehmaschine Kombiniertes Fräs- und Bohrverfahren zur Herstellung von kompletten Leiterplatten Verfahrensablauf Schablonen- und NC-geführte Maschinen Computer-Entwurf Leiterplattenherstellung mit dem Pulverpreßverfahren Stanz-Preß-Verfahren Oberflächenveredelung Die elektrolytische Metallabscheidung Vorbehandlung (Entfetten, Aktivieren, Dekapieren) Kupfer Nickel Gold Verfahren zur Vergoldung direkter Steckverbindungen und Kontakte auf kupferkaschiertem Basismaterial Anlagen zur Vergoldung Zinn Whiskerbildung Zinn-Blei Silber Platinmetalle Die chemische (stromlose) Metallabscheidung Prinzip der Metallabscheidung ohne äußere Stromquelle 362

10 20. Aufschmelzen und Heißverzinnen Verfahren und Anlagen Inhaltsverzeichnis Einführung Lötbarkeit und Korrosionswiderstand von Kupferleitern Oberflächenschutz durch Zinn und Zinn-Blei Eigenschaften und Charakteristika von umschmolzenen und heißverzinnten Leiterplatten Das Umschmelzen von Zinn-Blei-galvanisierten Leiterplatten Umschmelzen mit einer heißen Aufschmelzflüssigkeit Durchlauf-Anlage Umschmelzen mit Infrarot-Strahlung Umschmelzen nach der Vapor Phase-Technik Das Umschmelzen von Leiterplatten mit heißer Luft Heißverzinnen von gedruckten Schaltungen Walzverzinnen Heißverzinnen mit Schichtdicken-Ausgleich Prozeß und Anlagen Das Endprodukt Trends der zukünftigen Entwicklung Qualitätssicherung durch gezieltes Gestalten, Wertanalyse und Verfahrensauswahl Funktionen der Qualitätssicherung Konstruktionsrichtlinien Konstruktionsunterlagen für einfachere Leiterplatten Lötaugen Leiterzüge Aufrastern von Masseflächen Lochdurchmesser Lötstoppbild Servicebild-Kennzeichnung Mehrfachnutzen Kupfer-Oberflächenschutz Kontakte Labormusterplatten Vorserie Standardverfahren DIN-Normen Zuverlässigkeit der Grundfertigungsschritte Filmvorlagen Subtraktiv-Verfahren Siebdruck Siebdruck als Ätzresist Siebdruck als Galvanoresist Lötstoppdruck ' Service-Montagedruck Subtraktiv-Verfahren Fotodruck Entwickeln und Strippen Photoresist als Ätz- und Galvanoresist Ätzprozeß 420

11 16 Inhaltsverzeichnis Durchkontaktierte Leiterplatten Haftvermittler Bohren/Stanzen Chemische Kupferbäder Galvanische Kupferbäder Verzinnen Galvanische Zinn-Blei-Bäder Organisation der Qualitätskontrolle Aufbau der Qualitätskontrolle Wareneingangskontrolle Eingangskontrolle des Basismaterials Eingangskontrolle von Chemikalien und Farben Eingangskontrolle von Hilfsmaterialien Fertigungskontrolle Betriebslabor Badprüfung Kontrolle abgeschiedener Metallschichten Kontrolle von Druckfarben, Fotolacken und Schutzlacken Endkontrolle Optische Vollprüfung Elektrische Vollprüfung Prüfen auf Lötbarkeit Bestückung der Leiterplatten von Hand und mit Automaten Handbestückung Bauteile Handbestückung-Materialbereitstellung Handbestückung-Beschneidetechnik Planung manueller Bestückungseinrichtungen Automatische Bestückung von Leiterplatten Automatische Bestückung axialer Bauteile Maschinelle Bestückung axialer Bauteile in stehender Form Automatisches Bestücken von Bauelementen mit radialen Anschlüssen Automatische Bestückung von Chip-Bauteilen Automatische Bestückung von MELF-Bauteilen Automatische Bestückung integrierter Schaltkreise Steckverbinder für Leiterplatten Allgemeines Bauformen Direktes Steckprinzip Leiterplatte als Steckelement Federleiste für Direktsteckung von Leiterplatten Indirektes Steckprinzip Federkontakte Einzelsteckverbinder Anforderungen und Prüfungen Zuverlässigkeit 476

12 26. Leiterplatten für Mikrogeräte, Verbindungstechnik Ausführung und Verarbeitung Inhaltsverzeichnis Einleitung Besondere Anforderungen an Leiterplatten für Mikrogeräte Formgebung, Rastermaße Packungsdichte, Integration von Bauelementen in die Leiterplatte Maßgenauigkeit, Toleranzen Mech. Festigkeit Gratbildungen, Kantenfestigkeit Leiterplattentechnologien in Mikrogeräten Leiterplatten aus Cu-beschichteten Schichtpreßstoffen Wichtige Materialanforderungen Filmschaltungsträger Filme (Tapes) Anforderungen an das Trägermaterial Abmessungen von Filmträgermaterialien Erreichbare Lagetoleranzen Aufbau von Filmschaltungen Kunststoffumspritzte Metallgitter (Lead-Frame) Materialien für Metallgitter Materialien für die Umspritzung Verbindungstechnologien Löten Impulsbügellöten Heißgaslöten Kleben (leitfähig) Schweißen Bonden Chipbonden Drahtbondverfahren (Wire-Bonding) Thermokompressionsverfahren Ultraschallverfahren Ultraschallbonden mit Aluminiumdraht Ultraschallbonden mit Golddraht Thermosonic-Bondverfahren Auswahl von Werkstoffen und Bondverfahren beim Drahtbonden Anforderungen an Bondverbindungen Simultanbondverfahren (Gang Bonding) Flip-Chip-Verfahren l.tab-verfahren Reflow-Bonden Thermokompressionsbonden (simultan) Löttechnik Definition des Lötvorganges Lote für die Massenlötung Flußmittel Partielles Löten Lötkrätze Lötbedingungen Handlöttechnik 502

13 18 Inhaltsverzeichnis Maschinelle Lötverfahren Das Schlepplötverfahren zum automatischen Löten von Leiterplatten Das Wellenlötverfahren zum maschinellen Löten von Leiterplatten Der Aufbau einer automatischen Wellenlötanlage Beurteilung des Lötbildes Elektrische Prüfung bestückter Leiterplatten Die statische Prüfung mit speziell entwickelten Prüfgeräten Die dynamische Prüfung mit speziell entwickelten Prüfgeräten Automatische Testsysteme für bestückte Leiterplatten mit analogen und digitalen Komponenten Das Planen einer Leiterplattenfertigung Versorgung Direktversorgung Zentralversorgung Entsorgung Entsorgung der Luft Ätzlösungen Entsorgung von verbrauchten Konzentraten Entsorgung von Abfallschlämmen Edelmetallrückgewinnung Abfallbörse Abwasseraufbereitung und Kreislaufanlagen Anfallende Schadstoffe Methoden der Abwasseraufbereitung Materialfluß Fertigungssteuerung Leiterplattenauswahlkriterien für Entwickler, Anwender und Hersteller. Entscheidungsmatrix zur Verfahrensauswahl Einseitentechnik Zweiseitentechnik Zweiseitentechnik mit Durchmetallisierung Semiadditivtechnik Volladditivtechnik Multilayertechnik Multiwiretechnik Besondere Verfahren Entscheidungsmatrix zur Verfahrensauswahl 560 Alphabetisches Sachverzeichnis 561 Anzeigenteil Alphabetisches Firmenverzeichnis zum Anzeigenteil