VDE/VDI-SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG

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1 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 1 Was ist eine Leiterplatte? Auf diese Frage wird schon mal scherzhaft geantwortet: Ein Brett mit Löchern Aber was ist nun eine Leiterplatte? Wenn man den Großen Brockhaus befragt, dann lautet die Definition schlicht und einfach: Leiterplatte, eine mit Leitungen belegte Isolierstoffplatte, (siehe Gedruckte Schaltung ). Mit einem Pfeil wird im Brockhaus dann auf den älteren Begriff Gedruckte Schaltung hingewiesen und in der Tat kann man dann hier etwas mehr zum Stichwort Leiterplatte nachlesen. Wesentlich exakter ist die Definition Leiterplatte laut der soeben erschienenen VDI/VDE- Richtlinie 3710, : Fertigung von Leiterplatten; Übersicht und. Hier lautet die Definition: ist das am häufigsten eingesetzte Verbindungselement für elektronische Bauteile. Sie ist gekennzeichnet durch elektrisch leitende, festhaftende Verbindungen in oder auf einem Isolierstoff und dient zusätzlich als Bauteileträger. Es können Informationen für Montage, Prüfung und Service aufgedruckt werden. Technische Anforderungen und die Wirtschaftlichkeit bestimmen die verschiedenen Ausführungen der Leiterplatte. Zahlreich sind weitere Definitionen zum Thema Leiterplatte bzw. Zur Einführung in den Schaltungsdruck. Stellvertretend für solche Definitionen sei folgendes genannt: Gedruckte Schaltung - auch der Begriff Leiterplatte ist geläufiger - ist ein wesentlicher Bestandteil der Elektronik. Die Gedruckte Schaltung erfüllt zwei wesentliche Aufgaben. Zum einen dient sie als mechanische Einheit zur Befestigung von Bauteilen, zum anderen erfüllt sie die Aufgabe, Bauteile (Komponenten) miteinander elektrisch zu verbinden. Die Gedruckte Schaltung ist mechanischer Träger von Bauelementen und verbindet diese durch elektrisch leitende Bahnen. Aber merke: es gibt keine Leiterbahnen es gibt keine Leiterzüge es gibt erst recht keine Leiterbahnzüge, denn lt. DIN-Norm wird nur der Begriff Leiter definiert.

2 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 2 1 Die Geschichte der Leiterplatte 1.1 Die Anfänge der Leiterplatte Die ersten Gedruckten Schaltungen wurden im Zweiten Weltkrieg hergestellt. Besonders in den USA erkannte man bereits unmittelbar nach dem Krieg die technische Bedeutung der Gedruckten Schaltung. Hier wurden auch die ersten Radios im Taschenformat hergestellt, was eigentlich nur durch den Schaltungsdruck möglich wurde. Heute ist die Gedruckte Schaltung, die den Wegfall des früher üblichen aufwendigen Gewirrs aus zahllosen Leiterdrähten ermöglichte, aus Radio- und Fernsehapparaten, Uhren, Telefonapparaten, Haushaltsgeräten u.a. nicht mehr wegzudenken. Die modernen Raumschiffe und Nachrichtensatelliten sind der sichtbare Erfolg der Anwendung gedruckter und integrierter Schaltungen mit kleinstem Platzbedarf. Diese Printed Circuits, in der exakten Übersetzung Gedruckte Stromkreise, waren in den Anfängen in der Tat aufgedruckte Stromkreise, denn es wurde durch Siebdruck im direkten Verfahren das Schaltsystem bzw. der Stromkreis mit einer elektrisch leitfähigen Farbe direkt positiv aufgedruckt. Verwendung fanden als elektrisch leitfähige Farben sogenannte Silberlacke. Da Silber eine relativ geringe Neigung zur Korrosion und eine hervorragende Leitfähigkeit aufweist, waren die ersten Schaltungsdrucklacke farblose Siebdrucklacke, denen so viel feines Silberpulver zugemischt wurde, bis der angestrebte Leitwert erreicht werden konnte. Diese Silberlacke wurden dann im Sinne des Schaltbildes positiv auf eine nichtleitende Kunststoffplatte oder auch auf Keramikplatten aufgedruckt, so daß die Druckfarbe die Funktion der isolierten Drähte übernahm. So fortschrittlich dieses Verfahren auch war, es hatte seine Mängel und entsprach letztlich nicht den Erwartungen, denn auch damals schon war Leitsilber relativ teuer, die Silberlacke hatten eine nicht immer ausreichende Haftfestigkeit, und da die unterschiedliche Farbschichtdicke zwangsläufig zu unterschiedlichen Leitwerten führte, wurde recht bald das indirekte Verfahren entwickelt. Bei diesem Verfahren wird eine säurebeständige, ätzfeste Siebdruckfarbe (Ätzreserve/Ätzresist) auf kupferkaschiertes Basismaterial (Phenolharz-Hartpapier/Epoxi- Glasfaserlaminat) positiv gedruckt. Das nicht bedruckte Kupfer wird dann vorwiegend in sauren Ätzmitteln weggeätzt. Anschließend wird die Leiterplatte gespült und in die Farbschicht entsprechend ihrer Zusammensetzung entweder in Lösungsmitteln oder alkalischen Strippern entfernt. Dieses Verfahren ist heute technisch ausgereift, und der gesamte Vorgang, Ätzen, Spülen und Farbentschichtung (Strippen) wird heute in einer einzigen Maschine, sogenannte Ätzautomaten, durchgeführt.

3 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 3 Der Anfang des Schaltungsdruckes war also der Druck mit Silberleitlack als gedruckter Stromkreis, so daß die Namensgebung Gedruckte Schaltung zutreffend war. Mit Patent vom 2. Februar 1942 von Dr. Paul Eisler wird erstmals vorgeschlagen, als Basismaterial für die Leiterplattenherstellung ein mit Kupferfolie beidseitig kaschiertes, plattenförmiges Isoliermaterial, insbesondere auf Phenolharz aufgebaute Preßschichtstoffe, anzuwenden. Mit diesem Patent wird erstmals der Druck mit einer Abdeckmaske (Ätzresist) als Leiterbild auf die Kupferkaschierung und das anschließende Wegätzen des nicht bedruckten Kupfers beschrieben. Als Ätzreserve kamen für dieses Verfahren zunächst sogenannte Asphaltlacke zur Anwendung. Dies war der Anfang und zugleich auch der große Durchbruch zur Herstellung zunächst einfacher Leiterplatten und deren weitere auf Wirtschaftlichkeit ausgerichtete Massenfertigung. 1.2 Die Geschichtstafel der Leiterplatte Die Geschichtstafel der Leiterplatte ist recht lang und R. Müller legt die Anfänge der Leiterplatte sogar bis in das Jahr 1824 zurück, in dem er Illustrationen von Ampere als Vorläufer der Leiterplatte in Form einer lackierten Tischplatte mit aufgeklebten Metallstreifen als den Beginn der Leiterplatte einstuft. Die eigentliche Geschichtstafel beginnt realistisch aber erst rund 100 Jahre später. Die nachstehende Auflistung ist zwangsläufig nicht vollständig, doch gibt sie die markanten Daten zur Geschichte der Leiterplatte wieder: 1925: Am 2. März 1925 reicht Charles Ducas beim amerikanischen Patentamt sein Patentgesuch zur Herstellung einer Leiterplatte ein. 1925: Nur wenige Tage später, am 27. März 1925, reicht der Franzose M. César Pasolini, unabhängig von Charles Ducas, ein Patentgesuch in Frankreich ein, das erstmals die Grundgedanken der Leiterplattentechnik beschreibt. 1928: Am 12. September 1928 reicht Samuel Charles Ryder ein australisches Patentgesuch ein, das die Ausfertigung von Induktionsspulen für Radiogeräte oder andere elektrische Geräte vorsah, wobei der Druck mit einer Leitfarbe vorgeschlagen wurde. 1936: Erfindung der Kupferfolie 1937: Die N.V. Philips Gloeilampenfabrieken meldete am 31. Mai 1937 ein deutsches Patent an, wonach die Leiter in einem Formgießvorgang hergestellt werden sollten, doch fand dieses Patent keinen Eingang in die Praxis. 1942: Mit seinem Patent vom 2. Februar 1942 beschreibt Dr. Paul Eisler erstmals die Herstellung einer Leiterplatte, indem er mit Kupferfolie kaschiertes, plattenförmiges Isoliermaterial zum Patent anmeldete. Gleichzeitig meldet er als Patentanspruch an: die Anwendung einer Abdeckmaske als Ätzresist die Kaschierung der Kupferfolie auf beiden Seiten, was zugleich die Erfindung der doppelseitigen Leiterplatte bedeutete das war zugleich der technische Durchbruch, denn erst mit diesem Patent begann die wirtschaftliche Fertigung der Leiterplatte.

4 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite : Es wird von Ing. Fritz Stahl, Ruwel-Werke in Geldern, die erste in Deutschland serienmäßig hergestellte Leiterplatte für die damaligen Metz-Radiowerke gefertigt. Einen Prototypen dieser Leiterplatte kann man heute im Deutschen Museum in München bewundern. Das war zugleich der Beginn der Leiterplattenfertigung in Deutschland und Europa. 1961: Patenterteilung für die erste Mehrebenenschaltung (Multilayer) für die Firma Hazeltyne (USA). 1967: Erfindung des Trockenfilms zur Leiterbilderstellung durch die Firma Dupont 1974: Einführung des Hot-Air Levelling (HAL) 1978: Einführung von fotostrukturierbaren Lötstopplacken 1982: Start der SMD (Surface Mounted Devices) 1988: Start des Laserbohrens unter Produktionsbedingungen 2 Daten zum Leiterplattenmarkt Die aussagefähigsten Zahlenangaben für Europa und Deutschland zum Leiterplattenmarkt erfolgen durch den VdL und aufgrund von Studien zum Leiterplattenmarkt des internationalen Marktforschungs- und Consultingsunternehmens Frost und Sullivan. Hat es 1990 noch etwa Hersteller in Westeuropa gegeben, so ist diese Anzahl bis 1996 auf etwa nur noch 720 gefallen, wobei sich die Anzahl der Leiterplattenhersteller in einigen europäischen Ländern, u.a. Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Italien, Schweiz, fast durchgängig halbiert hat.

5 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 5 Nachstehende Tabelle 1 und Abbildung 1 geben die Leiterplattenproduktion für Westeuropa wieder: Produktion: Leiterplatten West-Europa in 1995 Land Produktion in Mio. DM % Welt % Europa Mitarbeiter Anzahl Betriebe in-house Deutschland ,6 36, % Großbritannien ,9 16, % Frankreich 595 1,7 9, % Niederlande 218 0,6 3, Italien 597 1,7 9, % Schweiz 223 0,6 3, Österreich 232 0,7 3, Spanien 377 1,1 6, Belgien 215 0,6 3, Schweden 209 0,6 3, Dänemark 113 0,3 1, % Finnland 127 0,4 2, Irland 22 0,1 0, Norwegen 19 0, Total , % Tabelle 1 (VdL) Produktion: Produktion West-Europa 1995 Dänemark 113 Frankreich 595 Irland 22 Großbritannien 1020 Österreich 232 Schw eiz 223 Italien 597 Deutschland 2288 Abbildung 1 (VdL) Spanien 377 Niederlande 218 Belgien 215 Skan. S/F/N 355 Gesamtvolumen: Mrd. DM

6 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 6 Unterscheidung der deutschen Leiterplattenhersteller nach Betrieben (1995) Anzahl der Betriebe Umsatzgruppe Umsatzvolumen 87 bis 3 Mio. DM Mio. DM Mio. DM Mio. DM Mio. DM Mio. DM über 50 Mio. DM Mio. DM Mio. DM Tabelle 2 (VdL) Unterscheidung nach Produktgruppen Deutschland 1995: ndk 8% Sondertypen 5% dk 37% Abbildung 2 Multilayer 50% ndk = nicht durchkontaktiert dk = durchkontaktiert Der europäische Markt für Leiterplatten Prognose bis zum Jahr 2002 (in Mrd. US-Dollar) Mrd. US $ Abbildung 3 (Frost + Sullivan)

7 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 7 Leiterplatten-Bedarfsentwicklung (Mio. m²) Europa 16,9 18,8 22,1 5,5 12 N.-Amerika 15,0 16,7 19,2 5,1 12 Japan 36,9 40,4 46,2 4,6 28 Asien 1 45,5 52,2 56,4 4,9 36 Rest der Welt 14,8 16,9 20,5 6, Total 129,1 145,0 164,4 5,4 1 Hong Kong, Singapur, Korea, Taiwan, China, Rest-Asien 2 CIS/Ost-Europa, Mittlerer Osten, Afrika, Rest-Amerika, Australien % 1995 Tabelle 3 (Quelle: BPA, Maurischat Consulting) Leiterplattenmarkt: Deutschland Leiterplatten Tabelle 4 (Quelle: ZVEI-BE) Leiterplattenmarkt: Welt Leiterplatten Durchschnittswachstum Mio DM Wachstum Mio DM Wachs -tum Mio DM Wachstum Mio DM Wachstum Unterhaltungselektronik 79 3,3 % 8,2 % 75 2,9 % - 5,1 % 70 2,6 % - 6,7 % 70 2,5 % 0,0 % KFZ-Elektronik ,7 % 15,0 % ,1 % 9,4 % ,6 % 8,6 % ,1 % 9,7 % Sonst. Konsumgüter 185 7,7 % 9,5 % 183 7,2 % - 1,1 % 175 6,5 % - 4,4 % 180 6,3 % 2,9 % Datentechnik ,2 % 14,0 % ,7 % 8,6 % ,2 % 8,0 % ,7 % 8, 7 % Telekommunikation ,5 % 13,3 % ,5 % 9,5 % ,2 % 7,3 % ,4 % 6,8 % Industrie-Elektronik ,6 % 11,6 % ,5 % 1,5 % ,9 % 2,6 % ,9 % 1,9 % Summe: % 12,7 % % 6,0 % % 5,2 % % 6,0 % Mio $ Wachstutututum Mio $ Wachs- Mio $M Wachs- Mio $ Wachs- Amerika ,7 % 4,8 % ,7 % 6,6 % ,4 % 9,3 % ,2 % 5,8 % Europa ,2 % 3,4 % ,1 % 5,9 % ,8 % 5,2 % ,7 % 6,1 % Japan ,6 % 5,6 % ,3 % 5,6 % ,2 % 5,9 % ,3 % 7,1 % Südostasien ,9 % 24,3 % ,1 % 7,6 % ,7 % 4,7 % ,9 % 7,5 % Afrika/Mittl. Osten 470 1,7 % 25,3 % 540 1,9 % 14,9 % 590 1,9 % 9,3 % 650 2,0 % 10,2 % Total % 8,2 % % 6,5 % % 6,5 % % 6,6 % Tabelle 5 (Quelle: ZVEI-BE)

8 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 8 3 Was wird? - Die Zukunft der Leiterplatte Mark Twain, der amerikanische Autor ( ) hat einmal ebenso geistreich wie amüsant gesagt: "Voraussagen soll man vermeiden, besonders solche über die Zukunft." Auf dem Gebiet der Leiterplattentechnologie lassen sich aber Voraussagen abgeben, ohne gleich als der falsche Prophet apostrophiert zu werden. Folgende Aspekte bzw. Trends sind bereits erkennbar bzw. können erwartet werden: neue Basismaterialien mit wesentlich verbesserten Eigenschaften bezüglich Temperaturbelastung und Wärmeabführung - sie sind Voraussetzung zur Realisierung der "Leiterplattentechnologie von Morgen"; sie werden die bisherigen Basismaterialien nicht gleich verdrängen, aber zunehmend Bedeutung erlangen, wobei die Variantenvielfalt (die Hersteller sagen: leider) zunimmt der Trend zur Miniaturisierung hält unvermindert an nach SMD-Technik, die ja immerhin jetzt schon zehn Jahre alt ist, zeichnen sich neue Technologien, ja Technologiesprünge ab richtungsweisende und zugleich auch eindeutige Trends sind zur Zeit nur andeutungsweise erkennbar; in Anwendung und Diskussion sind High Density Interconnect (HDI), Sequential-Build up (SBU), MOV-Technik und andere mehr Plasmaätzen scheint out, foto- und laserstrukturierte Mikrobohrungen werden sich mehr und mehr durchsetzen der Trend zum Thema "Leiterdichten" (Leiterbreiten und Leiterabstände) bis runter zu 50 µm Feinheiten wurde bereits angesprochen es ist zu erwarten, daß mit dem bisherigen Maschinenequipment Leiterbreiten und - abstände von µm nicht mehr machbar sein werden, so daß auch hier neue Technologien angegangen werden müssen. Ähnliches gilt auch für die Technologien Bestücken, Prüfen und Testen, so daß auch hier die hohe Kompetenz der Zulieferer gefragt und gefordert ist von wachsender Bedeutung ist somit die technische Beherrschung des von den Bauelementen ausgehenden Miniaturisierungsschubs über die ganze Wertschöpfungskette der Leiterplatten- und Elektronikproduktion zunehmend wird bei Leiterplatten die Abschirmproblematik zum Thema werden konventionelle Verbindungstechniken, wie z.b. "Multilayer- und Hybridschaltungen" in Form der "Multiwire-Verbindungstechnik" sind "out", aufgrund niedriger Ausbeute bei gleichzeitig hohen Kosten. Ob die "Microwiretechnik", die mit "Diskreter" Verdrahtung arbeitet, hier eine Lücke schließen kann, bleibt abzuwarten es werden deutliche Steigerungen bei Leiterplatten in Fein- und Feinstleitertechnik erwartet, wobei Leiterplatten mit Leiterbreiten von 80 bis runtergehend auf 50 µm und Bohrdurchmesser von kleiner als 0,3 mm erforderlich und auch realisierbar scheinen. Für solche Leiterplatten ist "Panel-Plating" out und "Pattern Plating", vorzugsweise in stromloser Verkupferung, wird für diese Technik zur Anwendung kommen. Bei Leiterbreiten unter 50 µm versagt auch diese Technik, und es bietet sich dann nur noch ein "Aufdampfen" der Leiter an, wobei dann auch andere Substrate, sprich anderes Basismaterial, benötigt wird

9 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 9 bei der Leiterbilderstellung im Bereich zwischen 50 und 100 µm Leiterbreiten und - abständen kommen verstärkt Flüssigresists zur Anwendung. Die neue Generation fotosensitiver Ätz- und Galvanoresists kommt im Siebdruck, Walzenauftragsverfahren oder im Vorhanggießverfahren (Curtain-coating) zur Applikation. Als Entwicklermedien stehen Alkalien oder Butyldiglycol (BDG) zur Verfügung, wobei BDG der bestehenden Umweltschutzgesetzgebung wegen seiner Recyclebarkeit absolut gerecht wird. Diese Flüssigresists, die sich in relativ geringen Schichtdicken (ca µm) auftragen lassen, folgen somit dem Trend und verlangen nach dünnen Schichtdicken, wodurch die geforderte höhere Auflösung möglich wird. Fachexperten erwarten entweder eine deutliche Absenkung der heute üblichen Stromdichten von ca. 2,5 A/dm² oder das Wiederaufleben der stromlosen Kupferabscheidung (chemisches Kupfer) diesem Gesamttrend folgt auch die Beschichtung mit Lötstoppmaske; hier stößt der konventionelle Siebdruck an die Grenzen seiner Machbarkeit, so daß 2-Komponenten- Lötstopplacke mehr und mehr durch fotosensitive Lötstoppmasken abgelöst werden, wobei der Trend eindeutig in Richtung Flüssigresists geht zur Verbesserung der Lötbarkeit wird auch weiterhin nach einer Alternative zum "Hot-Air- Levelling" (HAL) gesucht, denn die meisten in letzter Zeit ins Gespräch gebrachten alternativen Verfahren sind (noch) nicht die gesuchten Problemlöser bzw. nicht genug ausgereift um für SMD-Bauteile mit hoher Abschlußfläche eine möglichst planare Oberfläche auf den Landepads und damit eine einwandfreie Lötung zu erreichen, kommt die Nikkel/Gold-Belegung verstärkt zur Anwendung; dies führt - vor allem nach längerer Lagerung - zu erheblich verbesserten Lötergebnissen. dreidimensionale Leiterplatten, sogenannte MID's, werden deutlich zulegen das gleiche gilt für flexible Leiterplatten aber für diese beiden Leiterplattentypen gilt auch, daß, gemessen am Gesamtvolumen, der prozentuale nicht wesentlich steigt. Diese Auflistung der technischen Aspekte erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie läßt aber deutlich erkennen, daß sowohl die Leiterplattenhersteller als auch ihre Zubringerindustrie in den nächsten Jahren vor großen Herausforderungen stehen. Aber es sollten auch noch einige wirtschaftliche Aspekte genannt werden, denn die Technologiesprünge werden immer kurzlebiger, lösen einen hohen Investitionsbedarf aus und müssen bei schrumpfenden Gewinnen finanzierbar sein: damit die technologischen Anforderungen der Miniaturisierung umgesetzt werden können, müssen signifikante Verbesserungen bestehender Verfahren, Materialien und Prozesse angegangen werden im Frühstadium sollten hierzu Leiterplattenhersteller, Zulieferer und vor allem die OEM's, ggf. auch Lehre und Forschung, einbezogen werden, denn partnerschaftliche Zusammenarbeit wird die eigene Position im härter werdenden Wettbewerb besser absichern der Druck auf die Verkaufspreise für Leiterplatten wird noch eine Zeitlang anhalten; dies gilt besonders für Standardprodukte, doch wird erwartet, daß der Preisdruck nachläßt, denn die europäische Leiterplattenindustrie ist sowohl preislich als auch technologisch

10 -SCHULUNGSBLÄTTER FÜR DIE LEITERPLATTENFERTIGUNG Seite 10 wieder so wettbewerbsfähig geworden, daß nach Fernost abgewanderte Aufträge wieder zurückkommen bei Leiterplatten mit sehr hohem Lohnanteil ist zu einem großen Teil die Abwanderung samt Bestückung nach Fernost vollzogen worden und ein Umkehrprozess nicht so schnell zu erwarten jahrelang wurde den Leiterplattenherstellern Spezialisierung und/oder "Nischenfertigung" empfohlen, aber diesen Rat sollte man nicht mehr unbedingt umsetzen, denn inzwischen sind die sogenannten "Nischen" meistens besetzt der Leiterplattenmarkt bleibt Wachstumsmarkt; nach einer Siemens-Aussage steigt der Weltverbrauch in Mio. m² jährlich um etwa 6,2 %. Nach einer Frost + Sullivan-Prognose beträgt die Wachstumsrate in Europa wertmäßig in US-Dollar jährlich bis zum Jahr 2002 um etwa 6,4 %, wobei der der deutschen Leiterplattenindustrie von derzeit 26,5 % sich noch auf 28,1 % steigern wird. in den letzten Jahren wurde bei vielen OEM's Personal in den Entwicklungsabteilungen abgebaut, so daß sich die Umsetzung neuer Technologien verstärkt zum Leiterplattenhersteller verlagert; wer diesem Trend folgen kann, wird auf der Gewinnerseite sein Leiterplattenanwender erwarten vermehrt ein breites, ja umfassendes Angebot in der Leiterplattenproduktpalette; unter diesem Gesichtspunkt sind auch die in den letzten Jahren vollzogenen Zu- bzw. Aufkäufe von Leiterplattenherstellern einzuordnen die wohl größte Schwierigkeit für den Leiterplattenhersteller ist und bleibt der richtige Entscheid für die "richtige" Technologie, denn bei den hochpreisigen Einrichtungen können falsche Kaufentscheidungen an den "Überlebensnerv" gehen.