Baugruppentechnologie der Elektronik Leiterplatten Herausgeber Dr.-Ing. habil. Hans-Joachim Hanke Verlag Technik Berlin
Inhaltsverzeichnis Schreibweise und Formelzeichen der wichtigsten Größen 11 1 Einführung 15 1.1 Elektronische Systeme 16 1.2 Technische Realisierung elektronischer Geräte und Anlagen 20 1.3 Begriffsbestimmungen 27 1.4 Elektronische Baugruppe Das Verdrahtungsproblem 32 1.5 Elemente elektronischer Baugruppen und daraus abgeleitete prinzipielle Realisierungsmöglichkeiten Die Kompaktbaugruppe 42 1.6 Entwicklungstendenzen der Baugruppentechnologie 45 1.7 Hauptprobleme der Baugruppentechnologie 53 1.7.1 Übergang von der Mikrostruktur der Schaltkreise auf die Makrostruktur des Verdrahtungsträgers 53 1.7.2 Anpassung der Verdrahtungsdichte an steigende Verbindungsdichte... 54 1.7.3 Entwicklung neuer technologischer Verfahren für die elektrische Verbindung von Leiterzügen unterschiedlicher Ebenen eines Verdrahtungsträgers 56 1.7.4 Gewährleistung der elektrischen Eigenschaften der Verdrahtung 58 1.7.5 Gewährleistung der Kontaktierbarkeit von Bauteilen mit kleinen Anschlußrastern 59 1.7.6 Beherrschung des Problems steigender Verlustleistungsdichte 60 1.7.7 Beherrschung des Problems der Fehlanpassung der thermischen Längenausdehnungskoeffizienten der Montagepartner 65 1.7.8 Sicherung der Prüfbarkeit 66 1.7.9 Übergang zur flexibel automatisierten Montage 68 1.7.10 Sicherung einer hohen Erzeugniszuverlässigkeit 70 1.7.11 Steigende Prozeßhygieneforderungen 74 2 Realisierungsbeispiele elektrischer Baugruppen 76 2.1 Baugruppen in Leiterplattentechnik 79 2.1.1 Baugruppen mit starren Verdrahtungsträgern 79 2.1.1.1 Baugruppen mit steckbaren Bauteilen 79 2.1.1.2 Baugruppen mit aufsetzbaren Bauteilen 80 2.1.1.3 Baugruppen in Mischtechnik 82 2.1.2 Baugruppen mit flexiblen Verdrahtungsträgern 83 2.2 Baugruppen in Hybridtechnik 85 2.2.1 Dickschichttechnik 87 2.2.2 Dünnschichttechnik 89 2.3 Kompaktbaugruppen 91 2.3.1 Leiterplattentechnik 92 2.3.2 Dickschichttechnik 95 2.3.2.1 Mehrschichttechnik 96 2.3.2.2 Mehrlagentechnik 100 2.3.3 Dünnschichttechnik 111 2.3.4 Kombination von Dick- und Dünnschichttechnik 112
8 Inhaltsverzeichnis 2.3.5 Polymer-Metallschicht-Technik 116 2.3.6 Implantationstechnik 119 3 Systematisierung der Verdrahtungsträgerarten 123 3.1 Systematisierung der Verdrahungsträger aus konstruktiver Sich 124 3.2 Systematisierung der Verdrahtungsträger aus technologischer Sicht 125 4 Leiterplatten 133 4.1 Systembetrachtungen zur Leiterplattentechnologie 133 4.1.1 Entwicklungsgeschichte 133 4.1.2 Begriffe der Leiterplattentechnik 135 4.1.3 Prozeß der Leiterplattenkonstruktion und -fertigung 136 4.1.4 Leiterplattenarten 137 4.1.4.1 Einebenenleiterplatten (EEL) 138 4.1.4.2 Nichtdurchkontaktierte Zweiebenenplatten (ZEL) 139 4.1.4.3 Leiterplatten mit tiefgelegtem Leiterbild 139 4.1.4.4 Einebenenleiterplatten mit Brückendruck 139 4.1.4.5 Durchkontaktierte Zweiebenenplatten (DKL) 140 4.1.4.6 Mehrlagenleiterplatten (MLL) 141 4.1.4.7 Mehrschichtleiterplatten 144 4.1.4.8 Mehrdrahtleiterplatten (MDL) 144 4.1.4.9 Flexible Leiterplatten (FLP) 145 4.1.4.10 Starr-flexible Leiterplatten 146 4.1.4.11 Metallkernleiterplatten 147 4.1.4.12 Formleiterplatten 148 4.1.4.13 Dreidimensional gespritzte Leiterplatten 150 4.1.5 Grund verfahren zur Herstellung von Leiterplatten 150 4.2 Vormaterial für Leiterplatten 152 4.2.1 Basismaterial für starre Leiterplatten 152 4.2.1.1 Herstellung von Schichtpreßstoffen 155 4.2.1.2 Eigenschaften starrer Basismaterialien 158 4.2.2 Vorpolymerisierte Materialien 164 4.2.3 Basismaterialien für flexible Leiterplatten 165 4.2.4 Metallfolien 166 4.2.5 Prüfung von Vormaterialien für Leiterplatten 167 4.3 Leiterbildoriginale 171 4.3.1 Bildträger 172 4.3.2 Herstellverfahren 174 4.3.2.1 Zeichentechnik 175 4.3.2.2 Klebetechnik 176 4.3.2.3 Lichtzeichenverfahren 177 4.3.2.4 Laserlichtzeichen 179 4.3.3 Reproduzieren 181 4.3.4 Genauigkeitsvergleich 182 4.3.5 Prüfung von Leiterbildoriginalen 184 4.4 Konstruktion von Leiterplatten 185 4.4.1 Außenabmessungen 190 4.4.2 Durchbrüche und Konturaussparungen 191 4.4.3 Leiterschichten und Oberflächenveredlungen 193 4.4.4 Kennzeichnungen 196 4.4.5 Schichtaufbau von Mehrlagenleiterplatten 197
Inhaltsverzeichnis 9 4.4.6 Leiterbildgestaltung 198 4.4.6.1 Anschlußflächen 199 4.4.6.2 Leiterfelder 200 4.4.6.3 Leiterzüge 201 4.4.6.4 Leiterabstände 202 4.4.6.5 Fertigungsbedingte Leiterbildelemente 203 4.4.7 Berechnungsbeispiel 204 4.4.8 Gedruckte Funktionselemente 207 4.5 Technologische Verfahrensschritte 210 4.5.1 Mechanische Bearbeitung 211 4.5.1.1 Spanlose Bearbeitung 211 4.5.1.2 Spanabhebende Bearbeitung 214 4.5.2 Reinigen 229 4.5.2.1 Chemische Reinigung 230 4.5.2.2 Mechanische Reinigung 231 4.5.2.3 Hinterätzen 234 4.5.2.4 Ausrüstungen 243 4.5.3 Druckverfahren 255 4.5.3.1 Fotodruckverfahren 256 4.5.3.2 Siebdruck 267 4.5.4 Ätzen 278 4.5.4.1 Naßchemisches Ätzen 279 4.5.4.2 Trockenätzen 287 4.5.5 Vorbehandlung von Basismaterialoberflächen zur additiven Metallabscheidung 295 4.5.6 Verfahren zur Metallabscheidung 297 4.5.6.1 Stromlose Metallabscheidung 297 4.5.6.2 Galvanische Metallabscheidung 303 4.5.6.3 Physikalische Metallabscheidung 309 4.5.6.4 Fehler an Leiterplatten mit metallisierten Bohrungen nach der galvanischen Metallabscheidung 311 4.5.7 Oberflächenschutz von Leiterschichten 318 4.5.7.1 Verschmelzen und Heißbeloten 318 4.5.7.2 Nichtmetallische Schutzüberzüge 321 4.5.7.3 Chemische Konservierung von Kupferschichten 323 4.5.8 Pressen 323 4.5.8.1 Grundlagen 325 4.5.8.2 Vorbereitung von Basismateriallagen 326 4.5.8.3 Preßprozeß und Ausrüstungen 328 4.6 Verfahrensabläufe zur Herstellung von Leiterplatten 330 4.6.1 Nichtdurchkontaktierte Leiterplatten 331 4.6.1.1 Folienätzverfahren 331 4.6.1.2 Stempelschneidverfahren 332 4.6.1.3 Fräsverfahren 333 4.6.1.4 Tieflegen von Leiterschichten 333 4.6.1.5 Flexible Leiterplatten 334 4.6.2 Leiterplatten mit Brückendruck 335 4.6.3 Durchkontaktierte Leiterplatten 337 4.6.3.1 Lochmetallisierungsverfahren 337 4.6.3.2 Hohlnietverfahren 348 4.6.3.3 Flexible Leiterplatten 350 4.6.3.4 Leiterplatten mit Metallkern 350
10 Inhaltsverzeichnis 4.6.4 Mehrlagenleiterplatten 352 4.6.5 Mehrschichtleiterplatten 354 4.6.6 Mehrdrahtleiterplatten 357 4.6.7 Starr-flexible und mehrlagig flexible Leiterplatten 359 4.6.8 Dreidimensionale Leiterplatten 361 4.7 Eigenschaften von Leiterplatten 363 4.7.1 Mechanische Eigenschaften 363 4.7.1.1 Stabilität von Leiterplatten 363 4.7.1.2 Maßbeständigkeit von Leiterplatten 364 4.7.1.3 Abweichung von der Ebene 365 4.7.1.4 Haftvermögen metallischer Schichten 367 4.7.2 Elektrische Eigenschaften 367 4.7.2.1 Spannungsfestigkeit 368 4.7.2.2 Isolationswiderstand 368 4.7.2.3 Ohmscher Widerstand 369 4.7.2.4 Strombelastbarkeit 371 4.7.2.5 Kapazität 372 4.7.2.6 Induktivität 375 4.7.2.7 Wellenwiderstand 376 4.7.3 Thermische Eigenschaften und Lötverhalten 378 4.8 Qualitätssicherung bei der Leiterplattenfertigung 379 4.8.1 Mängel an Leiterplatten 380 4.8.2 Prüfung und Reparatur an Leiterplatten 382 4.8.2.1 Leiterbildkontrolle und Leiterzugreparatur 384 4.8.2.2 Prüfung und Reparatur von Kontaktflächenveredelungen 387 4.8.2.3 Prüfung von Lochmetallisierungen 389 Anhang 395 A.l Angelsächsische Abkürzungen von Begriffen 395 A.2 Abkürzungen internationaler Vereinigungen 399 A.3 Umrechnungsfaktoren 401 Literaturverzeichnis 406 Sachwörterverzeichnis 414 Bildquellenverzeichnis 422