Die vier kritischen Prozesse bei der Herstellung einer Leiterplatte für Bahnanwendungen

Wenn es um Leiterplatten (PCBs) für den Bahnbereich geht, denkt man sofort an die bei Bahnanwendungen bekannten Normen, wie z.B. die EN 45545-2.
Um die Zuverlässigkeit der Leiterplatte zu gewährleisten, ist das Einhalten dieser Normforderungen allein nicht ausreichend. Denn auf die Zuverlässigkeit der Leiterplatte haben auch die Auswahl der richtigen Prozesse, Maschinen und Produktionsparameter einen sehr großen Einfluss. Dies gilt für sicherheitsrelevante Anwendungen ganz besonders. Deshalb setzt die NCAB Group bei der Fertigung in ihren Partnerfabriken ihre eigene Spezifikation um. Danach produzierte Leiterplatten übertreffen teilweise die Zuverlässigkeitsanforderungen der IPC Class 3.

In diesem Blog werden wir uns eingehender mit den vier kritischen Prozessen befassen, die an der Herstellung von Leiterplatten für Bahnanwendungen beteiligt sind. Auch werden wir darstellen, wie sich jeder Prozess auf die Funktion und Zuverlässigkeit der Leiterplatte auswirkt.

 1. Viele Fertigungsparameter beeinflussen den Prozessschritt Laminieren

Das Laminieren ist ein wesentlicher Prozess bei der Leiterplattenherstellung, in dem aus verschiedene Materiallagen eine mehrlagige Leiterplatte entsteht.
Da die Leiterplatte als Basis für alle zu bestückende Bauteile dient und einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtfunktion der elektrischen Baugruppe hat, ist der Prozess des Laminierens sehr wichtig:

a) Mechanische Eigenschaften der Leiterplatte

• Die Leiterplattendicke, die Beständigkeit gegen Delamination von Basismaterial- und Kupferschichten und die Biegefestigkeit sind wichtige mechanische Eigenschaften.
• Unterschiedliche Druck- und Temperaturkurven mit Haltezeiten wirken sich beim Laminieren auf den Harzfluss und damit auf die dielektrischen Abstände aus, welche wiederum die Impedanz beeinflusst.
• Die X/Y-Ausdehnung / -Schrumpfung beim Laminieren beeinflusst die Positionsgenauigkeit des Leiterbilds auf den Innen- und Außenlagen.

b) Abbau von inneren Materialspannungen
Da Materialspannungen in der Leiterplatte Formveränderungen, wie Verwindung und Verwölbung, verursachen können, ist der Abbau von inneren Materialspannungen ein wichtiger Aspekt beim Laminieren. Auch die Ausrichtung der einzelnen Kerne mit Leiterbildern zueinander ist von entscheidender Bedeutung. Ist die Ausrichtung der einzelnen Kerne und Leiterbilder zueinander nicht ausreichend genau, kann dies dazu führen, dass die einzelnen Leiterbilder nicht mehr zueinander passen.

c) Thermische Zuverlässigkeit
Nach dem Laminieren wird der Glasübergangspunkt (Tg) überprüft, d.h. die Temperatur, bei der das Material erweicht. Materialien mit niedrigerem Tg bergen ein größeres Risiko von Delaminationen bei Lötprozessen.
Um Delaminationen zu verhindern, müssen auch der Braunoxid-Prozess für die Innenlagen mit abschließender Trocknung, sowie der Prozess des Laminierens mit seinen Parametern kontinuierlich überwacht werden.

d) Elektronische Leistungsmerkmale
Elektrische Merkmale wie Impedanz, Durchschlagfestigkeit, Leckstromwiderstand (LCR), Mikrokurzschlüsse usw., werden ebenfalls durch das Laminieren beeinflusst.

Kurz gesagt, die Beherrschung des Laminierens ist ein unerlässliches Schlüsselelement um Qualität, Zuverlässigkeit und Gesamtfunktion von Leiterplatten sicherzustellen.

2. Der Prozess des Bohrens ist unverzichtbar, um die gewünschten Funktionen einer Leiterplatte zu realisieren.

Der Prozessschritt Bohren ist entscheidend, um verschiedene Funktionen zu realisieren, wie z.B.:

• THT-Bohrungen für die Montage von Komponenten und
• Vias zur elektrischen Verbindung der Lagen einer Leiterplatte.

Erstens muss es der Prozess des Bohrens ermöglichen, elektrische Verbindungen in der Leiterplatte herzustellen, damit die elektrischen Ströme zwischen den verschiedenen Lagen fließen können. Das ist für mehrlagige Leiterplatten absolut unerlässlich.

Zweitens kommt es auf die Positionsgenauigkeit der Bohrungen an, damit die Funktionen der Leiterplatte über die gesamte Lebensdauer gewährleistet sind. Diese Genauigkeit hängt von der Qualität der verwendeten Maschinen und auch von den Bohrparametern ab.
Eine unzureichende Positionsgenauigkeit der Bohrungen kann zu Schwierigkeiten bei der Bestückung und auch zu Funktionsproblemen führen.

Ein weiterer entscheidender Faktor des Bohrens ist die Toleranz für die Bohrlochdurchmesser. Z.B. muss bei Verwendung der Einpresstechnik die Toleranz für den Bohrlochdurchmesser sehr klein sein, damit eine sichere Montage und ein fester Sitz der Einpressstifte gewährleistet sind. Größere Toleranzen können aber für andere Anwendungen durchaus akzeptabel sein.

Auch die Rauheit der Bohrlochwände ist entscheidend. Diese wirkt sich im galvanischen auf die Kupferabscheidung, das Erreichen der geplanten Kupferstärken in den Via aus, was wiederum die elektrische Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit der Leiterplatte beeinflusst.
D.h. Bohrungen in schlechter Qualität beeinflussen die Zuverlässigkeit der Leiterplatte negativ und können im schlimmsten Fall zu Ausfällen führen.

Also bestimmt die technische Fähigkeit des Bohrprozesses die Qualität der Bohrungen,
die in diesem Prozess hergestellt werden können. So hat beispielsweise das mechanische Bohren in Bezug auf Lochdurchmesser und Genauigkeit bestimmte Grenzen, die das Laserbohren bei kleinen Durchmessern nicht hat.

3. Die Wahl der besten Beschichtungsmethode

Leiterplatten mit aus Kupfer geätzten Pads und Leiterbahnen werden verwendet, um elektronische Bauteile mit einem nichtleitenden Basismaterial (Glasfasern mit Epoxidharz) zu befestigen und untereinander zu verbinden.

Was versteht man unter Beschichten?

Beim chemischen Beschichten von Bohrungen mit Kupfer wird eine dünne, leitende Schicht auf die Bohrlochwände sowie die restliche Oberfläche abgeschieden. Diese erste, leitfähige Schicht aus Kupfer erzeugt elektrische Verbindungen zwischen den verschiedenen Lagen der Leiterplatte. In den nachfolgenden, meist galvanischen Beschichtungsprozessen wird auf diese erste leitende Kupferschicht aufgebaut.

Wichtige Punkte zu Beschichtungen:

• Durchkontaktierungen: Durchkontaktierungen sind erforderlich, um die verschiedenen Lagen der Leiterplatte in der Z-Achse miteinander zu verbinden. Durch diese Verbindungen fließen die elektrischen Ströme zwischen den Lagen.
• Bohrlochqualität: Die Qualität der Bohrlochwand, einschließlich deren Rauheit und Dochtwirkung von durchtrennten Glasfaserbündeln, wirkt sich auf den Beschichtungsprozess aus. Die Qualität der Kupferhülsen (mit Kupfer gemäß IPC-6012) ist entscheidend, um die elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten und auch um die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen nach dem Verlöten von Komponenten, sowie während des Gebrauchs zu erhöhen.
• Kupferstärke: Die Kupferstärke der Hülsen ist entscheidend für die Verbindungen. Beispielsweise kann bei thermischen Belastungs- oder Thermoschocktests eineunzureichende Kupferdicke zu Hülsenrissen führen, was zu dauerhaften oder sporadischen Unterbrechungen führen kann.
• Gleichmäßigkeit der Kupferstärke: Die Gleichmäßigkeit der Kupferstärke wirkt sich indirekt auf die Toleranz von Leiterbahnen, Isolationen, sowie auf die technische Fähigkeit aus, möglichst schmale Leiterbahnen und geringe Isolationen zu erzeugen.

Kurz gesagt, die Kupferbeschichtung ist ein Schlüssel zu guter Qualität und hoher Zuverlässigkeit von Leiterplatten. Die Beherrschung von Beschichtungsprozessen ist unerlässlich, um die optimale Leistung Ihrer elektronischen Anwendungen zu gewährleisten.

4. Die Bedeutung der Lötoberfläche für perfekte Lötbarkeit

Das Aufbringen der Lötoberfläche ist ein entscheidender Schritt, um das Kupfer von Leiterplatten vor Oxidation zu schützen. Die Lötoberfläche gewährleistet auch eine perfekte Lötbarkeit (IPC-610 konform), wenn Komponenten auf die Leiterplatte gelötet werden.

Wichtige Punkte zur Oberflächenveredelung:

• Lötoberfläche: Die Qualität der Lötoberfläche ist entscheidend für die Montage von Komponenten auf der Leiterplatte. Eine gute (IPC-konforme) Oberfläche erleichtert das Löten und garantiert zuverlässige Lötstellen.
• Prozesskontrolle: Um die erforderliche Güte der Lötoberflächen zu gewährleisten, ist eine präzise Steuerung der Prozesse erforderlich. Durch diese wird sichergestellt, dass die Lötoberflächen in der erforderlichen Qualität für optimale Lötergebnisse aufgebracht werden.
• Oberflächenreinigung: Vor dem Aufbringen der gewünschten Lötoberfläche muss das Kupfer gründlich desoxidiert und gereinigt werden. Diese Vorbereitung gewährleistet eine gute Haftung und sichere Abscheidung der Lötoberflächen auf den entsprechenden Flächen.

Gängige Lötoberflächen:

• Organische Oberfläche (OSP): OSP ist ein Tauch- oder Sprühverfahren unter Verwendung einer organischen Verbindung, die selektiv an Kupfer anbindet und eine schützende, organometallische Schicht bildet. Obwohl OSP einfach und kostengünstig ist, hat dieseLötoberfläche Einschränkungen hinsichtlich Lagerzeit und Anzahl der Lötphasen.
• Heißluftverzinnung (HASL) mit Blei oder bleifrei: Dieses Verfahren beinhaltet die selektive Abscheidung von Zinn/Blei oder Zinn/Silber/Kupfer (für HAL bleifrei) durch Eintauchen in ein Bad aus geschmolzener Legierung, gefolgt von Abblasen mit heißer Luft. Die HAL-Oberfläche ist robust, kann aber wegen der großen Streuung der Schichtstärke nicht für Schaltungen mit Fine-Pitch-Komponenten (<0,5mm), oder für HDI-Platinen verwendet werden.
• Nickel/Gold (ENIG): Die ENIG-Oberfläche ist eine dünne Goldschicht auf einer Nickelschicht. Diese Oberfläche bietet eine gute Lötbarkeit und eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum und nahezu alle Lötprozesse.

Kurz gesagt, die Lötoberfläche ist ein Schlüsselelement für die Qualität von Lötverbindungen und auch für die Zuverlässigkeit und die sichere Funktion von Leiterplatten. Die Wahl der Lötoberfläche hängt von den verwendeten Bauteilen und der Endanwendung ab.

Über die IPC-Anforderungen hinaus

Bei einer Leiterplatte mit Impedanzanforderungen dokumentiert die Fabrik die Leiterbahnbreite und –abstand und den Impedanzwert jeder Lage. Final wird die Impedanz am fertigen Produkt gemessen. Weitere Standardmerkmale, die wir überprüfen, sind die Maßhaltigkeit der Außenkontur der Leiterplatte und die Durchmesser aller Bohrungen. In unserem Prüfbericht werden die Soll-Merkmale dokumentiert und mit den tatsächlichen Ergebnissen verglichen.
Je komplexer die Schaltung, desto mehr Messungen sind erforderlich.

Von jeder Charge testen unsere Fabriken repräsentative Muster entsprechend IPC-TM-650 2.3.25, um sicherzustellen, dass der Grad der ionischen Kontamination 1,00μg/cm² Natriumchloridäquivalent bei HAL-Lötoberflächen (bleihaltig und bleifrei) und 0,80μg/cm² bei chemische Lötoberflächen nicht überschreitet. Diese Anforderung übertrifft die IPC-Anforderungen bei weitem. Das Prüfergebnis wird in unserem NCAB-Prüfbericht (Standard bei asiatischer Fertigung) festgehalten.

Wir wissen auch, dass einige Kunden gerne ein Leiterplatten-Muster haben möchten, welches sie als Referenz verwenden können. Der Kunde erhält ein „Lötmuster“, einen entsprechenden Schliffstein (Microsection), sowie Impedanzcoupons, falls vom Kunden gewünscht.

Der NCAB-Prüfbericht wird in Boxen, die mit blauem Klebeband gekennzeichnet sind, mitgeliefert.

Bei Bahn- und anderen Sicherheitsanwendungen ist Ausfall keine Option.
Die Herstellung einer Leiterplatte ist eine Abfolge von mechanischen und chemischen Prozessen, die einen direkten Einfluss auf die Konformität, die Qualität der Leiterplatte und damit auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Leiterplatte in teilweise rauen Umgebungen haben. Aus diesem Grund führt unser Fabrikmanagement regelmäßige Audits in den Fabriken durch, um so sicherzustellen, dass die kritischen Prozesse unter Kontrolle sind und damit ein hohes Maß an Zuverlässigkeit gewährleistet ist.

Möchten Sie mehr über Leiterplatten für die Bahnindustrie erfahren?

Dann lesen Sie bitte unseren Blog über Anforderungen und Normen, die bei der Herstellung von Leiterplatten für die Bahnindustrie berücksichtigt werden müssen.