Bevor Sie mit dem PCB-Prototyping-Prozess beginnen, stellen Sie sicher, dass Prototyping für Ihre Anforderungen geeignet ist. Obwohl es für viele Projekte von Vorteil ist, ist es nicht für jeden Typ erforderlich. Wenn Sie sich entscheiden, einen Prototyp zu erstellen, benötigen Sie einige grundlegende Informationen über Ihr Projekt, um loslegen zu können.
Entscheiden, ob Sie einen Prototyp benötigen
Prototypen sind ideal, wenn Sie Ihr Design testen oder eine Qualitätsprüfung Ihrer Leiterplatte durchführen möchten.
Sie sollten jedes Mal einen Prototyp verwenden, wenn Sie ein neues Design für ein neues Projekt einsetzen. Wenn Sie mit dieser Platine bereits erfolgreich ein elektronisches Produkt hergestellt haben, benötigen Sie möglicherweise keinen Prototyp. Wenn Sie jedoch Designänderungen vornehmen oder ein völlig neues Leiterplattendesign oder Produkt erstellen, sollten Sie einen Prototyp bestellen.
Durch unseren Rapid-Prototyping-Service können wir Testplatinen mit bis zu acht Lagen herstellen und qualitativ hochwertige IPC1-Standardplatinen unter Verwendung von Standard-RF-4-Material bereitstellen. Für Prototypen können wir Bestellungen von 5 bis 100 Stück ausführen und eine Fertigungszeit vonvier bis fünf Werktage.
Sobald Sie Ihren Prototyp genehmigt haben, können Sie eine vollständige Serienproduktion von Leiterplatten mit mehr Lagen und unterschiedlichen Materialien in größeren Stückzahlen bestellen.
Vorbereitung auf den Prototyping-Prozess
Um Ihr Design für die Prototypenfertigung einzureichen oder ein Angebot für PCB‑Prototyping‑Dienstleistungen zu erhalten, müssen Sie einige Informationen zu Ihrem Design vorbereiten. Im Allgemeinen sind mehr Details besser – das hilft Ihnen, die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Hier sind einige Informationen, die Sie angeben sollten:
• Die Anzahl der benötigten Schichten
• Plattenstärke
• Brettabmessungen
• Kupferdicke und -gewicht
• Minimale Nachzeichnung und Abstände
• Mindestlochgröße
• Minimaler Ringkragen
• Oberflächenfinish
• Lötstoppmaske und Farbe
• Siebdruck-Legende und -Farbe
• Bohrdatei NC Excellon
• Bohrdatei-Werkzeugliste
Sie können Ihre Designdateien mit verschiedenen Softwareprogrammen einreichen. Wir konvertieren die Datei in Gerber RS-274X, das das optimale Dateiformat ist. Wenn wir Ihre Datei in RS-247X konvertieren, stellen Sie bitte sicher, dass Sie positive Gerber-Lagen, eine NC-Excellon-Bohrdatei, eine Bohrwerkzeugliste sowie Informationen zu Apertur, Lötstoppmaske und Bestückungsdruck beifügen.
Sobald Sie wissen, was Sie von Ihren Prototypen benötigen und die erforderlichen Informationen gesammelt haben, können Sie mit dem Prototyping-Prozess beginnen. Ein erfahrenes Leiterplattenunternehmen kann Sie während dieses Prozesses unterstützen. Wählen Sie ein Unternehmen, das anbietetreaktiver Kundenserviceund hilfreiche Ressourcen, damit der Prozess so reibungslos wie möglich verläuft.
Die Zusammenarbeit mit einem Partner, der vollständige schlüsselfertige Lösungen bietet, kann den Prozess vereinfachen, da Sie vermeiden, mit mehreren Unternehmen kommunizieren zu müssen.
1. Design
Der erste Schritt bei der Herstellung einer Prototyp-Leiterplatte besteht darin, sie zu entwerfen. Wie bereits erwähnt, können Sie eine der vielen PCB-Design-Softwaresuiten verwenden, um Ihr Design zu erstellen. Achten Sie nur darauf, uns in Ihren Notizen oder Designdateien die von Ihnen verwendete Version mitzuteilen.
2. Schematische Planung
Der schematische Entwurf beschreibt entscheidende Informationen, die Hersteller und Ingenieure während des Produktionsprozesses verwenden. Er enthält Angaben zu den in der Produktion verwendeten Materialien, Komponenten und Hardware und legt die Funktion der Leiterplatte, ihre Eigenschaften und die Platzierung der Komponenten fest. Einige entscheidende Aspekte dieser Phase sind die Auswahl der richtigen Plattengröße und des richtigen Rasters.
Diese Schaltung ist Teil der anfänglichen Entwurfsphase. Sobald der Designer die erste Schaltung fertiggestellt hat, führt er eine vorläufige Prüfung auf mögliche Fehler durch und korrigiert alle, die dabei auftreten. Anschließend können Sie mit einem speziellen PCB-Design-Tool Simulationen durchführen, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte ordnungsgemäß funktioniert; dies dient zugleich als eingehendere Entwurfskontrolle. Der Designer wandelt das elektronische Design dann in eine sogenannte Netliste um, die die Konnektivität der enthaltenen Komponenten beschreibt.
Es ist hilfreich, Designregelprüfungen regelmäßig während des gesamten Designprozesses durchzuführen, anstatt nur am Ende. Dieser Ansatz ermöglicht es Ihnen, Probleme im Verlauf zu beheben, was zu einem effizienteren Designprozess führt.
3. Stückliste
Sie werden außerdem müssenStückliste erstellenoder Stückliste (BOM). Dies ist eine Aufstellung aller Komponenten und Materialien, die Sie für die Produktion benötigen, sowie deren Details. Wenn Sie sich darauf verlassen, dass ein Hersteller Ihre Teile beschafft, ist dies das Dokument, das er verwenden wird, um sicherzustellen, dass er die richtigen Teile erhält.
Die Stückliste enthält wichtige Informationen für jede Komponente, einschließlich:
• Menge: Die Anzahl der benötigten Komponenten.
• Referenzkennzeichnungen: Codes, die zur Identifizierung einzelner Teile verwendet werden.
• Wert: Die Spezifikationen für jede Komponente, angegeben in den entsprechenden Einheiten wie Ohm oder Farad.
• Footprint: Der Standort jeder Komponente auf der Platine.
• Hersteller-Teilenummer: Die vom Hersteller der Komponente verwendete Teilenummer.
Sobald die Stückliste (BOM) und der Schaltplan fertiggestellt sind, überprüfen ein Layouter und ein Bauteilingenieur das Dokument und beschaffen die erforderlichen Teile. Der Bauteilingenieur ist dafür verantwortlich, Komponenten auszuwählen, die für das Design geeignet sind und die Kosten- und Größenanforderungen des Kunden erfüllen.
4. Routing-Design
Anschließend müssen Sie das Routing in Form von Leiterbahnen entwerfen, mit denen Sie jedes Element der Leiterplatte verbinden. Verschiedene Faktoren spielen bei der Planung des Routings eine Rolle, darunter Leistungspegel, Signallärmerzeugung und Störempfindlichkeit.
Die meisten Leiterplattendesign-Programme verwenden die bereits erstellte Netzliste, um die Leiterbahnen zu planen. Viele dieser Programme können die optimalen Leiterbahnführungen automatisch auf Grundlage der verfügbaren Lagenzahl und anderer Faktoren berechnen. Dieser Vorgang kann einige Zeit in Anspruch nehmen – insbesondere bei größeren Leiterplatten oder Platinen mit vielen Bauteilen.
5. Überprüfungen
Sie sollten Ihr Design während des gesamten Prozesses regelmäßig auf Funktionsprobleme überprüfen, aber bevor Sie in die Fertigungsphase übergehen, führen Sie eine letzte umfassende Prüfung durch, um jeden Aspekt Ihres Designs auf mögliche Probleme zu bewerten.
Zu den häufig auftretenden Problemen, auf die Sie achten sollten, gehören thermische Probleme wie Hotspots. Ihr Design sollte die Leiterplatte auf einer einheitlichen Temperatur halten. Einige Designeigenschaften, wie das Vorhandensein von Wärmeleitpfaden, unterschiedliche Kupferdicken, eine große Leiterplattengröße und die Anzahl der Leiterplattenlagen, können zu Hotspots und ungleichmäßigen Temperaturen beitragen.
Zusätzlich zu einer thermischen Überprüfung sollten Sie eine Designregelprüfung, eine Layout-gegen-Schaltplan-Prüfung (LVS), eine elektrische Regelprüfung (ERC) und eine Antennenprüfung durchführen. Viele Hersteller führen außerdem weitere Bewertungen zur zusätzlichen Qualitätssicherung durch.
Nachdem Sie Ihre Überprüfungen abgeschlossen haben, können Sie Ihre Entwürfe für die nächsten mehreren Schritte einreichen, die zusammen den Fertigungsprozess bilden.
6. Erstellen des Fotofilms
Unter Verwendung des von Ihnen bereitgestellten Designs erstellen die Fachleute von PCBCart zunächst für jede Lage und jede Lötstoppmaske der Leiterplatte einen Foto-Film mit einem sogenannten Plotter-Drucker. Dieser Film ist eine Kunststofffolie, die mit einem Fotonegativ der Leiterplatte bedruckt ist und die Bereiche kennzeichnet, die leitfähiges Kupfer sein werden, sowie diejenigen, die nicht leitfähig sein werden.
7. Drucken der Innenlagen
In diesem Schritt tragen wir Kupfer auf das Substratmaterial auf. Wir beginnen damit, Kupfer vorab mit dem Substrat zu verbinden und tragen anschließend eine Schicht Fotolack auf – einen lichtempfindlichen Film, der aushärtet, wenn er ultraviolettem Licht ausgesetzt wird. Wir verwenden UV-Licht, um ihn zu härten. Alle Bereiche, die durch schwarze Tinte aus dem Plotter abgedeckt sind, bleiben unhärtet.
Dann entfernen wir jeglichen nicht ausgehärteten Fotolack, sodass ausgehärteter Fotolack die Stellen bedeckt und schützt, an denen sich Kupfer befinden soll. Anschließend entfernen wir den ausgehärteten Fotolack und legen das Kupfer genau an den Stellen frei, an denen das Design es vorsieht.
8. Ausrichten der Schichten
Wenn Sie mehrere Lagen haben, müssen wir sie ausrichten und präzise Passlöcher stanzen. Es ist entscheidend, dass sie perfekt übereinstimmen, da wir die inneren Lagen nicht mehr korrigieren können, sobald die Lagen miteinander verbunden sind.
9. Die Schichten miteinander verschmelzen
An diesem Punkt verfügen wir über Außenlagenmaterialien, sogenannte Prepregs, sowie das ursprüngliche Substrat, das von einer Kupferfolie bedeckt ist und die geätzten Kupferleiterbahnen enthält. In diesem Schritt werden diese Lagen miteinander verschmolzen, was in zwei Phasen erfolgt: dem Aufbau (Layer-up) und dem Verpressen (Bonding).
Wir beginnen damit, die Prepreg-Schicht über einem Ausrichtungsbecken zu platzieren, dann stapeln wir die Substratschicht, ein Kupferblech, weiteres Prepreg sowie eine Aluminiumfolie und eine Kupferpressplatte. Diese Schichten werden auf Stifte gesetzt, die an einem Stahltisch befestigt sind.
Ein Verpressrechner steuert dann einen Prozess, der den Stapel erhitzt, Druck ausübt und den Stapel anschließend abkühlt. Danach können wir den Stapel entpacken, indem wir die Stifte und die Druckplatte entfernen. Übrig bleibt eine Leiterplatte.
10. Bohren der Löcher
Als Nächstes bohren wir Löcher in den Stapel, die wir später beim Hinzufügen von Komponenten verwenden werden. Die Löcher müssen mit hoher Präzision auf einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometern gebohrt werden. Wir verwenden einen Röntgen-Lokalisierer, um die korrekten Lochpositionen zu bestimmen, und ein Computer steuert die Bohrer selbst, die luftbetriebene Spindeln mit 150.000 Umdrehungen pro Minute verwenden. Obwohl der Bohrer sich schnell bewegt, kann dieser Prozess einige Zeit in Anspruch nehmen – Leiterplatten haben typischerweise mehr als 100 Löcher.
11. Kupferbeschichtung
Der nächste Schritt ist das Galvanisieren, bei dem ein chemisches Bad verwendet wird, um eine etwa einen Mikrometer dicke Kupferschicht auf der Oberfläche der Platte abzuscheiden. Das Kupfer bedeckt die gesamte Platte, einschließlich der Innenwände der Bohrungen. Dadurch wird das Glasfasermaterial im Inneren der Platte abgedeckt, das zuvor durch die Bohrungen freigelegt war. Computer steuern diesen Prozess mit hoher Präzision.
12. Abbildung der äußeren Schicht
Als Nächstes tragen wir eine weitere Schicht Fotolack auf das Panel auf, um die Außenlagen mit Ihrem Leiterplattendesign zu belichten. Dies folgt einem ähnlichen Prozess wie zuvor und erzeugt eine Inversion der Innenlagen.
13. Kupfer- und Zinnbeschichtung
Dann führen wir eine weitere Runde der Kupferbeschichtung durch. Die Photoresistschicht stellt sicher, dass sich das Kupfer nur auf den gewünschten Teilen der Leiterplatte ablagert. Anschließend erhält die Leiterplatte in der Regel eine Zinnbeschichtung, die das Kupfer während des nächsten Schritts schützt.
14. Endätzung
Chemische Lösungen entfernen dann überschüssiges Kupfer, während die Verzinnung das Kupfer schützt, das die leitfähigen Bereiche bildet. Nachdem dieser Schritt abgeschlossen ist, sind die leitfähigen Verbindungen hergestellt.
15. Auftragen der Lötstoppmaske
Als Nächstes müssen wir das Panel reinigen und einen Epoxid-Lötstopplack auftragen. Die Leiterplatte wird anschließend mit UV-Licht bestrahlt, das durch den Lötstopp-Fotofilm hindurchtritt und den Film aushärtet. Alle abgedeckten, nicht ausgehärteten Bereiche werden entfernt.
16. Aufbringen der Oberflächenbeschaffenheit
Dann tragen wir weitere Beschichtungen auf, häufig aus Gold oder Silber. Wir können auch Heißluftnivellierung einsetzen, um sicherzustellen, dass die Pads gleichmäßig sind. Anschließend haben Sie eine Oberflächenveredelung.
17. Auftragen des Siebdrucks
Anschließend tragen wir mittels Tintenstrahldruck einen Siebdruck auf die Oberfläche der Leiterplatte auf, der wichtige Informationen über die Platine enthält.
18. Schneiden
Nachdem wir einen abschließenden elektrischen Test durchgeführt haben, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte wie vorgesehen funktioniert, trennen wir die einzelne Leiterplatte mit einem Fräser oder einer V-Nut aus dem größeren Panel. Nachdem wir eine dieser Methoden angewendet haben, können wir die Leiterplatten leicht aus dem Panel herausbrechen.
19. Beschaffung
Um sich auf die Prototypenphase der Leiterplattenbestückung vorzubereiten, müssen Sie alle Komponenten beschaffen. Sie können dies selbst tun oder PCBCart kannBeziehen Sie Ihre Komponentenfür Sie. Wir werden je nach Ihren Präferenzen entweder Teile von führenden autorisierten Distributoren oder über die von Ihnen empfohlenen Kanäle beziehen. Wir werden niemals einen Ersatz vornehmen, ohne zuvor Ihre Zustimmung einzuholen.
In diesem Schritt des Prozesses kommt Ihre Stückliste (BOM) ins Spiel. Diese verwenden wir, um sicherzustellen, dass wir genau die Teile beschaffen, die Sie wünschen.
20. Montage
Die nächste Phase ist die Montage – oder PCBA fürLeiterplattenbestückung– in dem wir die erforderlichen Komponenten auf Ihrer Platine anbringen.
21. Schablonendruck von Lötpaste
Zuerst tragen wir eine Lötpaste auf die Platine auf, die sich mit einem Flussmittel vermischt, um das Schmelzen des Lots zu erleichtern und eine Verbindung mit der Leiterplattenoberfläche herzustellen.
Wir legen eine Edelstahlschablone auf die Leiterplatte, sodass der Applikator das Lotpaste nur an den Stellen aufträgt, an denen sich in der fertigen Leiterplatte Bauteile befinden werden. Er verteilt sie gleichmäßig auf alle offenen Bereiche. Anschließend wird die Schablone entfernt, sodass die Lotpaste an den gewünschten Stellen zurückbleibt.
22. Pick-and-Place
Anschließend verwenden wir eine Bestückungsmaschine, um oberflächenmontierbare Bauteile, sogenannte SMDs, auf der Leiterplatte zu platzieren. Dieses Gerät setzt diese nicht steckbaren Bauteile an vorprogrammierten Positionen auf das Lötzinn.
23. Reflow-Löten
Der Reflow-Prozess verfestigt die Lötpaste, die die oberflächenmontierten Bauteile auf der Leiterplatte befestigt.
In diesem Schritt platzieren wir die Leiterplatte auf einem Förderband, das die Platine durch einen Reflow-Ofen transportiert. Dieser Ofen verfügt über eine Reihe von Heizungen, die die Platine langsam auf etwa 480 Grad Fahrenheit erhitzen und so das Lot in der Lötpaste schmelzen. Anschließend werden die Temperaturen schrittweise gesenkt, wodurch das geschmolzene Lot abkühlt und erstarrt und die SMDs dauerhaft mit der Platine verbunden werden.
Für zweiseitige Leiterplatten müssen Sie das Schablonieren und das Reflow-Löten für jede Seite separat durchführen.
24. Inspektion und Qualitätskontrolle
Unbeabsichtigte Bewegungen während des Reflow-Prozesses können zu schlechter Verbindungsqualität, einem vollständigen Ausbleiben einer Verbindung und zu Kurzschlüssen führen. Aufgrund dieser Risiken überprüfen wir nach Abschluss der Reflow-Phase auf Fehler, indem wir Bewertungen wie manuelle Kontrollen, automatische optische Inspektionen und Röntgeninspektionen durchführen. Außerdem testen wir die Funktionalität und die Verbindungsqualität.
25. Einsetzen von Durchsteckbauteilen
Einige Leiterplatten erfordern neben SMDs weitere Bauteile. Diese Teile sind als durchkontaktierte Bauteile, oder PTH‑Bauteile, bekannt und sind vollständig durch die Leiterplatte hindurch metallisiert, sodass sie ein elektrisches Signal von einer Seite zur anderen übertragen können.
Lötpaste funktioniert bei PTH‑Bauteilen nicht, weil sie direkt durch das Loch hindurchläuft, ohne zu haften. Sie müssen entweder manuell löten oder Wellenlöten verwenden. Beim Wellenlöten wird die Leiterplatte auf ein Förderband gelegt, das sie durch einen speziellen Ofen führt, der die Unterseite der Platine vollständig mit geschmolzenem Lot bedeckt. Dieser Prozess lötet alle Pins gleichzeitig. Diese Methode funktioniert jedoch nicht bei doppelseitigen Leiterplatten, da das Löten der gesamten Oberfläche einer Seite einer Leiterplatte mit elektronischen Bauteilen darauf diese unbrauchbar machen würde.
26. Durchführung eines Funktionstests
Der letzte Schritt im PCB-Prototypenmontageprozess ist ein abschließender Funktionstest, der die normalen Betriebsbedingungen simuliert, denen er ausgesetzt sein wird.
