Um den steigenden Anforderungen der Elektronikindustrie an Stückzahl, Kostenkontrolle und Zuverlässigkeit gerecht zu werden, haben sich in der Leiterplattenfertigung (PCB) verschiedene Prozesswege entwickelt. Jedes Verfahren unterscheidet sich in Materialkompatibilität, Investitionsbedarf, Wirtschaftlichkeit bei verschiedenen Stückzahlen und der erreichbaren Leitungsdichte.
Dieser Leitfaden fasst sechs häufig verwendete PCB-Fertigungsverfahren zusammen, damit Leser den grundlegenden Ablauf, die wichtigsten Vor- und Nachteile sowie typische Einsatzgebiete schnell verstehen.
1. Stanzen / Punching: Kostengünstiger Weg für einseitige Leiterplatten in Großserie
Das Stanz- bzw. Punching-Verfahren wird vor allem für kostengünstige, einseitige Leiterplatten eingesetzt, wie sie in vielen Consumer-Produkten zu finden sind.
Funktionsprinzip (vereinfachte Darstellung)
- Zuerst wird das Leiterbild erzeugt, z. B. durch Drucken und Ätzen.
- Es wird meist ein preisgünstiges Basismaterial verwendet, etwa papierfaserverstärktes Epoxidharz.
- Die Bohrungen werden mit einem Stanzwerkzeug eingebracht.
- Die Kontur der Leiterplatte entsteht über ein zweites Werkzeug, das die Leiterplatte aus einem größeren Nutzen „ausstanzt“.
Nutzenfertigung und Depaneling – Kostenvorteile
In der Großserienfertigung erstellen Hersteller häufig mehrere Leiterplatten in einem Nutzen, um Handling- und Prozesskosten zu senken.
- Ein Standardnutzen enthält in der Regel mehrere identische PCBs.
- Nach Bestückung und Test werden die Platinen in einem definierten Schritt aus dem Nutzen getrennt – dieser Vorgang wird als Depaneling bezeichnet.
- Dadurch werden Arbeitsaufwand, Handling und Durchlaufzeit reduziert, was zu niedrigeren Stückkosten führt.
Typische Anwendungsfälle
- Einseitige, kostenkritische Produkte in großen Stückzahlen
- Nicht geeignet für Designs mit hoher Packungsdichte, komplexen Materialien oder mehrlagigen Leiterplatten
2. Rolle-zu-Rolle (R2R): Günstigstes Verfahren für flexible Leiterplatten in Massenfertigung
Die Rolle-zu-Rolle-Fertigung (Roll-to-Roll, R2R) ist ein klassisches Verfahren zur Herstellung großer Mengen flexibler Leiterplatten (FPCs). Bei ausreichend hohen Stückzahlen gilt sie als eine der kostengünstigsten Methoden für Flex-Schaltungen.
Wichtige Merkmale
- Niedrige Stückkosten bei hoher Ausbringung, aber hoher Aufwand für Werkzeuge und Prozessaufbau – daher vor allem für sehr große Serien geeignet.
- Die so gefertigten Flex-Schaltungen können einseitig oder zweiseitig ausgeführt sein.
Typische Anwendungen
Typische Beispiele für Flex-Schaltungen aus R2R-Fertigung sind:
- Printhead-Interconnects (Verbindungen zu Druckköpfen)
- Disk-Drive-Head-Interconnects (Verbindungen zu Schreib-/Leseköpfen von Laufwerken)
- Interne Schaltungen in Kameras und Camcordern
Prozessablauf (ähnlich wie beim Zeitungsdruck)
Die R2R-Produktion ähnelt dem Zeitungsdruck: Eine lange Rolle kupferkaschierten Laminats läuft durch eine kontinuierliche Anlage, die typischerweise folgende Schritte umfasst:
- Drucken des Leiterbildes
- Ätzen
- Lochbildung
- Test
- Schneiden bzw. Vereinzelung aus der Rolle (Aufteilung in Bögen oder Streifen)
Zusätzlich wird häufig eine Deckfolie (Coverlay) auf Isolation und Leiterbahnen laminiert, um:
- elektrische Isolierung,
- Oberflächenschutz und
- bessere mechanische Robustheit
zu gewährleisten.
3. Laminierung: Grundlage für mehrlagige Leiterplatten (mehr als zwei Lagen)
Sobald eine Leiterplatte mehr als zwei Lagen benötigt, ist die Laminierung unverzichtbar. Sie verbindet mehrere strukturierte Lagen zu einem einzigen Verbund.
Standardablauf (vereinfacht)
A) Aufbau der Innenlagen („Cores“)
- Die Leiterbilder der Innenlagen werden auf Laminatfolien geätzt.
- Diese geätzten Innenlagen werden als Cores bezeichnet.
B) Stapelaufbau mit Prepreg und Kupferfolie
- Die Cores werden durch Prepreg-Lagen (mit Harz imprägnierte Glasfaser) getrennt.
- Der Stapel wird entsprechend dem gewünschten Stack-up / Layup aufgebaut.
- Kupferfolien werden außen aufgelegt und bilden die Außenlagen.
C) Wärme und Druck zum Fließen und Aushärten des Harzes
- Der Stapel wird in einer Laminierpresse verpresst.
- Durch Wärme erweicht und fließt das Harz im Prepreg, füllt Zwischenräume um die Leiterbilder aus und verbindet die Lagen miteinander.
- Nach dem Abkühlen härtet das Harz aus, und es entsteht ein starrer, mehrlagiger Leiterplattennutzen.
D) Nachfolgende Prozessschritte
Nach der Laminierung folgen in der Regel Bohren und Durchkontaktieren / Plattieren, um die elektrischen Verbindungen zwischen den Lagen herzustellen.
Besonderheit bei Materialien wie Polyimid
Einige Materialien, z. B. Polyimid (PI), verwenden nicht immer denselben Prepreg-Verbund. In solchen Fällen setzen Hersteller spezielle Klebstoffe innerhalb des Laminierprozesses ein, um eine zuverlässige Verbindung zwischen den Lagen zu erreichen.
4. Subtraktiver Prozess: Das dominierende Verfahren zur Bildung von Kupferstrukturen
Der subtraktive Prozess ist das klassische und heute am weitesten verbreitete Verfahren zur Bildung von Kupferleiterbahnen in der PCB-Fertigung.
Grundprinzip
- Ausgangspunkt ist ein Laminat mit einer vollflächigen Kupferschicht.
- Eine Resist-Schicht schützt das Kupfer, das erhalten bleiben soll.
- Der Nutzen wird einem Ätzprozess unterzogen, bei dem ungeschütztes Kupfer entfernt wird.
- Ergebnis: Das unerwünschte Kupfer wird „subtrahiert“, und es bleibt das gewünschte Leiterbild zurück.
Warum ist es so verbreitet?
- Reifes, gut verstandenes Verfahren
- Breite Verfügbarkeit von Anlagen und Materialien
- Geeignet für eine große Bandbreite klassischer PCB-Designs und Produktionsanforderungen
5. Additiver Prozess: Kupfer gezielt dort „aufbauen“, wo es benötigt wird
Der additive Prozess funktioniert im Prinzip entgegengesetzt zum subtraktiven Ätzen. Statt überall mit dicken Kupferschichten zu starten, wird das Kupfer nur in den benötigten Bereichen abgeschieden und auf die gewünschte Dicke aufgebaut.
Vorgehensweise (High-Level)
Ein typischer additiver Prozess umfasst:
- Vorbereitung der Zielbereiche für die Abscheidung (oft durch chemische Aktivierung / Sensibilisierung)
- Abscheidung einer dünnen, stromlosen Kupferschicht (Electroless Copper) als erste leitfähige Schicht
- Galvanisches Verkupfern (Electroplating), um das Kupfer in den gewünschten Bereichen auf die Enddicke zu bringen
Bedeutung
Additive Verfahren gelten häufig als Möglichkeit, Materialverschwendung zu reduzieren und den Verbrauch bestimmter Chemikalien zu verringern, verglichen mit dem Entfernen großer Kupfermengen durch Ätzen. Die praktische Eignung hängt jedoch stark vom jeweiligen Produkt und den Prozessfähigkeiten des Herstellers ab.
6. Diskrete Verdrahtung (Multiwire): Spezielles Verfahren zur Bildung von Leiterlagen
Die diskrete Verdrahtung, oft Multiwire genannt, ist ein weniger verbreitetes Verfahren zur Bildung von Leiterlagen.
Grundidee
- Runde Metalldrähte werden in ein weiches Isoliermaterial eingebettet oder eingewalzt und bilden so die Leiterstruktur.
- Diese isolierende Schicht wird über einem Power-Plane-Core aufgebracht, sodass eine Verdrahtungsstruktur um die Versorgungs-Ebene herum entsteht.
Verbreitung in der Industrie
Nur wenige Hersteller setzen Multiwire-Techniken ein. Im Vergleich zu gängigen Multilayer-Verfahren sind die Vorteile meist auf spezielle Anwendungen und Design-Randbedingungen begrenzt.
Kurze Einordnung der Verfahren
- Stanzen / Punching: Ideal für kostengünstige, einseitige Leiterplatten in hohen Stückzahlen – schnelle mechanische Loch- und Konturformung.
- Rolle-zu-Rolle: Bevorzugtes Verfahren für flexible Leiterplatten in Massenfertigung, mit sehr guter Kosteneffizienz bei großen Volumina.
- Laminierung: Rückgrat der mehrlagigen PCB-Fertigung – Kombination aus Cores, Prepreg und Kupferfolien unter Wärme und Druck.
- Subtraktiv: Das gängigste Verfahren für Kupferstrukturen – erhalten, was geschützt ist, den Rest wegätzen.
- Additiv: Kupfer nur dort abscheiden und aufbauen, wo es benötigt wird – Potenzial zur Reduzierung von Material- und Chemikalienverbrauch.
- Diskrete Verdrahtung (Multiwire): Spezielle, weniger verbreitete Methode mit eingebetteten Drähten für besondere Anwendungen.
Fazit
Die Wahl des richtigen PCB-Fertigungsverfahrens hängt im Wesentlichen von Leiterplattentyp (starr, flexibel, Multilayer), Produktionsvolumen und geforderter Packungsdichte ab. Wenn Sie diese Faktoren frühzeitig mit den Fähigkeiten Ihres Fertigers abgleichen, können Sie Risiken reduzieren, Kosten kontrollieren und den Ertrag verbessern.
Für detailliertere Informationen empfehlen wir weiterführende Beiträge zu PCB-Stack-ups, Via-Strukturen sowie dem Vergleich von Flex- und Rigid-Flex-Designs.
