In der Leiterplattenfertigung ist der PCB-Bohrprozess einer der wichtigsten Fertigungsschritte. Er beeinflusst direkt die Qualität der Lochwand, die Positionsgenauigkeit der Bohrungen, die Zuverlässigkeit der Verbindungen zwischen den Lagen sowie die Stabilität nachgelagerter Prozesse wie Metallisierung, Bildübertragung und Endmontage.
Je nach Leiterplattentyp und Qualitätsanforderung kommen unterschiedliche PCB-Bohrverfahren zum Einsatz. Hersteller wählen die passende Methode auf Grundlage von Leiterplattendicke, Aspektverhältnis, Lochanforderungen und Maschinenkapazität aus.
In diesem Beitrag stellen wir die gängigsten Bohrmethoden in der PCB-Fertigung vor und erläutern den standardmäßigen PCB-Bohrprozess für doppelseitige und mehrlagige Leiterplatten.
Gängige PCB-Bohrmethoden
Abhängig von Leiterplattentyp, Produktdesign und Qualitätsanforderungen können im PCB-Bohrprozess verschiedene Methoden eingesetzt werden.
1. Bohren in einem Durchgang
Beim Bohren in einem Durchgang wird jedes Loch in nur einem einzigen Bohrvorgang hergestellt. Dies ist die am häufigsten verwendete Methode im PCB-Bohren.
Merkmale
- Einfach in der Anwendung
- Hohe Produktionseffizienz
- Geeignet für die meisten Standard-PCBs
Für Leiterplatten mit üblicher Dicke, normalen Lochdurchmessern und allgemeinen Qualitätsanforderungen bietet diese Methode ein gutes Gleichgewicht zwischen Effizienz und Kosten. Deshalb ist sie nach wie vor das Standardverfahren in der Serienfertigung.
2. Stufenbohren
Für dicke Leiterplatten und Platinen mit höheren Anforderungen an die Qualität der Lochwand kann Stufenbohren eingesetzt werden. Mit der zunehmenden Verbreitung von Produkten mit hohem Aspektverhältnis wird diese Methode auch im PCB-Bohren immer wichtiger.
Was ist Stufenbohren?
Beim Stufenbohren wird ein kleines Loch nicht in einem einzigen Hub bis zur Endtiefe gebohrt. Stattdessen fährt derselbe Bohrer in mehreren Stufen vor, bis das Loch vollständig hergestellt ist.
Das Hauptziel besteht darin, die Spanabfuhr beim Tiefbohren zu verbessern, die Belastung des Bohrers zu reduzieren und die Qualität der Lochwand zu erhöhen.
Typische Anwendungen
- Dicke PCBs
- Bohrungen mit hohem Aspektverhältnis
- Produkte mit strengen Anforderungen an Lochwandrauheit und Gesamtqualität der Bohrung
Besondere Anforderungen beim Stufenbohren
Diese Methode stellt höhere Anforderungen an Maschinen und Werkzeuge:
- Die Bohrmaschine muss eine hohe Spindel-Positioniergenauigkeit aufweisen
- Die Maschine muss eine stabile Bearbeitungsleistung bieten
- Der Bohrer muss bruchfest sein
Prozessmerkmale
Nach der ursprünglichen Prozesslogik werden Zustellweg und Vorschub typischerweise wie folgt eingestellt:
- Zustellweg: A1 > A2 > A3 ≥ A4
- Vorschub: F1 > F2 > F3 ≥ F4
Warum sind diese Einstellungen wichtig?
Mit zunehmender Bohrtiefe wird die Spanabfuhr schwieriger, während Belastung und Wärmeentwicklung steigen. Deshalb gilt:
- Größere Zustellwege und höhere Vorschübe können in den frühen Phasen für mehr Effizienz genutzt werden
- Kleinere Zustellwege und geringere Vorschübe werden in den späteren Phasen eingesetzt, um die Spanabfuhr zu verbessern
- Das senkt das Risiko eines Bohrerbruchs
- Gleichzeitig verbessert es die Qualität der Lochwand
Mit anderen Worten: Stufenbohren bedeutet nicht einfach nur mehrere Bohrhübe. Es ist eine kontrollierte Tiefbohrstrategie zur Verbesserung der Stabilität im gesamten PCB-Bohrprozess.
3. Vorbohren
Vorbohren wird eingesetzt, wenn große Löcher gebohrt werden sollen. Zunächst wird mit einem kleineren Bohrer ein Führungsloch hergestellt, danach wird mit einem größeren Bohrer durch die Leiterplatte gebohrt.
Ziel des Vorbohrens
Die Hauptziele sind:
- Schutz der Maschinenspindel vor Beschädigung
- Verbesserung der Führung bei großen Bohrungen
- Reduzierung der Stoßbelastung, wenn ein großer Bohrer direkt in die Leiterplatte eintritt
Typischer Einsatzbereich
Diese Methode wird vor allem für Bohrungen mit einem Aspektverhältnis von 20 oder mehr verwendet.
Allerdings ist sie in der allgemeinen Produktion nicht sehr verbreitet.
Warum ist sie nicht weit verbreitet?
Bei sehr hohen Aspektverhältnissen kann Vorbohren einen kleinen Bohrer mit längerer Schneidenlänge erfordern. Wenn ein solcher langer Bohrer in die Leiterplatte eintritt:
- Kann das Loch schräg oder versetzt werden
- Steigt das Risiko eines Bohrerbruchs
Daher kann Vorbohren zwar die Führung des größeren Bohrers verbessern, gleichzeitig aber neue Risiken bei Anwendungen mit hohem Aspektverhältnis mit sich bringen.
Einsatz beim Aufreiben
Vorbohren kann auch zum Aufreiben bzw. zur Lochaufweitung eingesetzt werden. In diesen Fällen ist eine strengere Kontrolle erforderlich bei:
- Lochpositionsgenauigkeit
- Spindelrundlauf
Andernfalls können Konzentrizität und Endqualität der Bohrung beeinträchtigt werden.
4. Bohren von Vorder- und Rückseite
Wenn die Leiterplattendicke den normalen Bohrbereich überschreitet, kann Bohren von beiden Seiten angewendet werden.
Funktionsweise
- Zunächst wird von einer Seite etwa bis zur halben Tiefe gebohrt
- Anschließend wird die Leiterplatte gewendet und von der anderen Seite fertig durchgebohrt
Zweck
Diese Methode wird bei sehr dicken Leiterplatten eingesetzt oder dann, wenn ein vollständiges Bohren von nur einer Seite unpraktisch ist. Ihre Vorteile sind:
- Geringere Schwierigkeit beim Tiefbohren
- Bessere Spanabfuhr
- Geringeres Risiko von Bohrerverlauf oder Bohrerbruch
Im Kern teilt diese Methode einen schwierigen Tiefbohrvorgang in zwei flachere und besser beherrschbare Schritte auf.
5. Wende-Bohren
Wenn das Format des Panels den Bohrbereich der Maschine überschreitet, ist Wende-Bohren erforderlich.
Funktionsweise
- Zuerst wird ungefähr die Hälfte der Bohrungen entlang der Panel-Länge gebohrt
- Danach wird das Panel gedreht oder gewendet
- Anschließend werden die restlichen Bohrungen von der Gegenseite aus gebohrt
Typische Anwendungen
- Übergroße PCB-Panels
- Panels, deren Länge den verfügbaren Fahrweg der Maschine überschreitet
Wichtige Kontrollpunkte
Der wichtigste Faktor beim Wende-Bohren ist eine präzise Ausrichtung vor und nach dem Wenden des Panels. Dafür erforderlich sind:
- Zuverlässige Neupositionierung
- Präzise Programmreferenzierung
- Hohe Wiederholgenauigkeit der Maschine
Andernfalls kann es im Überlappungsbereich zu Positionsabweichungen der Bohrungen kommen.
6. Tiefenkontrolliertes Bohren
Tiefenkontrolliertes Bohren bedeutet, bis zu einer definierten Lage oder Tiefe in die Leiterplatte zu bohren, anstatt sie vollständig zu durchbohren. Es handelt sich dabei um einen wichtigen Spezialprozess innerhalb des gesamten PCB-Bohrprozesses.
Hauptanwendungen
- PCB-Backdrilling
- Sacklöcher mit definierter Bohrtiefe
Prozessreihenfolge
Die korrekte Reihenfolge lautet:
- Zuerst laminieren
- Danach bohren
Das bedeutet, dass tiefenkontrolliertes Bohren nach dem Laminieren erfolgt und nicht Teil des normalen Durchgangsbohrens ist.
Maschinenfähigkeit
Die meisten modernen Bohrmaschinen verfügen bereits über eine Funktion für tiefenkontrolliertes Bohren.
Bei Anwendungen wie PCB-Backdrilling ist die Bohrtiefe besonders kritisch, da sie das elektrische und mechanische Endergebnis direkt beeinflusst.
7. Schlitzbearbeitung
Neben runden Bohrungen umfasst die PCB-Fertigung häufig auch Langlöcher oder schmale Schlitze. Daher ist die PCB-Schlitzbearbeitung ebenfalls ein wichtiger Bestandteil bestimmter Fertigungsprojekte.
Bearbeitung langer Schlitze
Wenn die Schlitzlänge mehr als das Doppelte des Bohrerdurchmessers beträgt, ist die richtige Bearbeitungsmethode nicht einfach eine fortlaufende überlappende Bohrung. Stattdessen muss der Abstand zwischen benachbarten Bohrungen gezielt kontrolliert werden.
Das bedeutet, ein Schlitz darf nicht einfach wie eine Kette vollständig überlappender Löcher behandelt werden. Ein passender Abstand ist notwendig, um eine bessere Maßhaltigkeit und Prozessstabilität bei der Schlitzbearbeitung zu erreichen.
Bearbeitung kurzer Schlitze
Wenn die Schlitzlänge:
- kleiner als das Zweifache des Bohrerdurchmessers
- aber größer als das 1,5-Fache des Bohrerdurchmessers
ist, nimmt die Bearbeitungsabweichung zu und es sind spezielle Verfahren erforderlich.
Warum sind kurze Schlitze schwieriger?
Diese Schlitze liegen geometrisch zwischen einem Standard-Rundloch und einem klassischen Langschlitz, was ihre Beherrschung erschwert. Mögliche Probleme sind:
- Größere Maßabweichungen
- Schlechtere Formstabilität
- Unregelmäßige Schlitzkanten
- Geringere Prozesswiederholbarkeit
Deshalb ist die Bearbeitung kurzer PCB-Schlitze in der Regel schwieriger als die langer Schlitze.
Ablauf des PCB-Bohrprozesses
Der PCB-Bohrprozess ist weit mehr als nur das Bohren von Löchern. Es handelt sich um einen vollständigen Fertigungsablauf, der Materialvorbereitung, Bohr-Setup, Inspektion und Qualitätskontrolle umfasst.
Der Ablauf unterscheidet sich leicht, je nachdem, ob es sich um eine doppelseitige Leiterplatte oder um ein Projekt im Bereich Multilayer-PCB-Bohrung handelt.
1. Wann wird je nach PCB-Typ gebohrt?
- Einseitige und doppelseitige Leiterplatten werden in der Regel nach dem Zuschneiden des Panels gebohrt
- Mehrlagige Leiterplatten werden nach dem Laminieren gebohrt
Dieser Unterschied ist wichtig, denn bei Multilayer-PCBs müssen die Bohrungen nicht nur mit den Außenlagen, sondern auch mit den Innenlagen korrekt ausgerichtet sein, um eine zuverlässige Verbindung sicherzustellen. Deshalb erfordert die Multilayer-PCB-Bohrung eine strengere Prozesskontrolle.
2. Die fünf Grundschritte im PCB-Bohrprozess
Allgemein lässt sich der PCB-Bohrprozess in fünf grundlegende Schritte gliedern:
- Wareneingangsprüfung
- Vorbereitung der Bohrhilfsmaterialien
- Bohren
- Inspektion
- Versand
Diese fünf Schritte decken den gesamten Ablauf von der Materialprüfung bis zur finalen Qualitätsfreigabe ab.
Bohrprozess für doppelseitige Leiterplatten
Der Bohrprozess für doppelseitige Leiterplatten läuft typischerweise wie folgt ab:
Unterlage auflegen → Werkzeug- oder Positionierlöcher vorbereiten → Passstifte einsetzen → Panel auflegen → Aluminium-Eintrittsblech auflegen → Klebeband anbringen → Bohrer anordnen → Programm laden → Parameter einstellen → Nullpunkt setzen → Bohren → Panel entladen → entgraten oder polieren → Qualitätskontrolle → Versand
1. Unterlage auflegen
Eine Unterlage, häufig aus phenolischem Material, dient dazu, die Bohrstabilität zu verbessern und die Leiterplatte bzw. die Maschine während des Bohrens zu schützen.
2. Werkzeuglöcher und Passstifte
Diese dienen dazu, das Panel präzise zu positionieren und Positionsfehler der Bohrungen während des Prozesses zu vermeiden.
3. Panel auflegen, Aluminium-Eintrittsblech auflegen und Klebeband anbringen
Diese Schritte gehören zur Bohrmaterialvorbereitung. Ihre Funktionen umfassen typischerweise:
- Verbesserung der Stabilität beim Eintritt des Bohrers
- Unterstützung der Wärmeabfuhr und Spanabfuhr
- Reduzierung von Gratbildung
- Sicherung des Panels während der Bearbeitung
4. Bohrer anordnen
Die Bohrer werden entsprechend den erforderlichen Lochdurchmessern und der Bohrreihenfolge ausgewählt und angeordnet.
5. Programm laden, Parameter einstellen und Nullpunkt setzen
Dies sind entscheidende Vorbereitungsschritte vor dem eigentlichen Bohren. Sie stellen sicher:
- Dass das richtige Bohrprogramm verwendet wird
- Dass die Parameter zum Material und zu den Lochabmessungen passen
- Dass die Maschinenreferenz korrekt gesetzt ist
6. Bohren
Die Maschine bohrt die Löcher gemäß den programmierten Vorgaben.
7. Entladen und Entgraten
Nach dem Bohren wird das Panel entladen und gegebenenfalls entgratet oder oberflächenmäßig gereinigt.
8. Qualitätskontrolle
Die Bohrungen werden hinsichtlich Durchmesser, Positionsgenauigkeit, Gratbildung und Lochwandqualität geprüft.
9. Versand
Nach bestandener Prüfung gehen die Panels in den nächsten Prozessschritt oder werden für den Versand freigegeben.
Bohrprozess für Multilayer-PCBs
Der Prozess für die Multilayer-PCB-Bohrung sieht typischerweise wie folgt aus:
Unterlage auflegen → Passstifte einsetzen → Panel auflegen → Aluminium-Eintrittsblech auflegen → Klebeband anbringen → Bohrer anordnen → Programm laden → Parameter einstellen → Bohren → Panel entladen → Röntgeninspektion → entgraten oder polieren → Qualitätskontrolle → Versand
Im Vergleich zum Bohren doppelseitiger Leiterplatten gibt es bei der Multilayer-PCB-Bohrung einige wichtige Unterschiede.
Multilayer-PCBs werden nach dem Laminieren gebohrt
Da die innere Lagenstruktur bereits aufgebaut ist, muss das Bohren nach dem Laminieren erfolgen, damit die Bohrungen später die elektrische Verbindung zwischen den Lagen herstellen können.
Zusätzliche Röntgeninspektion
Dieser Schritt gehört zu den wichtigsten Zusatzschritten bei der Multilayer-PCB-Bohrung.
Warum ist die Röntgeninspektion notwendig?
Bei mehrlagigen Leiterplatten reicht es nicht aus, nur die Bohrposition an der Oberfläche zu prüfen. Zusätzlich muss überprüft werden:
- Die Ausrichtung der Bohrung zu den Innenlagenstrukturen
- Ob die Innenlagenregistrierung akzeptabel ist
- Ob die Bohrungen die Anforderungen an die Lagenverbindung erfüllen
Multilayer-PCBs erfordern höhere Bohrgenauigkeit
Die Bohrgenauigkeit in Multilayer-PCBs beeinflusst direkt:
- Die Anbindung an Innenlagen-Pads
- Die Zuverlässigkeit der Kupfermetallisierung im Loch
- Die elektrische Endkontinuität
- Die Stabilität nachfolgender Metallisierungs- und Imaging-Prozesse
Deshalb erfordert die Multilayer-PCB-Bohrung ein höheres Maß an Kontrolle als das Bohren doppelseitiger Leiterplatten.
FAQ zum PCB-Bohrprozess
Was ist der PCB-Bohrprozess?
Der PCB-Bohrprozess ist der Fertigungsschritt, bei dem Löcher oder Schlitze in ein PCB-Panel eingebracht werden, um elektrische Verbindungen, Bauteilmontage, Positionierung oder spezielle mechanische Funktionen zu ermöglichen. Dazu gehören auch Vorbereitung, Hilfsmaterialien, Inspektion und Qualitätskontrolle.
Was ist der Unterschied zwischen PCB-Bohren und Multilayer-PCB-Bohrung?
PCB-Bohren bezeichnet allgemein das Herstellen von Bohrungen in Leiterplatten aller Art. Multilayer-PCB-Bohrung bezieht sich speziell auf das Bohren nach dem Laminieren und erfordert eine strengere Ausrichtungskontrolle, da die Bohrungen korrekt mit den Innenlagen verbunden werden müssen.
Wofür wird PCB-Backdrilling verwendet?
PCB-Backdrilling wird eingesetzt, um unerwünschte Via-Stubs zu entfernen oder die Bohrtiefe bis zu einer bestimmten Lage zu kontrollieren. Es wird in der Regel als eine Form des tiefenkontrollierten Bohrens betrachtet.
Warum ist tiefenkontrolliertes Bohren schwierig?
Tiefenkontrolliertes Bohren reagiert empfindlich auf Schwankungen der Leiterplattendicke, Lagentoleranzen, Bohrerverschleiß und die Genauigkeit der Maschinensteuerung. Selbst wenn die Maschine diese Funktion unterstützt, bleibt eine konstant präzise Tiefe in der Praxis eine Herausforderung.
Was ist PCB-Schlitzbearbeitung?
Unter PCB-Schlitzbearbeitung versteht man die Herstellung von Langlöchern oder schmalen Schlitzen in einer Leiterplatte. Je nach Schlitzlänge und Geometrie kann sich das Bearbeitungsverfahren deutlich vom normalen Rundlochbohren unterscheiden.
Fazit
Der PCB-Bohrprozess umfasst weit mehr als das reine Herstellen von Bohrungen. Er beinhaltet verschiedene Bohrverfahren, die je nach Leiterplattendicke, Lochstruktur, Abmessungen und Qualitätsanforderungen ausgewählt werden.
Methoden wie Bohren in einem Durchgang, Stufenbohren, tiefenkontrolliertes Bohren, PCB-Backdrilling und PCB-Schlitzbearbeitung erfüllen jeweils unterschiedliche Anforderungen in der Fertigung. Insbesondere bei Multilayer-PCBs ist die Bohrgenauigkeit entscheidend, da sie sich direkt auf die Ausrichtung der Innenlagen, die Lochqualität und die Zuverlässigkeit des Endprodukts auswirkt.
Ein fundiertes Verständnis des PCB-Bohrprozesses hilft Herstellern dabei, ihre Prozesskontrolle zu verbessern, die Lochqualität konstant zu halten und die Zuverlässigkeit der fertigen Leiterplatten sicherzustellen.
