In der PCB-Fertigung hat die Qualität der Bohrungen direkten Einfluss auf die elektrische Zuverlässigkeit, die mechanische Stabilität und die Registergenauigkeit bei Multilayer-Leiterplatten. Bohrungen erfüllen während des gesamten Fertigungsprozesses wichtige Aufgaben – von der Lagenverbindung über die Bauteilmontage bis hin zur Positionierung und Ausrichtung.
Zu den gängigen Verfahren zur Lochherstellung gehören mechanisches Bohren, Laserbohren und Stanzen. Dabei ist das mechanische Bohren nach wie vor das wichtigste und am häufigsten eingesetzte Verfahren in der Leiterplattenfertigung. Wer die Grundlagen des PCB-Bohrens und die verschiedenen PCB-Locharten versteht, legt damit eine wichtige Basis für das Verständnis der gesamten PCB-Herstellung.
Warum PCB-Bohrungen in der Fertigung so wichtig sind
Bohrungen gehören zu den wichtigsten strukturellen Merkmalen einer Leiterplatte. Die Qualität des PCB-Bohrens wirkt sich direkt auf mehrere entscheidende Bereiche aus.
1. Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung
Gerade bei metallisierten Bohrungen entscheidet die Qualität der metallisierten Lochwand darüber, ob leitfähige Strukturen auf verschiedenen Lagen zuverlässig miteinander verbunden werden.
2. Montagegenauigkeit und mechanische Stabilität
Viele Bohrungen erfüllen nicht nur elektrische Aufgaben, sondern auch mechanische Funktionen, etwa beim Einsetzen von Bauteilen, bei der Positionierung, Befestigung und Montageunterstützung.
3. Stabilität nachgelagerter Prozesse
Die Genauigkeit der Lochposition, die Konstanz des Lochdurchmessers und die Ausrichtung zu den Innenlagen beeinflussen nachfolgende Fertigungsschritte wie Metallisierung, Belichtung, Verpressen, Testen und Fräsen.
4. Besondere Prozessfunktionen
So helfen zum Beispiel Backdrill-Bohrungen, Signalstörungen in Hochgeschwindigkeitsdesigns zu reduzieren. Impedanz-Testbohrungen dienen der elektrischen Verifikation, während Coupon-Schliffbohrungen für die Qualitätsanalyse verwendet werden. Positionier- und Werkzeugbohrungen unterstützen den Fertigungsprozess selbst.
Die wichtigsten Verfahren zum PCB-Bohren und zur Lochherstellung
PCB-Bohrungen können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Zu den wichtigsten zählen:
1. Mechanisches Bohren
Mechanisches Bohren ist weiterhin das am weitesten verbreitete Verfahren für das PCB-Bohrung in der Leiterplattenfertigung. Es eignet sich für eine große Zahl standardisierter Bohrungen, insbesondere für Durchgangsbohrungen, Bauteilbohrungen, Vias und viele funktionsbezogene Prozessbohrungen.
2. Laserbohren
Laserbohren eignet sich in der Regel besser für sehr kleine Bohrungen und für feine HDI-Strukturen mit hoher Verbindungsdichte.
3. Stanzen
Stanzen ist ein weiteres Verfahren zur Lochherstellung, wird jedoch deutlich seltener eingesetzt und hängt stark von Produktaufbau und Fertigungsanforderungen ab.
Aus praktischer Sicht bleibt das mechanische PCB-Bohrverfahren der zentrale Prozess zur Herstellung von Bohrungen. Entsprechend spielen die dazugehörigen Werkzeuge und Prozessmittel – darunter Bohrer, Bohrmaschinen, Einlegematerialien, Unterlagen und die Kontrolle von Bohrfehlern – eine zentrale Rolle in der Leiterplattenfertigung.
Grundlegende Bewertung und Einteilung von PCB-Locharten
In der PCB-Fertigung lassen sich Bohrungen zunächst danach klassifizieren, ob sie an der elektrischen Verbindung beteiligt sind oder nicht.
1. Einteilung nach elektrischer Funktion
Metallisierte Durchgangsbohrung (PTH)
Eine Plated Through Hole (PTH) ist eine Bohrung, deren Wand mit Metall beschichtet ist. Diese Art von Bohrung kann eine elektrische Verbindung herstellen zwischen:
- Innenlagen
- Außenlagen
- Innen- und Außenlagen
Mit anderen Worten: Die Hauptfunktion einer PTH besteht darin, leitfähige Strukturen auf unterschiedlichen Lagen elektrisch miteinander zu verbinden.
Wichtig ist, dass der fertige Lochdurchmesser nicht nur vom Bohrerdurchmesser abhängt, sondern auch von der Dicke der Metallisierung an der Lochwand. Der Enddurchmesser wird deshalb von zwei Faktoren bestimmt:
- dem ursprünglichen Bohrdurchmesser
- der Dicke der metallischen Beschichtung
Nicht metallisierte Durchgangsbohrung (NPTH)
Eine Non-Plated Through Hole (NPTH) ist nicht an der elektrischen Verbindung beteiligt. Das heißt, die Lochwand dient nicht als leitender Pfad.
Solche Bohrungen übernehmen typischerweise Funktionen wie:
- Positionierung
- Befestigung
- Werkzeugaufnahme
- Verpolungs- bzw. Verwechslungsschutz
- mechanische Fixierung
- Prozessunterstützung
2. Einteilung nach Bohrtiefe und Durchdringung der Leiterplatte
Je nachdem, wie weit sich eine Bohrung durch die Leiterplatte erstreckt, lassen sich PCB-Locharten in folgende Gruppen einteilen:
- Durchgangsbohrungen
- vergrabene Bohrungen
- Sacklöcher
Durchgangsbohrung
Eine Durchgangsbohrung verläuft durch die gesamte Leiterplatte. Sie kann für elektrische Verbindungen, die Bauteilmontage oder zur Positionierung verwendet werden.
Durchgangsbohrungen lassen sich im Allgemeinen in zwei Hauptgruppen einteilen:
(1) Bauteilbohrung
Diese Bohrung wird zum Einsetzen von Anschlussdrähten, Pins oder Leitungen verwendet und sorgt gleichzeitig für:
- die mechanische Befestigung des Bauteils auf der Leiterplatte
- die elektrische Verbindung zwischen Bauteil und Schaltung
(2) Via
Hierbei handelt es sich um eine metallisierte Bohrung, die ausschließlich zur Lagenverbindung verwendet wird. Sie ist nicht für Anschlussdrähte von Bauteilen oder andere Verstärkungselemente vorgesehen.
(3) Zwei Hauptzwecke von Durchgangsbohrungen
In der PCB-Fertigung erfüllt das Bohren von Durchgangsbohrungen in der Regel zwei zentrale Aufgaben:
Erstens: eine Öffnung durch die gesamte Leiterplatte schaffen
Dadurch können nachfolgende Fertigungsschritte elektrische Verbindungen zwischen Oberseite, Unterseite und den Innenlagen herstellen.
Zweitens: mechanische Stabilität und Positionsgenauigkeit bei der Bauteilmontage sichern
Durchgangsbohrungen helfen außerdem dabei, montierte Bauteile sicher und präzise auszurichten.
Vergrabene Bohrung
Eine vergrabene Bohrung ist eine leitfähige Bohrung, die nicht bis zur Außenoberfläche der Leiterplatte reicht. Sie befindet sich ausschließlich zwischen Innenlagen und ist von außen nicht sichtbar.
Sackloch
Ein Sackloch ist eine leitfähige Bohrung, die von nur einer Außenlage aus in eine oder mehrere Innenlagen reicht, ohne die gesamte Leiterplattendicke zu durchdringen.
Häufige PCB-Locharten mit funktionalem Zweck
In der realen PCB-Produktion werden nicht alle Bohrungen nur für elektrische Verbindungen oder zur Bauteilmontage verwendet. Abhängig vom Produktdesign und den Anforderungen der Fertigung kommen viele zusätzliche funktionale PCB-Bohrungen zum Einsatz – etwa für Positionierung, Analyse, Prüfung, Identifikation, Montage und Prozesskontrolle.
Zu den häufigsten zählen:
1. Langloch
Ein Langloch ist kein einzelnes rundes Loch. Es wird in der Regel auf eine von zwei Arten erzeugt:
- durch Umwandlung im Bohrprogramm in eine Folge überlappender Einzelbohrungen
- durch Fräsen
Langlöcher werden häufig verwendet für:
- die Montage von Steckverbindern
- mechanische Befestigungen an Kartenkanten oder Laschen
- Bauteile oder Steckverbinder mit nicht runden Anschlussformen
Kurz gesagt: Ein Langloch ist eine Bohrform für Anwendungen, bei denen eine runde Bohrung nicht ausreicht.
2. Backdrill-Bohrung
Eine Backdrill-Bohrung entsteht, indem in eine bereits metallisierte Durchgangsbohrung mit einem größeren Werkzeug eine kontrollierte Tiefenbohrung eingebracht wird.
Ihre Hauptfunktionen sind:
- ungenutzte Via-Stubs zu entfernen
- unnötige leitfähige Restbereiche zu beseitigen
- Signalstörungen während der Übertragung zu reduzieren
Deshalb wird Backdrilling häufig in Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-PCBs eingesetzt, um die Signalintegrität zu verbessern.
3. Positionierbohrung
Positionierbohrungen befinden sich typischerweise auf der Ober- oder Unterseite der Leiterplatte, meist in Gruppen von drei oder vier. Andere Bohrungen auf dem Panel werden auf diese Referenzbohrungen bezogen. Daher werden sie auch genannt:
- Zielbohrungen
- Fiducial-Positionierbohrungen
Vor dem eigentlichen Bohren werden diese Referenzbohrungen in der Regel mittels optischer Locherzeugung oder X-Ray-Zielbohrtechnik erstellt. Sie dienen dazu,
- den Bohrbezug festzulegen,
- eine stiftbasierte Positionierung und Klemmung zu ermöglichen,
- eine präzise Bohrregistrierung sicherzustellen.
4. Innenlagen-Registrierbohrung
Innenlagen-Registrierbohrungen befinden sich in der Regel am Rand von Multilayer-Leiterplatten. Sie werden vor allem verwendet, um:
- zu prüfen, ob vor dem eigentlichen Produktionsbohren ein Versatz der Innenlagen vorliegt
- zu entscheiden, ob das Bohrprogramm kompensiert oder angepasst werden muss
Mit anderen Worten: Diese Bohrungen dienen zur Kontrolle der Lagenregistrierung vor dem endgültigen Bohren und sind besonders wichtig bei Leiterplatten mit vielen Lagen und hohen Genauigkeitsanforderungen.
5. Code-Bohrung
Code-Bohrungen sind meist in einer Reihe entlang einer Panelseite angeordnet und dienen dazu, fertigungsbezogene Informationen zu kennzeichnen, etwa:
- Produktmodell
- verwendete Maschine
- Bedienercode
Heute wird dieses Verfahren in vielen Werken durch Lasermarkierung ersetzt.
6. Montagebohrung
Eine Montagebohrung ist eine vergleichsweise große Bohrung in der Leiterplatte und dient dazu,
- die Leiterplatte an einem Chassis, Halter, Rahmen oder einer anderen Trägerstruktur zu befestigen.
Diese Bohrung erfüllt vor allem mechanische Montageaufgaben und steht in engem Zusammenhang mit dem finalen Produktaufbau.
7. Tail Hole
Tail Holes sind Bohrungen unterschiedlicher Größe am Rand des Produktionspanels. Ihr Zweck ist es,
- zu überprüfen, ob der Bohrdurchmesser während der Nutzung des Werkzeugs innerhalb der Vorgaben bleibt.
Sie können somit als Merkmal zur Durchmesserprüfung oder Prozessidentifikation dienen.
8. Coupon-Schliffbohrung
Eine Coupon-Schliffbohrung ist eine metallisierte Bohrung, die für mikroskopische Schliffanalysen vorgesehen ist. Ihre Bedeutung liegt darin, dass sie
- die Qualität der Bohrung bei einer Querschnittsuntersuchung sichtbar macht.
Zum Beispiel kann eine Schliffanalyse genutzt werden, um die Metallisierung der Lochwand, die Kupferdicke und die Qualität der Lagenanbindung zu bewerten. Damit sind solche Bohrungen ein wichtiges Werkzeug der Qualitätskontrolle.
9. Impedanz-Testbohrung
Eine Impedanz-Testbohrung ist eine metallisierte Bohrung, die für die Impedanzprüfung auf der Leiterplatte verwendet wird.
Sie unterstützt die Impedanzverifikation und Prozesskontrolle und wird häufig bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-PCBs eingesetzt.
10. Verwechslungsschutz-Bohrung
Eine Verwechslungsschutz-Bohrung ist in der Regel eine nicht metallisierte Bohrung mit folgenden Aufgaben:
- verhindern, dass die Leiterplatte falsch herum eingelegt wird
- richtungsabhängige Prozessfehler vermeiden
- die Positionierung bei Prozessen wie Fräsen oder Belichten unterstützen
11. Werkzeugbohrung
Eine Werkzeugbohrung ist üblicherweise eine nicht metallisierte Bohrung, die zusammen mit Fertigungswerkzeugen oder Vorrichtungen verwendet wird.
Zu ihren Funktionen gehören unter anderem:
- Positionierung
- Fixierung
- Transport
- Unterstützung von Vorrichtungen und Aufnahmen
12. Nietbohrung
Eine Nietbohrung ist eine nicht metallisierte Bohrung, die beim Verpressen von Multilayer-Leiterplatten genutzt wird, um Core-Lagen und Prepregs mit Nieten zu fixieren.
Beim Bohren muss die Nietposition vollständig durchbohrt werden, um:
- eingeschlossene Luft an dieser Stelle zu vermeiden
- spätere Defekte wie Blasenbildung oder Delamination zu verhindern
Eine Nietbohrung ist also nicht nur ein Befestigungselement, sondern steht auch in direktem Zusammenhang mit der Qualität der Multilayer-Verpressung.
Wie die verschiedenen PCB-Locharten zusammenhängen
Viele Einsteiger verwechseln diese Begriffe, tatsächlich gehören sie jedoch zu zwei unterschiedlichen Klassifikationsdimensionen.
1. Nimmt die Bohrung an der elektrischen Verbindung teil?
- PTH: beteiligt sich an der elektrischen Verbindung
- NPTH: beteiligt sich nicht an der elektrischen Verbindung
2. Wie weit reicht die Bohrung durch die Leiterplatte?
- Durchgangsbohrung: geht durch die gesamte Leiterplatte
- Sackloch: reicht nur von einer Seite aus
- vergrabene Bohrung: erreicht die Außenoberfläche nicht
Was bei PCB-Bohrungen und der Lochkonstruktion beachtet werden sollte
Wie gezeigt, ist eine PCB-Bohrung weit mehr als nur eine einfache Öffnung in der Leiterplatte. Sie kann gleichzeitig elektrische, mechanische, prozessbezogene, prüftechnische und qualitätsrelevante Funktionen übernehmen.
In Entwicklung und Fertigung sollten mindestens die folgenden Punkte berücksichtigt werden:
1. Klar definieren, ob die Bohrung eine elektrische Funktion hat
Das ist die Grundlage für die Unterscheidung zwischen PTH und NPTH und bestimmt direkt, ob eine Metallisierung der Lochwand erforderlich ist.
2. Klar definieren, ob die Bohrung durch die gesamte Leiterplatte geht
Dadurch wird festgelegt, ob es sich um eine Durchgangsbohrung, ein Sackloch oder eine vergrabene Bohrung handelt. Gleichzeitig beeinflusst das die Fertigungskomplexität und die Wahl des geeigneten Prozesses.
3. Funktionale Zusatzbohrungen nicht unterschätzen
Viele Produktionsprobleme entstehen nicht durch die eigentlichen Verbindungsbohrungen, sondern durch unzureichend ausgelegte Positionierungs-, Registrierungs-, Prüf-, Laminier- oder Verwechslungsschutzfunktionen.
4. Die Rolle jeder Bohrung im gesamten Fertigungsablauf verstehen
Ein und dieselbe Bohrung kann mehrere Aspekte der Fertigung beeinflussen, darunter:
- Bohrgenauigkeit
- Metallisierungsqualität
- Lagenregistrierung
- Bauteilmontage
- Signalintegrität
- Qualitätsanalyse
- Serienkonstanz
Fazit
PCB-Bohrungen verbinden Konstruktionsabsicht mit realer Fertigung und Montage. Typischerweise werden sie nach ihrer elektrischen Funktion – PTH (metallisiert) vs. NPTH (nicht metallisiert) – sowie nach ihrer Tiefe – Durchgangsbohrung, Sackloch und vergrabene Bohrung – klassifiziert.
In der Produktion bleibt das PCB-Bohrung die wichtigste Methode zur Herstellung von Löchern. Aus technischer Sicht ist die korrekte Definition von Bohrungstyp und Funktion entscheidend, um zuverlässige Verbindungen, stabile Fertigungsprozesse und eine gleichbleibend hohe Qualität sicherzustellen.
