Herausforderungen der Elektronikfertigung – Größe, Geometrie und Ausführung von Leiterplatten
Von der fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Bauteile bis hin zur steigenden Komplexität und höheren Packdichte auf Leiterplatten – Elektronikfertiger stehen heute vor einer Vielzahl an Herausforderungen, die unsere tägliche Arbeit maßgeblich beeinflussen.
In unserer Reihe „Herausforderungen der Elektronikfertigung“ beleuchten wir verschiedene Trends und Entwicklungen, die uns als EMS-Dienstleister heute und in den kommenden Jahren beschäftigen werden. Im zweiten Teil dieser Reihe widmen wir uns der Evolution von Leiterplatten hinsichtlich ihrer Größe, Form und Ausführung.
Trend 1: Kleine und flexible Leiterplatten – Anforderungen an die Fertigung
Moderne Elektronik wird zunehmend platzsparend entwickelt – Geräte schrumpfen, und mit ihnen müssen auch Leiterplatten kleiner, dünner und oft flexibler gestaltet sein. Flexible Leiterplatten ermöglichen es, elektronische Baugruppen über Ecken oder in gekrümmten Gehäusen zu integrieren, was für viele Anwendungen entscheidend ist.
Leiterplatten, die flexibler und gleichzeitig auch kleiner werden, verlangen neue Fertigungsstrategien von Elektronikfertigern. Beispielsweise werden immer häufiger Bauteile direkt auf flexiblen Abschnitten montiert. Ohne geeignete Unterstützung können sich diese Leiterplatten jedoch leicht verformen, was besondere Lösungen in der Produktion erfordert.
Herausforderungen bei flexiblen Leiterplatten – und wie sie gelöst werden
Flexible Leiterplatten können in ihrer Dicke variieren, was den herkömmlichen Schablonendruck vor Herausforderungen stellt. Damit die Lotpaste auch auf tieferliegenden Bereichen präzise aufgetragen wird, kommen sogenannte Stufenschablonen zum Einsatz. Diese speziellen Edelstahlschablonen bilden die Konturen der Leiterplatte als Negativ ab und ermöglichen so einen gleichmäßigen Pastenauftrag – unabhängig von der Höhe der jeweiligen Lagen.
Der Schablonendruck ist ein entscheidender Schritt in der SMD-Fertigung. Dabei wird eine individuell angefertigte Edelstahlschablone verwendet, die exakt auf das Layout der jeweiligen Leiterplatte abgestimmt ist. Die Schablone enthält präzise Aussparungen, durch die im Fertigungsprozess Lötpaste aufgetragen wird. In der anschließenden Bestückung werden die Bauteile in die Lötpaste eingedrückt.
Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von Elektronik und Bauteilen ist höchste Präzision beim Schablonendruck unerlässlich. Nur so lassen sich winzige Bauteile zuverlässig platzieren, was wiederum die Qualität und Funktionalität der Baugruppe sicherstellt.
Biegsame Strukturen in Leiterplatten können sich während der Verarbeitung leicht verformen. Jeder Bestückungsschritt übt Druck auf die Leiterplatte aus – ohne zusätzliche Stabilisierung kann dies zu Verformungen führen, die die Präzision der Bauteilplatzierung und damit die gesamte Baugruppenqualität beeinträchtigen.
Um dieses Problem zu lösen, werden spezielle Fertigungsbetten und Haltevorrichtungen eingesetzt. Diese stützen die Leiterplatte während des gesamten Produktionsprozesses und halten sie in einer stabilen Position. So wird sichergestellt, dass alle Fertigungsschritte – vom Schablonendruck bis zur Bestückung – mit maximaler Präzision durchgeführt werden können.
Trend 2: Dickere Leiterplatten für höhere Stromtragfähigkeit – Mehr Leistung auf weniger Platz
Die Nachfrage nach leistungsstarker Elektronik wächst – gleichzeitig sollen Geräte immer kompakter werden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, steigt die Dicke von Leiterplatten. Moderne Multilayer-Leiterplatten bestehen aus bis zu 16 Lagen, um komplexe Schaltungen effizient unterzubringen.
Dickere Leiterplatten bieten dabei gleich mehrere Vorteile:
- Höhere Stromtragfähigkeit: Durch dickere Kupferbahnen und optimierte Lagenaufteilung lassen sich höhere Ströme sicher leiten.
- Platzersparnis: Dickere Kupferbahnen können mehr Strom übertragen, durch sie kann ein Teil der sonst notwendigen Verdrahtung entfallen – und es bleibt mehr Raum im Gerät.
- Mehr Stabilität: Durch das stärkere Material wird die Leiterplatte robuster – und eignet sich besser für mechanisch belastende Bauteile wie große Einpressstecker.
Herausforderungen bei dickeren Leiterplatten
1. Erhöhte Wärmekapazität
Dickere Leiterplatten enthalten immer mehrere Innenlagen aus Kupfer. Dieses zusätzliche Metall stellt jedoch eine Herausforderung im Fertigungsprozess dar: Beim Erhitzen der Leiterplatte, um die Lotpaste aufzuschmelzen und Bauteile zu verbinden, absorbiert das Kupfer einen Großteil der Wärme. Dadurch bleibt weniger Energie für die Außenlagen verfügbar, wo die Bauteile tatsächlich verlötet werden müssen.
2. Die richtige Balance zwischen Energiezufuhr und Materialschutz
Um eine gleichmäßige Erwärmung sicherzustellen, ist eine präzise Steuerung der Energiezufuhr erforderlich. Eine zu hohe Temperatur kann empfindliche Bauteile oder die Leiterplatte selbst beschädigen. Deshalb setzen wir auf exakt auf die Baugruppe abgestimmte Prozessparameter.
3. Innovative Lösungen für die Zukunft
Moderne Fertigungstechniken und eine intelligente Steuerung der Wärmezufuhr ermöglichen es, auch dicke Multilayer-Leiterplatten effizient und zuverlässig zu verarbeiten. So sorgen wir für leistungsstarke und kompakte Geräte – ohne Kompromisse bei Qualität und Zuverlässigkeit.
Trend 3: Größer und dicker – Herausforderungen in der Signal- und Datenübertragung
In der Signal- und Datenübertragung wachsen die Anforderungen an Leiterplatten stetig. Um zahlreiche Signale effizient zu bündeln und weiterzuleiten, benötigen moderne Leiterplatten auch hier immer mehr Lagen – teils sogar bis zu 24. Diese hohe Schichtanzahl sorgt für eine verbesserte Signalführung, stellt aber gleichzeitig neue Herausforderungen an Design und Fertigung.
Gegensätzliche Trends: Miniaturisierung vs. wachsende Steckverbinder
Während viele elektronische Bauteile immer kleiner werden, wachsen gleichzeitig die Steckverbinder für Signal- und Stromübertragung. Diese Entwicklung beeinflusst maßgeblich die Größe und Stabilität der Leiterplatten: Größere Steckverbinder erfordern robustere Leiterplatten, um eine zuverlässige Montage und optimale Signalübertragung sicherzustellen.
Präzision trotz Größenunterschied
Besonders anspruchsvoll wird es, wenn große Steckverbinder direkt neben winzigen Miniaturbauteilen platziert werden müssen. Diese enge Kombination stellt höchste Anforderungen an die Fertigung: Jeder Bestückungsschritt muss so präzise sein, dass sowohl große als auch kleinste Komponenten exakt positioniert und fehlerfrei verlötet werden. Ansonsten kann es zu z.B. zu sogenannten Schattenbildungen kommen: Große Bauteile versperren den Zugang zu benachbarten Bereichen auf der Leiterplatte, was sowohl den Lötprozess als auch die Qualitätskontrolle beeinträchtigen kann.
In der SMD-Fertigung tritt Schattenbildung auf, wenn große Bauteile kleinere Komponenten oder Leiterplattenbereiche verdecken. Besonders kritisch wird dies in zwei wichtigen Prozessschritten:
- Beim Löten: Verdeckte Bereiche erhalten zu wenig Wärme, sodass das Lot nicht vollständig aufschmelzen kann. Das führt zu unzuverlässigen Lötstellen oder Verbindungsfehlern.
- Bei der automatischen optischen Inspektion (AOI): Große Bauteile blockieren die Beleuchtung, wodurch kleinere Komponenten nicht richtig erkannt oder überprüft werden können.
Lösungen sind eine durchdachte Platzierung großer Bauteile, optimierte Temperaturprofile im Lötprozess und spezielle AOI-Systeme, um die Sichtbarkeit zu verbessern.
Wärmemanagement bei dicken Leiterplatten
Je dicker die Leiterplatte und je höher der Kupferanteil, desto mehr Energie wird benötigt, um die Oberflächen gleichmäßig zu erhitzen. Dabei darf die Temperatur nicht zu hoch steigen, um Schäden an Material und Bauteilen zu vermeiden. Der Erwärmungsprozess muss exakt gesteuert werden, um langfristige Stabilität sicherzustellen.
Mechanische Belastung nach der Fertigung
Nach der Produktion sind diese großen und dicken Leiterplatten oft mechanischen Belastungen ausgesetzt. Häufig kommen Einpresstechniken zum Einsatz, um Befestigungsbolzen oder andere mechanische Komponenten zu integrieren. Hier ist besondere Vorsicht geboten, um die Leiterplatte nicht zu beschädigen.
Unsere Lösungsansätze
Um diese Herausforderungen zu meistern, setzen wir auf maßgeschneiderte Prozesse:
- Sichere Handhabung: Unsere Fertigung ist auf Leiterplatten unterschiedlichster Größen und Dicken ausgelegt, um Stabilität und Präzision zu gewährleisten.
- Gezieltes Wärmemanagement: Wir bringen die nötige Energie effizient ein, ohne Überhitzung oder Materialschäden zu riskieren.
- Optimierte Erwärmungsprozesse: Mehrstufige Verfahren sorgen für eine gleichmäßige Erwärmung und schützen empfindliche Bauteile.
- Robuste Fertigungstechniken: Spezielle Verfahren stellen sicher, dass die Leiterplatten auch hohen mechanischen Belastungen standhalten.
Mit diesen Lösungen garantieren wir höchste Qualität – unabhängig von der Komplexität der Baugruppe. Unser Ziel: Zuverlässige, maßgeschneiderte Lösungen, die den höchsten Anforderungen gerecht werden.
Sie planen ein neues Projekt und brauchen Unterstützung, dann sind Sie bei uns genau richtig. Egal ob Entwicklung oder Produktion, wir sind bereit, um Ihr Produkt in Serie zu bringen. Sprechen Sie uns gerne an!
