Methoden zur Preisoptimierung von gedruckten Leiterplatten

Das Entwerfen gedruckter Leiterplatten kann als ein Prozess der Suche nach der besten Anordnung der Verbindungen von Bestandteilen elektronischer Systeme und Geräte definiert werden, während dessen ihre elektrischen, wie beispielsweise die Impedanz der differentiellen Übertragungslinien (z. B. richtige Wärmeableitung von SMD-Leistungselementen) sowie der mechanischen Kenngrößen (z. B. Erzielen einer ausreichenden Steifigkeit für eine vorgegebene Materialstärke) auf einem gewünschten Niveau gehalten werden. Allerdings ist das zur Umsetzung weitergeleitete Schlussentwurf nicht immer preisoptimiert, was in der Regel aus der Komplexität des Fertigungsprozesses resultiert.

In diesem Beitrag werden die wichtigsten Kenngrößen der Leiterplatten, die ihren Preis bestimmen, und Beispiele für Techniken zu deren Senkung vorgestellt. Die Informationen wurden aufgrund von Erfahrungen und technologischen Möglichkeiten der Fa. TS-PCB zusammengestellt.

Art des Materials

Am beliebtesten und günstigsten ist das FR4-Laminat (Abb. 1a). Seine allgemeingültigen elektrischen Kenngrößen, einschließlich der Dielektrizitätskonstante von typischerweise 4,5, des Verlustfaktors von typischerweise 0,02 sowie thermischen Parameter - die Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,4 W/mK, für die meisten Anwendungen ausreichend sind. Laminate mit Aluminiumkern (Abb. 1b) zeichnen sich durch eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit in der Größenordnung von wenigen W/mK aus, weshalb sie in Hochleistungs-SMD-Systemen vor allem in der LED-Beleuchtungsbranche eingesetzt werden. Bei Systemen mit moderaten Verlustleistungen wird die Verwendung des FR4-Laminats empfohlen, da es selbst bei einer dickeren Kupferfolie zugunsten einer besseren Wärmestreuung günstiger ist als Aluminium-Laminat, u.a. wegen der Kosten der mechanischen Bearbeitung.

Abb. 1. Beispiele für gedruckte Schaltungen auf Laminaten: FR4 (a), ALU (b) und Rogers (c)

Die Teflonlaminate von Rogers (Abb. 1c), die sich durch einen geringen Verlustfaktor auszeichnen, sind für Hochfrequenzsysteme konzipiert. Sie brauchen jedoch nicht immer eingesetzt zu werden. Für Systeme, die bei moderaten Geschwindigkeiten mit Taktraten bis zu einstelligen GHz-Größen arbeiten, ist die Verwendung von Laminaten aus der Familie FR408 (Isola) mit einem Verlustfaktor in einer Größenordnung von 0,009 bei 1 GHz eine billigere Lösung. Weitere Vorteile dieser Laminate bestehen in der gleichen Verarbeitungsweise wie bei FR4 und der Möglichkeit, auf ihrer Grundlage mehrlagige Leiterplatten zu bauen, die für digitale Hochgeschwindigkeitsanlagen ausgelegt sind.

Eine weitere Einflusskenngröße des Preises für Leiterplatten ist die Anzahl der Lagen, die den Preis für Leiterplatten mit sechs und mehr Lagen wesentlich steigert. Während die Senkung der Lagenanzahl von 2 auf 1 wirtschaftlich nicht gerechtfertigt ist, bringt die Umsetzung einer 6-lagigen Schaltung auf 4 Lagen eine messbare Preissenkung der Leiterplatte. Um eine höhere Packungsdichte zu erreichen, sollten die Schaltungsmosaiken so umgestaltet werden, dass die minimal zulässigen DRC-Kenngrößen (design rule check) für die Schaltungstechnologie getroffen sind. Darüber hinaus können blinde und vergrabene Vias verwendet werden, ohne dabei Angst vor einem höheren Preis zu haben. Eine 4-lagige Schaltung mit dieser Art von Durchkontaktierungen ist immer noch billiger als eine 6-lagige Schaltung ohne solche Durchkontaktierungen.

Laminatstärke

Ein weiterer Faktor, der den Preis der Schaltung bestimmt, ist die Stärke des Laminats und der Kupferfolien, deren Standardwerte respektive bei 1,6 mm und 35 µm liegen. Die Herstellung dünnerer Leiterplatten, insbesondere ein- und zweiseitiger, bereitet zwar keine großen Schwierigkeiten, dementgegen ist die Herstellung von Schaltungen auf dickeren Laminaten (2,4÷3,2 mm) sowie mit dickeren Kupferfolien (70÷140 µm und mehr) komplexer, was sich im Preis niederschlägt.

Um einen möglichst niedrigen Preis zu erlangen, sollten nach Möglichkeit standardmäßige Stärken der Laminate und Kupferfolien verwendet werden. Vielleicht ermöglicht die höchstmögliche Vergrößerung der Bestandteile des Schaltungsmosaiks auf den minimal zulässigen DRC die Verwendung einer typischen 35-µm-Kupferfolie, während die zulässige Stromdichte in den Leiterbahnen beibehalten wird. Eine andere Technik zur Erhöhung der Leiterbahnenstärke ohne Verwendung einer dickeren Kupferfolie besteht darin, sie zu demaskieren und zu verzinnen, was zu einer Erhöhung der Stärke um ca. 20÷40 µm führt (Abb. 2).

Abb. 2. Erhöhung des Leiterbahn-Querschnitts durch Verzinnen

Vias und Beschichtung der Pads

Blinde und vergrabene Vias sind eine weitere Kenngröße, der den Preis einer mehrlagigen Leiterplatte erhöht. Es ist zu beachten, dass deren Verwendung mit weiteren technologischen Einschränkungen verbunden sein kann, etwa in Form einer Abhängigkeit deren Eintauchtiefe in der Z-Achse von ihrem Durchmesser, und zusätzlich eine Umstellung deren Beschichtung auf chemische Vergoldung erfordern kann, was die Leiterplatte noch teurer machen wird. Eine billigere Lösung besteht darin, alle Vias als PTH (aus dem Englischen: plated-through holes, durchplattierte Löcher) herzustellen, wenn eine geringfügige Vergrößerung der Leiterplattenfläche zulässig ist. Die Beschichtung der Pads ist ein weitere Kenngröße, der den Endpreis der Leiterplatte bestimmt. Die Standardbeschichtung besteht in der Verzinnung mit einer bleifreien Legierung im HAL-Verfahren (im Englischen: hot air levelling, Heißluftverzinnung) und zur Senkung des Leiterplattenpreises lohnt es sich, wenn möglich, diesen Typ zu verwenden. Das Verzinnen ist jedoch nicht immer erlaubt. Kompliziertere Leiterplatten mit minimalen Werten der DRC-Kenngrößen und solche, die Leitungen in BGA-Gehäusen (im Englischen: ball grid array, Kugelgitteranordnung) umfassen, müssen normalerweise vergoldet werden - hier hängt der Preis meist von der Größe der Beschichtungsfläche ab. Um den Preis für die Beschichtung nicht unnötig in die Höhe zu treiben, empfiehlt es sich daher, die meisten Vias im Projekt mit Lötstoppmaske bedeckt zu halten und nur diejenigen demaskiert zu belassen, die einen Zugriff zu Messzwecken während der Funktionsprüfung des Pakets erfordern.

Mechanische Bearbeitung

Auch die Kenngrößen der mechanischen Bearbeitung sind wichtige preisbestimmende Faktoren. Diese Tatsache wird von Entwicklungsingenieuren oft vernachlässigt, daher wird hier auf die mechanische Bearbeitung näher eingegangen. Mit dem Fräsvorgang können fast beliebige Formen gedruckter Leiterplatten unter Beibehaltung der Maßtoleranz auf dem Niveau von ±0,05 mm erreicht werden.

Der Zeitaufwand für diesen Vorgang und seine Auswirkungen auf den Preis des Schaltkreises nimmt mit abnehmendem Durchmesser der im Projekt verwendeten Fräser unter den als Standard angenommenen Fräserdurchmesser von 2 mm schnell zu. Dies liegt vor allem daran, dass bei kleinen Fräsern der Vorschub gesenkt werden muss. Die Verwendung von Fräsern mit einem Durchmesser von mehr als 2 mm ist vorteilhafter, da das Fräsen mit einer höheren Geschwindigkeit erfolgen kann und die Bearbeitung daher weniger Zeit in Anspruch nimmt. Eine viel einfachere und daher kostengünstigere Art der Bearbeitung besteht im Ritzen. Der Hauptvorteil des Ritzens ist seine Geschwindigkeit und seine Unvollkommenheiten sind die Maßtoleranz, die dem Fräsen unterlegen ist und bis zu ± 0,3 mm betragen kann, und das dreieckige Profil der geritzten Leiterplattenkante. Eine weitere Einschränkung für den Einsatz von Ritzen ist die Laminatstärke - Nutzen auf einem Laminat mit einer Stärke von weniger als 0,5 mm müssen in gefräster Ausführung hergestellt werden.

Wenn die geschilderten Mängel des Ritzens hinnehmbar sind, dann ist es ratsam, zur Senkung des Leiterplattenpreises dieses Verfahren sowohl auf Einzelleiterplatten zu verwenden als auch die Nutzen für eine automatische Bestückung durch Ritzen vorzubereiten. Um die Schaltungsmosaiken zusätzlich zu schützen, macht es Sinn, ihren Abstand von mindestens 16 mils zu den Ritzkanten einzuhalten.

Der Vergleich eines aus einer analogen Anzahl identischer Schaltungen gebauten Nutzens, das für 2 mm Fräsen (Stege wurden weggelassen) und Ritzen vorbereitet wurde, ist in Abb. 3 dargestellt. Die Umsetzung der Lösung aus der Abb. 3b ist kostengünstiger, auch aufgrund der kleineren Nutzengröße in Folge der Verwendung kleinerer Ränder, die zum Ritzen typischerweise 5÷6 mm betragen (zum Fräsen mindestens 8 mm) und dem Weglassen von Rändern entlang der kürzeren Nutzenkanten, die in gefräster Ausführung zur Verbesserung der Steifigkeit notwendig sind.

Abb. 3. Ansicht eines gefrästen Nutzens mit Stegen (a) und geritzt (b)

Ist ein Abfasen der Kanten erforderlich, empfiehlt es sich, die Schaltungen auf dem Nutzen mit außenliegenden Kanten anzuordnen, damit der Vorgang mittels Sprungritzen ausgeführt werden kann. Die Anordnung der zu fasenden Kanten im Inneren des Nutzens wird höchstwahrscheinlich dazu führen, dass diese mit einem Kegelfräser in die Tiefe gefräst werden, was die Kosten dieses Vorgangs erhöht.

Der Mindestdurchmesser der Bohrlöcher ist im Rahmen eines Projekts eine weitere Kenngröße, die für den Preis der Leiterplatte entscheidend ist. Beispielsweise nimmt der Hersteller TS PCB als Standardbohrlöcher mit einem Enddurchmesser von 0,4 mm an. Dies bedeutet, dass die Verwendung kleinerer Löcher den Preis der Leiterplatte erhöht, und zwar mit abnehmendem Mindestdurchmesser. Um den Preis niedrig zu halten, empfiehlt es sich daher, wenn möglich, Löcher mit einem Durchmesser von mindestens 0,4 mm zu verwenden.

Das Einschließen im Projekt zusätzlicher Vorgänge zum Auftragen einer abziehbaren bzw. Graphitmaske und verschlossener Durchkontaktierungen ist für den Preis der Leiterplatte mitentscheidend. Während die Umsetzung eines Projekts ohne die oben genannten Masken kaum vorstellbar ist, kann das Verschließen der Vias bei einem geringen Durchmesser (bis 0,2 mm) durch ein deutlich günstigeres Übergießen mit einer Lötstoppmaske ersetzt werden. Eine solche Endbearbeitung der Vias bietet im Vergleich zu offenen Vias einen gewissen Schutz ihres Inneren. Wenn jedoch ein Verschließen der Vias erforderlich ist, wird es zur Preissenkung empfohlen, auf deren Planarisierung zu verzichten, die zwar die visuellen Eindrücke über die Leiterplatte verbessert, aber gleichzeitig das Verschließen der Vias erschwert.

Selbst die Farbe der Lötstoppmaske zählt

Die Farbe des Lötstoppmaske kann zu einer geringfügigen Änderung des Leiterplattenpreises führen. Die standardmäßig grüne Lötstoppmaske, manchmal auch Fotomaske genannt, wird auf der automatischen Linie nach dem Vorhangverfahren aufgetragen, das eine gleichmäßige Dicke garantiert. Es wird durch einen photochemischen Prozess entwickelt, was wiederum eine exakte Positionierung im Verhältnis zu den Schaltungsmosaiken gewährleistet. Zahlreiche Hersteller von Leiterplatten, einschließlich TS-PCB, bieten eine große Auswahl an Maskenfarben. Andere Farben werden jedoch manuell im Siebdruckverfahren aufgetragen, was zeitaufwendiger ist und zu leichten Verschiebungen der Lötstoppmaske relativ zum Kupfer-Schaltungsmosaik führen kann. Die Verwendung der standardmäßigen grünen Lötstoppmaske macht möglich, einen niedrigen Preis zu erzielen.

Zusammenfassung

Der Beitrag behandelt die wichtigsten technologischen Kenngrößen gedruckter Leiterplatten, die ihren Preis vorrangig bestimmen. Für jede der Kenngrößen wurden mögliche alternative, kostengünstigere Lösungen vorgeschlagen. Zur Preisoptimierung wird es sicherlich hilfreich sein, ein Angebot über die Leiterplatten anzufordern. Der Leiterplattenhersteller PCB wird dann einen Hinweis geben, welche technologischen Projektparamater in Preis der Leiterplatte dominieren und beraten, welche Modifikationen zur Senkung des Leiterplattenpreises vorzunehmen sind.