Wie galvanisieren wir Leiterplatten?

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Im Produktionsablauf kommt das Galvanisieren nach der Belichtung des Kupferbildes auf dem Trocken-Resists.

Während des Belichtungsprozesses bringen wir ein negatives Bild des Kupfer-Layouts auf dem Nutzen auf. Auf diese Weise können wir Kupfer elektrisch in den Bohrungen und auf den Leiterbahnen ablagern. Das Ziel dieses Prozesses ist es mindestens 20µm Kupfer auf den Leiterbahnen und in den Bohrungen abzuscheiden.

Nach der galvanischen Aufbringung von Kupfer wird eine dünne Zinnschicht ebenfalls galvanisch abgeschieden. Das Zinn dient als Ätzresist.

Für eine gleichmäßige Kupferverteilung auf der Leiterplatte verwenden wir eine spezielle Simulations-Software der Fa. Elsyca aus Belgien. Mit Hilfe dieser Software ermitteln wir die optimale Stromdichte und die Zykluszeit.

Unsere Kunden können eine ähnliche Analyse der Kupferverteilung ihrer Leiterplatte zum Zeitpunkt der Leiterplatten-Konfiguration, nach der Datenanalyse, auf der Seite von Eurocircuits durchführen, noch bevor die Bestellung getätigt wird.

Diese Analyse ist Bestandteil der Werkzeuge unseres PCB Visualizer® und das Ergebnis kann im Reiter DFM des PCB Checker® betrachtet werden. Wir berechnen für jede Leiterplatte einen Galvano-Index und zeigen eine Grafik, welche die Bereiche der Leiterplatte farblich hervorhebt, welche während der Aufkupferung entweder über-, oder unter-galvanisiert werden könnte. Das Ziel ist ein Galvano-Index der dem Wert 1 nahe kommt. Dies entspricht einer perfekt ausgewogenen Verteilung von Kupfer.

Vor der Galvanisierung werden maximal 4 Produktions-Nutzen zunächst auf einem Gestell befestigt, auf welchem diese Nutzen durch die Galvanik laufen. Die Gestelle schaffen eine elektrische Verbindung zur Stromversorgung. Dabei fungieren die Nutzen als Kathode. Die Nutzen durchlaufen verschiedene Behälter mit jeweils unterschiedlicher Funktion, wie z.B. Reiniger, Mikro-Ätze, Kupfer- und Zinn-Galvanisierung, Spülung und Trocknung.

Das Kupfer wird auf der Oberfläche des exponierten Basiskupfers elektrisch abgeschieden. Dank der leitenden Karbonschicht, die wir vor der Belichtung in den Bohrungen abgeschieden haben, können wir ebenfalls Kupfer in den Bohrlöhchern galvanisch aufbringen.

Für die galvanische Kupferabscheidung können wir zwei verschieden Gleichrichter-typen verwenden:

Gleichstrom, genannt DC
Pulse plating, genannt PP

Diese zwei Methoden haben einen unterschiedlichen Einfluss auf die Kupferverteilung über den Nutzen. Lassen Sie uns das etwas detaillierter ansehen.

Galvanisierung mit Gleichstrom-Gleichrichtern

Wir können diesen Prozess durch drei verschiedene Parameter beinflussen:

  • Die Kupferfläche der Leiterplatte, auf Ober- und Unterseite
  • Die Dauer der Galvanisierung
  • Die Stromdichte in A/dm².

Die Dauer der Galvanisierung und die Stromdichte sind variabel. Wir verwenden Programme mit unterschiedlichen Zykluszeiten. Je länger die Galvanisierung dauert und je niedriger die Stromdichte, desto gleichmäßiger ist die Kupferverteilung auf den Leiterplatten.

Andererseits hat eine Änderung der Zykluszeit zwischen zwei unterschiedlichen Durchläufen einen sehr negativen Effekt auf die Anlagen-Kapazität.

Bei der Gleichstrom-Methode wird eine kontinuierliche Stromstärke zwischen den Anoden und den Panels angelegt. Dadurch erreichen wir einen konstanten Stromfluss in welchem sich Cu-Ionen von den Anoden zu den Nutzen mit den Leiterplatten bewegen.

Falls das Design der Leiterplatten auf dem Nutzen eine unbalancierte oder ungleichmäßige Verteilung aufweist, erhalten wir eine stärkere Kupferabscheidung in Bereichen mit wenig Kupferfläche im Leitrbild und eine geringere Kupferabscheidung auf Flächen mit einem höheren Kupferanteil.

Für eine möglichst gleichmäßige Kupferverteilung während des galvanischen Prozesses, benötigen wir einen Galvano-Index der dem Wert 1 möglichst nahe kommt. Dieser Wert zeigt die Kupferverteilung des Leiterplatten-Designs, sowohl auf der Top- und Bottom-Seite der Leiterplatte an.

Puls-Plating Prozess

Beim Puls-Plating ist es möglich 6 verschiedene Schritte innerhalb eines Galvanik-Zyklus, sowie einen umgekehrten Stromfluss zu definieren. Ein Beispiel wird dies verdeutlichen.

  • Die Galvanisierungsdauer beträgt 100%. Dies ist die Gesamtzeit, welche die Panels im Kupferbad verweilen.
  • Diese 100% können in 6 verschiedene Zeitzonen mit unterschiedlicher Länge unterteilt werden.
  • Somit müssen zuerst die Zeiten für die verschiedenen Zeitzonen definiert werden.
  • Innerhalb dieser Zonen kann die Amplitude und die Zeit für den vorwärts- und rückwärts-gerichteten Strom definiert werden.
  • Die Genauigkeit beträgt Millisekunden

Was passiert genau?

Die Nutzen, welche als Kathode dienen, sind im Kupferbad. Wenn der positive Strom angeschaltet ist, findet eine Kupferabscheidung auf der Kupferoberfläche statt.

Wegen der unbalancierten Kupferverteilung gibt es Stellen, an welchen wir eine stärkere Ablagerung haben, typischerweise sind dieses Stellen mit weniger Kupfer im Leiterbild. Zur Kompensation wird innerhalb des Zyklus periodisch der negative Strom eingeschaltet.

Somit sind die Nutzen für eine sehr kurze Zeit Anoden und die angereicherten Ionen bewegen sich weg vom Nutzen.

Mit dieser Technik erreichen wir eine bessere Gleichverteilung des Kupfers im Endprodukt. Andererseits kostet ein Puls-Plating Gleichrichter etwa das zehnfache eines konventionellen, DC-Gleichrichters.

Jetzt sind unsere Nutzen mit DC-, oder PP-Technologie fertig galvanisiert.

Sobald die Nutzen die Galvanik verlassen überprüfen wir die Dicke des abgeschiedenen Kupfers jedes einzelnen Nutzens. Wir verwenden ein Wirbelstrom-Messgerät, um uns ein Bild von der Dicke der durchschnittlichen Ablagerung in den Löchern zu verschaffen. Diese Messung kann ohne Beschädigung erfolgen.

Wir fertigen Schliffbilder zur genauen Prozess-Kontrolle und für detaillierte Informationen durch. Schliffbilder sind eine destruktive Untersuchungsmethode, welche mehr Zeit beansprucht, aber dafür einen tiefen Einblick in den Prozess gibt. In der nächsten Episode dieser Technologie-Serie auf Eurocircuits TV, werden wir detailliert erklären, wie Schliffbilder angefertigt werden und welche Informationen wir daraus ziehen.

Jetzt vergleichen wir das Ergebnis der Galvanisierung mit Gleichstrom und Puls-Plating der gleichen Schaltung.

Im Schliffbild können wir erkennen, dass die Ablagerung des Kupfers auf der mittels Gleichstrom beschichteten Leiterplatte, nicht gleichmäßig ist. Die Dicke des galvanischen Kupfers ist in den Löchern und Leiterbahnen an den Stellen recht hoch, an denen das Leiterbild weniger dicht ist. Dementsprechend ist die Dicke geringer and den Stellen, wo wir vollflächige Kupferbereiche im Layout haben.

Das Schliffbild der Leiterplatte die im PP-Verfahren galvanisiert wurde, lässt sich eine homogenere Kupferverteilung erkennen. Wir müssen noch weitere Erfahrungen mit dieser PP-Technologie gewinnen, um eine Feinabstimmung der Parameter zu erreichen, aber wir sind zuversichtlich, dass wir zukünftig bessere Galvanik-Resultate für Leiterplatte mit geringem Galvano-Index erzielen können. Dennoch sollte das Ziel darin bestehen bleiben, Leiterplatten mit einer gleichmäßigen Kupferverteilung zu entwickeln.

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