Materialien + Verfahren – Bohren

Bohren von Leiterplatten

Die Bohrungen haben bei einer Leiterplatte im Wesentlichen 3 verschiedene Aufgaben:

• die Verbindung verschiedener Layout-Ebenen (“Durchsteiger bzw. Vias”)
• die Verbindung konventioneller (bedrahteter) Bauteile mit der Leiterplatte
• die mechanische Befestigung von Bauteilen bzw. Baugruppen.

Bohrungen für konventionelle Bauteile sowie die Mehrzahl der Vias werden nach wie vor auf mechanischem Wege in Leiterplatten eingebracht.

Dafür werden spezielle Bohrautomaten verwendet. Diese arbeiten mit sehr schnell laufenden Spindeln. (bis 300 000 Umdrehungen je Minute). Die verschiedenen Werkzeuge werden über ein automatisches Bohrermanagement verwaltet. Dieses beinhaltet jedes nur denkbare Werkeug. Nach jedem Werkzeugwechsel wird das Werkzeug vermessen. Abgebrochene oder verschlissene Werkzeuge werden ersetzt. Die Maschinen sind in der Lage, sehr schnell und sehr präzise zu positionieren und mit definiertem Vorschub zu bohren. (Mehrere Hübe pro Sekunde) Die Maschinen wechseln zudem die Werkstücke automatisch und laden das dazu jeweils zugehörige CNC-Programm.

Mögliche Bohrdurchmesser:

Mechanische Bohrer werden maschinenabhängig von einem Durchmesser von ca. 0,1 mm bis hin zu ca. 6 mm verwendet. Die zur Fertigung von Leiterplatten verwendeten Bohrer bestehen aus Vollhartmetall. Bohrer mit sehr kleinem oder sehr großen Durchmesser erlauben nur deutlich reduzierte Vorschübe. Bohrungen mit größerem Durchmesser werden mittels speziellen Fingerfräser ausgefräst.

Laserbohrmaschinen

werden typischerweise eingesetzt zur Einbringung von Blind vias, typischerweise mit Durchmessern von 100 µm. Solche Bohrungen werden im Allgemeinen nur bis z einer Tiefe von 100 µm eingebracht. Beim Bohren von Microvias arbeiten Laserbohrmschinen sehr effizient.

Aspekt ratio

Es reicht nicht aus, die Bohrungen in eine Leiterplatte einzubringen, sondern diese muß sich auch noch durchkontaktieren lassen. Für den minimalen problemlos durchzukontaktierenden Bohrdurchmesser ist das Verhältnis von Bohrdurchmesser zur Bohrtiefe relevant (aspekt ratio). Der erzielbare Aspect ratio ist vom Equipment des Leiterplattenherstellers abhängig. Nachfolgend (für uns geltende) typische Werte.

Bohrdurchmesser (mm)	0,2	0,3	0,4
mögliche Bohrtiefe (Platinenstärke) (mm)	1,0	2,2	2,4

Vorgabe der Nenndurchmesser

Der Nenndurchmesser von Befestigungsbohrungen wird sinnvollerweise mit Durchmesser des Befestigungselementes + 0,1..0,2 mm vorgegeben.

Bei “Durchsteigern” wird die Bohrung mit Paddurchmesser – 0,4 mm vorgegeben. Durchsteiger sollten nur so klein wie notwendig sein, um Kosten zu sparen.

Die Bohrungen für Bauteilpins werden üblicherweise zur Gewährleistung einer guten Bestückbarkeit und Lötbarkeit mit Durchmesser (größtes Maß) des Bauteilpins + 0,1..0,2 mm vorgegeben. Die Pads müssen dann mindestens 0,4 – 0,6 mm größer als der Nenndurchmesser vorgegeben werden.

Für Schaltungen, die in Einpresstechnik gefertigt werden sollen, liegen im allgemeinen spezielle Vorgaben des Herstellers des Einpresskontaktes zum optimalen Bohrdurchmesser sowie zu den eingeengten Bohrtoleranzen vor. Beachtet werden muss in diesem Falle auch die erforderliche Stärke des Kupfers in der Hülse.

Bohrtoleranzen:

Folgende Toleranzen müssen vorgesehen werden:

• Positionsgenauigkeit einer Bohrung: 0,1 mm

Vom Kunden vorgegebene Bohrdurchmesser stellen Enddurchmesser dar. Bei der fertigen Platine soll ein Passtift mit dem Nenndurchmesser in die Bohrung passen. Da sich im Laufe der Fertigung aufgrund der Durchkontaktierung der Durchmesser der Bohrung verkleinert, sowie der Bohrerdurchmesser sich durch Abnutzung reduziert, werden die durchzukontaktierenden Bohrungen mit einem Bohrer mit einem gegenüber dem Nenndurchmesser um 0,15 mm vergrößerten Durchmesser gebohrt. Die Bohrung auf der fertigen Platine liegt dann im

• Toleranzbereich von Nenndurchmesser -0 / +0,1 mm.

Microvias

Die Microviatechnik erlaubt das “Anbohren” von SMD-Pads ohne die Gefahr von Schlüssen durch Fertigungstoleranzen bei der Leiterplattenherstellung bzw. das Ablaufen des Lötzinns beim Reflow-Löten. Aufgrund des geringen Bohrdurchmessers ist jedoch nur ein relativ geringer Strom über einen solchen Durchsteiger übertragbar. Die bei der Verwendung dieses Verfahrens auftretenden technologischen Schwierigkeiten erhöhen den Preis solcher Leiterplatten deutlich.

Buried vias

(Verdeckte Bohrungen) verbinden Innenlagen eines Multilayers, ohne jedoch bis in die Außenlagen zu reichen. Aufgrund dessen spart man auf den Außenlagen Platz. Auch hierdurch entstehen deutlich höhere Kosten.

Blind vias

(Sacklöcher) reichen von einer Außenlage bis zu einer bestimmten Innenlage, reichen jedoch nicht durch die gesamte Platine. Auch auf diese Weise wird Platz in den anderen Ebenen gespart. Auch hierbei entstehen höhere Kosten. Sacklöcher können mit Laserbohrmschinen eingebracht werden. Ein typischer Durchmesser ist 100 µm. Die zu bohrende Tiefe darf im Allgemeinen den Durchmesser nicht übersteigen