Leiterplattenfertigung mit Hohlraum für Präzisionsplatinendesigns

Eine Hohlraum-Leiterplatte ist eine speziell angefertigte Leiterplatte mit einer vertieften oder lokal bearbeiteten Fläche – keine Standard-Leiterplatte mit einem zusätzlichen Loch. Highleap Electronics fertigt Hohlraum-Leiterplatten für Designs, die Bauteilfreiheit, reduzierte lokale Dicke, gestufte Aussparungen oder eine definierte Hohlraumgeometrie erfordern. Falls Ihr aktueller Lieferant die benötigte Hohlraumtiefe, den Schichtaufbau oder die mechanischen Details nicht realisieren kann, senden Sie uns Ihre Fertigungsunterlagen zur Prüfung.

Für ein aussagekräftiges Angebot für eine kundenspezifische Leiterplatte mit Hohlraum benötigen wir mehr als nur die Gerber-Skizze. Hohlraumabmessungen, Tiefenreferenz, verbleibendes Material, Wandgeometrie, benachbartes Kupfer, Laminataufbau und jegliche HF- oder mechanische Funktionen beeinflussen den Fertigungsprozess. Wir prüfen diese Anforderungen vor der Angebotserstellung, sodass Preis und Lieferzeit auf der Grundlage Ihrer tatsächlichen Anforderungen festgelegt werden können.

Was ist die Herstellung von Hohlraum-Leiterplatten?

Ausgehend von einem normalen Mehrschichtaufbau wird Material vom Kern entfernt, entweder durch Ausfräsen einer Tasche von einer Seite oder durch Fräsen einer Nut durch die Platine. Anschließend werden die Deckschichten wieder auf den verbleibenden Kern laminiert. Das Ergebnis ist eine Platine, die lokal dünner als der Rest des Panels ist oder entlang einer definierten Nut hohl ist.

Was entfernt wird, ist genauso wichtig wie das, was übrig bleibt. Wird die Aussparung nur im Kern gefräst und die Prepreg-Deckschichten bleiben darauf geklebt, durchdringt das Fräswerkzeug den Kern und stoppt. Dadurch bleibt eine durchgehende Außenfläche für Bauteile und Steckverbinder erhalten. Wird die Aussparung von der Außenseite einer fertigen Platte gefräst, muss das Werkzeug durch eine Kupfer- und Prepreg-Schicht eindringen. Daher muss in der Zeichnung üblicherweise angegeben werden, ob die Aussparung offen oder geschlossen ist und welche Schichten darin enden.

Daraus ergeben sich zwei direkte Konsequenzen. Erstens muss jede Lage, die innerhalb der Aussparung endet, um die Aussparung herumgeführt werden. Daher muss die Aussparungskontur im Layout als Sperrbereich berücksichtigt werden. Zweitens hinterlässt eine gefräste Aussparung Kupferkanten an der Aussparungswand. Befindet sich diese Wand innerhalb einer Massefläche, ist das Kupfer dort nicht mehr durchgehend, und die Konstruktion muss dies berücksichtigen, anstatt von einer durchgehenden Bezugsebene auszugehen.

Arten von Leiterplatten mit Hohlraumstruktur und deren Fertigungsanforderungen

Der Begriff „Hohlwandplatte“ umfasst mehrere unterschiedliche Konstruktionen. Diese sind nicht austauschbar, und die Angabe der falschen Ausführung ist der häufigste Grund dafür, dass ein Kostenvoranschlag für eine Hohlwandkonstruktion deutlich höher ausfällt als erwartet.

Eine Blindtasche und eine Durchgangsbohrung verhalten sich im Bauteil sehr unterschiedlich. Die Durchgangsbohrung teilt die Leiterplatte in Bereiche, die mechanisch wieder verbunden werden müssen, üblicherweise durch Materialbrücken oder durch erneutes Laminieren durchgehender Deckschichten. Diese strukturelle Entscheidung bestimmt die Realisierbarkeit des Bauteils.

Anforderungen an die Leiterplattenkonstruktion hinsichtlich Festigkeit und Tiefe für Hohlraum-Leiterplatten

Das Laminat einer Leiterplatte ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff, dessen Steifigkeit durch das Glasfasergewebe im Kern entsteht. Durch das Fräsen wird diese Verstärkung in Schnittrichtung entfernt. Eine Leiterplatte mit einem breiten, durchgehenden Kanal kann sich unter der Belastung eines verschraubten Kühlkörpers oder der Einsteckkraft eines Steckverbinders verbiegen. In feuchter Umgebung schwächt der reduzierte Querschnitt zudem die Verbindung zwischen den Deckschichten und dem verbleibenden Kern.

Bei dieser Konstruktion sind drei Vorgehensweisen üblich, und alle drei gehören in die Zeichnung und nicht in das Ermessen des Herstellers:

• Materielle Brücken: Streifen des Kernmaterials bleiben quer über den Hohlraum erhalten, sodass der Schnitt nicht über die gesamte Breite verläuft. Dies ist die Standardmethode, um zu verhindern, dass eine Hohlblockplatte in zwei Teile spaltet.
• Durchgehende HäuteDie äußeren Prepreg-Lagen sind nicht unterbrochen, sodass die Leiterplatte auch nach dem Entfernen des Kerns eine Biegefläche behält. Bei beidseitig offenen Hohlräumen muss nachträglich eine äußere Deckschicht aufgebracht werden, wodurch sich die Dicke an dieser Stelle ändert.
• EckradienEine scharfe Innenkante in einer gefrästen Tasche stellt eine Spannungskonzentration und eine potenzielle Delaminationsstelle dar. Radiuswerte werden in der Zeichnung üblicherweise als Mindestradius und nicht als exaktes Maß angegeben.

Die Steifigkeit kann vor der Fertigung überprüft werden. Wenn Ihre Platine eine Aussparung aufweist und ein schweres Bauteil montiert, beschreiben Sie die Montageart und das Anzugsmoment der Schrauben in der Angebotsanfrage. Oftmals ist die lokale Lagerbeanspruchung um das Schraubenloch der limitierende Faktor, nicht die Gesamtsteifigkeit der Platine. In diesem Fall liefert eine technische Zeichnung der Baugruppe, anstelle des reinen Leiterplattenlayouts, dem Hersteller die benötigten Informationen. Dasselbe gilt für die Fragen zu Schrauben und Anzugsmomenten, die auf unserer Seite zu mechanischen Aspekten der Leiterplattenkonstruktion behandelt werden.

HF-Hohlraum-Leiterplattendesign für Masseflächen und Hochfrequenzschaltungen

Im Hochfrequenzbereich (HF) entfaltet die Hohlraumkonstruktion ihren größten Wert, birgt aber auch das größte Risiko subtiler Fehler. Beim Fräsen eines Hohlraums wird Kupfer aus den inneren Lagen im Hohlraumbereich entfernt, wodurch die Referenzebene unter diesem Bereich unterbrochen wird. Bei einem Hohlraum, der Teil eines Resonators, Filters oder Oszillators ist, ist diese Unterbrechung entscheidend: Die Abmessungen des Hohlraums bestimmen die Resonanzfrequenz, und die Metallbegrenzung definiert den Schwingungsmodus. Auch bei einem Hohlraum, der nicht resonieren soll, benötigt diese Unterbrechung eine definierte Begrenzung, da die Struktur sonst unvorhersehbar abstrahlt und koppelt.

Das Ergebnis hängt von drei Parametern ab, und alle drei müssen angegeben werden:

• HohlraumtiefeDies ist die dielektrische Höhe des Resonanzvolumens. Sowohl die Führungstoleranz als auch die Dicke der Außenleiterplatte beeinflussen diesen Wert, daher muss die Toleranz für die Tiefe enger sein als die Toleranz für die Dicke der Außenleiterplatte.
• Metallgrenzendefinition: ob der Hohlraum durch die verbleibende Kupferwand, durch einen plattierten Schlitz oder durch ein separates, in die Aussparung eingesetztes Metallteil definiert wird. Diese Varianten sind in Bezug auf Hochfrequenztechnik nicht gleichwertig.
• Dielektrisches Material im Inneren des Hohlraums: Da Harz und Füllstoff im Kern unterschiedliche Dk- und Df-Werte als die Prepreg-Deckschichten aufweisen, kann ein Hohlraum, der beide überspannt, die Resonanzfrequenz im Vergleich zu einer Berechnung, die auf einem einzigen Material basiert, verschieben.

Aus diesem Grund werden Hohlraumresonatoren üblicherweise zusammen mit einem HF-Materialsystem und nicht mit generischem FR-4 spezifiziert. Unsere Fertigungsrichtlinien für HF- und Mikrowellen-Leiterplatten erläutern, wie sich Lagenaufbau und Materialwahl auf die Impedanz auswirken, und die Materialfamilien selbst werden anhand unserer Mikrowellen-Leiterplattenmaterialien verglichen . Handelt es sich bei dem Design um einen Hohlraumresonator und nicht um eine allgemeine HF-Leiterplatte, sollten Material und Hohlraumtoleranz vor Freigabe der Layouts mit dem Hersteller abgestimmt werden.

Herstellungsprozess und Prüfung von Hohlraum-Leiterplatten

Eine Hohlkammerplatine ist keine Standardfertigung mit einem zusätzlichen Arbeitsschritt. Die Leiterbahnführung muss relativ zu den bereits verlegten Lagen positioniert werden, was den gesamten Ablauf einschränkt.

Die praktische Konsequenz ist, dass die Tiefe der Aussparung ein gefrästes Maß zwischen zwei laminierten Oberflächen ist und nach der Galvanisierung und Oberflächenbearbeitung gemessen wird. Benötigt ein Design eine geringere Tiefentoleranz, als durch Fräsen und Galvanisieren realisierbar ist, wird die Aussparung üblicherweise in ein mechanisches Bauteil integriert, anstatt beim Leiterplattenhersteller eine engere Fräsung zu fordern. Fragen zur Frästoleranz sind Bestandteil der Dateivorbereitung, die in unserem Leiterplattenlaminierungsprozess behandelt wird.

Hohlraum-Leiterplatte vs. eingebettetes Substrat: Die wichtigsten Unterschiede

Beide Ansätze integrieren Bauteile in die Platine und werden häufig bereits in der Spezifikationsphase verwechselt. Sie unterscheiden sich darin, was die Platine enthält und welche Aufgaben der Hersteller übernehmen muss.

Soll ein HF-Modul oder eine kleine Schaltung in die Leiterplatte integriert werden, bietet sich die Methode der eingebetteten Substrate an, die in der Regel besser kontrolliert werden kann und in unserem Artikel zur Leiterplattenkonstruktion mit eingebetteten Substraten detaillierter beschrieben wird . Soll hingegen ein HF-Volumen erzeugt oder ein diskretes Bauteil vertieft werden, ist die Hohlraumkonstruktion das richtige Verfahren.

Richtlinien für das Design von Hohlraum-Leiterplatten zur DFM-Überprüfung

Dies sind die Regeln, die in den meisten Fällen eher eine Neuzeichnung als eine Prozessoptimierung erzwingen:

• Abstand der Taschenwand zum Kupfer. Wenn die Taschenwand an eine durchkontaktierte Durchkontaktierung oder eine Ebene angrenzt, muss das verbleibende ringförmige Material den zweiten Laminierungszyklus überstehen. Eine Durchkontaktierung, die zu nahe am Taschenrand liegt, wird an der Wand freigelegt und nicht wie eine normale Durchkontaktierung durch die Beschichtung abgedeckt.
• Stütze unter dem Taschenboden. Wenn die Tasche im Kern eingefräst wird und der Hohlraumboden über eine große Fläche nicht abgestützt ist, wird er während des zweiten Presszyklus zusammenbrechen oder sich ablösen.
• Abstimmung zwischen Routing-Schritt und Grafik. Die Position der Aussparung muss durch den Fertigungsprozess des Herstellers an die Vorlage angepasst werden, und die Toleranz muss in Bezug auf wichtige Merkmale wie eine Durchkontaktierungsanordnung oder einen Anschlussfußabdruck angegeben werden.
• Werkzeugzugriff und Panelisierung. Die Oberfräse muss die Aussparung erreichen. Eine Aussparung nahe der Plattenkante oder eine Platte, die vor oder nach der Plattenmontage gefräst werden muss, verändert das Plattenlayout. Leiterplattenbestückung behandelt, wie sich die Paneelstrategien auf die Verlegeschritte auswirken und wo die Bauteile platziert werden müssen.
• Koplanarität an der Hautoberfläche. Wenn Bauteile über der Tasche sitzen, muss die Oberfläche innerhalb der Toleranz des Bauteils selbst flach bleiben, was die Dicke der Außenhaut und die Bewegungsfreiheit des Panels zwischen den Zyklen einschränkt.

Die meisten dieser Aspekte sind übliche DFM-Überlegungen, angewendet auf eine ungewöhnliche Geometrie. Unsere Überprüfung der Leiterplatten-DFM-Richtlinien (Design for Manufacturability) deckt die Standardregeln ab, und es lohnt sich, diese bei der Herstellung eines Hohlraums vollständig durchzuführen, da der Routing-Schritt mehrere der üblichen Regeln gleichzeitig betrifft.

Anforderungen an ein Angebot für eine Leiterplattenaussparung: Tiefe, Größe und Toleranzen

Die meisten Kostenüberraschungen bei Hohlkammerplatten entstehen durch Informationen, die nicht in der Zeichnung enthalten waren. Die folgende Liste enthält alle Angaben, die ein Metallbauer benötigt, um den Preis für die Fertigung ohne Rätselraten zu ermitteln:

• Stapelung mit Hohlraumposition. Lagenbezeichnungen, Material, Kupfer- und Prepreg-Dicke sowie eine klare Angabe, aus welcher Lage die Tasche gefräst wird und wie tief sie ist, gemessen von einer festgelegten Referenzfläche.
• Eine Schnittansicht durch den Hohlraum. Diese einzelne Ansicht beseitigt mehr Unklarheiten als eine Seite voller Notizen. Sie sollte den Boden der Tasche, die darüber liegenden Leitungen und alle Kupferrohre, die an der Wand enden, zeigen.
• Toleranz bei der Hohlraumtiefeund ob es sich um eine bilaterale oder totale Indikationsanforderung handelt.
• Wandgestaltung. Ob die Taschenwand als blankes Laminat belassen, beschichtet oder mit einem separaten Metallteil abgedeckt wird, beeinflusst sowohl das HF-Verhalten als auch den Korrosionsschutz.
• Brücken- und Stützdetailsoder die ausdrückliche Erlaubnis, dass der Hersteller sie auf Basis seiner eigenen Werkzeuge vorschlägt.
• Materialsysteminsbesondere wenn der Hohlraum Teil einer HF-Struktur ist, bei der sowohl der Dk- als auch der Df-Wert des Kerns und des Prepregs in die Berechnung einfließen.
• Mechanische Belastung. Wenn ein Teil der Baugruppe den Taschenbereich belastet, geben Sie das Anzugsmoment der Befestigungselemente und den Lastfall an.
• Akzeptanzkriterien. Womit der Hohlraum gemessen werden muss und ob die Überprüfung durch Schnittverfahren, durch Koordinatenmessung oder durch einen HF-Test an der fertigen Platine erfolgt.

Konventionen zur Dokumentation von Schichtaufbauten und wie diese erstellt werden sollten, werden in unserem Artikel über Leiterplatten-Schichtaufbaudesign behandelt , die Laminatseite der Frage in unserer Übersicht über die Laminatkonstruktion.

Hersteller von Hohlraum-Leiterplatten für Prototypen und Serienfertigung

Highleap unterstützt kundenspezifische Leiterplattenfertigungsprojekte , bei denen die Geometrie der Aussparung und der Materialaufbau auf einen vereinbarten Fertigungsweg abgestimmt werden können. Wir prüfen Prototypen von Leiterplatten mit Aussparungen sowie Produktionsanfragen. Der erforderliche Prüfumfang wird vor der Freigabe festgelegt. Ziel ist es, die kritischen Abmessungen und Prozessannahmen frühzeitig zu identifizieren – und nicht eine Standardlösung anzubieten, die möglicherweise nicht den Anforderungen der fertigen Leiterplatte entspricht.

Bei der Anfrage nach einem Angebot für die Fertigung von Hohlraum-Leiterplatten geben Sie bitte die fertige Leiterplattendicke, die Hohlraumlänge und -breite, die Tiefentoleranz, den Eckradius, die Hohlraumposition, die Anforderungen an die belichteten Lagen und die Stückzahl an. Bei HF-Hohlraum-Leiterplatten geben Sie bitte die Sperrbereiche der Massefläche, die Metallbegrenzung sowie alle Anforderungen an die kontrollierte Tiefe oder die elektrischen Eigenschaften an. Für Bauteil-freie Hohlräume fügen Sie bitte die Bauteilumrisse und die Zeichnung der mechanischen Montage bei.

Highleap kann im Rahmen unserer Leiterplattenfertigung auch den gesamten Leiterplattenaufbau prüfen . Projekte, die Hohlraumstrukturen mit anspruchsvollen HF-Aufbauten kombinieren, erfordern möglicherweise auch eine Prüfung unserer Hochfrequenz-Leiterplattenfertigungsoptionen. Reichen Sie Ihre Dateien über die Leiterplatten-Angebotsanfrage ein und geben Sie die für die Funktion kritischen Hohlraumstrukturen an.

• Angebotspaket: Gerber- oder ODB++-Dateien, Bohrdateien, Stapelaufbau, bemaßte Hohlraumzeichnung, Tiefentoleranz, Stückzahl und erforderliche Prüfprotokolle.

Häufig gestellte Fragen zur Herstellung von Hohlraum-Leiterplatten

Kann eine Hohlkernplatine wie eine normale Platine montiert werden?

Ja, sofern die Deckschichten über dem Hohlraum durchgehend und ausreichend eben für den Bestückungsprozess sind. Ist der Hohlraum an der Oberseite offen, benötigt dieser Bereich eine mechanische Abstützung durch das Gehäuse oder eine separate Abdeckung; dies muss in der Bestückungszeichnung vermerkt sein. Standard-SMT ist für die Deckschichten geeignet; ein Hohlraum, der die obere Kupferoberfläche unterbricht, schränkt die Platzierungsmöglichkeiten der Bauteile ein.

Beeinflusst die Führung des Hohlraums die elektrischen Eigenschaften der anderen Schichten?

Das ist möglich. Kupfer, das an der Taschenwand durchtrennt wird, bildet keinen durchgehenden Strompfad mehr, und jede Schicht ober- oder unterhalb der Tasche erfährt eine veränderte dielektrische Umgebung. Die elektrischen Auswirkungen hängen von der Geometrie der betroffenen Schicht, dem Rückstrompfad, der Signalfrequenz und der Kavitätsbegrenzung ab. Bei HF- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen sollte die Kavität im elektrischen Modell berücksichtigt werden, anstatt von einer rein mechanischen Struktur auszugehen.

Welche Auswirkungen hat die Lieferzeit üblicherweise?

Der Aufbau einer Leiterplatte mit Aussparungen erfordert einen zusätzlichen Fräsvorgang, einen zweiten Laminierzyklus und zusätzliche Prüfungen in jeder Phase. Daher ist die Lieferzeit in der Regel länger als bei vergleichbaren Leiterplatten ohne Aussparungen. Die zusätzliche Zeit hängt weniger von der Größe der Aussparungen als vielmehr von der Anzahl der Laminierzyklen und dem Panelaufbau ab. Ist der Zeitplan festgelegt, sollte dies in der Angebotsanfrage angegeben werden, da der Prozessablauf gegebenenfalls daran angepasst werden kann.

Kann man eine Hohlraumplatine mit vergrabenen oder verdeckten Durchkontaktierungen herstellen?

Ja. Die Einschränkung besteht darin, dass die Durchkontaktierungen genügend Abstand zur Taschenwand haben müssen, um nach dem zweiten Laminierungszyklus beschichtet und abgedeckt zu bleiben, und dass jede Durchkontaktierung, die innerhalb des Hohlraums enden soll, explizit definiert und nicht der Interpretation überlassen werden muss.

Wie wird die Hohlraumtiefe überprüft?

Die Messung erfolgt an der fertigen Platte, typischerweise durch Koordinatenmessung des Taschenbodens relativ zur Referenzfläche, und stichprobenartig durch Querschnittsuntersuchung. Ist die Tiefentoleranz für Ihre HF-Leistung entscheidend, fragen Sie im Angebot nach der Messmethode und dem Musterplan, anstatt diese anzunehmen.