02.05.2022

Der Zusammenhang von Kupferverteilung und Leiterplattenqualität

Eine goldene Regel bei der Konstruktion von Leiterplatten lautet: Kupfer gleichmäßig über alle Lagen verteilen und einen symmetrischen Lagenaufbau bevorzugen. Eurocircuits erklärt, warum eine ausgewogene Kupferverteilung die Leiterplatten- und Baugruppenqualität verbessert und zeigt ein Tool und Tipps für gute Kupferverteilung.

Wichtige Qualitätskriterien einer Leiterplatte sind die Kupferdicke und Planarität innerhalb der zulässigen Toleranz. Wenn das Kupfer auf der Leiterplatte ungleich verteilt ist oder wenn die Lagen des Multilayers nicht symmetrisch in Anzahl oder Dicke über und unter der horizontalen Mitte der Leiterplatte liegen, entsteht ein Ungleichgewicht und die mechanische Stabilität nimmt ab.

Ein Ungleichgewicht verursacht möglicherweise Krümmungen (Verwölbung) und Verdrehungen (Verwindung) der Leiterplatte, weil sich die einzelnen Bestandteile, also das Kupfer und glasfaserverstärktes Harz (bei FR4-Material) beim Erwärmen und Abkühlen unterschiedlich schnell ausdehnen und zusammenziehen. Das Erhitzen und Abkühlen passiert beim Verpressen, Ätzen, Galvanisieren und Auftragen der Lötstoppmaske erhitzt sowie beim Lötprozess in der Leiterplattenbestückung.


Verwindung und Verwölbung der Leiterplatte messen

Die Leiterplattenhersteller haben ihre Fertigungsprozesse optimiert, um Verwölbungen und Verwindungen so gering wie möglich zu halten. Selbstverständlich liefert Eurocircuits nur Leiterplatten aus, die innerhalb der zulässigen Toleranz liegen. Wie Verwölbungen und Verwindungen gemessen werden und welche Toleranz zulässig ist, erklären wir in einem eigenen Beitrag Verwölbung und Verbindung von Leiterplatten verstehen und vermeiden.

Den größten Einfluss auf die Verwölbung und Verwindung hat der Leiterplattendesigner. Darum gilt:

  • Das Kupfer sollte immer so gleichmäßig wie möglich auf allen Lagen verteilt sein.
  • Es sollte immer ein symmetrischer Lagenaufbau gewählt werden, sowohl in der Anzahl als auch in der Dicke, wenn es für die Anwendung nicht entscheidend ist.


Tipps für gleichmäßige Kupferverteilung auf Leiterplatte und Nutzen

Gute Kupferverteilung bedeutet nicht nur höhere mechanische Stabilität und weniger Verwindung und Verwölbung. Gut verteiltes Kupfer hat noch eine andere wichtige Funktion. Es ist die Voraussetzung für gleichmäßige Schichtdicken der Kupferlagen und durchkontaktierten Bohrungen im Galvanikprozess. Ist die Kupferdichte niedrig, besteht die Gefahr, dass zu viel Kupfer abgeschieden wird. In diesem Fall wäre die Kupferschicht und die Lochwand zu dick; bei hoher Kupferdichte, könnte die Kupferschicht zu dünn sein und die Kupferhülse der Bohrung zu schwach.

Die wichtigsten Tipps und Beispiele für eine gute Kupferverteilung für Leiterplatten und Nutzen haben wir auf einer eigenen Seite zusammengestellt Galvano-Index Lösungen.


Web-Tool Galvano-Simulation zeigt Kupferverteilung an

Gemäß unserem Leitsatz “Right first Time” ist im Eurocircuits PCB Visualizer eine Galvano-Simulation integriert. Diese Funktion kann jeder nutzen. Dazu die Leiterplattendaten im Visualizer hochladen, den PCB Checker aktivieren und auf DFM-Information klicken. Das Galvano-Simulationstool zeigt die Kupferverteilung auf der Leiterplatte an. Es berechnet auf der Basis der Kupferdichte und -verteilung auf den Außenlagen den Galvano-Index.

Die Software unterteilt die Leiterplatte in Zellen. Die Kupferdichte jeder Zelle wird mit der durchschnittlichen Kupferdichte der gesamten Leiterplatte verglichen, und dieser Zelle eine Farbe zugewiesen. Bei blau markierten Bereichen besteht die Gefahr der Unterplattierung, bei rot markierten Bereichen der Überplattierung.


Kleiner Galvano-Index verursacht zu große Schwankungen der Kupferdicke

Bei einem Galvano-Index von 1 sind im Galvanikprozess keine Probleme zu erwarten. Ein kleinerer Wert bedeutet Ungleichmäßigkeit und wird auf dem visualisierten Bild der Leiterplatte durch rote und blaue Bereiche hervorgehoben. Ein Galvano-Index von weniger als 0,40 führt zu Problemen bei der Fertigung, erhöht den Ausschuss und kann die Qualität der fertigen Leiterplatte beeinträchtigen.

Grundsätzlich sind Toleranzen der Kupferdicke prozessbedingt und nicht zu vermeiden. Der Grund: Die Metallgitter des Kupfers bauen sich im nasschemischen Prozess nicht exakt gleichmäßig auf. Zudem wird in jedem Reinigungsschritt eine kleine Menge Kupfer abgetragen. Außerdem hat bereits das Ausgangsmaterial, das Start- oder Basiskupfer eine fertigungstechnische Toleranz von 10%. Das komplexe Thema Toleranz der Kupferdicke, erklärt dieser Beitrag Erklärung der Fertigungstoleranzen bei einer Leiterplatte.