Was sind Leiterplattendrucker, und haben sie den Mainstream erreicht?

Wäre es nicht toll, eine Leiterplatte (PCB) genau wie ein Dokument oder ein Bild zu drucken? Mit einem einzigen Mausklick erscheint Ihr Entwurf wenige Augenblicke später als fertige Leiterplatte. Dank einer Handvoll Hersteller sind solche Rapid-Prototyping-Leiterplatten-Drucker verfügbar. Die Ansätze und Geräte sind jedoch unterschiedlich.

Derzeit ist die Leiterplattenherstellung ein subtraktives Fertigungsverfahren. Die meisten Leiterplatten bestehen zunächst aus kupferkaschiertem FR4-Material, von dem das Kupfer entfernt wird, um die gewünschten elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten der Schaltung herzustellen. Schätzungen besagen, dass der Markt für Leiterplatten riesig ist (76 Milliarden Dollar bis 2027) und von Herstellern in Taiwan und China beherrscht wird, die zusammen einen Marktanteil von mehr als 60 % haben.

Die Herausforderung für die meisten Hersteller und Unternehmen sind Verzögerungen während der Prototyping-Phase ihrer elektronischen Schaltungen. Die billigsten Herstellungskosten für Leiterplatten haben die längsten Lieferzeiten. Wenn also ein Fehler im Entwurf gefunden wird, dauert es eine Woche, bis die nächste Charge korrigierter Leiterplatten eintrifft. Hinzu kommt noch die Zeit für das Platzieren und Löten der Bauteile. Kürzere Durchlaufzeiten von bis zu acht Stunden sind möglich, kosten aber etwa das Sechsfache für denselben Auftrag.
 

PCB-Drucker: Ansatz für die Farbdosierung

Ein Leiterplattendrucker, der Voltera V-One, verwendet ein X-Y-Plotterdesign, um leitfähige Tinte auf ein Substrat aufzutragen. Nach dem Auftragen werden das Substrat und die Tinte mithilfe eines integrierten Heizelements erhitzt, um die Tinte auszuhärten. Wie ein normaler Drucker wird der V-One über ein USB-Kabel mit einem Host-Computer verbunden, und die zugehörige App führt den Benutzer durch den Herstellungsprozess.
  Die leitfähige Tinte wird mit einer Spritze aufgetragen, ähnlich wie die Lötpaste, die beim Handauftragen verwendet wird. Die minimal erreichbare Spurbreite wird durch die verwendete Düse bestimmt, wobei dieser spezielle Drucker eine Spurbreite von bis zu 0,2 mm oder 8 mil erreicht. Das reicht für 0402-Passivteile oder ICs mit einem minimalen Pin-to-Pin-Abstand von 0,65 mm/26 mil. Als Substrat kann FR-4- oder FR-1-Platte verwendet werden (natürlich nicht verkupfert).

Ein alternatives Metall für Leiterbahnen

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Leiterplatte mit Kupferbahnen besteht die leitfähige Tinte hauptsächlich aus Silber, das mit dem "Träger" vermischt ist, d. h. den Bindemitteln, Lösungsmitteln, Additiven und Dispersionsmitteln, die das Fließen und Trocknen der Tinte während des Auftragens unterstützen. Aus diesem Grund ist die Leitfähigkeit der Leiterbahnen geringer als bei einer entsprechenden kupferbasierten Leiterplatte. Zum Beispiel hat 35 μm (1 oz) kupferkaschiertes FR-4 einen spezifischen Widerstand von 0,5 mΩ/Quadrat. Leitfähige Tinten auf Silberbasis haben je nach Hersteller einen Wert von 12 bis 40 mΩ/Quadrat. Für die meisten Anwendungen sind die Auswirkungen minimal, und die meisten analogen und digitalen Schaltungen können ohne Probleme realisiert werden.

Sobald Ihre Leiterplatte gedruckt und ausgehärtet ist, kann derselbe Drucker die Löcher für die durchkontaktierten Bauteile bohren, Lötpaste auftragen und die Bauteile einlöten. Der Benutzer muss lediglich den richtigen Bohrer in die Spannzange einsetzen und die oberflächenmontierten Bauteile von Hand platzieren.

  Doppelseitige Leiterplatten sind ebenfalls möglich, indem Leiterbahnen auf beide Seiten des FR-4-Substrats gedruckt werden. Durchkontaktierungen werden durch Bohren der Löcher und anschließendes Anbringen von Kupfernieten realisiert. Diese sind auch als Befestigungspunkt für das Löten von durchkontaktierten Bauteilen nützlich.

PCB-Drucker: Inkjet-Ansatz

Ein anderer Ansatz nutzt die gleiche Technologie, die auch in Tintenstrahldruckern verwendet wird. Dies ist die Lösung, die von der BotFactory SV2 verwendet wird. Der Drucker unterstützt verschiedene Substrate, auf die die leitfähige Tinte vor dem Aushärten mithilfe einer in das Druckbett integrierten Heizung "gespritzt" wird. Zur Unterstützung von mehrlagigen Leiterplattendesigns verwendet der SV2 eine zweite Druckerpatrone, die einen Isolator enthält. Dieser wird über die Leiterbahnen gedruckt und ermöglicht den Aufbau von bis zu vierschichtigen Leiterplatten. Jede Isolatorschicht wird mit einem eingebauten ultravioletten Licht ausgehärtet.
  Das Ergebnis ist eine sehr dünne mehrlagige Leiterplatte, die auf einer einzigen Seite des verwendeten Substrats gedruckt wird. Durchkontaktierte Bauteile können mit Kupfernieten befestigt werden, sofern das gewählte Substrat, z. B. FR-4, dick genug für die mechanische Befestigung ist. Für Durchkontaktierungen sind jedoch keine Nieten erforderlich. Stattdessen werden die leitenden Schichten durch Lücken in der Isolierschicht verbunden. Darüber hinaus eignet sich der SV2 besonders für die Entwicklung flexibler Schaltungen, da mit dem Tintenstrahldruckverfahren dünne Schichten erzielt werden können. Anwender haben von Erfolgen bei der Verwendung von Trägermaterialien aus Kaptonband und sogar Gewebe berichtet.
  Ein weiteres Merkmal des SV2 ist seine Pick-and-Place-Funktion (P&P). Nach dem Auftragen von Lotpaste auf die Pads kann der P&P-Kopf eine Reihe von oberflächenmontierbaren Bauteilen aufnehmen, die in Schlitzen an den Rändern des Druckbetts vorbereitet sind. Nach der Platzierung schmilzt das beheizte Bett die Lötpaste. Dies ermöglicht die hochautomatisierte Herstellung kleiner Mengen von Prototyp-Leiterplatten.

Vorteile und Nachteile von PCB-Druckern

Der erste Punkt ist vielleicht, dass die von diesen Druckern hergestellten Leiterplatten sich von den klassischen Leiterplatten unterscheiden. Der entscheidende Unterschied liegt in den Eigenschaften der Leiterbahnen, die durch die Verwendung von Silber anstelle von Kupfer entstehen. Für das Löten von Hand ist ein Zinn-Wismut-Silber-Lot und eine maximale Lötspitzentemperatur von 180 °C erforderlich. Bei höheren Temperaturen besteht die Gefahr, dass die Leiterbahnen zerstört werden, obwohl die Verwendung von Kupfernieten dieses Risiko beim Löten von Komponenten mit Durchgangslöchern verringert.

Eine weitere Herausforderung ist die Wärmeableitung der Komponenten. Das Kupfer einer herkömmlichen FR-4-Leiterplatte kann zuverlässig eine gewisse Menge an Wärme ableiten, z. B. von Leistungsgeräten. Bei diesen silberbasierten Designs müssen Sie unter Umständen etwas kreativer sein. Dank der Fähigkeit des SV2, eine Vielzahl von Substraten zu bedrucken, haben die Anwender Erfolg mit dem Druck auf wärmeableitende Materialien gehabt. Durch das Drucken einer Isolierschicht vor dem Aufbringen der Leiterbahnen kann sogar kupferkaschiertes FR-4 als Basismaterial verwendet werden.
  Die größte Herausforderung bei der Verwendung von PCB-Druckern ist vielleicht die Pflege der Verbrauchsmaterialien. Die Tinten und Lötpasten haben eine Haltbarkeit von 6 bis 12 Monaten. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass sie nach dem Gebrauch gekühlt werden, da sie sich sonst verfestigen und unbrauchbar werden.

Positiv zu vermerken ist, dass Leiterplattendrucker den Anwendern ein kompetentes Rapid Prototyping von Schaltungen ermöglichen, insbesondere bei der Erprobung alternativer, flexibler Substrate. Auch mit HF-Designs wie einem 915-MHz-Filter und Schaltungen, die bis zu 6 GHz arbeiten, hatten die Anwender Erfolg. Und Tests haben gezeigt, dass die Leiterbahnen recht langlebig sind. Bei der Verwendung einer gedruckten Leiterplatte für einen USB-Anschluss hat eine Leiterplatte mehr als 10.000 Steckzyklen überstanden.
 

Die Zukunft der Produktion?

Im Bereich des Prototyping und der Ausbildung haben PCB-Drucker durchaus ihre Berechtigung. Angenommen, Ihr Unternehmen entwickelt jedes Jahr viele neue Leiterplatten. In diesem Fall könnte sich die schnelle Durchlaufzeit für Leiterplatteniterationen zusammen mit der Unterstützung für kleine Fertigungsserien mit P&P-Kopfoptionen für Komponenten als gute Investition erweisen. Diese Drucker machen auch den Elektronikfertigungsprozess für Studenten an Schulen, Fachhochschulen und Universitäten transparenter.

Das von diesen Druckern verwendete additive Fertigungsverfahren ist jedoch für die Massenproduktion von Leiterplatten nicht wirklich geeignet. Es gibt jedoch auch andere, die das Gesicht der Leiterplattenherstellung verändern wollen. Der Gewinner des productronica 2021 Fast Forward Award, ioTech aus Israel, verfügt über ein additives Fertigungskonzept, das auf der Continuous Laser-Assisted Deposition (CLAD) basiert. Diese vielversprechende Technologie ermöglicht nicht nur die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten in Minutenschnelle, sondern könnte auch den Aufbau von Schaltungen ermöglichen, die mit den derzeitigen Verfahren nicht realisierbar sind, was zu Innovationen in der Wearable Tech und der implantierbaren Medizintechnik führen könnte.

Wenn Sie mehr über die hier erwähnten Leiterplattendrucker erfahren möchten, werfen Sie einen Blick auf den "Buyer's Guide to PCB Printers" von Elektor.