Erstellen einer 4-Lagen-Platine

[Hellmut]

Hallo Freunde

Ich werde für die Steuerung der LED-Ketten zur indirekten Beleuchtung des Decks meines Modellsegelbootes Voilier, siehe "Schwimmender Roboter", denMC34844EP von Freescale einsetzen. Ich verbaue in meinem Modellsegelboot zur indirekten Decksbeleuchtung 36 Golden Dragon Gelb LEDs, die bis 500 mA Strom verkraften. Der Grund warum ich diesen Controller nehme ist der integrierte Boost-Schaltregler der aus der DC-Bordspannung bis zu 60V Ausgangsspannung erzeugt, wichtig für das in Serie schalten einer größeren Anzahl LEDs, in 10 Ketten mit je bis zu 50 mA die parallelgeschaltet werden können. Im Master/Slave-Modus 2 Controller zusammengeschaltet habe ich also bis zu 1A in 20 Ketten a 50mA über I2C oder direkt per PWM jeweils in 256 Schritten über I2C oder per PWM dimmbar. Ich werde einen mega8 in SMD Bauweise dazu auf die Platine bringen.
Die Herausforderung hier ist die Platine. Ich möchte diese aus 2 beidseitig mit Kupfer 70um fotosensitiv beschichteten Bungard-Platinen erstellen. Die Platinen werden jeweils auf der Oberseite eine Signallage haben, auf der Rückseite ein Ground-Plane.
1. Frage: Um die empfohlene 4-Lagen-Platine zu erstellen, möchte ich zwei Platinen beidseitig belichten und Ätzen, die Durchkontaktierungen mit Bungard-Nieten realisieren. Dann sollen die beiden Platinen in Sandwich-Bauweise verklebt werden. Vielleicht übertrieben, dachte ich die zu verklebenden Oberflächen mit Plastik-Spray von Kontakt zu isolieren und dann Epoxi aufstreichen und eine 29gr/m2 Glasfasermatte dazwischen legen. So kann ich die Isolation der aufeinander liegenden Lagen garantieren. Das ganze dann in einer zu bauenden Vorrichtung zusammenpressen und trocknen lassen. Was haltet ihr davon oder was würdet ihr mir empfehlen?
Meine möglichen Bedenken beziehen sich auf die Haftung des Epoxis wenn ich den Plastik-Spray vorher auf die Oberflächen auftrage.
Ist es sinnvoll die Leiterbahnen vorher mit SUR-TIN von Bungard chemisch zu verzinnen?
Was ist mit den elektrischen Eigenschaften wenn ich die Laminierung wie beschrieben mache?
2. Frage: Die Durchkontaktierungen sollen vor dem Verkleben der beiden beidseitigen Platinen zur 4-Lagen-Platine an den jeweiligen Platinen mit den Bungard-Nieten erfolgen. Nach dem Verkleben würde ich dann die beiden Außen-Oberflächen, also oben die erste Signallage mit den Leistungselementen, mit der Ground-Lage der unteren Platine mit Durckontaktierungen zwischen der "Leistungslage" mit den Bestückten Komponenten und der "Signallage" in der jetzt "Dritten-Lage" würde also über die unterste Groundlage erfolgen, da ich ja immer nur Durchkontaktierungen per Bungard-Nieten zwischen den Außenlagen erstellen. Ist das richtig?
3. Frage: Bei den 4-Lagen ist ja die exakte Position beim Belichten jeder der 4 Lagen entscheidend damit am Ende alles passt. Neben dem Verfahren mit der "Tasche" um bei den jeweils beidseitigen Platinen die exakte Positionierung auf beiden Seiten zu erreichen, möchte ich Bezugpunkte mit Bohrungen erstellen, in die ich Stifte stecke um so die Position der 4 Lagen zueinander beim mit Epoxi verkleben zu gewährleisten. Hat jemand einen besseren Tipp?
Ich habe mich durchgerungen und die Non-Profit-Lizenz von Eagle bestellt. Diese kann bis zu 4 Lagen 160x100mm untestützen, also für diese Anwendung ideal.

[Neutro]

Hallo Hellmut,

leider habe ich noch nicht so ganz verstanden, ob du die zwei Platinen mit je top und bottom Layer ausstatten willst und diese dann zu einer vier Lagen Platine zusammenbacken willst? Oder wie hattest du dir das vorgestellt? Das mit den Durchkontaktierungen mit den Bungard nieten wird wohl kaum so hinhauen, da sich die Mittellagen dann ja nicht mit verbinden. Bei den Bungard Nieten entsteht ja auf der ober und Unterseite eine Pfalz die auf die Außenlagen drückt, bei den Innenlagen wäre
das ja nicht der Fall. Bei Platinen von Hersteller werden die Kontaktieren durch galvanisieren hergestellt.

MfG

Neutro

[Hellmut]

Hallo neutro

Erstmal danke für deine Bereitschaft dich mit meinem Problem zu beschäftigen! ja, ich verwende 2 Platinen, jeweils doppelseitig belichtet, entwickelt und geätzt und verklebe die anschliessend mit Epoxi, wobei die Klebeflächen ja jeweils eine der Seiten der Platine sind und daher beim Kleben isoliert werden müssen.

Mit den Bungard Nieten hast du recht! daher werden die Durchkontaktierungen zuerst zwischen den beiden Lagen der einzelnen Platinen mit den Bungard Nieten realisiert und dann, nach dem Zusammenkleben der beiden 2-seitigen Platinen zu einer 4-Lagen-Platinen, werden die beiden Außenlagen der entstandenen 4-Lagen-Platine ihrerseits mit Bungard Nieten durchkontaktiert!

Ich hoffe ich konnte mich verständlich machen!

1-Lage }
Epoxi } 1. 2-seitige Platine
2-Lage }

Epoxi und Glasfaser-Verklebung der beiden einzelnen Platinen zur 4-Lagen Platine.

3-Lage }
Epoxi } 2. 2-seitige Platine
4-Lage }

Will ich also eine Signal-Verbindung von der Lage "2" zur Lage "3" machen, so muß ich vor dem Verkleben der beiden Platinen zur 4-Lagen-Platine eine Durchkontaktierung von Lage "2" zu Lage "1" machen,

und

eine Durchkontaktierung von Lage "4" zu Lage "3".

Nach dem Verkleben der 2 Platinen kann ich dann eine Durchkontaktierung von Lage "4" zu Lage "1" machen und habe so mein Ziel erreicht!

Ist das jetzt verständlich! Puhh, ist das schwer für mich mich klar zu äußern, bitte habt Nachsicht mit mir!

[Neutro]

Ja,

ich denke das ich das schon so verstanden habe.
Ich habe auch schon mal mit Bungard Nieten gearbeitet, aber dann nur mit "einfachen" doppelseitigen Platinen. Die Nieten haben aber einen entscheidenen Nachteil der darin besteht das der Nietkontakt nicht immer vorhanden ist, daher ist es besser um Frust zu vermeiden den Nietkontakt nach dem vernieten mit etwas Lötzinn zu verlöten.
Geht das eigentlich das man in einem Nietkontakt noch eine weitere Niete einführt? Der innendurchmesser dieser Nieten ist je eher gering..das solltest du auf jeden Fall vorher mal testen.

Bei der Erstellung des Layouts solltest du auf jeden Fall darauf achten das du bei den Bauteilanschlüssen von THT Bauteilen keine Kontaktierungen in den Innenlagen Layoutest, warum kannst du dir ja sicher denken...

LG

Neutro

PS: warum lässt du dir so eine Platine eigentlich nicht fertigen?

[Hellmut]

Hallo Neutro

Ich will immer alles selber machen, daher auch hier.

Ja, da noch nachlöten der Nieten habe ich schon immer als muss gesehen.
Ich stecke übrigens keine Nieten durch Nieten, aber ich stelle sicher die Nieten dann einzuführen wenn es möglich ist. Also Durchkontaktierungen zwischen Lagen 1+2, oder 3+4 vor dem Verkleben der Platinen zur 4-Lagen-Platine und zwischen 1+4 danach!. Nicht nur by "through-hole" Komponenten, also nicht SMD Komponenten,. sondern auch sonst muß ich darauf achten das durch alle 4 Lagen nie ein Konflikt entsteht, keine leiterbahn mit einer Nite kurzschliesst!
Aber ich schliesse aus dem was Du sagst und das es sonst keinen Widespruch gibt, das das Verfahren von mir OK gehen dürfte! Danke.

[goara]

also niete in neite find ich einw enig platzverbrauchend... wie gross sind denn dann die vias? da verbrauchst du doch mehr platz als du durch die extra lagen gewinnst oder?
ich würde eher nur jeweils die 2 lagen nieten und dann mit einem draht durchlöten, so wie bedrahtete bauteile verbaut werden.
woher weist du dass das epoxid überall gleich dick ist und nicht irgdnwo kontakte entstehen? würde eher eine isolationsfolie ( kunststoff) dazwischenlegen und nur an den vias aufstechen/bohren/brennen/stochern...
das mit den stiften für die position funktioniert top, mach ich bei 2 lagigen auch so...

grüße

[Hellmut]

Hallo Goara

Um sicherzustellen das kein Kurzer beim Verkleben der beiden zweiseitigen Platinen zur 4-Lagen-Platine entsteht und zur Sicherstellung einer gewissen Dicke der Klebeverbindung laminiere ich ja eine Glasfasermatte dazwischen. Also Epoxi Anstrich jeweils auf beide Auflageflächen, dann die 29gr Glasfasermatte au eine der Platinenauflegen und wie beim normalen Laminieren mit Epoxi bestreichen bis eine saubere Benetzung der Glasfaser erfolgt ist. Zusätzlich habe ich ja erwogen mit dem Plastik-Spray von Kontakt die zu verklebenden Platinenflächen vor dem Laminieren mit Epoxi und Glasfaser zu isolieren.
Dann weiss sich nicht wie das Thema "Niete-in Niete" hier hereingekomen ist, ich habe nicht vor das zu machen. Die Nieten werde getrennt gesetzt.
Was den Platz angeht für die Durchkontaktierungenn, Bungard-Nieten sind sicher sehr viel weniger Platz fordernd als ein Draht einzusetzen!
Dann, und das ist eigentlich entscheidend, sagen die Applikationsnoten von Freescale, ist das entscheidende Argument für den Einsatz der 4-Lagen die Signalleitungen zwischen 2 Ground-Lagen zu führen um diese von den Störungen des Leistungsteils mit dem Boost-Regler abzuschirmen. Leistungsteil und Schaltregler sind als SMD-Komponenten auf der Lage 1! Der MC34844EP ist in einem 32 Pin QFN -Gehäuse. Es sind eigentlich nur wenige Signalleitungen in die 3-Lage zu legen. Die meisten Anschlüsse werden vom Leistungsteil belegt, 10 Pin für den Anschluß der 10 LED-Ketten + 1 für den gemeinsamen Spannungsausgang VOUT und dann sind da die Anschlüsse für den integrierten Boost-Regler! Platzverbrauch durch die Durchkontaktiereungen ist eigentlich gering. Durch den Einsatz der Non-Profit-Eagle-Vesion die 4 Lagen unterstützt sehe ich beim Board-layout ja alle Lagen und werde es sicher nicht auf die Spitze treiben mit der Dichte der Durchkontaktierungen. Bei allen an einer Durchkontaktierung nicht betroffene aber durchstossenen Lagen ist der Bereich der Durchkontaktierung ohne Kupfer, also kein Kurzer möglich!

Wofür ich mich aber vorbereitet habe ist das Auftragen der Lötpaste auf die 0,25mm breiten Pads! Ich habe hierzu die spezielle Lötpaste Feinpitch 6, mit der feinsten Körnung der Partikel in der Lötpaste in einer 5ccm Kartusche plus einem speziellen Kolben für die 5ccm Kartusche. Dazu Nadel mit 0,20mm Durchmesser. Die Kartusche wird, in einem wasserdichten Plastikbeutel vor dem Einsatz in warmen Wasser auf die vorgeschriebene Temperatur gebracht. Bei 32 Pins denke ich wird das Auftragen der Lötpaste zu bewältigen sein. Das Aufsetzen des 32-Pin-QFN-Gehäuse werde ich mit einer speziellen Vorrichtung von Martin-SMT die sich gut in das Bohrfutter meiner BF20L Fräsmaschine einsetzen lässt und mit einer kleinen Vakkumpumpe das Gehäuse hält denke ich perfekt in seine Lage zu bringen sein und durch das Abschalten der Vakuumpumpe fällt das das Gehäuse den letzten Milimeter in seine Lage auf die mit Lötpaste benetzten Pads.
Anschliessend wird die Platine in meinen Pizza-Ofen-Reflow-Ofen gelegt und das vorgeschriebene Profil für das Löten gefahren. ich werde allerdings das IC vorher für mehrere Stunden im Backofen auf etwa 80 Grad erwärmen um so die Feuchtigkeit aus dem Gehäuse zu backen damit kein Popcorn-Effekt eintritt.
ich bin gespannt wie alles laufen wird!

[Yossarian]

Hallo
Wenn das Ganze keine "Machbarkeitsstudie" darstellen soll, mach ein 4 Lagen Layout und bestelle die Platine bei einem entsprechenden Hersteller.
Das wird billiger und befriedigender als das Gefriemel und Geklebe mit zwei Platten. Weniger Gewicht ist auch ein Argument bei Modellen.

Mit freundlichen Grüßen
Benno

[Hellmut]

Hallo Benno

das ist keine Machbarkeitsstudie, aber es ist auch kein Produkt für eine gewerbliche Tätigkeit. Aus dem gleichen Grund warum ich keine Fertigmodelle kaufe, sondern über Jahre meine Segelbootmodelle nach Plan baue, kaufe ich keine Platinen, sondern erwerbe mir die Befähigung diese selber zu erstellen!
Und in der Richtung bin ich richtig stolz, wenn ich nach dem "Gefriemel und Geklebe", etwas zustande gebracht habe. Der mögliche Gewichtsunterschied zwischen einergekauften Platine, also im Auftrag gefertigt und der selbstgebauten nicht groß um von Relevanz zu sein.
Trotzdem Danke für den Hinweis!

[Neutro]

Mir ist da noch etwas eingefallen, dadurch das die Nieten ja verlötet werden sollten muss man die Vias auf jeden Fall so setzen das diese sich nicht unerhalb von SMB Bauteilen befinden, die benötigen (besonders Controller) eine absolut plane Oberfläche.
Verstehe mich jetzt bitte nicht falsch, aber ich habe mir schon bei einigen Projekten so geholfen das ich zwei Platinen mit Steckverbindern "huckepack" aufeinander montiert habe, das klappt auch super und hat den Vorteil das man sich z.B nur einmal ein Controllerboard Layoutet und dann Später immer wieder dieses Board nutzen kann. Für das jeweilige Projekt braucht man dann nur noch die erforderlichen Komponenten auf die "huckepack Platine" Layouten und dann aufstecken. Das spart schon eine Menge Zeit und Arbeit wenn man sich mit der Zeit so eine Art Baukasten entwickelt hat.

Gruß

Neutro

[Hellmut]

Hallo Neutro

Danke für das aktive Mitdenken. Der Grund für die 4 Lagen ist eigentlich nur die Empfehlung vom Hersteller des LED-Treiber-Bausteines mit integriertem Boost-Schaltregler die Störungen vom Schaltregler und den Leistungsteilen von den Signalleitungen. Daher werden die Signalleitungen auf die Lage 3 gebracht und dort zwischen GND-Lagen geführt.
Für meine Durchkontaktierungen heisst das, dass ich die nicht so zahlreichen Signalleitungen möglichst nahe an den Pins des LED-Treiberbausteines zuerst von der Bestückungslage 1 in die Lage 4 und von dort in die Lage 3 bringe (Lagen 2 und 4 sind GND-Lagen).