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Was ist Durchkontaktierung?

Als Durchkontaktierung (DuKo) bezeichnet man eine elektrische vertikale Verbindung zwischen zwei oder mehr Leiterbahnebenen einer doppelseitigen Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB). Die englische Bezeichnung Via (Vertical Interconnect Access) ist im Deutschen ebenfalls gebräuchlich. Eine Platine mit Durchkontaktierungen nennt man durchkontaktierte Leiterplatte (DKL), eine ohne Vias entsprechend nicht-durchkontaktierte LP (NDKL). Mit dem zunehmenden Rückgang bedrahteter Bauelemente im Zuge des Aufkommens der Oberflächenmontage (Surface-Mounting Technology, SMT), erfüllen Vias eine wichtige Funktion, indem sie die wegfallenden Kontaktierungen ersetzten, die sich früher im Zuge der Durchsteckmontage verdrahteter Bauelemente automatisch ergaben. Es gibt jedoch auch einige Sonderformen der Durchkontaktierung, die primär oder gänzlich anderen Zwecken als der Verbindung von Leiterbahnen dienen.

Warum sind Vias wichtig in der Fertigung von Leiterplatten?

Moderne elektronische Geräte werden immer kompakter und gleichzeitig immer leistungsfähiger. Diese erfreuliche Entwicklung stellt die Leiterplattenfertigung jedoch vor eine große Herausforderung: Immer mehr Bauelemente müssen auf immer kleinerem Raum integriert werden. Ein unverzichtbares Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist das sogenannte Multilayering. Dabei werden mehrere Leiterebenen auf einer Platine untergebracht. Die metallischen Leiterebenen sind dabei jedoch durch nicht-leitende Lagen der Platine voneinander getrennt. Erst durch Vias ist es möglich, eine Verbindung zwischen diesen Ebenen herzustellen und somit komplexe Schaltungen zu entflechten.

Herstellung von Durchkontaktierungen

Damit eine Durchkontaktierung bzw. ein Via hergestellt werden kann, wird zunächst ein Loch mit der gewünschten Tiefe und dem gewünschten Durchmesser erzeugt. Dies geschieht klassischerweise beim standardmäßigen photochemischen Ätzverfahren mit einem mechanischen Bohrer, noch vor der Ätzung. Die Vias können anschließend mit der photoempfindlichen Folie, die ohnehin zur Herstellung der Leiterbahnen notwendig ist, verschlossen werden. Moderner ist die Erzeugung von DuKos mittels einer Laserbohrung. Vor allem bei sehr kleinen Durchkontaktierungen, sogenannten Micro-Vias mit einem Durchmesser von weniger als 100 µm, kommt meist das Laserbohrverfahren zum Einsatz. Laserbohren bietet neben den erreichbaren kleinen Durchmessern und der hohen Präzision außerdem den Vorteil, dass kein Staub (wie beim mechanischen Bohren) und keine giftigen chemischen Abfälle (wie beim Ätzverfahren) zurückbleiben.

Auf die Oberfläche des erzeugten Lochs muss anschließend eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht werden. Dies muss stromlos geschehen, da das durchbohrte Trägermaterial der Leiterplatte nicht elektrisch leitfähig ist. Zu diesem Zweck wird entweder Kupfer aus Palladiumkernen abgeschieden (sog. Bekeimung) oder das Via mit einer Graphitlösung gespült. Erst danach kann die Kupferschicht galvanisch verstärkt bzw. aufgebaut werden. Alternativ können Durchkontaktierungen auch ohne Bohrungen erzeugt werden, indem man eine Niete oder einen Kupferstift durch die Platine stößt. Dieses Verfahren ist jedoch selten.

Welche Arten der Durchkontaktierung gibt es?

Durchdringt das Via die Leiterplatte ganz, stellt also eine Verbindung zwischen den beiden äußeren Lagen einer Leiterplatte her, spricht man von einen Through-Hole-Via. Wenn das Via die Leiterplatte nicht durchstößt, sondern eine der beiden Außenlagen mit einer innenliegenden Kupferlage verbindet, handelt es sich um ein Blind Via oder Sackloch. Ein Buried Via ist eine Verbindung zwischen zwei inneren Leiterplattenschichten, es ist also von außen nicht zugänglich. Buried Vias sind in Multi-Layer -Leiterplatten zu finden, wo sie unverzichtbar sind, da erst durch sie die komplexen Layouts möglich sind.

Weiterhin werden Vias nach unterschieden, ob sie verschlossen oder offen durchgängig sind. Das offene Via ist die einfachste Form der Durchkontaktierung, da hier nach der Galvanisierung keine weiteren Prozesse mehr erforderlich sind. Offene Durchkontaktierungen von der Ober- zur Unterseite einer Leiterplatte haben jedoch auch Nachteile. Insbesondere in der Nähe von Lötstellen kann Lot in die Vias fließen. Dies bezeichnet man als Lotdurchstieg. Dieser ist vor allem deshalb problematisch, weil durch den Verlust von Lot die Lötverbindung geschwächt wird. Um dies zu verhindern, werden Vias an solchen Orten entweder mit Lötstopplack abgedeckt oder mit einer nichtleitenden Paste verfüllt, wenn es nicht möglich ist, einen größeren Abstand zu der Lötstelle einzuhalten.

Sonderformen der Durchkontaktierung

Dient die Durchkontaktierung ausschließlich der Verbesserung der vertikalen Wärmeleitung durch die Leiterplatte, bezeichnet man sie als Thermal Via. Kupfer besitzt, im Gegensatz zu faserverstärkten Kunststoffen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, weshalb es sich bestens zur Wärmeabfuhr von einzelnen Bauteilen eignet. Deshalb werden Vias auch ausschließlich zu diesem Zweck angelegt und stehen in keiner Verbindung zu den Leiterbahnen der Platine.

Eine weitere wichtige Funktion von Vias ist die Isolation bestimmter Abschnitte eines Bauteils von den elektromagnetischen Feldern, die von Komponenten in anderen Bereichen der Platine erzeugt werden. Um diesen Abschirmeffekt zu erzielen, wird eine Vielzahl von Vias in einer Reihe gebohrt und metallisiert. Anschließend werden die Vias mit einer Metallplatte bedeckt, die gleichzeitig als Erdung dient. Dieses kostengünstige, aber relativ platzintensive Verfahren bezeichnet man als Via Fence oder Via Stitching.

Durchkontaktierungen sollten nicht mit simplen Through Holes verwechselt werden. Letztere sind nicht-metallisierte Bohrungen durch die Platine, die als Lötaugen der Aufnahme bedrahteter Bauelemente dienen. Das gesamte Verfahren bezeichnet man als Durchsteckmontage bzw. Through-Hole Technology (THT). Die Abkehr von diesem platzintensiven Verfahren gab jedoch den Anlass zur Entwicklung der Durchkontaktierung: An die Stelle, der quasi automatisch durch die Drähte entstehenden Verbindungen, traten als Ersatz die extra zu erzeugenden Vias.

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