Was ist eine PCB? Eine wesentliche Komponente der modernen Elektronik.

Eine Leiterplatte ist etwas Magisches, das einen Haufen Komponenten in intelligente Geräte verwandelt. Sie ist ein wesentliches, geschichtetes Skelett, das funktionale Verbindungen zwischen elektronischen Komponenten herstellt.

Eine Leiterplatte besteht aus mehreren Schichten, typischerweise aus Verbundmaterialien - Harze gefüllt mit Glasfasern unterschiedlicher Dichte als Isolatoren/Zwischenschicht-Dielektrika. Auch andere spezielle Materialien wie Keramik, Teflon oder bestimmte Kunststoffe können verwendet werden.

PCB-Struktur

Basisschicht: Die Basisschicht der Leiterplatte ist ein isolierendes Material, das der Platine mechanische Festigkeit verleiht. Am häufigsten wird Glasfaser (FR-4) wegen seiner Erschwinglichkeit, mechanischen Festigkeit und thermischen Stabilität verwendet. Für spezielle Anwendungen können auch Keramik- oder flexible Substrate entwickelt werden.

Leitende Schichten: Kupferfolie bildet die leitenden Schichten auf der Oberfläche oder im Inneren der Platine. Diese Schichten sind durch metallbeschichtete, durchkontaktierte Löcher (VIAs) verbunden, die eine Signalübertragung zwischen den Schichten ermöglichen.

Oberflächenbeschichtung: Die Leiterplattenoberfläche kombiniert zwei unterschiedliche Bereiche: lötbare Pads mit Oberflächenbeschichtungen (mit Gold, Silber oder anderen Legierungen) und eine nicht lötbare Oberfläche, die sie umgibt.

Lötstopplack: Die Oberfläche der Leiterplatte ist mit einem Lötstopplack bedeckt, einer isolierenden Schicht, die die Kupferleiterbahnen vor Oxidation schützt. Sie bietet grundlegenden Schaltungsschutz, funktionale Abdeckung, Erscheinungsbild und eine Oberfläche für zukünftigen Druck. Obwohl typischerweise grün, können in bestimmten Fällen auch andere Farben bevorzugt werden.

Siebdruck: Beschriftungen, Symbole und Komponentenmarkierungen werden auf die Leiterplatte gedruckt, um die Montage und Diagnose zu erleichtern.

Arten von PCB

Einschichtige Leiterplatte: Eine spezialisierte Lösung, besonders bemerkenswert in der Variante einschichtig auf Thermosubstrat, konzipiert für Anwendungen mit hohen Leistungsverlusten.

Doppelschichtige Leiterplatte: Verfügt über Kupfer auf beiden Seiten des Substrats. Besonders wichtig in der Massenproduktion und bei Automobilanwendungen.

Mehrschichtige Leiterplatte: Besteht aus mehreren Kupferschichten, die durch isolierende Schichten getrennt sind. Diese Platinen ermöglichen die Implementierung komplexer Schaltungen in einem kompakten Format. Aufgrund zunehmender EMI-Unterdrückungsanforderungen verwenden die meisten modernen Geräte, einschließlich Beleuchtungssysteme für Automotive Bereich, jetzt mehrschichtige Platinen (4 oder mehr Schichten).

Flexible und Starr-flexible Leiterplatten: Flexible Leiterplatten verwenden Materialien, die Biegen und Formänderungen ermöglichen. Starr-flexible Leiterplatten kombinieren starre und flexible Teile, was ihren Einsatz in komplexen mechanischen Baugruppen ermöglicht.

PCB-Herstellungsprozess

Wie werden PCB-Platten hergestellt?

1. Design: Die Leiterplatte wird mit CAD-Software (z.B. OrCAD (unser Hauptwerkzeug), Altium Designer, Eagle, KiCAD) entworfen, wo Schaltpläne und Platinenlayouts erstellt werden.
2. Ätzen: Die Kupferfolie wird mit Fotolack bedeckt, belichtet und entwickelt, um das Muster der Leiterbahnen zu erzeugen. Es folgt das Ätzen, wobei ungeschütztes Kupfer mit Säure oder Lauge entfernt wird.
3. Schichten und Laminieren: Wichtig für mehrschichtige Platinen, die aufgrund von EMI-Anforderungen jetzt Standard in den meisten elektronischen Geräten sind. Selbst relativ einfache Geräte wie Beleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge verwenden heutzutage häufig 4-Schicht-Leiterplatten.
4. Bohren und Via-Bildung: CNC-Maschinen bohren Löcher für Komponenten, während Laser Mikrovias erzeugen. Beide Lochtypen werden nach der Beschichtung zu durchkontaktierten Löchern (VIA).
5. Beschichtung: Die Löcher werden mit Kupfer beschichtet, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten herzustellen. Für fortschrittliche ELIC-Technologie (Every Layer Interconnection) erfordert der Prozess mehrere Iterationen durch Rückkehr zu Schritt 3, um die Schichtungs- und Beschichtungsphasen zu wiederholen.
6. Maske auftragen: Der Lötstopplack wird aufgetragen, um grundlegenden Schaltungsschutz und funktionale Abdeckung zu bieten sowie eine für den Druck geeignete Oberfläche zu schaffen.
7. Oberflächenbehandlung: Freiliegendes Kupfer wird mit einer leitfähigen und lötbaren Schicht bedeckt, die Gold, Silber oder verschiedene Legierungen wie ENEPIG sein kann. Bei RF-Anwendungen ist die Oberflächenbehandlung entscheidend für die endgültigen Leistungsparameter.
8. Siebdruck: Beschriftungen, Symbole, Legenden und Komponentenmarkierungen zur Erleichterung der Montage werden auf die Leiterplatte gedruckt.
9. Montage und Vereinzelung: Leiterplatten bleiben während des Montageprozesses Teil eines größeren Panels, was eine effizientere Produktion ermöglicht. Die Montage selbst ist ein komplexer Prozess, der Reinigung, Lotpastenauftrag, Komponentenplatzierung, Löten, Inspektionen, Bonden, weitere Inspektionen und Schutzschichtauftragen (conformal coating) umfasst. Darauf folgt die Vereinzelung - die Trennung einzelner Platinen vom Panel durch Schneiden oder Brechen und abschließende Tests. Die Panel-basierte Fertigung ermöglicht eine effizientere Handhabung und bessere Nutzung der Produktionsanlagen.

Anwendungen von PCB

Leiterplatten sind in den meisten modernen elektronischen Geräten unverzichtbar, von einfachen Geräten wie Uhren oder Taschenrechnern bis hin zu komplexen Systemen (Computer, Mobiltelefone, medizinische Geräte, Industriemaschinen und militärische Ausrüstung).

Externe Ressourcen

IPC - Association Connecting Electronics Industries — Eine internationale Organisation, die Standards, Schulungen und Ressourcen für die Leiterplattenherstellung und -design bereitstellt.

NextPCB Blog — Ein Blog mit einer breiten Palette von Informationen und Tutorials zum Leiterplattendesign und zur Herstellung.

EDN Network — Eine Website, die sich auf elektronisches Design konzentriert. Hier finden Sie Artikel, Tutorials und Neuigkeiten im Bereich Elektronik und Leiterplatten.

All About Circuits — Eine Community-Plattform für Ingenieure und Elektronikbegeisterte, die Tutorials, Artikel und Diskussionsforen anbietet.