Leiterplatte

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Eine Leiterplatte (Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung; englisch printed circuit board, PCB) ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Nahezu jedes elektronische Gerät enthält eine oder mehrere Leiterplatten.

Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen (Leiterbahnen). Als isolierendes Material ist faserverstärkter Kunststoff üblich. Die Leiterbahnen werden zumeist aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt. Die Bauelemente werden auf Lötflächen (Pads) oder in Lötaugen gelötet. So werden sie an diesen footprints gleichzeitig mechanisch gehalten und elektrisch verbunden. Größere Komponenten können auch mit Kabelbindern, Klebstoff oder Verschraubungen auf der Leiterplatte befestigt werden.

Oben: Bestückungsseite einer einseitigen Leiterplatte mit Bauteilen. Unten: Lötseite mit dem grünen, transparenten Lötstopplack. Das hellbraune Basismaterial erscheint durch den Lötstopplack hellgrün, die kupfernen Leiterbahnen dunkelgrün.

Leiterplattenarten[Bearbeiten]

Leiterplatte, mit elektronischen Bauelementen bestückt

Die Leiterplattenarten reichen von einseitigen Leiterplatten über Multilayer bishin zu Sondertechniken.

  • Standardleiterplatten
    • Einseitige und zweiseitige Leiterplatten
  • Multilayer mit mehreren Lagen (unterschiedlich, je nach Hersteller)
  • Sondertechniken (Sondertechniken kommen in allen Industriezweigen zum Einsatz und besitzen besondere Eigenschaften und Anforderungen)
    • Starrflex: Die Starrflex Leiterplatte bietet vor allem für Systeme, die einer ständigen Biegung unterliegen, eine zuverlässige und langlebige Komponente.
    • Flexlam
    • Hochstrom: Um den Transport von hohen Strömen und Signalelektronik über eine Leiterplatte zu realisieren.
    • Dickkupfer
    • Dünnstleiterplatten
    • Schleifring: Ein Schleifring wird für die Übertragung und zum Abgreifen von Energie, Signalen und Daten bei sich drehenden Systemen genutzt. Einsatzgebiete sind beispielsweise bei Industrierobotern und Windkrafträdern. Voraussetzung für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer einer Schleifringoberfläche ist die richtige Applikation der Edelmetallbeschichtung.
    • HDI-Leiterplatte
    • IMS Leiterplatte
    • Leiterplatten auf Glas

Herstellung[Bearbeiten]

CAD-Leiterplattenentwurf

Entwurf[Bearbeiten]

Der Leiterplattenentwurf (Layout) erfolgt heute meist mit einer Software, die neben den Leiterzug-Daten auch den Schaltplan und oft Stücklisten sowie auch Daten wie Lotpasten-Muster oder Bestückungsdruck enthält. Der Leiterplattenentwurf kann von den Leiterplatten-Layout-Programmen in einem Standardformat ausgegeben werden. Die meisten Leiterplattenhersteller verarbeiten die Formate Gerber RS-274X, Excellon oder Sieb & Meyer. Dabei werden die Projektdaten der Leiterplatte aufgeteilt. Der erste Teil besteht aus Gerber-Daten für die Topographie der Leiterplatten. Hiermit werden z. B. der Leiterbahnverlauf und die Lokalisierung von PADs etc. dokumentiert. Der zweite Teil besteht aus den Bohrdaten im Format der Excellon- oder Sieb & Meyer-Daten.

Die Leiterplattenentflechtung (manuell oder mit einem Autorouter) ist der Hauptinhalt des Entwurfes. Dazu kommen technologische Angaben wie Kupferstärke, Platinen-Fertigungstechnologie und Oberflächenart. Am Ende steht die Übergabe der Daten an die Produktion.

Dort wird nach den Daten zum Beispiel ein Film zur Belichtung, ein Drucksieb oder eine Lotpastenmaske hergestellt. Die Daten können auch zur Steuerung eines Lichtschreibers oder einer Fräse dienen. Die Bohrdaten im Format der Excellon oder Sieb & Meyer-Daten dienen zur Steuerung einer NC-Bohrmaschine.

Die Produktionsdaten sind in nach Funktion getrennten Ebenen strukturiert:

  • Muster einer oder mehrerer Kupferlagen (Leiterzüge und Flächen)
  • Bohrlöcher (Lage, Tiefe und Durchmesser)
  • Umriss und Durchbrüche
  • Bestückungsplan oben und unten
  • Lötstopplack oben und unten
  • Bestückungsdruck oben und unten
  • Klebepunkte und Lotpastenmuster für SMD-Bauteile oben und unten
  • Partielle Metallisierungen (zum Beispiel Vergoldung für Kontaktflächen)

Serienfertigung[Bearbeiten]

Photochemisches Verfahren[Bearbeiten]

Anlage zur Elektroplattierung
Leiterplatten während ihrer Elektroplattierung

Der größte Teil einseitiger und doppelseitiger durchkontaktierter Leiterplatten wird fotochemisch hergestellt.

Die heutige Reihenfolge der Herstellungsschritte ist:

  1. Bohren
  2. Durchkontaktieren (bei doppelseitigen Leiterplatten)
  3. Fotoresist laminieren
  4. Belichten
  5. Entwickeln
  6. Ätzen
  7. Spülen
  8. Trocknen

Danach folgen je nach Bedarf Nachbearbeitungsschritte.

Ursprünglich wurde das Bohren und Durchkontaktieren erst nach dem Ätzen der Leiterplatte vorgenommen. Seitdem aber der Fotolack durch sog. Trockenresist, eine fotoempfindliche Folie, ersetzt wurde, wurde die Reihenfolge der Produktionsschritte verändert. Vorteil ist, dass nun nicht mehr vor dem Durchkontaktieren eine Maske auf die Platine aufgebracht werden muss, die das Aufwachsen des Kupfers an unerwünschten Stellen verhindert. Da zu diesem Zeitpunkt noch die gesamte Leiterplatte von Kupfer bedeckt ist, erhöht sich nur die Schichtdicke der Kupferfolie. Die metallisierten Bohrungen werden während des Ätzvorganges von der Fotoresistfolie beidseitig abgeschlossen.

Die Herstellung der Leiterbahnen erfolgt in der Regel fotolithografisch, indem eine dünne Schicht lichtempfindlichen Fotolacks auf die Oberfläche der noch vollständig metallisierten Platte aufgebracht wird. Nach der Belichtung des Fotolacks durch eine Maske mit dem gewünschten Platinenlayout sind je nach verwendetem Fotolack entweder die belichteten oder die unbelichteten Anteile des Lacks löslich in einer passenden Entwicklerlösung und werden entfernt. Bringt man die so behandelte Leiterplatte in eine geeignete Ätzlösung (z. B. in Wasser gelöstes Eisen(III)-chlorid oder Natriumpersulfat oder mit Salzsäure + Wasserstoffperoxid[1]), so wird nur der freigelegte Teil der metallisierten Oberfläche angegriffen; die vom Fotolack bedeckten Anteile bleiben erhalten, weil der Lack beständig gegen die Ätzlösung ist.

Prototypen können auch durch Fräsen der Kupferschichten strukturiert werden („Isolationsfräsen“, s. u. Bild zu Lötrasterplatinen). Solche Platinen bestehen nicht aus Leiterbahnen, sondern aus Flächen, die voneinander durch Frässpuren getrennt sind.

Die Kupferschichten können nach dem Ätzen galvanisch verstärkt werden.

Die Herstellung der Bohrungen zur Aufnahme bedrahteter Bauteile sowie für Durchkontaktierungen erfordert aufgrund des Glasfaser-Anteils des Trägermaterials Hartmetallwerkzeuge. Wenn Bohrungen an den Innenwänden metallisiert werden, entstehen Durchkontaktierungen. Die Metallisierung der Bohrungen (isolierende Flächen) erfordert eine Bekeimung, nachfolgende stromlose Abscheidung einer dünnen Kupferschicht und schließlich deren elektrolytische Verstärkung.

Zusätzlich können galvanisch auf Teilflächen oder der gesamten Kupferfläche metallische Schutz- und Kontaktschichten aus Zinn, Nickel oder Gold aufgebracht werden. Dünne Vergoldungen erfordern zum Kupfer hin eine Diffusionssperrschicht (Nickel-Sperrschicht).

Danach wird ein Lötstopplack (grüne Lackschicht der Leiterplatte im Foto) aufgebracht, der die Leiterbahnen abdeckt und nur die Lötstellen frei lässt. Damit lassen sich Lötfehler vermeiden, beim Schwalllöten spart man Zinn und die Leiterbahnen werden vor Korrosion geschützt. Die frei bleibenden Lötstellen (Pads und Lötaugen) können mit einem physikalischen Verfahren (hot air leveling) mit einer Zinnschicht und zusätzlich mit einem Flussmittel überzogen werden, die besseres Löten ermöglicht.

Lotpaste-Inseln zum Auflöten von SMD-Bauteilen werden mittels einer Lotpasten-Maske aufgebracht. Sie ist aus Metallblech und enthält an den Stellen Löcher, wo Lotpaste hin soll. Die Masken werden durch Laserfeinschneiden hergestellt. Ein weiterer möglicher Verfahrensschritt bei der SMD-Bestückung ist das Aufbringen von Kleberpunkten, die die Fixierung der Bauteile beim Bestücken (Pick and place) bis zum Löten sicherstellt.

Oft tragen Leiterplatten einen per Siebdruck hergestellten Bestückungsdruck, der in Verbindung mit einem Schaltplan Montage und Service erleichtert.

Stanztechnik und Drahtlegetechnik[Bearbeiten]

Zwei weitere wichtige Herstellungsverfahren für Leiterplatten sind die Stanztechnik und Drahtlegetechnik.

In Stanztechnik werden Leiterplatten für sehr große Stückzahlen hergestellt. Die Technik eignet sich nur für einseitige Leiterplatten aus Pertinax oder unverstärkten Kunststoffen. Dabei wird Basismaterial ohne Kupferauflage verwendet, eine Kupferfolie mit einer Klebstoffschicht wird auf das Basismaterial gelegt und dann mit einem Prägestempel die Leiterbahnformen ausgestanzt und gleichzeitig auf das Basismaterial gedrückt. In einem Arbeitsgang werden dabei die Kontur der Leiterplatte und die Bohrungen gestanzt, sowie das Leiterbild ausgestanzt und mit dem Basismaterial verklebt.

Für kleine Serien und für spezielle Anwendungen, die eine hohe Stromfestigkeit der Leiterplatte benötigen, wird die Drahtlegetechnik angewandt. Dabei verlegt eine Maschine isolierte Drähte auf dem Basismaterial, die mittels Ultraschallschweißens sowohl an den Lötpunkten angeschlossen, als auch auf der Oberfläche des Basismaterials befestigt werden.

4-fach-Nutzen

Mit „Nutzen“ wird bei der Anfertigung von Leiterplatten das Zusammenfassen mehrerer kleinerer Layouts auf einer großen Platine bezeichnet. Der Begriff stammt aus der Drucktechnik. Die gesamte Verarbeitungskette erfolgt soweit möglich mit diesem Nutzen. Durch geschickte Anordnung unterschiedlicher Entwürfe können die üblicherweise rechteckigen Formate des Basismaterials auch bei abweichenden, beispielsweise L-förmigen Geometrien gut ausgenutzt werden. Für die anschließend erforderliche Zerteilung der Platine ist der Begriff Nutzentrennung gebräuchlich.

Siebdruck[Bearbeiten]

Anstelle des fotochemischen Verfahrens kann für die Abdeckung der Leiterzüge vor dem Ätzen auch die Siebdrucktechnik verwendet werden. Diese ist insbesondere für einseitig beschichtetes Material und für einen niedrigen Schwierigkeitsgrad der Leiterplatten geeignet.

Prototypen[Bearbeiten]

Prototypenaufbau auf einer Lochrasterplatine
Zwei Ausführungen von Lochrasterplatinen im Raster 2,54 mm, mit quadratischen bzw. runden Lötpads. Die quadratischen Pads entstanden durch Fräsen und die runden durch Ätzen.
Platine überwiegend in Frästechnik
a) Stück einer unbestückten Lochrasterplatte mit einem Rastermaß von 2,54 mm und b) mit einem Rastermaß von 1,27 mm für den Aufbau von Prototypenschaltungen. In c) ist das kupferkaschierte Basismaterial ohne Leiterbahnen zur Herstellung von elektrischen Schaltungen abgebildet.

Vor der Serienfertigung ist es oft ratsam, eine Schaltung zu testen, ohne die hohen Kosten für die Erstellung der Fotomasken zu riskieren.

Dazu gibt es folgende Möglichkeiten:

Fertigung im Pool[Bearbeiten]

Hersteller bieten die Fertigung von Einzelstücken und Kleinstserien im „Pool“ an, d. h. mehrere Einzelstücke als Nutzen (siehe oben) werden auf einer großen Platte gebohrt, durchkontaktiert, belichtet, geätzt und danach ausgefräst.

Experimentierplatinen [Bearbeiten]

Lochrasterplatinen weisen Bohrungen oder Lötaugen (einseitig oder durchkontaktiert) in einem Raster auf, das für Elektronikbauteile üblich ist, also 2,54 mm, was 0,1 Zoll entspricht, (für die selteneren metrischen Bauteile 2,5 mm) oder die Hälfte davon. Verbindungen können durch Löten mit Schaltdraht, in Fädeltechnik oder in Wickeltechnik hergestellt werden. Oft sind mehrere Augen bereits durch Leiterbahnen verbunden (z. B. für Betriebsspannungen) oder es sind längere und kürzere Leiterbahnen bereitgestellt, um praktischen Anforderungen näher zu kommen. Auch komplett mit parallelen Leiterbahnen versehene Experimentierplatinen (Lötstreifenplatine) sind üblich. Diese können nach Bedarf mit einem Werkzeug aufgetrennt werden, indem die Leiterbahn durchgeritzt wird. Zudem gibt es kleine Experimentierplatinen passend für gängige SMD-Gehäuseformen, um deren Anschlüsse auf das Raster zu adaptieren.

Frästechnik[Bearbeiten]

Bei der Frästechnik werden mit einem Stiftfräser Trennlinien zwischen den Leiterflächen hergestellt. Dabei bleibt alles Kupfer stehen (Inselverfahren). Die nasschemischen und fotolithografischen Schritte entfallen. Mit spezieller CAD-Software können CNC-Programme generiert werden, so dass selbst Prototypen schnell zu fertigen sind.

Tonertransfermethode[Bearbeiten]

Dabei wird das Layout mit einem Laserdrucker spiegelverkehrt auf geeignetes Papier oder eine speziell dafür gefertigte hitzebeständige Folie gedruckt (Katalogseiten o. ä.) und anschließend mit Bügeleisen oder Laminiergerät auf die Platine „aufgebügelt“. Der Toner wird dabei wie in der Fixiereinheit des Druckers leicht flüssig und verbindet sich mit dem Kupfer der Platine. Anschließend wird das Papier wieder mit Wasser abgelöst – der Toner verbleibt auf dem Kupfer. Darauf folgt der Ätzvorgang, wobei die vom Toner abgedeckten Stellen stehenbleiben. Der Toner kann anschließend mit Verdünnung entfernt werden. Bei diesem Verfahren können Toleranzen durch Papiertransport im Drucker sowie durch Dehnen und Schrumpfen des Papiers durch die Erhitzung auftreten.

Filzstifte[Bearbeiten]

Die Leiterbahnen und Lötaugen können auch direkt mit einem wasserfesten Filzstift (sog. Permanent Marker) auf das Basismaterial übertragen werden. Die Farbe schützt während des Ätzvorganges die abgedeckten Flächen. Nach dem Ätzen wird die Farbe dann mit Spiritus oder Aceton entfernt.

Wird dieses Verfahren analog auf eine Kunststofffolie angewendet, so lässt sich die entstandene Maske auch für das Photopositivverfahren verwenden und ermöglicht auf diese Weise eine Massenproduktion.

Anreibesymbole[Bearbeiten]

Manche Hersteller vertreiben Anreibesymbole, die Lötaugen, Leiterbahnteile oder elektrische Symbole darstellen. Diese werden – ähnlich wie Abziehbilder auf die Leiterplatte aufgelegt und angerieben. Die aufgebrachten Symbole schützen dann das Kupfer unter ihnen während des Ätzvorganges. Dieses Verfahren wird auch in Kombination mit einem Filzstift angewendet (z. B. Lötaugen mit Anreibesymbolen, Leiterbahnen mit Filzstift). Nach dem Ätzen werden die Symbole durch Aceton oder durch Abkratzen entfernt. Lötlack, der oft aufgebracht wird, um die Fließeigenschaften des Bleis zu verbessern, löst ebenfalls die Symbole.

Auch dieses Verfahren kann zur Masseproduktion auf eine Folie für das Photopositivverfahren angewendet werden.

Ölmethode[Bearbeiten]

Besonders bei Bastlern ist die Ölmethode für die schnelle Umsetzung von Entwürfen mit minimalem Aufwand beliebt. Dabei wird das Layout mit höchster Schwärzung auf normalem Papier ausgedruckt und dann mit Öl getränkt, wodurch das Papier weitestgehend transparent wird. Die eigentliche Belichtung kann mit jeder UV-Lichtquelle durchgeführt werden (Sonne, Solarium, …).

Geschichte[Bearbeiten]

Historische Leiterplatteaufbau aus den 1950er Jahren, sogenannter englisch Cordwood circuit, mit zwischen zwei Leiterplatten angebrachten elektronischen Bauelementen

Vor der Einführung von Leiterplatten wurden elektronische Schaltungen frei verdrahtet, ggf. unter zusätzlicher Verwendung von Lötleisten. Mechanische Stützpunkte waren dabei Bauteile wie Potentiometer, Drehkondensatoren, Schalter mit ihren Lötösen sowie die Fassungen von Elektronenröhren. Je nach Hersteller bemühte man sich um übersichtlich rechtwinklige Anordnung der Bauelemente oder wählte immer die direkte, schräge Verbindung. Da die Bauelemente wie Kondensatoren oder Widerstände damals auch noch sehr groß und lang waren, konnten sie Distanzen von einigen Zentimetern überbrücken.

Geräte dieser Art waren nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes zu fertigen.

Leiterplatten-Vorläufer ab den 1920er Jahren waren gestanzte Leiterzüge, die auf Hartpapier aufgenietet wurden. Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren) wurden ohne Lötverbindung zwischen Blechfedern getragen. Paul Eisler, ein Wiener Elektronik-Ingenieur, ließ sich 1943 das Prinzip der gedruckten Leiterplatte patentieren, das aber lange Zeit neben der regulären Handverdrahtung ein eher unbedeutendes Schattendasein fristete. Erst mit der zunehmenden Miniaturisierung der Elektronik nahm die Bedeutung dieser Technik zu.

In der Anfangszeit um 1940 wurden Schaltkreise auch durch Siebdrucken von Silberleitlack auf der Grundplatte hergestellt. Auf Keramiksubstrate gedruckte und eingebrannte Leiterbahnen und Widerstände werden demgegenüber unter dem Begriff Dickschichttechnik geführt.

Fertigungstechnik[Bearbeiten]

Der Einsatz von Leiterplatten begann Anfang der 1950er Jahre durch die von Fritz Stahl gegründeten Ruwel-Werke in Geldern am Niederrhein.

Bei gedruckten Schaltungen werden die Anschlussdrähte der Bauteile von oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (engl. Through Hole Technology, THT) – eine auch heute noch weit verbreitete Technik. Auf der Unterseite (Löt-, Leiter- oder L-Seite) befinden sich die Kupferleiterbahnen, an denen sie festgelötet werden. Das erlaubt eine vereinfachte und automatisierbare Fertigung, gleichzeitig sinkt die Fehlerrate bei der Produktion, da Verdrahtungsfehler damit für die Schaltung auf der Leiterplatte ausgeschlossen werden.

Komplexere einlagige Leiterplatten erfordern zusätzliche Verbindungen, die nicht im Layout herstellbar sind. Diese werden durch Lötbrücken mittels abgewinkelter Drähte oder Null-Ohm-Widerstände hergestellt. Letztere lassen sich besser in Bestückungsautomaten einsetzen. Alternativ nutzt man für diese Verbindungen Kupferbahnen auf beiden Seiten der Leiterplatte (doppellagige Leiterplatte, DL). Verbindungen zwischen oberer (Bestückungs- oder B-Seite) und unterer Seite wurden durch Löten eingepresster Stifte oder Niete erzeugt.

Erst in den 1960er Jahren wurden diese Verbindungen (Durchkontaktierungen, DK, engl. vias) durch die Leiterplatte hindurch chemisch durch Metallisierung der Lochwände der Bohrungen erzeugt.

Aus Kostengründen werden auch heute noch einlagige Leiterplatten hergestellt, wenn die Schaltung es erlaubt. Gegenüber einer doppelseitigen, durchkontaktierten Leiterplatte liegen die Kosten für eine gleich große einseitige Leiterplatte bei 25–50 %.

Ein erheblicher Teil der weltweit hergestellten Leiterplatten wird auch heute noch von Hand bestückt, obwohl es bereits seit ca. Mitte der 1970er Jahre Bestückungsautomaten gibt. Moderne Leiterplatten mit hoher Packungsdichte und oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMD) können jedoch nicht von Hand bestückt werden. Sogenannte „Pick & place“-Automaten übernehmen die Handhabung der teilweise weniger als 1 mm² großen Bauteile. Zunehmend werden im Anschluss an das Reflowlöten der auf beiden Seiten bestückten SMD die THT-Bauelemente von Hand bestückt und anschließend selektiv gelötet.

Layout[Bearbeiten]

Links das im CAD erstellte Layout einer Leiterplatte, in dem die verschiedenen Lagen mit unterschiedlichen Farben dargestellt sind. Rechts die daraus hergestellte und mit Bauelementen bestückte Leiterplatte mit gut sichtbarem Bestückungsaufdruck.

In den 1960er Jahren zeichnete man das Layout (Leiterbahnen-Struktur) im Maßstab 2:1 mit Tusche oder in Klebetechnik mit Layoutsymbolen und Kleberollen (Brady) auf Rasterfolien. Später erstellte man an Programmierarbeitsplätzen NC-Programme zur Steuerung eines Lichtzeichengerätes, welches den zur Fotolithografie erforderlichen Film herstellte. Danach verwendete man Computer, um die Zeichnungen der verschiedenen Kupfer- und Drucklagen sowie das NC-Steuerprogramm für die Herstellungen der Bohrungen zu erzeugen.

Aktuelle Layoutprogramme für die sog. Electronic Design Automation (EDA) ermöglichen die Erzeugung eines Verbindungsplanes und der entsprechenden Darstellung („Rattennest“) aus einem Stromlaufplan und beinhalten umfangreiche Bauteil-Bibliotheken, in denen für jedes Bauteil auch die Gehäusegeometrien, technische Daten und die Lage und Größe der Lötpads (englisch Footprint, für „Fußabdruck“) enthalten sind. Der Footprint bezeichnet die Abmessungen der Lötaugen bei der Through Hole Technology (THT) bzw. die Abmessungen der Lötpads bei Surface Mounted Devices (SMD) für ein bestimmtes Bauteil auf der Leiterplatte.

Die automatische Leiterplattenentflechtung anhand eines gegebenen Stromlaufplanes und Vorgabe von Design-Regeln (Platzierung der Bauteile (Autoplacement) und Entflechtung (Autorouting) der elektrischen Verbindungen) ist heute bei einfachen Leiterplatten Standard. An seine Grenzen stößt dieses Verfahren bei komplexen Leiterplatten, die viel Erfahrung bei der Entflechtung erfordern (z. B. bei Mobiltelefonen). Auch eine Steigerung der Computer-Rechenleistung bringt keine Verbesserung, da die Eingabe der komplexen Design-Vorgaben teilweise mehr Zeit in Anspruch nimmt als die manuelle Entflechtung.

Die Strombelastbarkeit (Stromdichte) von Leiterbahnen ist ein wichtiger Design-Aspekt. Sie kann wesentlich höher als diejenige von Massivdrähten liegen, da das Substrat durch Wärmeleitung kühlt.[2] Layout-Software kann die Strombelastbarkeit berücksichtigen.

Die kapazitive und induktive Verkopplung der Leiterbahnen, deren Empfänglichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Feldern sowie die Abstrahlcharakteristik (Störemission) wird unter dem Sammelbegriff Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschrieben. Moderne Software kann inzwischen ansatzweise auch EMV-Aspekte innerhalb der Platine berücksichtigen.

Weitere Aspekte sind:

  • Bei hohen Frequenzen und Impuls-Steilheiten ist die Wellenimpedanz der Leiterbahnen von Bedeutung (siehe Streifenleitung).
  • Bei analogen Signalen (besonders Audioanwendungen mit hohem Dynamikumfang) müssen Masseschleifen (auch Erdschleifen, Brummschleifen genannt) vermieden werden.
  • Bei hohen elektrischen Spannungen müssen aus Sicherheitsgründen zwischen den Leiterbahnen bestimmte Mindestabstände (Aura) eingehalten werden.

Leiterplattentechnologien[Bearbeiten]

Leiterplatte mit bedrahteten Bauelementen

Ein großer Teil der Leiterplatten in elektronischen Geräten wird auch heute noch aus einseitig kaschiertem Material und mit bedrahteten Bauteilen hergestellt. Mit fortschreitender Miniaturisierung werden auf deren Unterseite zunehmend SMD-Bauteile eingesetzt, während die Durchsteckbauelemente von oben bestückt werden. Die SMD-Bauteile können zusätzlich geklebt sein, so dass sie beim Löten nicht abfallen.

Die teureren durchkontaktierten Platinen sowie noch teurere Mehrlagenplatinen werden bei komplexeren (z. B. Computer), zuverlässigeren (z. B. Industrieelektronik) oder miniaturisierten (z. B. Mobiltelefone) Baugruppen eingesetzt.

SMD-Leiterplatten[Bearbeiten]

Ausschnitt einer SMD-Platine

Mitte der 1980er Jahre begann man damit, unbedrahtete Bauteile zu fertigen, die direkt auf die Leiterbahnen zu löten waren. Diese oberflächenmontierten Bauelemente (engl. Surface Mounted Devices, kurz SMD) ermöglichten es, die Packungsdichte zu erhöhen und trugen zu einer enormen Verkleinerung von elektronischen Geräten bei. Zudem ist es möglich, SMD-Bauteile auf beiden Seiten einer Leiterplatte zu platzieren, dazu werden zunächst die auf der Unterseite (Sekundärseite) anzubringenden Bauteile auf der Platine verklebt, danach der Kleber ausgehärtet und die Leiterplatte umgedreht, um die andere Seite zu bestücken. Der Lötvorgang kann dann entweder im Reflow-Verfahren oder im Schwallbad geschehen, sofern die auf der Unterseite angebrachten Teile geeignet sind, durch die Lotwelle zu laufen. Wird das Lötdepot an SMD-Bauelementen mittels eines Reflowofens aufgeschmolzen, reicht die Kohäsion aus, dass ein Verkleben der SMD-Bauelemente auf der Sekundärseite nicht nötig ist, was weitere Kostenreduzierungen mit sich bringt. (Zu beachten ist lediglich, dass höhere Bauteilgewichte für die Platzierung auf der sekundären Seite der LP ungeeignet sind.)

Ein weiterer Grund für die Entwicklung des SMD-Verfahrens waren die stetig steigenden Frequenzen elektronischer Baugruppen. Durch SMD konnten die Leitungslängen und die damit verbundenen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten reduziert werden.

Ein wesentlicher Vorteil von SMD-Bauteilen ist auch die einfache Handhabung in automatischen Bestückungssystemen. Bei bedrahteten Bauteilen ist es immer ein wesentliches Problem, mit allen Anschlüssen die Bohrungen zu treffen und die zulässigen Biegeradien der Anschlussdrähte mit einem Biegemaß einzuhalten, weshalb große bedrahtete Bauteile auch heute noch in ansonsten automatisierten Fertigungen von Hand eingesetzt werden.

Mehrlagige Platinen[Bearbeiten]

Um der Packungsdichte bei modernen SMD-Bauteilen, insbesondere in Computern, gerecht zu werden, reicht es nicht aus, wenn sich die Leiterbahnen nur auf einer Seite der Leiterplatte befinden. Nach den doppelseitigen Leiterplatten, die auf beiden Seiten der Leiterplatte eine Kupferschicht haben, begann man, mehrere dünnere Leiterplatten mit sog. Prepregs aufeinanderzukleben. Diese mehrlagigen sog. Multilayer-Leiterplatten[3] können derzeit bis zu 48 Schichten, in Einzelfällen auch mehr, haben. Üblich sind z. B. vier bis acht Lagen in Computern und bis zu zwölf Lagen in Mobiltelefonen. Die Verbindungen zwischen den Lagen werden mit Durchkontaktierungen („VIAs“) hergestellt.

In vielen Fällen ist die Verwendung von Multilayer-Leiterplatten auch bei geringerer Packungsdichte notwendig, z. B. um die induktionsarme Stromversorgung aller Bauteile zu gewährleisten.

Bauelemente auf und in Platinen[Bearbeiten]

Einfache passive Bauelemente können in die Platine integriert werden. Induktivitäten, Spulen, kleine Kapazitäten, Kontakte oder Kühlkörper können direkt als Kupferschicht-Struktur ausgebildet werden. Widerstände können mittels spezieller Pasten auf die Oberfläche oder in die verdeckten Layer eingedruckt werden. Dadurch kann man Bauelemente und deren Bestückung einsparen.

Es gibt Platinen, auf oder in denen integrierte Schaltkreise direkt platziert sind (Chip on board, chip in board). Oft sind sie direkt zur Platine gebondet und nur durch einen Tropfen Kunstharz geschützt (engl. Glob Top) (Beispiel: Quarzuhrwerke).

Microvia-Technik[Bearbeiten]

Bei Multilayer-Platinen ist die HDI-Leiterplattentechnik inzwischen Standard. Dabei werden Sacklochbohrungen mit 50 µm bis 100 µm Durchmesser mittels Laser oder durch Plasmaätzen in die Außenlagen eingebracht und enden auf dem Kupfer der nächsten – oder übernächsten – Lage. Nach der Reinigung des verbliebenen Harzes werden diese Mikrobohrlöcher wiederum galvanisch verkupfert und somit elektrisch angebunden.

Hier gibt es mehrere Möglichkeiten des Lagenaufbaus,

  • je eine Lage symmetrisch,
  • eine Lage unsymmetrisch,
  • zwei Lagen symmetrisch,
  • zwei Lagen unsymmetrisch,
  • Microvias über zwei Lagen (stacked via).

Bei Leiterplatten mit hoher Packungsdichte (HDI-PCB, High Density Interconnect) ist die Microvia-Technik notwendig, da wegen des Platzmangels und des geringen Abstandes der Kontakte nicht mehr alle Kontakte z. B. von Ball Grid Array-Bauteilen (BGA) elektrisch angebunden werden könnten. So bindet man die Pads der BGAs an Microviabohrungen an, die auf einer anderen Lage enden und gewährleistet so deren Entflechtung.

Buried-Via-Technik[Bearbeiten]

Die Vias (Durchkontaktierungen) verbinden auch hier zwei oder mehrere Kupferlagen, sind jedoch nur zwischen Innenlagen eingebracht und nicht von der Platinenoberfläche aus zugänglich. Buried Vias (dt.: vergrabene Durchkontaktierungen) sind somit erst bei Multilayer-Platinen ab vier Lagen möglich.

Plugged-Via-Technik[Bearbeiten]

Neben Buried- und Micro-Vias besteht auch noch die Möglichkeit, Vias verschließen („pluggen“) zu lassen.[4] Mit dieser Technik können Vias direkt in SMD-Pads platziert werden, was z. B. bei BGA-Gehäusen mit kleinen Ballabständen die Entflechtung stark vereinfacht. Die Technik ist allerdings relativ teuer und wird nur selten genutzt, da die Oberfläche zusätzlich geschliffen und poliert werden muss, um überschüssiges Material abzutragen. Die verschiedenen Möglichkeiten ein Via zu verschließen sind spezifiziert in der Richtlinie IPC 4761.[5]

Dickkupfer[Bearbeiten]

Die Verwendung von Kupferstärken von 200 µm bis 400 µm wird als Dickkupfer bezeichnet. Sie erlauben höhere Strombelastbarkeiten und lateralen Wärmetransport. Bedingt durch den Ätzprozess lassen sich nur grobe Leiterstrukturen realisieren.

Alternativ kann eine Platine mit geringer Kupferdicke fotolithografisch strukturiert und galvanisch mit Kupfer verstärkt werden. Nachfolgendes Ätzen vermag dann ohne Abdecklack die Leiterzüge freizulegen, so dass nicht die gesamte Kupferdicke, sondern nur die dünne Grundschicht geätzt werden muss.

Eine Weiterentwicklung der Dickkupfertechnik ist die Eisbergtechnik (engl.: iceberg technique). Dabei werden die noch geschlossenen Kupferlagen in Folienform durch einen photolithographischen Ätzprozess vorstrukturiert: Bereiche, die kein Dickkupfer benötigen, werden dabei auf 20 µm oder 100 µm zurückgeätzt. Die Folien werden dann in das Prepreg eingepresst und konventionell weiterverarbeitet. Die verbleibende geringe Erhebung erlaubt eine feinere Struktierung und ggf. zuverlässigere Überdeckung mit Lötstopplack.

Wärmemanagement[Bearbeiten]

Thermal Vias verbessern den Wärmetransport senkrecht zur Leiterplatte. Die Wärmeleitfähigkeit von kostengünstigen Basismaterialien wie FR-4 mit 0,3 W/m·K ist für eine Entwärmung von Bauelementen zu gering. Thermal Vias sind Durchkontaktierungen, deren primäre Aufgabe in einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit besteht; sie nutzen den hohen Wärmeleitwert (300 W/(m·K)) von Kupfer, dem Material der Durchkontaktierung. Durch eine dichte Anordnung, beispielsweise in einem hexagonalen Raster von 0,5 mm und einem Durchmesser der Vias von 0,25 mm, können effektiv bis zu 10 % Kupfer in die Leiterplatte eingebracht werden. Daraus ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/(m·K) senkrecht zur Leiterplatte.

Metallkern (engl. metal core) und Dickkupfer erlauben eine höhere laterale Wärmeleitfähigkeit. Dazu werden Kupfer- oder Aluminiumbleche oder auf bis zu 400 µm verstärkte Kupferlagen in die Leiterplatte eingearbeitet.

In Verbindung mit einem Wärmepastendruck kann so eine Wärmereduktion erreicht und in bestimmten Fällen der Einsatz zusätzlicher Kühlkörper vermieden werden; eine Leiterplatte im Europakartenformat hat durch Konvektion einen Wärmewiderstand von 6 K/W und aufgrund von thermischer Abstrahlung etwa 5 K/W.

Zudem gibt es wassergekühlte Leiterplatten, bei denen vor dem Zusammenbau der einzelnen Lagen feine Nuten an Ober- und Unterseite der Innenlagen gefräst werden. Nach dem Zusammenbau verbleibt hier ein Kanal, durch den Kühlwasser geleitet werden kann.

Neuerdings werden Leiterkarten auch an den Schmalseiten mit einer dünnen Kupferschicht versehen, die zu einer verbesserten Entwärmung dienen kann. Sie kann auch zu einer verringerten Abstrahlung elektromagnetischer Felder beitragen.

Ein Nebenaspekt im Wärmemanagement betrifft die Wärmeverteilung beim Löten: EDA-Programme setzen gezielt sogenannte Thermal Pads, bei denen die Anbindung an kupfergefüllte Flächen gezielt geschwächt wird, um die Wärme in der Lötstelle zu halten und nicht in die Kupferfläche zu verteilen.

Flexible Leiterplatten[Bearbeiten]

flexible Leiterplatte mit Goldkontakten zum beweglichen Anschluss des Druckkopfes in einem Tintenstrahldrucker

Alternativ zu festen Leiterplatten finden auch dünne Flexleiterplatten z. B. auf Basis von Polyimid-Folien Verwendung. Die damit aufgebauten Flexschaltungen sind zwar teurer, können jedoch platzsparend durch Falten in engsten Strukturen z. B. in Fotoapparaten, Videokameras oder auch Smartphones eingesetzt werden.

Flexible Verbindungen für dauernde Beanspruchung, z. B. in Tintenstrahldruckern, werden häufig ebenfalls als Polyimid-Folien-Leiterplatte ausgebildet.

Wird allerdings nur ein nicht dauerhaft flexibler Bereich in der Leiterplatte benötigt, z. B. um die Montage bei engen Bauraumverhältnissen zu ermöglichen, gibt es den Ansatz, den aus mehreren Prepregs (s. u.) aufgebauten Schichtstapel einer Leiterplatte bis auf wenige Lagen durch Fräsen oder vorgestanzte Prepregs mit ausgesparten Bereichen zu verjüngen. Der verjüngte Bereich wird typischerweise mit einer dauerflexiblen Lackschicht versehen und lässt sich dann wenige Male biegen.

Einpresstechnik und andere Lötalternativen[Bearbeiten]

Als Alternative zum Verlöten der Bauteilanschlüsse auf einer Leiterplatte gibt es die Einpresstechnik. Dabei werden elastische oder starre Stifte in eng tolerierte und metallisierte Bohrungen der Leiterplatte gepresst. Aufgrund der plastischen Verformung der beteiligten Metalle ergeben sich sichere elektrische Verbindungen auch ohne Löten. Als eine Hauptanwendung hat sich das Einpressen von vielpoligen Steckern und Gewindebolzen etabliert. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch die Verwendung von Klebstoff. Dabei wählt man zwischen elektrisch nichtleitenden bzw. leitfähigen isotropen und anisotropen Klebstoffen. Eine weitere Technik ist das Bonden (Chip-On-Board-Technologie). Dabei werden gedünnte (flacher geätzte oder geschliffene) Chips ohne Gehäuse auf die Leiterplatte geklebt oder gelötet (Chipbonden) und mittels dünner Drähte mit den entsprechenden Kontakten auf der Leiterplatte verbunden (siehe Drahtbonden). Die auf Leiterplatten gebondeten Chips und Bonddrähte werden durch lichtabsorbierendes Kunstharz geschützt. Eine Alternative zur Einpresstechnik, die jedoch nicht gelötet wird, ist die Direktstecktechnologie mit reversiblen Kontakten.[6]

Normen und Vorschriften[Bearbeiten]

Zu dem Aufbau und den Eigenschaften von Leiterplatten gibt es vielfältige Vorschriften und Normen. Außer DIN-, IEC- und Normen des Institute for Printed Circuits (IPC) haben große Unternehmen teilweise auch eigene Werksnormen. Neben diesen universellen Normen gibt es für Rack-Systeme standardisierte Abmessungen für Leiterplatten:

  • Europakarte (3 HE): 160 mm × 100 mm (DIN 41494 Teil 2), an der Schmalseite kontaktiert
  • Doppeltes Europakarten-Format (6 HE): 233 mm × 160 mm, an der Breitseite kontaktiert.

Test[Bearbeiten]

Leiterplatten werden oft noch vor der Auslieferung und Bestückung einer Prüfung unterzogen. Die visuelle Kontrolle zwischen den einzelnen Fertigungsschritten (z. B. vor dem Aufbringen einer weiteren Lage) und am Ende der Fertigung ist bei den Leiterplattenherstellern meist im Preis inbegriffen.

Ein elektrischer Test am Ende der Herstellung ist meist kostenpflichtig und erfordert die kompletten CAD-Daten sowie einen Prüfautomaten, der sämtliche Signalwege kontaktiert und prüft. Bei den Prüfautomaten unterscheidet man zwischen dem In-Circuit-Tester und dem Flying-Prober. Die Flying-Prober haben mehrere einzelne Prüffinger, welche die Leiterplatten abtesten. Diese Technik hat den großen Vorteil, dass keine Adapter zum Kontaktieren benötigt werden und so auch kleine Serien günstig getestet werden können. Als Nachteil zählt die lange Prüfzeit zum Testen und dass mit diesem System meistens keine 100-%iger Test durchgeführt wird (zu lange Prüfzeit). Beim In-Circuit-Tester werden die Leiterplatten mit Federstift-bestückten Adaptern oder sehr feinen sogenannten Starrnadeladaptern getestet. Diese Technik hat den Vorteil, dass alle Testpunkte auf einmal kontaktiert werden können und so ein sehr schneller Test mit einer 100-%igen Prüftiefe erreicht werden kann. Die heutigen MCA-Microadapter (siehe Starrnadeladapter) ermöglichen mit dem Staggering das Kontaktieren von feinsten Strukturen der Mikroelektronik. Als Nachteil sind hier die hohen Adapterkosten zu erwähnen, die aber bei größeren Stückzahlen nicht mehr ins Gewicht fallen.

Fertig bestückte Leiterplatten können ebenfalls mit einem ICT-Testsystem geprüft werden, wofür oft zusätzliche Kontaktinseln layoutet werden, die im späteren Einsatz nicht mehr benötigt werden. Damit keine solchen zusätzlichen Testpunkte generiert werden müssen, kann auch hier ein Starrnadeladapter eingesetzt werden, der das Kontaktieren auf Bauteilanschlüsse, Stecker oder sogar Chips ermöglicht.

Oft wird nur eine Funktionskontrolle am Ende der Fertigung durchgeführt, da die Herstellungstechnologie der Leiterplatten selbst sehr viel zuverlässiger als nachfolgende Verfahrensschritte ist.

Durchgangstest[Bearbeiten]

Funktionsweise eines Durchgangstests

Beim Durchgangstest wird die Leiterplatte auf fehlerhafte und fehlende Verbindungen getestet. Diese Unterbrechungen können durch mechanische Beschädigungen oder durch Filmfehler beim Belichten entstehen.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Beim Durchgangstest werden alle zu einem Netz gehörenden Punkte gegeneinander getestet. Bei Einzelpunkten kann keine Verbindung geprüft werden. Durch Schmutz auf den Kontaktierstellen können die Messungen ein hochohmiges Ergebnis zeigen. Mögliche Verschmutzungen sind: Staub, Fräsrückstände oder Oxidation auf der Kontaktierfläche. Durch ein erneutes Kontaktieren (Retest) können diese Phantomfehler (Fehler, die nicht existieren) oft ausgeschlossen werden.

Die Messresultate werden bei zweipoliger Messung produktspezifisch z. B. folgendermaßen klassifiziert:

(Messschwellen sind teilespezifisch zu definieren)

  • Messung < 10 Ω → Gute Verbindung
  • Messung > 10 Ω → Hochohmige Verbindung
  • Messung > 2 MΩ → Unterbrechung

Für Messungen von Verbindungen oder Widerständen unter 10 Ω muss oft eine Vierleitermessung eingesetzt werden, dadurch verfälschen die Kabel- und Kontaktwiderstände das Messresultat nicht.

Funktionsweise eines Kurzschlusstests

Kurzschlusstest[Bearbeiten]

Ein Kurzschluss ist eine Verbindung zwischen zwei Punkten, die entsprechend der Schaltung nicht bestehen darf. Kurzschlüsse sind Verbindungen, die z. B. durch Zinnfäden, schlechtes Ätzen oder mechanische Beschädigung der Isolationsschicht zwischen den Lagen hervorgerufen werden.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Für jedes Netz wird ein Testpunkt als Primärtestpunkt festgelegt. Danach wird zwischen allen Netzen die Isolation gemessen. Wenn eine Leiterplatte 3 Netze hat, wird Netz1 gegen Netz2, Netz1 gegen Netz3 und Netz2 gegen Netz3 gemessen. Sind weitere Netze vorhanden, verhalten sich die Anzahl Messungen nach:

  • 2 Netze = 1 Messung
  • 3 Netze = 3 Messungen
  • 4 Netze = 6 Messungen
  • 5 Netze = 10 Messungen
  • 6 Netze = 15 Messungen
  • N Netze = N·(N-1)/2 Messungen

Wird beim Durchgangstest eine Unterbrechung festgestellt, wird dort ein weiterer Primärpunkt gesetzt und ein weiteres Sub-Netz generiert (Netz 3a). So kann die Leiterplatte zu 100 % auf Kurzschlüsse getestet werden.

Die Messresultate werden produktspezifisch zum Beispiel folgendermaßen interpretiert:

  • Messung > 2 MΩ → Kein Kurzschluss
  • Messung < 2 MΩ → Hochohmiger Kurzschluss
  • Messung < 100 Ω → Kurzschluss

Röntgentest[Bearbeiten]

Röntgenaufnahme einer Token-Ring-Netzwerkkarte

Vor allem bei mehrlagigen Platinen werden auch Röntgenaufnahmen eingesetzt, um eine visuelle Prüfung durchführen zu können, zum Beispiel der Passgenauigkeit der verschiedenen Lagen.

Belastung von Leiterbahnstrukturen mit großen Strömen[Bearbeiten]

Häufig, besonders in Dickschicht-Hybridtechnik, besteht die Notwendigkeit, unbestückte Leiterplatten mit größerem Prüfstrom auf Einengungen, schlechte Durchkontaktierungen usw. zu testen. Solche Fehlerstellen werden dann zerstört und können als Unterbrechung erkannt werden. Ein zerstörungsfreies Mittel zur Prüfung von Leiterplatten auch im Betrieb ist die Thermografie.

Basismaterial[Bearbeiten]

Leiterplatte aus Teflon („Rogers“) mit einer Streifenleitung.

Einfache Leiterplatten bestehen aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial (Basismaterial), auf dem eine oder zwei Kupferschichten aufgebracht sind. Die Schichtstärke beträgt typischerweise 35 µm und für Anwendungen mit höheren Strömen zwischen 70 µm und 140 µm. Um dünnere Leiterbahnen zu ermöglichen, werden auch Leiterplatten mit nur 18 µm Kupfer hergestellt. In englischsprachigen Ländern wird manchmal statt der Schichtstärke die Masse der leitfähigen Schicht pro Flächeneinheit in Unzen pro Quadratfuß (oz/sq.ft) angegeben. In diesem Fall entspricht 1 oz/sq.ft etwa 35 µm Schichtstärke.

Leiterplatten war früher meist Hartpapier mit der Materialkennung FR2. Heute werden außer für billige Massenartikel meist mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatten mit der Materialkennung FR4 verwendet. FR4 hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier.

Für Spezialanwendungen kommen auch andere Materialien als Basismaterial zum Einsatz. Beispiele sind Teflon, Aluminiumoxid oder Keramik in LTCC und HTCC für die Hochfrequenztechnik sowie Polyesterfolie für flexible Leiterplatten. Hersteller dieser speziellen Basismaterialien sind Firmen wie Rogers Corporation und Arlon Materials for Electronics, wovon sich auch die umgangssprachliche Bezeichnung „Rogers“ bzw. „Arlon“ im technischen Englischen für teflonbasierende Leiterplatten mit Anwendungsbereich in der Hochfrequenztechnik ableitet.

Für Leiterplatten mit hohen Anforderungen an die Wärmeabführung werden Basismaterialien mit Metallkernen wie Aluminium oder Kupfer verwendet, z. B. im Bereich der Beleuchtungstechnik mit Hochleistungsleuchtdioden. Diese Trägermaterialien werden auch als Direct Bonded Copper oder als Insulated metal substrate (IMS) bezeichnet.

Bei Anwendungen für niedrige Temperaturen oder hohe Luftfeuchtigkeit können auch Basismaterialien mit integrierten Heizelementen eingesetzt werden, die Unterkühlen oder Betauung der Schaltung verhindern. Zudem wird an alternativen Materialien geforscht, die umweltfreundlicher sind, aktuell gibt es dort aber noch Probleme mit der Feuchteresistenz.

Parameter verschiedener Materialien[Bearbeiten]

Gängige Basismaterialien
Bezeichnung Verstärkung Matrix Kostenvergleich
mit FR4
Erweichungspunkt TG1 [°C] Max. Betriebs-
temperatur2 [°C]
Dielektrizitätszahl
[F·m-1]
Isolations-
widerstand
Kriechstrom-
verhalten
Verlustwinkel
[°]
FR2 Papier Phenolharz 0,3 080 070 4,25 − − − − 0,05
FR3 Papier Epoxidharz (Epoxy) 0,6 100 090 + − + − 0,041
CEM1 Papier Epoxy 0,7 105 + − + − 0,031
CEM3 Glasvlies Epoxy 0,8 120 + +
FR4
Standard
Glasfasergewebe Di/Tetra-Epoxy 1,0 125–150 115–140 3,8–4,5 + + 0,019
FR4
Halogenfrei
Glasfasergewebe Di/Tetra-Epoxy 1,3 125–180 115–170 3,8–4,5 + + 0,019
FR5 Glasfasergewebe Tetra/Multi-Epoxy 1,5 150–185 140–175 0,016
FR5 BT Glasfasergewebe BT-Epoxy 3 190–240[7][8]
Polyimid ohne oder
Glasfasern
Polyimid 3,32–4,38 240–270 230–260 + +
Teflon (PTFE) ohne oder
Glasfasern
8 260–320 250–310 2–2,28 + + + + 0,0009 (10 GHz[9]) – 0,03 (10 GHz [10])
Keramik (Aluminiumoxid) - 8 nicht relevant nicht relevant 7 (4,5–8,4[11] 8[12]) + + + +
1 auch Glasübergangstemperatur TG (engl: Glass Transition Temperature)
2 Max. Betriebstemperatur: Oberhalb der Glasübergangstemperatur steigt der Längenausdehnungskoeffizient stark an und kann Leiterbahnrisse bewirken. Daher muss die maximale Betriebstemperatur deutlich unterhalb TG bleiben (Empfehlung: 5–10 K). Daneben ist die maximal zulässige Temperatur für die Lötstellen zu beachteten.

Basismaterialherstellung[Bearbeiten]

In der Imprägnieranlage werden zunächst das Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger gemischt. Dem können noch andere Stoffe zugesetzt werden, wie z. B. Farbpigmente, Flammschutzmittel und Flexibilisatoren. Die Trägerstoffe (z. B. Papier, Glasgewebe, Aramidgewebe) werden in Rollen angeliefert, so dass der Prozess fortlaufend durchgeführt werden kann. Nachdem der Träger über Umlenkrollen durch das Bad gezogen wurde (Tränkung), wird das Material im Ofen getrocknet. Dabei verdunstet nicht nur das Lösungsmittel, sondern auch das Harz erreicht durch die Wärmezufuhr einen Zwischenzustand – das Harz härtet noch nicht vollständig aus, bei erneuter Wärmezufuhr wird es zunächst wieder klebrig und härtet erst dann aus. Dieses Halbzeug aus Harz und Träger nennt man Prepreg. Es wird zur Herstellung der Leiterplatten verwendet, indem die Lagen unter Wärmeeinfluss verpresst werden. Bei Multilayer-Leiterplatten werden mehrere Schichten Basismaterial und Kupfer nacheinander verpresst und geätzt.

Verbindungen[Bearbeiten]

Mechanische Verbindungen[Bearbeiten]

Bei der Montage von Platinen in einem Gehäuse muss zwischen der ggf. metallenen Montagebasis und der Platine ein Abstand sichergestellt werden. Zum einen, damit keine Kurzschlüsse entstehen, zum anderen, damit die unebene Unterseite der Platine mit den vielen Lötpunkten und teilweise hervorstehenden Drahtenden nicht direkt aufliegt, was zu mechanischen Spannungen führen würde. Dazu verwendet man u. a. lange Gewindeschrauben mit Abstandshaltern und Muttern oder Kunststoffelemente, die in Löcher in der Platine und auf der anderen Seite im Gehäuse eingeklipst werden. Manchmal übernimmt auch die im Folgenden beschriebene elektrische Verbindung den mechanischen Part mit.

Elektrische Verbindungen[Bearbeiten]

Wenn die Leiterplatte eine Steckkarte ist, die auf einer anderen Leiterplatte sitzt, verwendet man meist direkte Steckverbinder und Federleisten.

Andere vielpolige Kabelverbindungen werden über Leitgummi oder über Steckerleisten und Stiftleisten realisiert, wobei die Kontakte in einer oder auch mehreren Reihen angeordnet sein können. Wenn es nur um wenige Pole geht, werden auch Federleisten oder kleine Buchsen- oder Kupplungsteile auf Lötstifte aufgesteckt.

In speziellen Umgebungen wie beispielsweise innerhalb mechanischer Fotoapparate wählt man Folienverbinder, die praktisch biegsame Leiterplatten darstellen, ggf. mit direkten Steckverbindern an einem oder beiden Enden oder alternativ direkter Verlötung.

Recycling[Bearbeiten]

Siehe auch: Elektronikschrott

Leiterplatten enthalten einen hohen Anteil Kupfer, dessen Wiedergewinnung lohnenswert ist:[13]

Element Mobiltelefone Computer Mischfraktion
Gewichtsanteil [%]
Cu 34,49 20,19 20,1
Al 00,26 05,7 13,5
Fe 10,57 07,33 07,09
Zn 05,92 04,48 02,18
Pb 01,87 05,53 01,16
Sn 03,39 08,83 00,62
Ni 02,63 00,43 00,73
Ag 00,21 00,16 00,027
Au 00 00,13 00,003

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Günther Hermann (Hrsg.): Handbuch der Leiterplattentechnik – Laminate – Manufacturing – Assembly – Test. 2. Auflage. Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau/Württ. 1982, ISBN 3-87480-005-9
  • Günther Hermann (Hrsg.): Handbuch der Leiterplattentechnik – Band 2: Neue Verfahren, neue Technologien. Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau/Württ. 1991, ISBN 3-87480-056-3
  • Günther Hermann (Hrsg.): Handbuch der Leiterplattentechnik – Band 3: Leiterplattentechnik, Herstellung und Verarbeitung, Produkthaftung, Umweltschutztechnik mit Entsorgung. Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau/Württ. 1993, ISBN 3-87480-091-1
  • Günther Hermann (Hrsg.): Handbuch der Leiterplattentechnik – Band 4: Mit 112 Tabellen. Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau/Württ. 2003, ISBN 3-87480-184-5
  • H.-J. Hanke (Hrsg.): Baugruppentechnologie der Elektronik – Leiterplatten. Technik Verlag, Berlin 1994, ISBN 3-341-01097-1

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Leiterplatten – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Leiterplatte – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Forschungszentrum Karlsruhe 1996 Stoffströme bei der Herstellung von Leiterplatten [1] (PDF; 729 kB)
  2. Andus Electronic Leiterplatten Strombelastbarkeit auf Leiterplatten Grundlagen und Praxiswissen
  3. http://www.microcirtec.de/multilayer.php
  4. ILFA Feinstleitertechnik: Design Regeln Pluggen (PDF; 272 kB) mit Prozessbeschreibung und Abbildungen
  5. Multi CB Leiterplatten: Via Abdeckung – Spezifikation nach IPC 4761 mit Abbildungen
  6. http://www.we-online.de/web/de/intelligente_systeme/neu__skedd/startseite.php. Aufgerufen am 02.12.2014.
  7. Alternative board materials (Englisch)
  8. Unicircuit: High Tg (Glass Transition Temperature)
  9. http://www.mauritz-hamburg.de/produkte/rogers/?product=RT/duroid%205880& Duorid 5880, glasfasreverstärkt
  10. http://www.mauritz-hamburg.de/produkte/rogers/?product=RT/duroid%205880& 40µ Klebefilm für Multilayer Leiterplatten
  11. http://www.fh-deggendorf.de/et-mt/personal/professoren/brumbi/download/radartechnik.pdf , 9
  12. http://www.quick-ohm.de/waermeleitfolien/substrate/tooled_machined.html
  13.  Luciana Harue Yamane, Viviane Tavares de Moraes, Denise Crocce Romano Espinosa, Jorge Alberto Soares Tenório: Recycling of WEEE: Characterization of spent printed circuit boards from mobile phones and computers. In: Waste Management. 31, Nr. 12, Dezember 2011, S. 2553–2558, doi:10.1016/j.wasman.2011.07.006.