PCB-Board
Eine Leiterplatte (Abk. DPS, engl. gedruckte Leiterplatte, abgekürzt PCB; andere Bezeichnungen siehe unten) ist eine Platine aus einem nichtleitenden Substrat, auf der nach dem Schaltplan einer bestimmten Schaltung leitende Verbindungen hergestellt werden, die einzelne elektronische Elemente verbinden. Es dient als tragendes und strukturelles Element elektronischer Schaltkreise, die aus mehreren separaten elektronischen Elementen bestehen.
Namen
Insgesamt kommen folgende Namen vor:
mit „Leiterplatte“ im Titel: Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte
im Begriff „gedruckte Verbindung“ im Titel: Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte
mit „printed Circuit“ im Titel: Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte
mit „gedruckte Leiterplatte“ im Titel: Leiterplatte, Leiterplatte, Leiterplatte
Am gebräuchlichsten scheinen die Bezeichnungen Leiterplatte und Leiterplatte zu sein.
Typen
Entsprechend der Anzahl der Schichten werden Leiterplatten in einschichtige, zweischichtige (doppelseitige) und mehrschichtige Leiterplatten unterteilt. Einschichtige Leiterplatten sind am einfachsten, da sie keine leitenden Verbindungen zwischen einzelnen Schichten benötigen. Doppellagige Leiterplatten enthalten Verbindungsstellen auf beiden Seiten des Trägermaterials, die Verbindungen zwischen ihnen werden durch eingeschmiedete Löcher (sog. Vias) gebildet. Mehrschichtige Leiterplatten enthalten auch im Inneren des Materials leitfähige Schichten und werden durch die Verbindung mehrerer ein- und zweischichtiger Leiterplatten mit isolierenden Zwischenschichten hergestellt. Obwohl sie technologisch anspruchsvoller sind, ermöglichen mehrschichtige Leiterplatten ein einfacheres Design komplexer elektronischer Schaltkreise und bessere Schaltkreiseigenschaften (z. B. reduzierte Interferenzen).
Geschichte der DPS-Entwicklung
Der Erfinder der Leiterplatte war der österreichische Ingenieur Paul Eisler, der sie während seiner Arbeit in England als Teil eines Radioempfängers herstellte. Um 1943 begann man in den USA, diese Technologie in großem Umfang zur Herstellung robuster Radios für den Zweiten Weltkrieg einzusetzen. Nach dem Krieg veröffentlichten die USA 1948 die Erfindung von DPS für den kommerziellen Einsatz. Allerdings waren Leiterplatten in der Unterhaltungselektronik erst in den 1950er Jahren alltäglich, als die US-Armee ein Verfahren für deren automatische Montage entwickelte. Der Erfindung der Leiterplatte ging eine Technik ähnlicher Art voraus, die vom britischen Elektroingenieur John Adolph Sargrove (ursprünglicher Nachname Szabadi) erfunden wurde. Es wurde Metall auf eine Bakelit-Isolierplatte aufgesprüht. Die Ausrüstung mit Sargroves Technologie, ursprünglich Electronic Circuit Making Equipment (ECME) (übersetzt als Ausrüstung zur Herstellung elektronischer Schaltkreise) genannt, ermöglichte die Herstellung von 3 Radios pro Minute.
Konstruktion
Leitfähige Schichten der Leiterplatte bestehen standardmäßig aus einer dünnen Kupferfolie (mehrere zehn µm dick). Die Isolierschichten sind eine Kombination aus Laminat und Epoxidharz (normalerweise 1,5 mm). Leiterplatten werden in drei Standardfarben hergestellt: Grün, Blau und Rot. Abhängig von den Anforderungen der elektronischen Schaltung kann aus mehreren dielektrischen Materialien mit unterschiedlichen Isoliereigenschaften ausgewählt werden. Beispiele für solche Materialien sind: Polytetrafluorethylen (Teflon), Baumwollpapier mit Phenol FR-2, Baumwollpapier mit Epoxidharz FR-3, Glasfasergewebe mit Epoxidharz FR-5 und Polyester FR-6. Die wohl wichtigste Eigenschaft von DPS ist die Wärmeausdehnung, die ihre Dimensionsstabilität bestimmt. DPS auf Basis von Glasfasern haben die wohl geringste Wärmeausdehnung und damit die besten Eigenschaften.
Heutzutage enthalten Leiterplatten auch einfache elektronische Geräte. Bei der derzeitigen Massenproduktion von Leiterplatten ist ihr Preis sehr niedrig und ihre Zuverlässigkeit mehr als zufriedenstellend. Allerdings ist das Design und die Produktion der Leiterplatte selbst keine billige Angelegenheit, aber durch den Einsatz geeigneter Technologien kann der Hersteller einen vernachlässigbaren Produktionspreis erzielen, wenn man den Preis der verwendeten elektronischen Komponenten berücksichtigt. Trotz der Komplexität der Leiterplattenherstellung haben Leiterplatten unzählige Vorteile gegenüber Konstruktionen mit Drahtverbindungen oder Punkt-zu-Punkt-Konstruktionen. Der Hauptgrund für den Einsatz von DPS ist auch die Möglichkeit, die Produktion elektronischer Geräte vollständig zu automatisieren. Die von der IPC-Organisation veröffentlichten Standards sind für die Anforderungen der Qualitätskontrolle und Leiterplattenbestückung festgelegt.
Themendesign
Das Motiv der Leiterbahnen wird üblicherweise durch spezielle Computer-CAD-Programme erstellt, basierend auf einer Zeichnung eines elektrischen Schaltkreises, die üblicherweise im selben Programm erstellt wurde. Anschließend wird das Motiv auf eine transparente Folie übertragen, die als Vorlage für die Leiterplattenfertigung dient.
wird bearbeitet
Bei der Herstellung einer doppelseitigen Leiterplatte wird die Platine zunächst auf einer koordinatengesteuerten Bohrmaschine (CNC) nach dem entworfenen Motiv gebohrt, dann wird auf die gebohrten Löcher durch ein chemisches Verfahren eine dünne Metallschicht aufgetragen, die anschließend bearbeitet wird galvanisch (elektrochemisch) verdickt.
Die Art und Weise der Herstellung leitfähiger Verbindungen auf einer Leiterplatte hängt im Wesentlichen davon ab, ob es sich um deren Massenproduktion handelt oder ob sie für den Aufbau eines einzelnen Geräts, z. B. eines Bauteils, verwendet werden sollen. Prototyp oder Amateurprodukt.
Zunächst können wir Produktionstechnologien in zwei grundlegende einteilen. Das erste ist das Aufbringen (Drucken) von leitenden Verbindungen auf die Isolierschicht. Die zweite Methode ist das Entfernen eines Teils einer durchgehenden Schicht dünner Kupferfolie, die auf einem isolierenden Substrat aufgedampft ist. Heutzutage wird die zweite der genannten Methoden häufiger verwendet. Das Motiv der Leiterbahnen wird mittels Fotolithographie auf die Leiterplatte übertragen: Die Leiterplatte wird mit Fotolack bedeckt, durch den sie UV-Licht ausgesetzt wird
Folie mit einem Motiv versehen, wobei natürlich auf die Überlappung mit den Bohrlöchern und die Überlappung beider Seiten geachtet wird, wird der Fotolack induziert und anschließend die freiliegenden Teile der Kupferfolie weggeätzt. Nachdem die Fotolackreste entfernt wurden, werden die leitenden Kupferoberflächen plattiert (Zinn oder Gold), um eine Oxidation des Kupfers zu verhindern, die eine spätere Montage (Löten) der Bauteile erschweren oder unmöglich machen würde. Anschließend wird es durch das sogenannte aufgetragen und geformt Eine nicht lötende Maske, die die Stellen abdeckt, die nicht gelötet werden sollen, und verhindert, dass das Lot diese Stellen erreicht. Abschließend kann die Leiterplatte mit Hilfetexten und Zeichnungen im Siebdruckverfahren bedruckt werden, um die Leiterplattenplatzierung und Schaltungsreparatur zu erleichtern.
Eine weitere Möglichkeit zur Erstellung einer Maske ist der Siebdruck, bei dem langlebige Farben zum Schutz der gewünschten leitenden Verbindungen vor Ätzung eingesetzt werden. Siebdruck kann auch bei der Methode zum Aufbringen leitfähiger Verbindungen auf eine flexible Isolierbasis eingesetzt werden, die hauptsächlich bei der Herstellung flexibler Leiterplatten oder beweglicher Leitungen verwendet wird.
Eine andere Methode ist das Fräsen, bei dem wir den unnötigen Teil der auf der Isolierbasis aufgebrachten Kupferfolie entfernen. Bei dieser Produktionsmethode ist es nicht erforderlich, die Platine mit einer Maske abzudecken. Mit geeigneter Software erstellen wir ein Muster einer Leiterplatte (Maske) und mit Hilfe einer plotterähnlichen Fräsvorrichtung (CNC-Gerät) wird unnötiges Kupfer gezielt aus der Platine herausgefräst.
Besonderheiten
Flexible Leiterplatten verfügen nicht über eine flexible, sondern über eine starre Kunststofffolie als Trägerschicht. Sie werden häufig als bewegliche Zuführung (z. B. zu einem beweglichen Druckkopf eines Computerdruckers) oder in Geräten mit begrenztem Platzangebot (wo sie auch in ein kleines Volumen geformt werden können) verwendet.
Für Hochfrequenz- und Mikrowellengeräte werden Leiterplatten aus Materialien mit geringeren dielektrischen Verlusten bei hohen Frequenzen hergestellt, z. Teflon oder synthetischer Korund (Al2O3).
Bei sehr günstigen Geräten der Unterhaltungselektronik ist das Basismaterial meist ein Laminat mit Papier anstelle von Glasgewebe, das ausschließlich für einseitige Leiterplatten verwendet wird.