Leiterplatte

PWB Printed Wiring Board, PCB Printed Circuit Board, ECB Etched Wiring Board.

Eine Leiterplatte, auch als Platine oder gedruckte Schaltung (engl. printed circuit board, PCB bzw printed wiring board, PWB) bezeichnet, dient der Halterung und der elektrischen Verbindung von elektronischen Bauteilen ohne die Verwendung von herkömmlichen Drähten, indem die Verbindungen aus einer oder mehreren leitenden Schichten hergestellt werden, die sich auf einem Isolierstoff befinden. Manche Hauptplatinen-Hersteller benutzen auch den Namen PCB-Version als Bezeichnung für die Revision der Platine. Platine.JPG

Material

Einfache Leiterplatten bestehen aus einer oder zwei Kupferschichten, die auf einem elektrisch isolierenden Trägermaterial (Basismaterial) aufgebracht sind. Die Kupferdicken betragen typischerweise 35µm für "normale" PCBs, 70µm bzw. 140 µm für Anwendungen mit höheren Strömen (oder auch in oz/sq.ft angegeben 1/2 oz: 17.5µm oder 0.0007"/sq. ft; 1 oz: 35 µm oder 0.0014"/sq. ft). Das Basismaterial war früher oft Pertinax (Phenolharz mit Papierfasern, sog. Hartpapier FR2), heute werden - außer für billige Massenartikel - meistens mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatten verwendet (FR4 Laminat). Dieses Material hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier.
Für Spezialanwendungen kommen auch andere Materialien zum Einsatz, wie beispielsweise Teflon, oder Keramik (in Form von Saphir oder Aluminiumoxyd) in der Hochfrequenztechnik sowie Polyesterfolie für flexible Leiterplatten.

Herstellung

Platinen.jpg Die Herstellung der Leiterbahnen erfolgt in der Regel fotolithografisch, indem lichtempfindlicher Fotolack durch eine Maske belichtet wird, nachdem das Layout mit einer speziellen Software erstellt wurde. Nach dem Entwickeln bleibt der Lack an den Stellen auf der Leiterplatte, an denen das Kupfer stehenbleiben soll. Nun werden die freien Zwischenräume durch nasschemische Prozesse weggeätzt. Die Herstellung der Bohrungen zur Aufnahme bedrahteter Bauteile sowie für Durchkontaktierungen erfolgt aufgrund der Glasfasern mittels Hartmetallwerkzeugen.
Für die Prototyp-Herstellung können die Kupferschichten auch durch Fräsen strukturiert werden. Gefräste Platinen bestehen allerdings oft nicht aus Leiterbahnen, sondern aus Flächen.
Die Kupferschichten können galvanisch verstärkt werden. Wenn Bohrungen an den Innenwänden galvanisch metallisiert (Kupfer) werden, spricht man von Durchkontaktierungen. Zusätzliche metallische Schutz- und Kontaktschichten aus Nickel oder Gold können ebenfalls durch galvanische Prozesse aufgebracht werden.
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 und bei der Schwalllötung Zinn sparen.
Die frei bleibenden Lötstellen (Pads und Lötaugen) können mit einem physikalischen Verfahren (hot air leveling) mit einer Zinnschicht versehen werden, die besseres Löten ermöglicht.
Oft tragen Leiterplatten einen Bestückungsdruck, der in Verbindung mit einem Stromlaufplan den Service erleichtert.

Geschichte

Fertigungstechnologie

Der Einsatz von Leiterplatten begann Anfang der 1950er Jahre - bis dahin wurden elektronische Bauteile frei verdrahtet, sie hingen also in der Luft und waren nur an den Enden festgelötet.
Bei gedruckten Schaltungen werden dagegen die Anschlussdrähte der Bauteile von oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (engl. Through Hole Technology, THT) - eine auch heute noch weit verbreitete Technologie. Auf der Unterseite (Löt-, Leiter- oder L-Seite) befanden sich die Kupferleiterbahnen, an denen sie festgelötet wurden.
Komplexere einlagige Leiterplatten erfordern zusätzliche Verbindungen, die nicht im Layout herstellbar sind - diese werden durch Lötbrücken mittels abgewinkelter Drähte oder sog. Null-Ohm-Widerstände (besseres handling durch Bestückungsautomaten) hergestellt. Später nutzte 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 Nieten 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, die jedoch oft auf der Leiterseite SMD-Bauteile tragen.
Einlagige Leiterplatten haben zur besseren Bestückung bedrahteter Bauteile oft konische Bohrungen
Es muss festgestellt werden, dass trotz der Tatsache, dass es bereits seit ca. 30 Jahren Bestückungsautomaten gibt, ein großer Teil der weltweit hergestellten Leiterplatten von Hand bestückt wird.
Moderne Leiterplatten mit hoher Packungsdichte und SMD-Bauteilen können jedoch nicht von Hand bestückt werden. Sogenannte pick & place - Automaten übernehmen die Handhabung der oft unter 1mm großen Bauteile.

Layout

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 (s. dazu auch EDA - Electronic design automation) 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 Lötpads ("Footprint") enthalten sind. 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 mehr Zeit in Anspruch nimmt als die manuelle Entflechtung.

Moderne Software kann inzwischen ansatzweise auch EMV-Aspekte und die Strombelastbarkeit der Leiterbahnen berücksichtigen.

Leiterplattentechnologien

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SMD-Leiterplatten

Mitte der 1980er Jahre begann man damit, die Bauteile direkt auf die Leiterbahnen zu löten. Diese oberflächenmontierten Bauelemente (engl. Surface Mounted Devices, SMD) ermöglichten es zudem, die Packungsdichte zu erhöhen, und trugen zu einer enormen Verkleinerung von elektronischen Geräten bei.

Mehrschichtplatinen

Um der Packungsdichte bei modernen SMD-Bauteilen, insbesondere bei Computern gerecht zu werden, reicht es nicht aus, wenn sich die Leiterbahnen nur auf einer Seite der Leiterplatte befinden. (Siehe auch Durchkontaktierung.) Nach den doppelseitigen Leiterplatten, die auf beiden Seiten der Leiterplatte eine Kupferschicht haben, begann man mehrere dünnere Leiterplatten mit sog. Prepregs aufeinander zu kleben. Diese mehrlagigen, sog. Multilayer-Leiterplatten können bis zu 48 Schichten haben.

Bauelemente auf Platinen

Mittlerweile werden sogar einfache passive Bauelemente, wie zum Beispiel Widerstände, mit speziellen Pasten in die verdeckten Layer eingedruckt. Dadurch kann man an der Oberfläche der Leiterplatte weitere Bauelemente einsparen. Diese Technik ist aber durch die Entwicklung kostengünstigerer Widerstandsnetzwerke wieder auf dem Rückzug.

Ebenso gibt es Versuche, aktive Bauteile teilweise ohne Außenumhüllung auf oder in Leiterplatten zu integrieren. (Chip on board, chip in board)

Microviatechnologie

Eine neuere Entwicklung ist die Microviatechnologie. Dabei werden Sacklochbohrungen mit ~100 µm Ø mittels Laser oder durch Plasmaätzen in die Außenlagen eingebracht und enden auf dem Kupfer der nächsten Lage oder übernächsten Lage. Nach der Reinigung des verbliebenen Harzes werden diese Microbohrlöcher wiederum galvanisch verkupfert und somit elektrisch angebunden.

Hierbei gibt es mehrere Möglichkeiten des Lagenaufbaus,

je eine Lage symmetrisch,
eine Lage unsymmetrisch,
zwei Lagen symmetrisch,
zwei Lagen unsymmetrisch,

oder Microvias über 2 Lagen.

Bei Leiterplatten mit hoher Packungsdichte (hd-pcb, high density) ist die Microvia-Technik notwendig, da nicht mehr alle Kontakte z. B. von BGA-Bauteilen (Ball Grid Arrays) elektrisch angebunden werden können (Platzmangel wegen des kleinen Pitches (Abstand) der einzelnen Pins). So bindet man die Pads der BGAs an Microviabohrungen an, die auf einer anderen Lage enden und gewährleistet so deren Entflechtung.

Buried-Via Technologie

Diese Technologie ist eine Variante der Microviatechnologie. Die Vias (Durchkontaktierungen) verbinden auch hier zwei oder mehrere Kupferlagen, sind jedoch nur zwischen Innenlagen eingebracht und nicht von der Platinenoberfläche zugänglich. Buried Vias (dt.: 'vergrabene Durchkontaktierungen') sind somit nur bei Multilayer-Platinen ab 4 Lagen möglich.

Dickkupfer

Die Verwendung von Kupfertstärken jenseits 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.

Die Eisbergtechnik (engl.: iceberg technique) ist eine Weiterentwicklung davon. Dabei werden die Kupferlagen durch einen photolithographisch gesteuerten Ätzprozess vorstrukturiert: Bereiche, die kein Dickkupfer benötigen, werden hierbei auf 35 µm oder 70 µm zurückgeätzt. Diese Folie wird dann in das Prepag eingepresst und konventionell weiterverarbeitet. Die verbleibende geringe Erhebung erlaubt eine feinere Struktierung und ggf. zuverlässigere Überdeckung mit Lötstopplack.

Wärmemanagement

Thermal Vias verbessern den Wärmetransports senkrecht zur Leiterplatte. Die Wärmeleitfähigkeit von köstengünstigen Basismaterialen wie FR4 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 Durchkontatierung. Durch eine dichte Anordnung, beispielsweise in einem hexagonales 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. (S. Andus)

Metallkern (engl. metal core) und Dickkupfer erlauben höhere laterale Wärmeleitfähigkeiten. Hierzu werden Kupfer oder Aluminiumbleche bzw. auf bis zu 400 µm verstärkte Kupferlagen in die Leiterplatte eingearbeitet.

In Verbindung mit einem Wärmepastendruck kann so eine Wärmereduktion von bis zu 96% 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, was zu einer deutlichen Verbesserung der Entwärmung führt. Dieses führt auch zu einer geringeren Abstrahlung elektromagnetischer Felder.

Flexible Leiterplatten

Alternativ zu festen Leiterplatten finden auch dünne Flexleiterplatten z. B. auf Basis von Polyimid-Folien Verwendung. Die damit aufgebauten teureren Flexschaltungen sind sehr platzsparend und können durch Faltungen in engsten Strukturen z. B. in Fotoapparaten und Videokameras eingesetzt werden.
Flexible Verbindungen für dauernde Beanspruchung, z.B. in Tintenstrahldruckern, werden häufig ebenfalls als Polyimid-Folien-Leiterplatte ausgebildet.

Einpresstechnik und andere Lötalternativen

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. Auf Grund der plastischen Verformung der beteiligten Metalle ergeben sich sichere elektrische Verbindungen auch ohne Löten. Als eine der 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". Dabei werden gedünnte Chips ohne Gehäuse auf die Leiterplatte geklebt und mittels dünner Drähte mit den entsprechenden Kontakten auf der Leiterplatte verbunden. Dies passiert nicht durch löten, sondern mittels eines Stiftes, welcher auf den Draht drückt und um ca. 4-5µm schwingt (Ultraschall-Bonden). Dadurch entsteht Reibungswärme und verschweißt den Draht mit den Lands (kleine Cu-Flächen, auf die geschweißt wird). Es können momentan ca. 10-12 Verbindungen pro Sekunde hergestellt werden. Auf Leiterplatten gebondete Chips und Bonddrähte werden durch lichtabsorbierendes Harz geschützt.

Normen und Vorschriften

Zu dem Aufbau und den Eigenschaften von Leiterplatten gibt es vielfältige Vorschriften und Normen. Außer DIN, IEC und IPC-Normen haben große Unternehmen teilweise auch eigene Werksnormen. Neben diesen universellen Normen gibt es für Rack Systeme standdardisierte Abmessungen für Leiterplatten:

Europakarte (3 HE): 160 × 100 mm², an der Schmalseite kontaktiert
Doppeltes Europakarten Format (6 HE): 233 × 160 mm² sie werden an der Breitseite kontaktiert.

Testen der Leiterplatten

Industriell gefertigte Leiterplatten müssen vor der Auslieferung einem Funktionstest unterzogen werden. Bei grossen Stückzahlen lohnt sich ein sog. "In-Circuit-Test" mit einem Automatic Test Equipment, da so defekte, fehlende oder falsche Bauteile und Lötfehler rasch lokalisiert werden können.

Normen des Basismaterials

Es gibt die unterschiedlichsten Normen über das verwendete Basismaterial, doch in der Industrie hat sich eine Klassifikation nach NEMA (National Electrical Manufacturers Association) durchgesetzt.

Basismaterialherstellung einer FR4-Leiterplatte

In der Imprägnieranlage werden zunächst das Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger gemischt. Dem können noch andere Stoffe hinzugegeben 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.

Weblinks

Hardware | Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik

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