Leiterplatte
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 gleichzeitig mechanisch gehalten und elektrisch verbunden. Größere
Komponenten können auch mit Kabelbindern,
Klebstoff oder Verschraubungen
auf der Leiterplatte befestigt werden.
Material
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.
Das Basismaterial war früher oft Pertinax
(Phenolharz mit Papierfasern, sog. Hartpapier,
Materialkennung FR2). Heute werden – außer für billige Massenartikel –
meist mit Epoxidharz
getränkte Glasfasermatten
verwendet (Materialkennung FR4). Dieses Material hat eine bessere Kriechstromfestigkeit
und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier.
Materialbezeichnungen:
- FR steht für flame retardant (dt. flammenhemmend).
Für Spezialanwendungen kommen auch andere Materialien zum Einsatz, wie
beispielsweise Teflon,
Aluminium
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.
Neueste Entwicklungen setzen auch Glas als Basismaterial ein, für
Leiterplatten mit hohen Anforderungen an die Wärmeabführung werden
Basismaterialien mit elektrisch isolierten Metallkernen wie Aluminium 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.
Herstellung
Entwurf
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. 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 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
Photochemisches
Verfahren
Der größte Teil einseitiger und doppelseitiger durchkontaktierter
Leiterplatten wird fotochemisch hergestellt.
Die heutige Reihenfolge der Herstellungsschritte ist:
- Bohren
- Durchkontaktieren (bei doppelseitigen Leiterplatten)
- Fotoresist laminieren
- Belichten
- Entwickeln
- Ätzen
- Spülen
- 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+H2O2[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
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.
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
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
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.
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:
- Hersteller bieten die Fertigung von Einzelstücken und Kleinstserien im
„Pool“ an, d. h. mehrere Einzelstücke als Nutzen (s. o.) werden auf
einer großen Platte gebohrt, durchkontaktiert, belichtet, geätzt und
danach ausgefräst.
- Lochrasterplatinen weisen Bohrungen oder Lötaugen (einseitig oder
durchkontaktiert) in einem Raster
auf, das für Elektronikbauteile üblich ist, also 2,54 mm (manchmal
auch 2,5 mm) oder die Hälfte davon. Verbindungen kann man durch Löten
mit Schaltdraht,
in Fädeltechnik
oder in Wickeltechnik
herstellen. Oft sind mehrere Augen bereits durch Leiterbahnen verbunden (z. B.
für Betriebsspannungen) oder man hat längere und kürzere Leiterbahnen zur
Verfügung, die den in der Praxis vorkommenden Anforderungen möglichst nahe
zu kommen versuchen. Auch komplett mit parallelen Leiterbahnen versehene
Experimentierplatinen (Lötstreifenplatine) sind üblich. Hier muss
man Trennungen mit einem Werkzeug herstellen. Weiterhin gibt es kleine
Hilfsplatinen für gängige SMD-Gehäuseformen.
- Bei der Frästechnik werden mit einem Fräskopf Trennlinien zwischen den
Leiterflächen hergestellt. Dabei bleibt alles Kupfer stehen, außer den
Trennlinien. Die nasschemischen und fotolithografischen Schritte entfallen.
Mit CAD-Software können meist auch die Fräsdaten ausgegeben werden, so
dass Prototypen in einigen Minuten zu fertigen sind (Inselverfahren).
- Dabei wird das Layout mit einem Schwarzweiß-Laserdrucker spiegelverkehrt
auf geeignetes Papier gedruckt (Katalogseiten o. ä.) und anschließend
mit Bügeleisen oder Laminiergerät auf die Platine „aufgebügelt“. Der
Toner wird dabei 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 Tonerstellen
stehenbleiben.
Alternativ kann auch mithilfe von gewöhnlichem Druckerpapier und Speiseöl
eine "Fotomaske" erzeugt werden. Das Layout wird mit maximaler Schwärzung
ausgedruckt und mit dem Öl getränkt, sodass es transparent wird. Die
Belichtung kann etwa mithilfe von Sonnenlicht oder einem Solarium
erfolgen.
Auch Elektronikbastler
verwenden diese Techniken.
Geschichte
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 Sockel 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
Der Einsatz von Leiterplatten begann Anfang der 1950er Jahre durch die von
Fritz Stahl gegründeten Ruwel-Werke in Geldern
am Niederrhein.
Bis dahin wurden elektronische Bauteile frei verdrahtet, sie hingen also in der
Luft und waren nur an den Enden festgelötet, wobei am Chassis befestigte Lötfahnen
oder die Anschlussfahnen der Fassungen von Elektronenröhren als mechanische Stützpunkte
dienten. Die Geräte waren nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes
zu fertigen.
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
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
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
(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 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
(Erdschleifen, Brummschleifen)
vermieden werden, siehe auch Sternpunkterdung.
- Bei hohen elektrischen Spannungen müssen aus Sicherheitsgründen zwischen
den Leiterbahnen bestimmte Mindestabstände (Aura) eingehalten werden.
Leiterplattentechnologien
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
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
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 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
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
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
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
Neben Buried- und Micro-Vias besteht auch noch die Möglichkeit, Vias
verschließen („pluggen“) zu lassen [3].
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.
Dickkupfer
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
Thermal Vias verbessern den Wärmetransport senkrecht zur Leiterplatte.
Die Wärmeleitfähigkeit von kostengünstigen 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 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
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
und Videokameras
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
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.
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.
Normen und
Vorschriften
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 × 100 mm2 (DIN 41494 Teil 2), an der Schmalseite kontaktiert
- Doppeltes Europakarten-Format (6 HE): 233 × 160 mm2, an der
Breitseite kontaktiert.
Test
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. Nachteil sind hier die hohen Adapterkosten erwähnt werden,
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
Beim Durchgangstest wird die Leiterplatte auf fehlerhafte und fehlende
Verbindungen getestet. Diese Unterbrechungen können durch mechanische Beschädigungen
oder durch Filmfehler beim Belichten entstehen.
Funktionsweise
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.
Kurzschlusstest
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
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
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
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.
Leiterplatten-Basismaterial
Gängige Basismaterialien
| Bezeichnung |
Verstärkung |
Matrix |
Kostenvergleich mit FR4 |
Erweichungspunkt Tg1 |
max. Betriebs-
temperatur2 |
Dielektrizitätszahl |
Isolations-
widerstand |
Kriechstrom-
verhalten |
Verlustwinkel[4] |
| FR2 |
Papier |
Phenolharz |
0,3 |
80 °C |
70 °C |
4,25 |
−− |
−− |
0,05 |
| FR3 |
Papier |
Epoxidharz
(Epoxy) |
0,6 |
100 °C |
90 °C |
|
+ − |
+ − |
0,041 |
| CEM1 |
Papier |
Epoxy |
0,7 |
|
|
|
+ − |
+ − |
0,031 |
| CEM3 |
Glasvlies |
Epoxy |
0,8 |
|
|
|
+ |
+ |
FR4
Standard |
Glasfasergewebe |
Di/Tetra-Epoxy |
1,0 |
125-150 °C |
115-140 °C |
3,8…4,5 |
+ |
+ |
0,019 |
FR4
Halogenfrei |
Glasfasergewebe |
Di/Tetra-Epoxy |
1,3 |
125-180 °C |
115-170 °C |
3,8…4,5 |
+ |
+ |
0,019 |
| FR5 |
Glasfasergewebe |
Tetra/Multi-Epoxy |
1,5 |
150-185 °C |
140-175 °C |
|
|
|
0,016 |
| FR5 BT |
Glasfasergewebe |
BT-Epoxy |
3 |
190-240 °C [5]
[6] |
|
|
|
|
| Polyimid |
ohne oder
Glasfasern |
Polyimid |
3,32…4,38 |
240-270 °C |
230-260 °C |
|
+ |
+ |
|
| Teflon (PTFE) |
ohne oder
Glasfasern |
|
8 |
260-320 °C |
250-310 °C |
2…2,28 |
++ |
++ |
0,0009 (10GHz[7])
bis 0,03 (10GHz [8]) |
| Keramik (Aluminiumoxid) |
- |
|
8 |
nicht relevant |
nicht relevant |
7 (4,5…8,4 [9]
8[10]) |
++ |
++ |
|
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, empfohlen sind Abhilfe: merklich 5 oder besser
10 K. Daneben muss aber auch die maximal zulässige Temperatur für die Lötstellen
beachtet werden.
Wichtige Kenndaten:
- Thermische Eigenschaften
- Elektrische Eigenschaften
- Mechanische Eigenschaften
- Chemische Eigenschaften
Basismaterialherstellung
einer Leiterplatte
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
Mechanische
Verbindungen
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
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.
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