Leiterplatte
Eine Leiterplatte, auch Platine oder gedruckte Schaltung (engl. printed circuit board, PCB bzw printed wiring board, PWB), dient dem Verbinden von elektronischen Bauteilen ohne die Verwendung von herkömmlichen Kabeln.
Einfache Leiterplatten bestehen aus einer Kupferschicht, die auf einen Kunststoffträger aufgebracht ist. Der Kunststoffträger war früher üblicherweise aus Pertinax, heute wird meistens eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte verwendet (Laminat). Richard Wool, Professor im Fachbereich Chemie an der University of Delaware, will Platinen aus Hühnerfedern herstellen. Für Spezialanwendungen kommen auch andere Materialien zu Einsatz, wie Beispielsweise Teflon oder Keramik in der Hochfrequenztechnik. Die Herstellung der Leiterbahnen erfolgt indem lichtempfindlicher Fotolack durch eine Maske belichtet wird. 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. Ebenso können Kupferschichten verdickt, bzw. zusätzliche metallische Schutzschichten aus Nickel, Gold, u.ä. durch galvanische Prozesse aufgebracht werden. Danach kann noch ein Lötstopplack aufgebracht werden, der die Leiterbahnen abdeckt und nur die Lötstellen frei lässt (grüne Lackschicht der Leiterplatte im Foto).
Der Einsatz von Leiterplatten begann Anfang der 1950er Jahre. Bis dahin wurden elektronische Bauteile frei verdrahtet, hingen also in der Luft und waren nur an den Enden festgelötet. Bei der Verwendung von gedruckten Schaltungen wurden nun die Anschlussdrähte der Bauteile von Oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (engl. Through Hole Technology, THT), auf der Unterseite war die Kupferleiterbahnen, an denen sie festgelötet wurden.
- Foto einer Leiterplatte
- Leiterplatte. Oben: Bestückungsseite mit den Bauteilen. Unten: Lötseite mit den Leiterbahnen.
Weil das Bohren der Löcher ein teurer und zeitintensiver Arbeitsschritt ist, begann man Mitte der 1980er 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.
- bild:smd.JPG
- Ausschnitt einer SMD-Platine
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 aufeinander zu kleben (mit Prepregs). Diese Leiterplatten werden als Multilayer-Leiterplatten bezeichnet und können bis zu 48 Schichten mit Leiterbahnen haben. Vor Herstellung einer Leiterplatte muss im Rahmen eines CAD-Systems eine Leiterplattenentflechtung durchgeführt werden.
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)
Einem deutschen Leiterplattenhersteller ist es gelungen einen Dünnfilmakku eines amerikanischen Herstellers in eine Mehrlagenschaltung zu integrieren. Dieser Akku kann bis 100.000 (!) mal wieder aufgeladen werden und bietet sich als Backupstromquelle, z.B. für PDA´s o.ä. an. Dieses Verfahren ist durch ein Patent geschützt.
Eine neuere Entwicklung ist die Microviatechnologie, dabei werden Sacklochbohrungen die ~100 µm Ø haben mittels Laser 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.
Im Bereich Wärmemanagement sind ebenfalls bereits Entwicklungen getätigt worden, so wird über sogenannte Thermal Vias die Wärme aus der Leiterplatte an die Oberfläche abgeführt.
In Verbindung mit einem Wärmepastendruck kann so eine Wärmereduktion von bis zu 96% erreicht werden.
- Leiterplatte mit Thermal Vias und Wärmepastendruck
- Leiterplatte mit Thermal Vias und Wärmepastendruck
Ebenfalls eine deutsche Entwicklung ist die wassergekühlte Leiterplatte (Multilayer), bei der vor dem Zusammenbau der einzelnen Endlagen feine Nuten an Ober- und Unterseite der Innenlagen gefräst werden. Nach dem Zusammenbau verbleibt hier ein Kanal, durch den Kühlwasser geleitet werden kann. Zu sehen war diese Attraktion unter dem Namen SEAG Water Board auf der Messe Electronica 2004.
Die Brücke zwischen starren und flexiblen Leiterplatten schlägt das sogenannte SEAG Flex Board. Bei diesem speziellen Basismaterial erfolgt eine Tiefenfräsung, die einen schmalen Steg zurücklässt. Über die Leiterbahnen auf der Rückseite des verbleibenden Materials erfolgt die elektrische Verbindung. Es sind Biegeradien von bis zu 180° möglich. Die Biegbarkeit beschränkt sich allerdings auf ein bis drei Biegezyklen. Diese Art der Leiterplatte ist gedacht für den festen Einbau, daher auch der Name semiflexible Leiterplatte. In dem Reststeg können bis zu drei Lagen intergriert werden bei einer Reststegdicke von ca. 0,25mm. Der Vorteil dieser Technologie liegt beim Preis der Leiterplatte, da die dauerflexiblen Leiterplatten mit Polymid Folien wesentlich teurer sind.
- Leiterplatte mit Tiefenfräsung zur Flexibilisierung und Einbauoptimierung
- Leiterplatte mit Tiefenfräsung zur Flexibilisierung und Einbauoptimierung
- Leiterplatte mit Tiefenfräsung zur Flexibilisierung und Einbauoptimierung
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.
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.
Als Alternative zum Verlöten der Bauteilanschlüsse auf einer Leiterplatte gibt es die Einpresstechnik. Dabei werden verformbare oder feste Stifte in eng tolerierte und metallisierte Bohrungen der Leiterplatte gesteckt. 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 etabliert. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch die Verwendung von Klebstoff. Dabei wählt man zwischen elektrisch nichtleitenden bzw. leitfähigen isotropen und anisotopen Klebstoff. Eine weitere Technik ist das "Bonden". Dabei werden gedünnte Chips ohne Gehäuse auf die Leiterplatte geklebt und mittels dünnen Drähten mit den entsprechenden Kontakten auf der Leiterplatte verbunden. Dies passiert aber nicht durch löten, sondern mittels eines Stiftes, welcher auf den Draht drückt und um ca. 4-5µm schwingt. 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.