PCB-Platine

Leiterplatte (Abk. LP, engl. printed circuit board, Abk. PCB; andere Bezeichnungen siehe unten) ist Platte bestehend aus einem nichtleitenden Substrat, auf dem anhand des Schaltplans eines bestimmten Schaltkreises leitende Verbindungen erzeugt werden, die die einzelnen elektronischen Komponenten verbinden. Sie dient als Träger- und konstruktiver Bestandteil elektronischer Schaltkreise, bestehend aus mehreren einzelnen elektronischen Komponenten.

Bezeichnungen

Insgesamt werden folgende Bezeichnungen verwendet:

mit dem Ausdruck „Leiterbahnen“ im Namen: Leiterplatte, Leiterplatte mit Leiterbahnen, Leiterplatte mit Leiterbahnen, Platte mit Leiterbahnen, Platte mit Leiterbahnen, Platte mit Leiterbahnen
mit dem Ausdruck „gedruckte Verbindungen“ im Namen: Leiterplatte mit gedruckten Verbindungen Leiterplatte mit gedruckten Verbindungen, Leiterplatte mit gedruckten Verbindungen
mit dem Ausdruck „gedruckte Schaltung“ im Namen: Leiterplatte mit gedruckten Schaltungen, Leiterplatte mit gedruckten Schaltungen, Leiterplatte mit gedruckten Schaltungen, Platte mit gedruckten Schaltungen
mit dem Ausdruck „gedruckte Leiterbahnen“ im Namen: Leiterplatte mit gedruckten Leiterbahnen, Leiterplatte mit gedruckten Leiterbahnen, Leiterplatte mit gedruckten Leiterbahnen

Am häufigsten scheinen die Bezeichnungen Leiterplatte und Leiterplatte mit Leiterbahnen zu sein.

Arten

LP nach Anzahl der Schichten in einlagige, zweilagige (beidseitige) und mehrschichtige unterteilt. Einlagige LP sind am einfachsten, da sie keine leitenden Verbindungen zwischen den einzelnen Schichten benötigen. Zweilagige LP enthalten Verbindungen auf beiden Seiten des Trägermaterials, die Verbindungen zwischen ihnen werden durch gebohrte Löcher (sog. Vias) hergestellt. Mehrschichtige LP enthalten leitende Schichten auch im Inneren des Materials und werden durch Verbinden mehrerer ein- und zweilagiger LP mit isolierenden Zwischenschichten hergestellt. Obwohl sie technologisch anspruchsvoller sind, ermöglichen mehrschichtige LP einen einfacheren Entwurf komplexer elektronischer Schaltkreise und bessere Schaltungseigenschaften (z. B. Verringerung von Störungen).

Geschichte der Entwicklung der LP

Der Erfinder der Leiterplatte war der österreichische Ingenieur Paul Eisler, der sie als Teil eines Funkempfängers während seiner Arbeit in England herstellte. Im Jahr 1943 begann man in den USA, diese Technologie großflächig für die Herstellung robuster Radios zu verwenden, die im Zweiten Weltkrieg eingesetzt wurden. Nach dem Krieg, im Jahr 1948, wurden in den USA die Erfindung der LP für kommerzielle Zwecke bekanntgegeben. Leiterplatten waren jedoch keine Selbstverständlichkeit im Bereich der Verbraucher-Elektronik, bis in die 50er Jahre des 20. Jahrhunderts, als die Armee der Vereinigten Staaten einen Prozess für ihre automatische Montage entwickelte. Vor der Erfindung der LP gab es eine Technik ähnlicher Art, die von dem britischen Elektroingenieur John Adolph Sargrove (ursprünglicher Name Szabadi) entwickelt wurde. Es handelte sich um Metall, das auf eine bakelitverklebte Isolierplatte gesprüht wurde. Mit dem Gerät, das ursprünglich Electronic Circuit Making Equipment – ECME (im Übersetzung: Gerät zur Herstellung elektronischer Schaltkreise) hieß, konnten drei Radios pro Minute hergestellt werden.

Konstruktion

Die leitenden Schichten der LP werden standardmäßig aus einer dünnen Kupferfolie (Dicke mehrerer Zehntel μm) hergestellt. Die Isolierschichten bestehen aus einer Kombination aus Laminate und Epoxidharz (meist 1,5 mm). Leiterplatten werden in drei Standardfarben hergestellt, nämlich grün, blau und rot. Je nach Anforderungen des elektronischen Schaltkreises kann man aus mehreren Dielektrika mit unterschiedlichen Isolatoreigenschaften wählen. Beispiele solcher Materialien sind: Polytetrafluorethylen (Teflon), Papier mit Phenol FR-2, Papier mit Epoxid FR-3, Glasgewebe mit Epoxid FR-5 und Glasfaser-FRP FR-6. Die wichtigste Eigenschaft bei LP ist die thermische Ausdehnung, die ihre Maßhaltigkeit bestimmt. LP mit geringster thermischer Ausdehnung und somit beste Eigenschaften haben solche, die auf Basis von Glasfaser hergestellt werden.

Heute enthalten LP auch einfache elektronische Geräte. Bei der heutigen Massenproduktion von Leiterplatten ist deren Preis sehr niedrig und ihre Zuverlässigkeit ist mehr als zufriedenstellend. Der Entwurf und die Herstellung der LP ist jedoch keine günstige Angelegenheit, aber mit der Verwendung geeigneter Technologien kann der Hersteller im Verhältnis zum Preis der verwendeten elektronischen Komponenten eine vernachlässigbare Herstellungskosten erreichen. LP haben gegenüber Konstruktionen mit Drahtverbindungen oder Point-to-Point-Konstruktionen unzählige Vorteile, trotz der Komplexität der Herstellung der LP. Der Hauptgrund für die Verwendung von LP ist auch die Möglichkeit der vollständigen Automatisierung der Herstellung elektronischer Geräte. Für die Zwecke der Qualitätskontrolle und Montage der LP sind von der Organisation IPC veröffentlichte Standards festgelegt.

Entwurf des Motivs

Das Motiv der leitenden Leiterbahnen wird in der Regel mit spezialisierten CAD Programmen erstellt, basierend auf dem Entwurf des elektrischen Schaltkreises, der normalerweise im selben Programm gezeichnet wird. Das Motiv wird dann auf eine durchsichtige Folie übertragen, die als Vorlage für die Herstellung der LP dient.

Bearbeitung

Bei der Herstellung der beidseitigen LP wird die Platte zunächst auf einer koordinatenkontrollierten Bohrmaschine (CNC) nach dem entworfenen Motiv gebohrt, danach wird eine dünne Schicht Metall chemisch auf die gebohrten Löcher aufgebracht, die dann galvanisch (elektrochemisch) aufgezogen wird.

Die Methode der Herstellung leitender Verbindungen auf der Leiterplatte hängt hauptsächlich davon ab, ob es um ihre Massenproduktion geht oder ob sie für die Konstruktion eines Geräts verwendet werden sollen, z. B. eines Prototyps oder einer Amateurproduktion.

Primär können wir die Herstellungstechnologien in zwei grundlegende Unterteilungen einteilen. Erste ist das Aufbringen (Drucken) leitender Verbindungen auf die Isolierschicht. Die zweite Methode ist das Entfernen eines Teils der kontinuierlichen Schicht der dünnen Kupferfolie, die auf dem isolierenden Untergrund aufgeklebt ist. In der heutigen Zeit wird häufiger die zweite der erwähnten Methoden verwendet. Das Motiv der Leiterbahnen wird auf die LP fotolithografisch übertragen: Die LP wird mit Fotolack bedeckt, wird mit UV-Licht über der Folie mit Motiv belichtet, wobei selbstverständlich auf die Deckung mit den gebohrten Löchern und auf die Deckung beider Seiten geachtet wird, der Fotolack wird entwickelt und anschließend werden die freigelegten Teile der Kupferfolie abgeätzt. Nach dem Entfernen der Reste des Fotolacks werden die leitenden Kupferflächen galvanisch (mit Lot oder Gold) überzogen, um die Oxidation des Kupfers zu verhindern, was die spätere Montage (Löten) der Komponenten erschweren oder unmöglich machen könnte. Danach wird eine sogenannte nicht-lötende Maske aufgebracht und geformt, die die Stellen bedeckt, die nicht gelötet werden sollen und verhindert, dass Lot an diese Stellen gelangt. Schließlich kann die LP mit Hilfstexten und Zeichnungen durch Siebdruck bedruckt werden, die bei der Montage der Platte und der Reparatur des Schaltkreises helfen.

Ein weiterer Weg, eine Maske zu erstellen, ist der Siebdruck, der widerstandsfähige Tinten verwendet, um die gewünschten leitenden Verbindungen vor dem Abätzen zu schützen. Der Siebdruck kann auch bei der Methode des Aufbringens leitender Verbindungen auf einen flexiblen isolierenden Grund verwendet werden, was vor allem bei der Herstellung flexibler LP oder beweglicher Anschlussleitungen der Fall ist.

Ein anderer Weg ist das Fräsen, mit dem die nicht benötigte Kupferfolie, die auf dem isolierenden Untergrund aufgeklebt ist, entfernt wird. Bei dieser Herstellungsmethode ist es nicht notwendig, die Platte mit einer Maske zu bedecken. Mit geeignetem Software wird das Muster der Leiterplatte (Maske) erstellt und mit einem Fräsmaschine, die einem Plotter ähnelt (CNC Gerät), wird systematisch das nicht benötigte Kupfer von der Platte herausgefräst.

Besonderheiten

Flexibele LP haben als Trägerschicht nicht eine flexible, sondern eine feste Kunststofffolie. Sie werden oft als beweglicher Anschluss (z. B. zu einer beweglichen Druckkopf der Computerdrucker) oder in räumlich begrenzten Geräten (wo sie auch in kleinen Volumina geformt werden können) verwendet.

Für Hochfrequenz- und Mikrowellenanlagen werden LP aus Materialien mit geringeren dielektrischen Verlusten bei hohen Frequenzen hergestellt, z. B. Teflon oder synthetischer Korund (Al₂O₃).

In sehr günstigen Geräten der Verbraucher-Elektronik ist das Grundmaterial meist ein Laminate, das Papier anstelle von Glasgewebe enthält, wird ausschließlich für einseitige LP verwendet.