Leiterplatte FAQ
Eine Leiterplatte (auch Leiterkarte, Platine, oder gedruckte Schaltung) 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.
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 Durchsteckbauteile von oben bestückt werden. Die SMD-Bauteile können zusätzlich geklebt sein, sodass 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.
Ausschnitt einer SMD-Platine
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 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.
Ein weiterer Grund für die Entwicklung von SMD waren die stetig steigenden Frequenzen elektronischer Baugruppen. Durch SMD konnten die Leitungslängen und die damit verbundenen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten reduziert werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der SMD-Bauteile ist die einfache Handhabung in automatischen Bestückungssystemen. Bei bedrahteten Bauteilen ist es immer ein wesentliches Problem, mit allen Anschlüssen die Bohrungen sauber zu treffen, 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 bei 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 [Bearbeiten]
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. Globetop) (Beispiel: Quarzuhrwerke).
Microvia-Technik
Bei Multilayer-Platinen ist die HDI-Leiterplattentechnik inzwischen Standard. Dabei werden Sacklochbohrungen mit 50 – 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.
Hierbei 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
Diese Technologie ist eine Variante der Microviatechnik. 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 vier Lagen möglich.
Dickkupfer
Die Verwendung von Kupferstärken 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.
Alternativ kann eine Platine mit geringer Kupferdicke fotolithografisch strukturiert und galvanisch mit Kupfer verstärkt werden. Nachfolgendes Ätzen vermag dann ohne Abdecklack die Leiterzüge freizulegen, sodass 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 hierbei 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 höhere laterale Wärmeleitfähigkeiten. Hierzu 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.
Flexible Leiterplatten [Bearbeiten]
flexible Leiterplatte mit Goldkontakten zum beweglichen Anschluss des Druckkopfes in einem Tintenstrahldrucker
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.
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