Leiterplatte - Printed circuit board

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Leiterplatte eines DVD-Players. Typische Leiterplatten sind grün, können aber auch in anderen Farben hergestellt werden.
Teil einer 1984er Sinclair ZX Spectrum- Computerplatine, einer Leiterplatte, auf der die Leiterbahnen, Durchkontaktierungen (die Durchgangslochpfade zur anderen Oberfläche) und einige elektronische Komponenten mit Durchgangslochmontage dargestellt sind.

Eine Leiterplatte ( PCB ) unterstützt und verbindet elektrische oder elektronische Komponenten mechanisch unter Verwendung von leitenden Spuren, Pads und anderen Merkmalen , die aus einer oder mehreren Kupferblechschichten geätzt sind, die auf und / oder zwischen Blechschichten eines nichtleitenden Substrats laminiert sind. Komponenten werden im Allgemeinen auf die Leiterplatte gelötet, um sie sowohl elektrisch zu verbinden als auch mechanisch daran zu befestigen.

Leiterplatten werden in allen außer den einfachsten elektronischen Produkten verwendet. Sie werden auch in einigen elektrischen Produkten verwendet, beispielsweise in passiven Schaltkästen.

Zu den Alternativen zu Leiterplatten gehören Drahtwicklung und Punkt-zu-Punkt-Konstruktion , die einst beliebt waren, heute jedoch nur noch selten verwendet werden. Leiterplatten erfordern zusätzlichen Konstruktionsaufwand, um die Schaltung auszulegen, aber Herstellung und Montage können automatisiert werden. Für einen Großteil der Layoutarbeit steht eine elektronische computergestützte Entwurfssoftware zur Verfügung. Die Massenproduktion von Schaltkreisen mit Leiterplatten ist billiger und schneller als bei anderen Verdrahtungsmethoden, da Komponenten in einem Arbeitsgang montiert und verdrahtet werden. Eine große Anzahl von Leiterplatten kann gleichzeitig hergestellt werden, und das Layout muss nur einmal durchgeführt werden. PCBs können auch manuell in kleinen Mengen hergestellt werden, mit reduzierten Vorteilen.

PCBs können einseitig (eine Kupferschicht), doppelseitig (zwei Kupferschichten auf beiden Seiten einer Substratschicht) oder mehrschichtig (äußere und innere Kupferschichten, abwechselnd mit Substratschichten) sein. Mehrschichtige Leiterplatten ermöglichen eine viel höhere Komponentendichte, da Schaltungsspuren auf den inneren Schichten ansonsten den Oberflächenraum zwischen den Komponenten einnehmen würden. Die zunehmende Beliebtheit von mehrschichtigen Leiterplatten mit mehr als zwei und insbesondere mit mehr als vier Kupferebenen ging mit der Einführung der Oberflächenmontagetechnologie einher . Mehrschichtige Leiterplatten erschweren jedoch die Reparatur, Analyse und Feldmodifizierung von Schaltungen erheblich und sind in der Regel unpraktisch.

Der Weltmarkt für blanke Leiterplatten überstieg 2014 60,2 Milliarden US-Dollar und wird bis 2024 auf 79 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Überblick

Eine Basisplatine besteht aus einem flachen Blech aus isolierendem Material und eine Schicht aus Kupferfolie , auf das Substrat laminiert. Durch chemisches Ätzen wird das Kupfer in separate leitende Leitungen unterteilt, die als Spuren oder Leiterbahnen bezeichnet werden , Pads für Verbindungen, Durchkontaktierungen zum Durchführen von Verbindungen zwischen Kupferschichten und Merkmale wie feste leitende Bereiche für elektromagnetische Abschirmung oder andere Zwecke. Die Schienen fungieren als an Ort und Stelle befestigte Drähte und sind durch Luft und das Plattensubstratmaterial voneinander isoliert. Die Oberfläche einer Leiterplatte kann eine Beschichtung aufweisen, die das Kupfer vor Korrosion schützt und die Wahrscheinlichkeit von Lötkurzschlüssen zwischen Leiterbahnen oder unerwünschtem elektrischem Kontakt mit blanken Streudrähten verringert . Aufgrund seiner Funktion zur Vermeidung von Lötkurzschlüssen wird die Beschichtung als Lötresist oder Lötmaske bezeichnet.

Eine Leiterplatte kann mehrere Kupferschichten aufweisen. Eine zweischichtige Platte hat auf beiden Seiten Kupfer; Mehrschichtplatten legen zusätzliche Kupferschichten zwischen die Schichten des Isoliermaterials. Leiter auf verschiedenen Schichten sind mit Durchkontaktierungen verbunden , bei denen es sich um verkupferte Löcher handelt, die als elektrische Tunnel durch das isolierende Substrat fungieren. Durchgangsloch-Komponentenleitungen fungieren manchmal auch effektiv als Durchkontaktierungen. Nach zweischichtigen Leiterplatten ist der nächste Schritt normalerweise vierschichtig. Oft sind zwei Schichten als Stromversorgungs- und Erdungsebenen vorgesehen , und die anderen beiden werden für die Signalverdrahtung zwischen Komponenten verwendet.

"Durchgangsloch" -Komponenten werden an ihren Drahtleitungen montiert, die durch die Platine verlaufen, und auf Spuren auf der anderen Seite verlötet. "Surface Mount" -Komponenten werden mit ihren Kabeln an Kupferspuren auf derselben Seite der Platine befestigt. Eine Platine kann beide Methoden zur Montage von Komponenten verwenden. Leiterplatten mit nur durch Loch montierten Bauteilen sind jetzt keine Seltenheit mehr. Die Oberflächenmontage wird für Transistoren , Dioden , IC-Chips , Widerstände und Kondensatoren verwendet. Die Durchgangslochmontage kann für einige große Komponenten wie Elektrolytkondensatoren und Steckverbinder verwendet werden.

Das Muster, das in jede Kupferschicht einer Leiterplatte geätzt werden soll, wird als "Kunstwerk" bezeichnet. Das Ätzen erfolgt normalerweise unter Verwendung eines Fotolacks, der auf die Leiterplatte aufgetragen und dann Licht ausgesetzt wird, das in das Muster des Kunstwerks projiziert wird. Das Resistmaterial schützt das Kupfer vor dem Auflösen in der Ätzlösung. Die geätzte Platte wird dann gereinigt. Ein Leiterplatten - Design werden kann in einer Art und Weise ähnlich zu der Art und Weise massen reproduzierten Fotografien Massen dupliziert sein können von Filmnegativen mit Hilfe eines fotografischen Printers .

Bei mehrschichtigen Platten werden die Materialschichten in einem abwechselnden Sandwich zusammenlaminiert: Kupfer, Substrat, Kupfer, Substrat, Kupfer usw.; Jede Kupferebene wird geätzt, und alle inneren Durchkontaktierungen (die sich nicht bis zu beiden Außenflächen der fertigen Mehrschichtplatte erstrecken) werden durchplattiert, bevor die Schichten zusammenlaminiert werden. Nur die äußeren Schichten müssen beschichtet werden; Die inneren Kupferschichten sind durch die benachbarten Substratschichten geschützt.

FR-4 -Glasepoxid ist das am häufigsten verwendete Isoliersubstrat. Ein anderes Substratmaterial ist Baumwollpapier, das mit Phenolharz imprägniert ist , häufig braun oder braun.

Wenn auf einer Leiterplatte keine Komponenten installiert sind, wird sie weniger eindeutig als Leiterplatte ( PWB ) oder geätzte Leiterplatte bezeichnet . Der Begriff "Leiterplatte" ist jedoch nicht mehr gebräuchlich. Eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatte wird als Leiterplattenbaugruppe ( PCA ), Leiterplattenbaugruppe oder Leiterplattenbaugruppe ( PCBA ) bezeichnet. Im informellen Sprachgebrauch bedeutet der Begriff "Leiterplatte" am häufigsten "Leiterplattenbaugruppe" (mit Komponenten). Der bevorzugte IPC- Begriff für zusammengebaute Karten ist die Leiterplattenbaugruppe ( CCA ), und für zusammengebaute Rückwandplatinen sind es Rückwandplatinenbaugruppen . "Karte" ist ein weiterer weit verbreiteter informeller Begriff für eine "gedruckte Schaltungsanordnung". Zum Beispiel Erweiterungskarte .

Eine Leiterplatte kann mit einer Legende bedruckt werden, die die Komponenten, Testpunkte oder den identifizierenden Text identifiziert. Ursprünglich wurde zu diesem Zweck Siebdruck verwendet, heute werden jedoch üblicherweise andere Druckverfahren mit feinerer Qualität verwendet. Normalerweise hat die Legende keinen Einfluss auf die Funktion der PCBA.

Eine minimale Leiterplatte für eine einzelne Komponente, die für das Prototyping verwendet wird , wird als Breakout-Board bezeichnet . Der Zweck einer Breakout-Platine besteht darin, die Leitungen einer Komponente an separaten Klemmen "auszubrechen", damit manuelle Verbindungen zu ihnen problemlos hergestellt werden können. Breakout-Boards werden insbesondere für oberflächenmontierte Komponenten oder Komponenten mit feiner Bleiteigung verwendet.

Fortgeschrittene Leiterplatten können im Substrat eingebettete Komponenten wie Kondensatoren und integrierte Schaltkreise enthalten, um den Platzbedarf von Komponenten auf der Oberfläche der Leiterplatte zu verringern und gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften zu verbessern.

Eigenschaften

Durchgangsbohrtechnik

Durchgangswiderstände (bleihaltig)

Bei den ersten Leiterplatten wurde die Durchgangsbohrtechnologie verwendet, bei der elektronische Komponenten durch Kabel montiert wurden, die durch Löcher auf einer Seite der Platine eingeführt und auf der anderen Seite auf Kupferspuren gelötet wurden. Die Platinen können einseitig mit einer nicht plattierten Komponentenseite oder kompaktere doppelseitige Platinen mit beidseitig gelöteten Komponenten sein. Die horizontale Installation von Durchgangsbohrungsteilen mit zwei axialen Leitungen (wie Widerständen, Kondensatoren und Dioden) erfolgt durch Biegen der Leitungen um 90 Grad in die gleiche Richtung und Einsetzen des Teils in die Platine (häufig Biegen der Leitungen auf der Rückseite der Leitung) Platine in entgegengesetzte Richtungen, um die mechanische Festigkeit des Teils zu verbessern), Löten der Leitungen und Abschneiden der Enden. Die Leitungen können entweder manuell oder mit einer Wellenlötmaschine gelötet werden .

Die Herstellung von Durchgangslöchern erhöht die Platinenkosten, da viele Löcher genau gebohrt werden müssen, und begrenzt den verfügbaren Routing-Bereich für Signalspuren auf Schichten unmittelbar unter der obersten Schicht auf Mehrschichtplatten, da die Löcher durch alle Schichten zu den Platten verlaufen müssen gegenüberliegende Seite. Nach Inbetriebnahme der Oberflächenmontage wurden nach Möglichkeit kleine SMD-Komponenten verwendet, wobei die Durchgangsbohrung nur von Komponenten durchgeführt wurde, die aufgrund von Leistungsanforderungen oder mechanischen Einschränkungen für die Oberflächenmontage ungeeignet waren oder mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt waren, die die Leiterplatte beschädigen könnten (zB durch Abheben des Kupfers von der Plattenoberfläche).

Oberflächenmontagetechnologie

Oberflächenmontierte Komponenten, einschließlich Widerstände, Transistoren und eine integrierte Schaltung

Die Oberflächenmontagetechnologie entstand in den 1960er Jahren, gewann Anfang der 1980er Jahre an Dynamik und wurde Mitte der 1990er Jahre weit verbreitet. Die Komponenten wurden mechanisch so umgestaltet, dass sie kleine Metalllaschen oder Endkappen aufweisen, die direkt auf die Leiterplattenoberfläche gelötet werden können, anstatt dass Kabel durch Löcher geführt werden. Die Komponenten wurden viel kleiner und die Platzierung der Komponenten auf beiden Seiten der Platine wurde häufiger als bei der Durchgangslochmontage, was viel kleinere Leiterplattenbaugruppen mit viel höheren Schaltungsdichten ermöglichte. Die Oberflächenmontage eignet sich gut für einen hohen Automatisierungsgrad, reduziert die Arbeitskosten und erhöht die Produktionsraten im Vergleich zu Durchgangslochplatinen erheblich. Komponenten können montiert auf Trägerbändern geliefert werden. Oberflächenmontierte Komponenten können etwa ein Viertel bis ein Zehntel der Größe und des Gewichts von Durchgangslochkomponenten ausmachen, und passive Komponenten sind viel billiger. Die Preise für Halbleiter- Oberflächenmontagevorrichtungen (SMDs) werden jedoch mehr vom Chip selbst als vom Gehäuse bestimmt, wobei der Preisvorteil gegenüber größeren Gehäusen gering ist, und einige drahtgebundene Komponenten, wie z. B. 1N4148 -Kleinsignal-Schaltdioden, sind tatsächlich erheblich günstiger als SMD-Äquivalente.

Eine Leiterplatte in einer Computermaus : die Komponentenseite (links) und die gedruckte Seite (rechts)

Schaltungseigenschaften der Leiterplatte

Jede Spur besteht aus einem flachen, schmalen Teil der Kupferfolie , die nach dem Ätzen verbleibt. Sein Widerstand , der durch seine Breite, Dicke und Länge bestimmt wird, muss für den Strom, den der Leiter führen wird, ausreichend niedrig sein. Strom- und Bodenspuren müssen möglicherweise breiter sein als Signalspuren. In einer mehrschichtigen Platte kann eine ganze Schicht größtenteils aus festem Kupfer bestehen, um als Masseebene für die Abschirmung und die Leistungsrückführung zu dienen. Für Mikrowellenschaltungen können Übertragungsleitungen in einer planaren Form wie Streifenleitung oder Mikrostreifen mit sorgfältig kontrollierten Abmessungen ausgelegt werden, um eine gleichmäßige Impedanz sicherzustellen . In Hochfrequenz- und Schnellschaltkreisen werden die Induktivität und Kapazität der Leiterplattenleiter zu wesentlichen Schaltungselementen, die normalerweise unerwünscht sind. Umgekehrt können sie als bewusster Teil des Schaltungsdesigns verwendet werden, wie bei Filtern , Antennen und Sicherungen mit verteilten Elementen , wodurch die Notwendigkeit zusätzlicher diskreter Komponenten entfällt. HDI-Leiterplatten (High Density Interconnects) haben Spuren und / oder Durchkontaktierungen mit einer Breite oder einem Durchmesser von weniger als 152 Mikrometern.

Materialien

RoHS-konforme Leiterplatte

Die Europäische Union verbietet die Verwendung von Blei (unter anderem Schwermetallen) in Verbrauchsgütern, einem Gesetz, das als RoHS- Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe bezeichnet wird. PCBs, die in der EU verkauft werden sollen, müssen RoHS-konform sein. Dies bedeutet, dass bei allen Herstellungsprozessen kein Blei verwendet werden darf, dass alle verwendeten Lote bleifrei sein müssen und dass alle auf der Platine montierten Komponenten frei von Blei, Quecksilber und Quecksilber sein müssen. Cadmium und andere Schwermetalle.

Laminate

Laminate werden hergestellt, indem unter Druck und Temperatur Schichten von Stoff oder Papier mit duroplastischem Harz gehärtet werden , um ein integrales Endstück mit gleichmäßiger Dicke zu bilden. Die Größe kann bis zu 1,2 x 2,4 m (4 x 8 Fuß) in Breite und Länge betragen. Unterschiedliche Stoffbindungen (Fäden pro Zoll oder cm), Stoffdicke und Harzprozentsatz werden verwendet, um die gewünschte Enddicke und die dielektrischen Eigenschaften zu erreichen. Die verfügbaren Standardlaminatdicken sind in ANSI / IPC-D-275 aufgeführt.

Das verwendete Stoff- oder Fasermaterial, das Harzmaterial und das Verhältnis von Stoff zu Harz bestimmen die Typbezeichnung des Laminats (FR-4, CEM-1, G-10 usw.) und damit die Eigenschaften des hergestellten Laminats. Wichtige Eigenschaften sind das Niveau, bis zu dem das Laminat feuerhemmend ist , die Dielektrizitätskonstante (e r ), der Verlustfaktor (tδ), die Zugfestigkeit , die Scherfestigkeit , die Glasübergangstemperatur (T g ) und die Z-Achse Ausdehnungskoeffizient (wie stark sich die Dicke mit der Temperatur ändert).

Es gibt einige verschiedene Dielektrika, die ausgewählt werden können, um je nach den Anforderungen der Schaltung unterschiedliche Isolationswerte bereitzustellen. Einige dieser Dielektrika sind Polytetrafluorethylen (Teflon), FR-4, FR-1, CEM-1 oder CEM-3. Bekannte Pre-Preg-Materialien, die in der PCB-Industrie verwendet werden, sind FR-2 (phenolisches Baumwollpapier), FR-3 (Baumwollpapier und Epoxid), FR-4 (gewebtes Glas und Epoxid), FR-5 (gewebtes Glas und Epoxid). , FR-6 (mattes Glas und Polyester), G-10 (gewebtes Glas und Epoxid), CEM-1 (Baumwollpapier und Epoxid), CEM-2 (Baumwollpapier und Epoxid), CEM-3 (Vliesglas und Epoxid), CEM-4 (gewebtes Glas und Epoxid), CEM-5 (gewebtes Glas und Polyester). Die Wärmeausdehnung spielt eine wichtige Rolle, insbesondere bei BGA- ( Ball Grid Array ) und Naked-Die-Technologien. Glasfasern bieten die beste Dimensionsstabilität.

FR-4 ist bei weitem das heute am häufigsten verwendete Material. Das Plattenmaterial mit ungeätztem Kupfer wird als "kupferkaschiertes Laminat" bezeichnet.

Mit abnehmender Größe der Plattenmerkmale und zunehmenden Frequenzen gewinnen kleine Nichthomogenitäten wie ungleichmäßige Verteilung von Glasfaser oder anderen Füllstoffen, Dickenschwankungen und Blasen in der Harzmatrix und die damit verbundenen lokalen Schwankungen der Dielektrizitätskonstante an Bedeutung.

Wichtige Substratparameter

Die Leiterplattensubstrate sind üblicherweise dielektrische Verbundwerkstoffe. Die Verbundstoffe enthalten eine Matrix (normalerweise ein Epoxidharz) und eine Verstärkung (normalerweise ein gewebtes, manchmal nicht gewebtes Glasfaser, manchmal sogar Papier), und in einigen Fällen wird dem Harz ein Füllstoff zugesetzt (z. B. Keramik; Titanatkeramik kann verwendet werden um die Dielektrizitätskonstante zu erhöhen).

Der Verstärkungstyp definiert zwei Hauptklassen von Materialien: gewebt und nicht gewebt. Gewebte Verstärkungen sind billiger, aber die hohe Dielektrizitätskonstante von Glas ist für viele höherfrequente Anwendungen möglicherweise nicht günstig. Die räumlich inhomogene Struktur führt auch zu lokalen Variationen der elektrischen Parameter aufgrund des unterschiedlichen Harz / Glas-Verhältnisses in verschiedenen Bereichen des Webmusters. Vliesverstärkungen oder Materialien mit geringer oder keiner Verstärkung sind teurer, aber für einige HF- / Analoganwendungen besser geeignet.

Die Substrate zeichnen sich durch verschiedene Schlüsselparameter aus, hauptsächlich thermomechanische ( Glasübergangstemperatur , Zugfestigkeit , Scherfestigkeit , Wärmeausdehnung ), elektrische ( Dielektrizitätskonstante , Verlusttangens , dielektrische Durchbruchspannung , Leckstrom , Nachführwiderstand ...) und andere (zB Feuchtigkeitsaufnahme ).

Bei der Glasübergangstemperatur erweicht das Harz im Verbundwerkstoff und erhöht die Wärmeausdehnung erheblich. Ein Überschreiten von T g übt dann eine mechanische Überlastung der Plattenkomponenten aus - z. B. der Verbindungen und der Durchkontaktierungen. Unterhalb von T g entspricht die Wärmeausdehnung des Harzes in etwa Kupfer und Glas, darüber wird sie deutlich höher. Da die Verstärkung und das Kupfer die Platte entlang der Ebene begrenzen, projizieren praktisch alle Volumenexpansionen auf die Dicke und belasten die durchkontaktierten Löcher. Wiederholtes Löten oder andere Exposition gegenüber höheren Temperaturen kann zum Versagen der Beschichtung führen, insbesondere bei dickeren Platten. dicke Bretter erfordern daher eine Matrix mit einer hohen T g .

Die verwendeten Materialien bestimmen die Dielektrizitätskonstante des Substrats. Diese Konstante hängt auch von der Frequenz ab und nimmt normalerweise mit der Frequenz ab. Da diese Konstante die Signalausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt , führt die Frequenzabhängigkeit bei Breitbandanwendungen zu einer Phasenverzerrung. Hier ist es wichtig, dass eine Dielektrizitätskonstante gegenüber den Frequenzeigenschaften so flach wie möglich ist. Die Impedanz von Übertragungsleitungen nimmt mit der Frequenz ab, daher reflektieren schnellere Signalflanken mehr als langsamere.

Die dielektrische Durchbruchspannung bestimmt den maximalen Spannungsgradienten, dem das Material ausgesetzt werden kann, bevor ein Durchschlag (Leitung oder Lichtbogenbildung durch das Dielektrikum) auftritt.

Der Nachführwiderstand bestimmt, wie das Material elektrischen Hochspannungsentladungen widersteht, die über die Plattenoberfläche kriechen.

Die Verlusttangente bestimmt, wie viel elektromagnetische Energie aus den Signalen in den Leitern im Platinenmaterial absorbiert wird. Dieser Faktor ist wichtig für hohe Frequenzen. Verlustarme Materialien sind teurer. Die Auswahl von unnötig verlustarmem Material ist ein häufiger technischer Fehler beim digitalen Hochfrequenzdesign. es erhöht die Kosten der Bretter ohne entsprechenden Nutzen. Die Signalverschlechterung durch Verlusttangens und Dielektrizitätskonstante kann leicht durch ein Augenmuster beurteilt werden .

Feuchtigkeitsaufnahme tritt auf, wenn das Material hoher Luftfeuchtigkeit oder Wasser ausgesetzt ist. Sowohl das Harz als auch die Verstärkung können Wasser absorbieren; Wasser kann auch durch Kapillarkräfte durch Hohlräume in den Materialien und entlang der Verstärkung eingeweicht werden. Epoxide der FR-4-Materialien sind mit einer Absorption von nur 0,15% nicht zu anfällig. Teflon hat eine sehr geringe Absorption von 0,01%. Polyimide und Cyanatester leiden dagegen unter einer hohen Wasseraufnahme. Absorbiertes Wasser kann zu einer signifikanten Verschlechterung der Schlüsselparameter führen. Es beeinträchtigt den Nachführwiderstand, die Durchbruchspannung und die dielektrischen Parameter. Die relative Dielektrizitätskonstante von Wasser beträgt etwa 73, verglichen mit etwa 4 für übliche Leiterplattenmaterialien. Absorbierte Feuchtigkeit kann auch beim Erhitzen wie beim Löten verdampfen und Risse und Delaminationen verursachen. Dieser Effekt ist auch für "Popcorning" -Schäden auf nassen Verpackungen elektronischer Teile verantwortlich. Es kann erforderlich sein, die Substrate vor dem Löten sorgfältig zu backen, um sie zu trocknen.

Gemeinsame Substrate

Oft angetroffene Materialien:

  • FR-2 , Phenolpapier oder Phenolbaumwollpapier, mit Phenolformaldehydharz imprägniertes Papier . Üblich in der Unterhaltungselektronik mit einseitigen Platinen. Elektrische Eigenschaften schlechter als FR-4. Schlechter Lichtbogenwiderstand. Im Allgemeinen bis 105 ° C bewertet.
  • FR-4 , ein mit Epoxidharz imprägniertes Glasfasergewebe . Geringe Wasseraufnahme (bis ca. 0,15%), gute Isolationseigenschaften, gute Lichtbogenbeständigkeit. Sehr gewöhnlich. Es stehen mehrere Qualitäten mit etwas unterschiedlichen Eigenschaften zur Verfügung. Typischerweise bis 130 ° C bewertet.
  • Aluminium- oder Metallkernplatte oder isoliertes Metallsubstrat (IMS), ummantelt mit wärmeleitendem dünnem Dielektrikum - verwendet für Teile, die eine erhebliche Kühlung erfordern - Leistungsschalter, LEDs. Besteht aus normalerweise einschichtiger, manchmal zweischichtiger dünner Leiterplatte auf der Basis von z. B. FR-4, laminiert auf Aluminiumblech, üblicherweise 0,8, 1, 1,5, 2 oder 3 mm dick. Die dickeren Laminate weisen manchmal auch eine dickere Kupfermetallisierung auf.
  • Flexible Substrate - können eine eigenständige kupferkaschierte Folie sein oder auf eine dünne Versteifung, z. B. 50-130 µm, laminiert werden

Weniger häufig anzutreffende Materialien:

  • FR-1, wie FR-2, typischerweise auf 105 ° C spezifiziert, einige Qualitäten auf 130 ° C bewertet. Raumtemperatur stanzbar. Ähnlich wie Pappe. Schlechte Feuchtigkeitsbeständigkeit. Geringer Lichtbogenwiderstand.
  • FR-3, mit Epoxid imprägniertes Baumwollpapier. In der Regel bis 105 ° C ausgelegt.
  • FR-5, gewebtes Fiberglas und Epoxid, hohe Festigkeit bei höheren Temperaturen, typischerweise bis 170 ° C spezifiziert.
  • FR-6, mattes Glas und Polyester
  • G-10, Glasgewebe und Epoxidharz - hohe Isolationsbeständigkeit, geringe Feuchtigkeitsaufnahme, sehr hohe Klebkraft. Typischerweise bis 130 ° C bewertet.
  • G-11, Glasgewebe und Epoxidharz - hohe Lösungsmittelbeständigkeit, hohe Beibehaltung der Biegefestigkeit bei hohen Temperaturen. Typischerweise bis 170 ° C bewertet.
  • CEM-1, Baumwollpapier und Epoxid
  • CEM-2, Baumwollpapier und Epoxid
  • CEM-3, Vliesglas und Epoxid
  • CEM-4, gewebtes Glas und Epoxid
  • CEM-5, Glasgewebe und Polyester
  • PTFE ("Teflon") - teuer, geringer dielektrischer Verlust, für Hochfrequenzanwendungen, sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme (0,01%), mechanisch weich. Schwer zu laminieren, selten in Mehrschichtanwendungen verwendet.
  • PTFE, keramikgefüllt - teuer, geringer dielektrischer Verlust für Hochfrequenzanwendungen. Das unterschiedliche Verhältnis von Keramik zu PTFE ermöglicht die Einstellung der Dielektrizitätskonstante und der Wärmeausdehnung.
  • RF-35, glasfaserverstärktes keramikgefülltes PTFE. Relativ günstiger, gute mechanische Eigenschaften, gute Hochfrequenzeigenschaften.
  • Aluminiumoxid , eine Keramik. Hart, spröde, sehr teuer, sehr leistungsstark, gute Wärmeleitfähigkeit.
  • Polyimid , ein Hochtemperaturpolymer. Teuer, leistungsstark. Höhere Wasseraufnahme (0,4%). Kann von kryogenen Temperaturen bis über 260 ° C verwendet werden.

Kupferdicke

Die Kupferdicke von Leiterplatten kann direkt oder als das Gewicht von Kupfer pro Fläche (in Unzen pro Quadratfuß) angegeben werden, das einfacher zu messen ist. Eine Unze pro Quadratfuß entspricht einer Dicke von 1,344 mil oder 34 Mikrometern. Schweres Kupfer ist eine Schicht mit einer Dicke von mehr als drei Unzen Kupfer pro ft 2 oder einer Dicke von ungefähr 0,002 Zoll (4,2 mils, 105 μm). Schwere Kupferschichten werden für hohe Ströme oder zur Wärmeableitung verwendet.

Auf den üblichen FR-4-Substraten ist 1 Unze Kupfer pro ft 2 (35 um) die häufigste Dicke; Eine Dicke von 70 µm (2 oz) und 17,5 µm (0,5 oz) ist häufig eine Option. Weniger verbreitet sind 12 und 105 µm, manchmal sind auf einigen Substraten 9 µm verfügbar. Flexible Substrate weisen typischerweise eine dünnere Metallisierung auf. Metallkernplatinen für Hochleistungsgeräte verwenden üblicherweise dickeres Kupfer. 35 um sind üblich, aber es können auch 140 und 400 um angetroffen werden.

In den USA wird die Kupferfoliendicke in Einheiten von Unzen pro Quadratfuß (oz / ft 2 ) angegeben, die üblicherweise einfach als Unze bezeichnet werden . Gemeinsame Dicke 1/2 oz / ft 2 (150 g / m 2 ), 1 oz / ft 2 (300 g / m 2 ), 2 oz / ft 2 (600 g / m 2 ) und 3 oz / ft 2 (900 g / m 2 ). Diese arbeiten sich zu Dicken von 17,05 μm (0,67 Tausend ), 34,1 μm (1,34 Tausend ), 68,2 μm (2,68 Tausend) bzw. 102,3 μm (4,02 Tausend) aus. 1/2 oz / ft 2 Folie wird nicht häufig als fertiges Kupfergewicht verwendet, wird jedoch für äußere Schichten verwendet, wenn das Durchplattieren von Durchgangslöchern das fertige Kupfergewicht erhöht. Einige Leiterplattenhersteller bezeichnen 1 oz / ft 2 Kupferfolie als a Dicke von 35 & mgr; m (kann auch als 35 & mgr; m, 35 & mgr; m oder 35 & mgr; m bezeichnet werden ).

  • 1/0 - bezeichnet 1 oz / ft 2 Kupfer auf der einen Seite, ohne Kupfer auf der anderen Seite.
  • 1/1 - bedeutet 1 oz / ft 2 Kupfer auf beiden Seiten.
  • H / 0 oder H / H - bezeichnet 0,5 oz / ft 2 Kupfer auf einer oder beiden Seiten.
  • 2/0 oder 2/2 - bezeichnet 2 oz / ft 2 Kupfer auf einer oder beiden Seiten.

Sicherheitszertifizierung (USA)

Die Sicherheitsnorm UL 796 deckt die Sicherheitsanforderungen für Komponenten für Leiterplatten zur Verwendung als Komponenten in Geräten oder Apparaten ab. Beim Testen werden Eigenschaften wie Entflammbarkeit, maximale Betriebstemperatur , elektrische Nachführung, Wärmeabfuhr und direkte Unterstützung von stromführenden elektrischen Teilen analysiert .

Design

Ein Board aus dem Jahr 1967; Die geschwungenen Kurven in den Spuren sind ein Beweis für die Freihandgestaltung mit Klebeband

Anfänglich wurden Leiterplatten manuell entworfen, indem eine Fotomaske auf einer klaren Mylarfolie erstellt wurde , normalerweise mit der zwei- oder vierfachen tatsächlichen Größe. Ausgehend von der schematischen Darstellung wurden die Komponenten-Pin-Pads auf dem Mylar ausgelegt und anschließend die Spuren zum Verbinden der Pads geführt. Rub-on- Dry-Übertragungen von gemeinsamen Komponenten-Footprints erhöhten die Effizienz. Spuren wurden mit selbstklebendem Klebeband gemacht. Vorgedruckte, nicht reproduzierbare Gitter auf dem Mylar halfen beim Layout. Die fertige Fotomaske wurde photolithographisch auf eine Fotolackbeschichtung auf den leeren kupferkaschierten Platten reproduziert.

Moderne Leiterplatten werden mit einer speziellen Layoutsoftware entworfen, im Allgemeinen in den folgenden Schritten:

  1. Schematische Erfassung mit einem EDA- Tool ( Electronic Design Automation ).
  2. Die Kartenabmessungen und die Schablone werden basierend auf der erforderlichen Schaltung und dem Gehäuse der Leiterplatte festgelegt.
  3. Die Positionen der Komponenten und Kühlkörper werden bestimmt.
  4. Der Schichtstapel der Leiterplatte wird mit ein bis zehn Schichten je nach Komplexität festgelegt. Boden- und Kraftflugzeuge werden entschieden. Eine Leistungsebene ist das Gegenstück zu einer Erdungsebene und verhält sich wie eine Wechselstromsignalerde , während die auf der Leiterplatte montierten Schaltkreise mit Gleichstrom versorgt werden. Signalverbindungen werden auf Signalebenen verfolgt. Signalebenen können sowohl auf der äußeren als auch auf der inneren Schicht liegen. Für eine optimale EMI- Leistung werden Hochfrequenzsignale in internen Schichten zwischen Stromversorgungs- oder Masseebenen geleitet.
  5. Die Leitungsimpedanz wird unter Verwendung der Dicke der dielektrischen Schicht, der Kupferdicke und der Spurenbreite bestimmt. Die Spurentrennung wird auch bei Differenzsignalen berücksichtigt. Microstrip , Stripline oder Dual Stripline können zum Weiterleiten von Signalen verwendet werden.
  6. Komponenten werden platziert. Thermische Überlegungen und Geometrie werden berücksichtigt. Durchkontaktierungen und Länder sind markiert.
  7. Signalspuren werden geroutet . Automatisierungswerkzeuge für das elektronische Design erstellen normalerweise automatisch Abstände und Verbindungen in Stromversorgungs- und Erdungsebenen.
  8. Gerber-Dateien werden für die Fertigung generiert.

Herstellung

Die Leiterplattenherstellung besteht aus vielen Schritten.

PCB CAM

Die Herstellung beginnt mit den Fertigungsdaten, die durch computergestütztes Design und Komponenteninformationen generiert werden . Die Fertigungsdaten werden in die CAM-Software (Computer Aided Manufacturing) eingelesen. CAM führt die folgenden Funktionen aus:

  1. Eingabe der Fertigungsdaten.
  2. Überprüfung der Daten
  3. Kompensation von Abweichungen in den Herstellungsprozessen (z. B. Skalierung zum Ausgleich von Verzerrungen während der Laminierung)
  4. Panelisierung
  5. Ausgabe der digitalen Werkzeuge (Kupfermuster, Bohrdateien, Inspektion und andere)

Panelisierung

Mehrere kleine Leiterplatten können zur Verarbeitung als Panel zusammengefasst werden. Ein Panel, das aus einem Design besteht, das n- mal dupliziert wurde, wird auch als n- Panel bezeichnet, während ein Multi-Panel mehrere verschiedene Designs auf einem einzigen Panel kombiniert. Der äußere Werkzeugstreifen enthält häufig Werkzeuglöcher , einen Satz Passermarken für die Platte , einen Testcoupon und kann schraffiertes Kupfer oder ähnliche Muster für eine gleichmäßige Kupferverteilung über die gesamte Platte enthalten, um ein Verbiegen zu vermeiden. Die Monteure montieren Komponenten häufig eher auf Schalttafeln als auf einzelnen Leiterplatten, da dies effizient ist. Eine Verkleidung kann auch für Platinen mit Komponenten erforderlich sein, die in der Nähe einer Kante der Platine platziert sind, da die Platine sonst während der Montage nicht montiert werden könnte. Die meisten Montagewerkstätten benötigen eine freie Fläche von mindestens 10 mm um die Platte.

Die Platte wird schließlich entlang von Perforationen oder Rillen in der Platte durch Fräsen oder Schneiden in einzelne Leiterplatten zerbrochen. Bei gefrästen Platten beträgt ein gemeinsamer Abstand zwischen den einzelnen Platten 2 bis 3 mm. Heutzutage wird das Depanellieren häufig von Lasern durchgeführt, die die Platte berührungslos schneiden. Das Laser-Depaneling reduziert die Belastung der empfindlichen Schaltkreise und verbessert die Ausbeute fehlerfreier Einheiten.

Kupfermusterung

Der erste Schritt besteht darin, das Muster im CAM-System des Herstellers auf einer Schutzmaske auf den Kupferfolien-Leiterplattenschichten zu replizieren. Durch anschließendes Ätzen wird das unerwünschte Kupfer entfernt, das von der Maske nicht geschützt wird. (Alternativ kann eine leitfähige Tinte auf eine leere (nicht leitende) Platte mit Tinte gespritzt werden. Diese Technik wird auch bei der Herstellung von Hybridschaltungen verwendet .)

  1. Beim Siebdruck werden ätzbeständige Tinten verwendet, um die Schutzmaske zu erstellen.
  2. Beim Fotogravieren werden mit einer Fotomaske und einem Entwickler selektiv eine UV-empfindliche Fotolackbeschichtung entfernt und so eine Fotolackmaske erstellt, die das darunter liegende Kupfer schützt. Direkte Bildgebungstechniken werden manchmal für hochauflösende Anforderungen verwendet. Es wurden Versuche mit thermischem Resist durchgeführt. Anstelle einer Fotomaske kann ein Laser verwendet werden. Dies ist als maskenlose Lithographie oder direkte Bildgebung bekannt.
  3. Beim PCB-Fräsen wird die Kupferfolie mit einem zwei- oder dreiachsigen mechanischen Frässystem vom Untergrund abgefräst. Eine PCB-Fräsmaschine (als "PCB Prototyper" bezeichnet) arbeitet ähnlich wie ein Plotter und empfängt Befehle von der Host-Software, die die Position des Fräskopfs in der x-, y- und (falls relevant) z-Achse steuern .
  4. Laser-Ablations - Resists kupferkaschiertes Laminat, Ort in schwarze Lackierpistole auf CNC - Laserplotter. Das Laser-Raster scannt die Leiterplatte und entfernt (verdampft) die Farbe, wo kein Resist gewünscht wird. (Hinweis: Die Laser-Kupferablation wird selten verwendet und gilt als experimentell.)
  5. Laserätzen Das Kupfer kann direkt mit einem CNC-Laser entfernt werden. Wie das obige Fräsen von Leiterplatten wird dieses hauptsächlich für das Prototyping verwendet.

Die gewählte Methode hängt von der Anzahl der zu produzierenden Platinen und der erforderlichen Auflösung ab.

Großes Volumen

  • Siebdruck - Wird für Leiterplatten mit größeren Funktionen verwendet
  • Fotogravur - Wird verwendet, wenn feinere Funktionen erforderlich sind

Kleines Volumen

  • Drucken Sie auf einen transparenten Film und verwenden Sie ihn zusammen mit foto-sensibilisierten Platten als Fotomaske. (Alternativ können Sie auch einen Filmphotoplotter verwenden.)
  • Laserresistablation
  • Leiterplattenfräsen
  • Laserätzen

Hobbyist

  • Laserdruckresist: Laserdruck auf Tonerübertragungspapier, Wärmeübertragung mit einem Bügeleisen oder einem modifizierten Laminator auf blankes Laminat, Einweichen in ein Wasserbad, Ausbessern mit einem Marker und anschließendes Ätzen.
  • Vinylfilm und Resist, nicht waschbarer Marker, einige andere Methoden. Arbeitsintensiv, nur für Einzelplatinen geeignet.

Subtraktive, additive und semi-additive Prozesse

Die beiden Verarbeitungsverfahren zur Herstellung einer doppelseitigen Leiterplatte mit durchkontaktierten Löchern

Subtraktive Verfahren entfernen Kupfer von einer vollständig kupferbeschichteten Platte, um nur das gewünschte Kupfermuster zu erhalten. Bei additiven Verfahren wird das Muster unter Verwendung eines komplexen Prozesses auf ein bloßes Substrat galvanisiert . Der Vorteil des Additivverfahrens besteht darin, dass weniger Material benötigt wird und weniger Abfall entsteht. Bei dem vollständigen Additivprozess wird das blanke Laminat mit einem lichtempfindlichen Film bedeckt, der abgebildet wird (durch eine Maske Licht ausgesetzt und dann entwickelt, wodurch der unbelichtete Film entfernt wird). Die exponierten Bereiche werden in einem chemischen Bad sensibilisiert, das normalerweise Palladium enthält und dem für die Durchgangslochbeschichtung verwendeten ähnlich ist, wodurch der exponierte Bereich Metallionen binden kann. Das Laminat wird dann in den sensibilisierten Bereichen mit Kupfer beschichtet. Wenn die Maske entfernt wird, ist die Leiterplatte fertig.

Halbadditiv ist das häufigste Verfahren: Auf der nicht gemusterten Platte befindet sich bereits eine dünne Kupferschicht. Eine umgekehrte Maske wird dann angewendet. (Im Gegensatz zu einer subtraktiven Prozessmaske legt diese Maske die Teile des Substrats frei, die schließlich zu den Spuren werden.) In den nicht maskierten Bereichen wird dann zusätzliches Kupfer auf die Platte plattiert. Kupfer kann auf jedes gewünschte Gewicht plattiert werden. Dann werden Zinn-Blei oder andere Oberflächenbeschichtungen aufgebracht. Die Maske wird entfernt und durch einen kurzen Ätzschritt wird das jetzt freigelegte blanke Original-Kupferlaminat von der Platte entfernt, wodurch die einzelnen Spuren isoliert werden. Einige einseitige Platten mit durchkontaktierten Löchern werden auf diese Weise hergestellt. General Electric stellte Ende der 1960er Jahre Consumer-Funkgeräte mit additiven Platinen her.

Das (semi-) additive Verfahren ist für Mehrschichtplatten häufig verwendet , da sie die erleichtert plating -durch der Löcher leitfähig erzeugen Durchkontaktierungen in der Leiterplatte.

PCB-Kupfer-Elektroplattierungslinie bei der Musterbeschichtung von Kupfer
Leiterplatten mit Kupfermusterbeschichtung (beachten Sie den blauen Trockenfilmresist)

Chemisches Ätzen

Das chemische Ätzen erfolgt üblicherweise mit Ammoniumpersulfat oder Eisenchlorid . Für PTH (durchkontaktierte Löcher) werden nach dem Bohren der Löcher zusätzliche Schritte der stromlosen Abscheidung durchgeführt, dann wird Kupfer galvanisiert, um die Dicke aufzubauen, die Platten werden abgeschirmt und mit Zinn / Blei plattiert. Das Zinn / Blei wird zum Resist und lässt das blanke Kupfer weggeätzt werden.

Die einfachste Methode, die für die Produktion in kleinem Maßstab und häufig von Bastlern verwendet wird, ist das Tauchätzen, bei dem die Platte in eine Ätzlösung wie Eisenchlorid getaucht wird. Im Vergleich zu Massenproduktionsmethoden ist die Ätzzeit lang. Wärme und Bewegung können auf das Bad angewendet werden, um die Ätzrate zu beschleunigen. Beim Blasenätzen wird Luft durch das Ätzbad geleitet, um die Lösung zu rühren und das Ätzen zu beschleunigen. Beim Spritzätzen wird ein motorgetriebenes Paddel verwendet, um Bretter mit Ätzmittel zu bespritzen. Das Verfahren ist kommerziell überholt, da es nicht so schnell ist wie das Sprühätzen. Beim Sprühätzen wird die Ätzlösung durch Düsen auf den Platten verteilt und durch Pumpen umgewälzt. Die Einstellung des Düsenmusters, der Durchflussrate, der Temperatur und der Ätzmittelzusammensetzung ermöglicht eine vorhersagbare Kontrolle der Ätzraten und der hohen Produktionsraten.

Wenn mehr Kupfer von den Platten verbraucht wird, wird das Ätzmittel gesättigt und weniger effektiv; Unterschiedliche Ätzmittel haben unterschiedliche Kapazitäten für Kupfer, von denen einige bis zu 150 g Kupfer pro Liter Lösung enthalten. Bei der kommerziellen Verwendung können Ätzmittel regeneriert werden, um ihre Aktivität wiederherzustellen, und das gelöste Kupfer kann zurückgewonnen und verkauft werden. Das Ätzen im kleinen Maßstab erfordert die Entsorgung des gebrauchten Ätzmittels, das aufgrund seines Metallgehalts ätzend und toxisch ist.

Das Ätzmittel entfernt Kupfer auf allen Oberflächen, die nicht durch den Resist geschützt sind. "Hinterschnitt" tritt auf, wenn das Ätzmittel die dünne Kupferkante unter dem Resist angreift; Dies kann die Leiterbreiten verringern und Unterbrechungen verursachen. Eine sorgfältige Kontrolle der Ätzzeit ist erforderlich, um ein Hinterschneiden zu verhindern. Wenn eine Metallbeschichtung als Resist verwendet wird, kann sie "überhängen", was in engen Abständen zu Kurzschlüssen zwischen benachbarten Spuren führen kann. Der Überhang kann durch Drahtbürsten der Platte nach dem Ätzen entfernt werden.

Laminierung

Schneiden Sie ein SDRAM-Modul durch, eine mehrschichtige Leiterplatte. Beachten Sie die Durchkontaktierung , die als helles kupferfarbenes Band zwischen der oberen und unteren Schicht der Platine sichtbar ist.

Mehrschichtige Leiterplatten haben Spurenschichten innerhalb der Platine. Dies wird erreicht, indem ein Materialstapel in einer Presse laminiert wird, indem über einen bestimmten Zeitraum Druck und Wärme ausgeübt werden. Dies führt zu einem untrennbaren einteiligen Produkt. Beispielsweise kann eine vierschichtige Leiterplatte hergestellt werden, indem von einem zweiseitigen kupferkaschierten Laminat ausgegangen wird, die Schaltung auf beiden Seiten geätzt wird und dann auf das obere und untere Preg-Preg und die Kupferfolie laminiert wird. Es wird dann gebohrt, plattiert und erneut geätzt, um Spuren auf der oberen und unteren Schicht zu erhalten.

Die inneren Schichten werden vor dem Laminieren einer vollständigen Maschineninspektion unterzogen, da Fehler danach nicht mehr korrigiert werden können. Automatische optische Inspektionsmaschinen (AOI) vergleichen ein Bild der Platine mit dem digitalen Bild, das aus den ursprünglichen Konstruktionsdaten generiert wurde. Automated Optical Shaping (AOS) -Maschinen können dann fehlendes Kupfer hinzufügen oder überschüssiges Kupfer mit einem Laser entfernen, wodurch die Anzahl der zu entsorgenden Leiterplatten verringert wird. Leiterplattenschienen können eine Breite von nur 10 Mikrometern haben.

Bohren

Ösen (hohl)

Löcher durch eine Leiterplatte werden typischerweise mit Bohrern aus massiv beschichtetem Wolframcarbid gebohrt . Beschichtetes Wolframcarbid wird verwendet, da Plattenmaterialien abrasiv sind. Hochgeschwindigkeitsstahlbits würden schnell stumpf werden, das Kupfer zerreißen und das Brett ruinieren. Das Bohren wird durch computergesteuerte Bohrmaschinen durchgeführt, unter Verwendung einer Bohrdatei oder Excellon Datei , die die Position und Größe jedes gebohrte Loch beschreibt.

Löcher können durch Galvanisieren oder Einsetzen von hohlen Metallösen leitend gemacht werden, um Plattenschichten zu verbinden. Einige leitende Löcher sind zum Einführen von Durchgangsleitungskomponenten vorgesehen. Andere, die zum Verbinden von Platinenebenen verwendet werden, werden als Durchkontaktierungen bezeichnet .

Wenn Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von weniger als 76,2 Mikrometern erforderlich sind, ist das Bohren mit mechanischen Bohrern aufgrund der hohen Verschleiß- und Bruchraten nicht möglich. In diesem Fall können die Vias lasergebohrten durch -evaporated Lasern . Lasergebohrte Durchkontaktierungen weisen typischerweise eine minderwertige Oberflächenbeschaffenheit innerhalb des Lochs auf. Diese Löcher werden als Mikro-Durchkontaktierungen bezeichnet und können Durchmesser von nur 10 Mikrometern haben. Es ist auch möglich, beim Bohren mit kontrollierter Tiefe , beim Laserbohren oder durch Vorbohren der einzelnen Leiterplatten der Leiterplatte vor dem Laminieren Löcher zu erzeugen, die nur einige der Kupferschichten verbinden, anstatt durch die gesamte Leiterplatte zu verlaufen. Diese Löcher werden Blindblenden genannt, wenn sie eine innere Kupferschicht mit einer äußeren Schicht verbinden, oder vergrabene Durchkontaktierungen, wenn sie zwei oder mehr innere Kupferschichten und keine äußeren Schichten verbinden. Laserbohrmaschinen können Tausende von Löchern pro Sekunde bohren und entweder UV oder CO verwenden
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Laser.

Die Lochwände für Platten mit zwei oder mehr Schichten können leitend gemacht und dann mit Kupfer galvanisiert werden, um durchkontaktierte Löcher zu bilden . Diese Löcher verbinden die leitenden Schichten der Leiterplatte elektrisch. Bei mehrschichtigen Platten mit drei oder mehr Schichten erzeugt das Bohren typischerweise einen Abstrich der Hochtemperatur-Zersetzungsprodukte des Bindemittels im Laminatsystem. Bevor die Löcher durchplattiert werden können, muss dieser Abstrich durch einen chemischen Abstrichprozess oder durch Plasmaätzen entfernt werden . Der Entschmierprozess stellt sicher, dass eine gute Verbindung zu den Kupferschichten hergestellt wird, wenn das Loch durchplattiert wird. Auf hochzuverlässigen Platten wird ein als Ätzen bezeichnetes Verfahren chemisch mit einem Ätzmittel auf Kaliumpermanganatbasis oder einem Plasmaätzen durchgeführt. Das Rückätzen entfernt Harz und die Glasfasern, so dass sich die Kupferschichten in das Loch erstrecken und beim Plattieren des Lochs einstückig mit dem abgeschiedenen Kupfer werden.

Beschichtung und Beschichtung

Die richtige Auswahl der Beschichtung oder Oberflächenbeschaffenheit kann entscheidend für die Prozessausbeute, den Nacharbeitsaufwand, die Feldversagensrate und die Zuverlässigkeit sein.

PCBs können mit Lot, Zinn oder Gold über Nickel plattiert werden.

Nachdem die Leiterplatten geätzt und dann mit Wasser gespült wurden, wird die Lötmaske aufgebracht, und anschließend wird freiliegendes Kupfer mit Lötmittel, Nickel / Gold oder einer anderen Korrosionsschutzbeschichtung beschichtet.

Mattes Lot wird normalerweise geschmolzen, um eine bessere Verbindungsfläche für blankes Kupfer bereitzustellen. Behandlungen wie Benzimidazolethiol verhindern die Oberflächenoxidation von blankem Kupfer. Die Stellen, an denen Komponenten montiert werden, sind typischerweise plattiert, da unbehandeltes blankes Kupfer schnell oxidiert und daher nicht leicht lötbar ist. Traditionell wurde freiliegendes Kupfer durch Heißluftnivellierung (HASL aka HAL) mit Lot beschichtet . Das HASL-Finish verhindert die Oxidation des darunter liegenden Kupfers und garantiert so eine lötbare Oberfläche. Dieses Lot war eine Zinn - Blei - Legierung, jedoch neue Lot Verbindungen werden nun zu erreichen , die Einhaltung der verwendeten RoHS - Richtlinie in der EU , die die Verwendung von Blei. Eine dieser bleifreien Verbindungen ist SN100CL, bestehend aus 99,3% Zinn, 0,7% Kupfer, 0,05% Nickel und einem Nennwert von 60 ppm Germanium.

Es ist wichtig, Lötmittel zu verwenden, die sowohl mit der Leiterplatte als auch mit den verwendeten Teilen kompatibel sind. Ein Beispiel ist das Ball Grid Array (BGA), bei dem Zinn-Blei-Lötkugeln für Verbindungen verwendet werden, die ihre Kugeln auf blanken Kupferspuren verlieren, oder bleifreie Lötpaste verwendet wird.

Andere verwendete Beschichtungen sind organisches Lötmittel (OSP), Immersionssilber (IAg), Immersionszinn (ISn), stromlose Nickel-Immersionsgold- Beschichtung (ENIG), stromloses Nickel, stromloses Palladium-Immersionsgold (ENEPIG) und direkte Vergoldung (über Nickel). . Kantenverbinder , die entlang einer Kante einiger Platinen angeordnet sind, werden häufig mit ENIG vernickelt und dann vergoldet . Eine weitere Überlegung zur Beschichtung ist die schnelle Diffusion von Beschichtungsmetall in Zinnlot. Zinn bildet intermetallische Verbindungen wie Cu 6 Sn 5 und Ag 3 Cu, die sich im Zinn-Liquidus oder Solidus (bei 50 ° C) auflösen, die Oberflächenbeschichtung entfernen oder Hohlräume hinterlassen.

Elektrochemische Migration (ECM) ist das Wachstum von leitenden Metallfilamenten auf oder in einer Leiterplatte (PCB) unter dem Einfluss einer Gleichspannungsvorspannung. Es ist bekannt, dass Silber, Zink und Aluminium Whisker unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wachsen lassen . Silber wächst auch in Gegenwart von Halogenid und anderen Ionen zu leitenden Oberflächenpfaden, was es zu einer schlechten Wahl für die Verwendung in der Elektronik macht. Zinn wächst aufgrund der Spannung in der plattierten Oberfläche "Whisker". Durch Zinn-Blei- oder Lötbeschichtung werden auch Whisker gezüchtet, die nur durch Reduzierung des Zinnanteils reduziert werden. Reflow zum Schmelzen von Lot oder Weißblech, um die Oberflächenspannung zu verringern, verringert das Auftreten von Whiskern. Ein weiteres Problem bei der Beschichtung ist der Zinnschädling , die Umwandlung von Zinn in ein pulverförmiges Allotrop bei niedriger Temperatur.

Lötstoppanwendung

Bereiche, die nicht gelötet werden sollten, können mit Lötresist (Lötmaske) abgedeckt werden . Die Lötmaske verleiht Leiterplatten ihre charakteristische grüne Farbe, obwohl sie auch in verschiedenen anderen Farben erhältlich ist, z. B. Rot, Blau, Lila, Gelb, Schwarz und Weiß. Einer der heute am häufigsten verwendeten Lötstopplacke heißt "LPI" ( Liquid Photoimageable Lötmaske ). Eine lichtempfindliche Beschichtung wird auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht, dann durch den Lötmaskenbildfilm Licht ausgesetzt und schließlich dort entwickelt, wo die unbelichteten Bereiche weggewaschen werden. Die Trockenfilm-Lötmaske ähnelt dem Trockenfilm, der zum Abbilden der Leiterplatte zum Plattieren oder Ätzen verwendet wird. Nach dem Laminieren auf die PWB-Oberfläche wird es abgebildet und als LPI entwickelt. Einmal, aber aufgrund seiner geringen Genauigkeit und Auflösung nicht mehr häufig verwendet, dient der Siebdruck von Epoxidtinte. Der Lötstopplack weist nicht nur Lötmittel ab, sondern schützt auch das Kupfer vor Umwelteinflüssen, die sonst freiliegen würden.

Legendendruck

Eine Legende wird häufig auf eine oder beide Seiten der Leiterplatte gedruckt. Es enthält die Komponentenbezeichnungen , Schaltereinstellungen, Testpunkte und andere Hinweise, die beim Zusammenbau, Testen, Warten und manchmal bei der Verwendung der Leiterplatte hilfreich sind.

Es gibt drei Methoden, um die Legende zu drucken.

  1. Epoxy-Tinte im Siebdruck war die etablierte Methode. Es war so üblich, dass die Legende oft als Seide oder Siebdruck bezeichnet wird.
  2. Flüssige Fotobilder sind eine genauere Methode als Siebdruck.
  3. Der Tintenstrahldruck wird zunehmend eingesetzt. Der Tintenstrahl kann variable Daten drucken, die für jede PWB-Einheit eindeutig sind, z. B. Text oder einen Barcode mit einer Seriennummer .

Bare-Board-Test

Boards ohne installierte Komponenten werden normalerweise auf "Kurzschlüsse" und "Öffnen" getestet . Dies wird als elektrischer Test oder PCB-E-Test bezeichnet . Ein Kurzschluss ist eine Verbindung zwischen zwei Punkten, die nicht verbunden werden sollen. Ein Open ist eine fehlende Verbindung zwischen Punkten, die verbunden werden sollen. Für die Massenproduktion kommt eine Vorrichtung wie ein "Nagelbett" in einem starren Nadeladapter mit Kupferlöchern auf der Platine in Kontakt. Die Vorrichtung oder der Adapter sind mit erheblichen Fixkosten verbunden, und dieses Verfahren ist nur für die Produktion mit hohem Volumen oder hohem Wert wirtschaftlich. Für die Produktion kleiner oder mittlerer Stückzahlen werden fliegende Sondentester verwendet, bei denen Testsonden von einem XY-Laufwerk über die Platine bewegt werden, um Kontakt mit den Kupferstegen herzustellen. Es ist keine Vorrichtung erforderlich, und daher sind die Fixkosten viel niedriger. Das CAM-System weist den elektrischen Tester an, bei Bedarf an jeden Kontaktpunkt eine Spannung anzulegen und zu überprüfen, ob diese Spannung an den entsprechenden Kontaktpunkten und nur an diesen auftritt.

Versammlung

Leiterplatte mit Testanschlusspads

Bei der Montage wird die blanke Platine mit elektronischen Bauteilen bestückt (oder "gefüllt"), um eine funktionale Leiterplattenbaugruppe (PCA) zu bilden, die manchmal als "Leiterplattenbaugruppe" (PCBA) bezeichnet wird. Bei der Durchgangsbohrtechnik werden die Komponentenleitungen in Löcher eingeführt, die von leitenden Pads umgeben sind . Die Löcher halten die Komponenten an Ort und Stelle. In Oberflächenbefestigungstechnologie (SMT), wird das Bauteil auf der Leiterplatte platziert , so dass die Stifte mit dem leitfähigen Leitung up pads oder landet auf den Oberflächen der Leiterplatte; Lötpaste, die zuvor auf die Pads aufgetragen wurde, hält die Komponenten vorübergehend an Ort und Stelle; Wenn oberflächenmontierte Komponenten auf beiden Seiten der Platine angebracht werden, werden die bodenseitigen Komponenten auf die Platine geklebt. Sowohl bei der Durchgangsbohrung als auch bei der Oberflächenmontage werden die Komponenten dann verlötet . Nach dem Abkühlen und Erstarren hält das Lot die Komponenten dauerhaft an Ort und Stelle und verbindet sie elektrisch mit der Platine.

Es gibt eine Vielzahl von Löttechniken , mit denen Komponenten auf einer Leiterplatte befestigt werden. Die Massenproduktion erfolgt normalerweise mit einer Bestückungsmaschine und einem Massenwellenlöten für Durchgangsbohrungsteile oder Reflow-Öfen für SMT-Komponenten und / oder Durchgangsbohrungsteile. Qualifizierte Techniker können jedoch sehr kleine Teile von Hand löten ( Zum Beispiel 0201-Verpackungen, die unter einem Mikroskop mit einer Pinzette und einem Lötkolben mit feiner Spitze 0,02 Zoll mal 0,01 Zoll groß sind , für Prototypen mit kleinem Volumen. Selektives Löten kann für empfindliche Teile verwendet werden. Einige SMT-Teile können nicht von Hand gelötet werden, z. B. BGA- Gehäuse. Alle Durchgangslochkomponenten können von Hand gelötet werden, was sie für das Prototyping bevorzugt, bei dem Größe, Gewicht und die Verwendung der genauen Komponenten, die für die Massenproduktion verwendet werden, keine Rolle spielen.

Durchgangsloch- und Oberflächenmontagekonstruktionen müssen häufig in einer einzigen Baugruppe kombiniert werden, da einige erforderliche Komponenten nur in Oberflächenmontagepaketen verfügbar sind, während andere nur in Durchgangslochpaketen verfügbar sind. Selbst wenn alle Komponenten in Durchgangsbohrungen erhältlich sind, kann es wünschenswert sein, die Größen-, Gewichts- und Kostenreduzierungen zu nutzen, die durch die Verwendung einiger verfügbarer oberflächenmontierter Geräte erzielt werden können. Ein weiterer Grund für die Verwendung beider Methoden besteht darin, dass die Durchgangslochmontage die erforderliche Festigkeit für Komponenten bereitstellen kann, die wahrscheinlich physischen Belastungen ausgesetzt sind (z. B. Steckverbinder, die häufig zusammengesteckt und demiert werden oder die an Kabel angeschlossen werden, von denen erwartet wird, dass sie die Leiterplatte und den Steckverbinder erheblich belasten Schnittstelle), während Komponenten, von denen erwartet wird, dass sie unberührt bleiben, mit oberflächenmontierten Techniken weniger Platz beanspruchen. Weitere Vergleiche finden Sie auf der SMT-Seite .

Nachdem das Board bestückt wurde, kann es auf verschiedene Arten getestet werden:

Um diese Tests zu erleichtern, können Leiterplatten mit zusätzlichen Pads ausgestattet werden, um temporäre Verbindungen herzustellen. Manchmal müssen diese Pads mit Widerständen isoliert werden. Der In-Circuit-Test kann auch Boundary-Scan- Testfunktionen einiger Komponenten ausüben . In-Circuit-Testsysteme können auch verwendet werden, um nichtflüchtige Speicherkomponenten auf der Platine zu programmieren .

Beim Boundary-Scan-Test bilden Testschaltungen, die in verschiedene ICs auf der Platine integriert sind, temporäre Verbindungen zwischen den Leiterplattenspuren, um zu testen, ob die ICs korrekt montiert sind. Für Boundary-Scan-Tests müssen alle zu testenden ICs ein Standard-Testkonfigurationsverfahren verwenden. Das häufigste ist der JTAG- Standard (Joint Test Action Group ). Die JTAG- Testarchitektur bietet ein Mittel zum Testen von Verbindungen zwischen integrierten Schaltkreisen auf einer Platine ohne Verwendung physikalischer Testsonden, indem Schaltkreise in den ICs verwendet werden, um die IC-Pins selbst als Testsonden zu verwenden. JTAG- Tool-Anbieter bieten verschiedene Arten von Stimuli und ausgefeilte Algorithmen an, um nicht nur die fehlerhaften Netze zu erkennen, sondern auch die Fehler auf bestimmte Netze, Geräte und Pins zu isolieren.

Wenn die Platinen den Test nicht bestehen, können Techniker fehlerhafte Komponenten entlöten und ersetzen. Diese Aufgabe wird als Nacharbeit bezeichnet .

Schutz und Verpackung

Leiterplatten für extreme Umgebungen weisen häufig eine Schutzbeschichtung auf , die nach dem Löten der Komponenten durch Eintauchen oder Sprühen aufgebracht wird. Die Beschichtung verhindert Korrosion und Leckströme oder Kurzschlüsse durch Kondensation. Die frühesten konformen Schichten waren Wachs ; Moderne Schutzlacke sind normalerweise Dips verdünnter Lösungen aus Silikonkautschuk, Polyurethan, Acryl oder Epoxid. Eine andere Technik zum Aufbringen einer Schutzbeschichtung besteht darin, dass Kunststoff in einer Vakuumkammer auf die Leiterplatte gesputtert wird. Der Hauptnachteil von Schutzbeschichtungen besteht darin, dass die Wartung der Platte äußerst schwierig wird.

Viele zusammengebaute Leiterplatten sind statisch empfindlich und müssen daher während des Transports in antistatische Beutel gelegt werden. Bei der Handhabung dieser Platinen muss der Benutzer geerdet sein . Unsachgemäße Handhabungstechniken können eine akkumulierte statische Ladung durch die Platine übertragen und Komponenten beschädigen oder zerstören. Der Schaden beeinträchtigt möglicherweise nicht sofort die Funktion, kann jedoch später zu einem frühen Ausfall führen, zeitweise Betriebsstörungen verursachen oder den Bereich der Umgebungsbedingungen und elektrischen Bedingungen einschränken, unter denen die Platine ordnungsgemäß funktioniert. Sogar blanke Bretter sind manchmal statisch empfindlich: Spuren sind so fein geworden, dass es möglich ist, eine Spur mit einer statischen Entladung zu blasen (oder ihre Eigenschaften zu ändern). Dies gilt insbesondere für nicht herkömmliche Leiterplatten wie MCMs und Mikrowellen-Leiterplatten.

Cordholzkonstruktion

Ein Cordholzmodul
Die Cordholzkonstruktion wurde in Zündern in der
Nähe verwendet .

Klafterholz Konstruktion kann erheblichen Platz sparen und wurde oft verwendet mit Draht-ended Komponenten in Anwendungen , bei denen wenig Platz zur Verfügung war (wie Zündern , Raketenlenk- und Telemetriesysteme) und in High-Speed - Computer , wo kurze Spuren waren wichtig. Bei der Cordholzkonstruktion wurden axial bleihaltige Bauteile zwischen zwei parallelen Ebenen montiert. Die Komponenten wurden entweder mit Überbrückungsdraht zusammengelötet oder durch dünne Nickelbänder, die rechtwinklig auf die Komponentenleitungen geschweißt waren, mit anderen Komponenten verbunden. Um zu vermeiden, dass verschiedene Verbindungsschichten kurzgeschlossen werden, wurden dünne Isolierkarten zwischen ihnen platziert. Perforationen oder Löcher in den Karten, durch die Komponenten führen, können bis zur nächsten Verbindungsschicht durchragen. Ein Nachteil dieses Systems bestand darin, dass spezielle Komponenten mit Nickelleitung verwendet werden mussten, um zuverlässige Verbindungsschweißnähte herzustellen. Eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des Bauteils kann Druck auf die Zuleitungen der Bauteile und die Leiterplattenspuren ausüben und mechanische Schäden verursachen (wie in mehreren Modulen des Apollo-Programms festgestellt wurde). Darüber hinaus sind im Innenraum befindliche Komponenten schwer auszutauschen. Einige Versionen der Cordholzkonstruktion verwendeten gelötete einseitige Leiterplatten als Verbindungsmethode (wie abgebildet), wodurch die Verwendung von normal bleihaltigen Bauteilen auf Kosten der Schwierigkeit möglich wurde, die Leiterplatten zu entfernen oder Bauteile zu ersetzen, die sich nicht am Rand befinden.

Vor dem Aufkommen integrierter Schaltkreise ermöglichte dieses Verfahren die höchstmögliche Packungsdichte der Komponenten; Aus diesem Grund wurde es von einer Reihe von Computerherstellern verwendet, darunter Control Data Corporation . Die Cordwood-Bauweise wurde nur selten angewendet, als sich PCBs verbreiteten, hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt oder in anderen Elektronikgeräten mit extrem hoher Dichte.

Multiwire-Boards

Multiwire ist eine patentierte Verbindungstechnik, bei der maschinengeführte isolierte Drähte verwendet werden, die in eine nichtleitende Matrix (häufig Kunststoffharz) eingebettet sind. Es wurde in den 1980er und 1990er Jahren verwendet. (Kollmorgen Technologies Corp., US-Patent 4,175,816, eingereicht 1978) Ab 2010 war Multiwire noch über Hitachi erhältlich.

Da es recht einfach war, Verbindungen (Drähte) innerhalb der Einbettungsmatrix zu stapeln, konnten die Konstrukteure die Verlegung der Drähte vollständig vergessen (normalerweise ein zeitaufwändiger Vorgang bei der Leiterplattenkonstruktion): Überall dort, wo der Konstrukteur eine Verbindung benötigt, wird die Maschine dies tun Ziehen Sie einen Draht in einer geraden Linie von einer Stelle / einem Stift zu einer anderen. Dies führte zu sehr kurzen Entwurfszeiten (keine komplexen Algorithmen, die selbst für Entwürfe mit hoher Dichte verwendet werden müssen) sowie zu einem verringerten Übersprechen (was schlimmer ist, wenn Drähte parallel zueinander verlaufen - was bei Multiwire fast nie vorkommt), obwohl die Kosten zu hoch sind mit billigeren PCB-Technologien zu konkurrieren, wenn große Mengen benötigt werden.

Korrekturen an einem Multiwire-Board-Layout können einfacher vorgenommen werden als an einem PCB-Layout.

Es gibt andere wettbewerbsfähige diskrete Verkabelungstechnologien, die entwickelt wurden.

Geschichte

Vor der Entwicklung von Leiterplatten wurden elektrische und elektronische Schaltungen Punkt-zu-Punkt auf einem Chassis verdrahtet . Typischerweise war das Chassis ein Blechrahmen oder eine Blechpfanne, manchmal mit einem Holzboden. Komponenten wurden am Chassis befestigt, normalerweise durch Isolatoren, wenn der Verbindungspunkt am Chassis aus Metall bestand, und dann wurden ihre Leitungen direkt oder mit Überbrückungsdrähten durch Löten oder manchmal unter Verwendung von Crimpverbindern , Kabelverbindungsösen an Schraubklemmen oder anderen Methoden verbunden . Die Schaltkreise waren groß, sperrig, schwer und relativ zerbrechlich (selbst ohne Berücksichtigung der zerbrechlichen Glashüllen der Vakuumröhren, die häufig in den Schaltkreisen enthalten waren), und die Produktion war arbeitsintensiv, sodass die Produkte teuer waren.

Die Entwicklung der in modernen Leiterplatten verwendeten Methoden begann Anfang des 20. Jahrhunderts. 1903 beschrieb ein deutscher Erfinder, Albert Hanson, flache Folienleiter, die in mehreren Schichten auf eine Dämmplatte laminiert waren. Thomas Edison experimentierte mit chemischen Methoden der Plattierung Leiters auf Leinenpapier in 1904. Arthur Berry im Jahr 1913 einen Druck-und - patentierten Etch - Verfahrens in Großbritannien und in den Vereinigten Staaten Max Schoop ein Patent zu Flammspritzen von Metall auf ein Brett durch eine gemusterte Maske. Charles Ducas patentierte 1927 ein Verfahren zum Galvanisieren von Schaltungsmustern.

Der österreichische Ingenieur Paul Eisler erfand die gedruckte Schaltung als Teil eines Funkgeräts, als er um 1936 in Großbritannien arbeitete. 1941 wurde eine mehrschichtige gedruckte Schaltung in deutschen Marineminen mit magnetischem Einfluss verwendet . Um 1943 begannen die USA, die Technologie in großem Umfang zu nutzen, um Näherungszünder für den Einsatz im Zweiten Weltkrieg herzustellen .

Näherungszünder Mark 53 Produktionslinie 1944

Nach dem Krieg gaben die USA 1948 die Erfindung für den kommerziellen Gebrauch frei. Gedruckte Schaltungen waren in der Unterhaltungselektronik erst Mitte der 1950er Jahre alltäglich, nachdem das Auto-Sembly- Verfahren von der US-Armee entwickelt worden war. Etwa zur gleichen Zeit wurden in Großbritannien ähnliche Arbeiten von Geoffrey Dummer , damals bei der RRDE, durchgeführt .

Motorola war früh führend bei der Einführung des Prozesses in die Unterhaltungselektronik und kündigte im August 1952 die Einführung von "plattierten Schaltkreisen" in Heimradios nach sechsjähriger Forschung und einer Investition von 1 Mio. USD an. Motorola begann bald, seinen markenrechtlich geschützten Begriff für das Verfahren, PLAcir, in seiner Radiowerbung für Verbraucher zu verwenden.

Selbst als Leiterplatten verfügbar wurden, war die Punkt-zu-Punkt-Chassis-Konstruktionsmethode in der Industrie (wie Fernsehgeräten und HiFi-Geräten) zumindest bis Ende der 1960er Jahre weit verbreitet. Leiterplatten wurden eingeführt, um die Größe, das Gewicht und die Kosten von Teilen der Schaltung zu reduzieren. 1960 könnte ein kleiner Consumer-Radioempfänger mit all seinen Schaltkreisen auf einer Leiterplatte gebaut werden, aber ein Fernsehgerät würde wahrscheinlich eine oder mehrere Leiterplatten enthalten.

Ein Beispiel für handgezeichnete geätzte Spuren auf einer Leiterplatte

Vor der Erfindung der gedruckten Schaltung und ähnlich im Geiste war John Sargroves Electronic Circuit Making Equipment (ECME) von 1936–1947, das Metall auf eine Bakelit- Kunststoffplatte sprühte . Die ECME könnte drei Funkkarten pro Minute produzieren.

Während des Zweiten Weltkriegs erforderte die Entwicklung der Flugabwehr-Näherungssicherung eine elektronische Schaltung, die dem Abfeuern einer Waffe standhalten und in großen Stückzahlen hergestellt werden konnte. Die Centralab Division of Union Globe einen Vorschlag, der die Anforderungen erfüllt: eine Keramikplatte würde siebgedruckt mit Metallic - Lack für Leiter und Kohlenstoffmaterial für die Widerstände , mit Keramikscheibenkondensatoren und Subminiatur - Vakuumröhren in Position gelötet. Die Technik erwies sich als praktikabel, und das daraus resultierende Patent für das Verfahren, das von der US-Armee klassifiziert wurde, wurde an Globe Union übertragen. Erst 1984 verlieh das Institut für Elektrotechnik- und Elektronikingenieure (IEEE) Harry W. Rubinstein den Cledo Brunetti Award für frühe Schlüsselbeiträge zur Entwicklung gedruckter Komponenten und Leiter auf einem gemeinsamen Isoliersubstrat. Rubinstein wurde 1984 von seiner Alma Mater, der University of Wisconsin-Madison , für seine Innovationen in der Technologie gedruckter elektronischer Schaltungen und der Herstellung von Kondensatoren geehrt. Diese Erfindung stellt auch einen Schritt in der Entwicklung der Technologie integrierter Schaltkreise dar , da nicht nur Verdrahtung, sondern auch passive Komponenten auf dem Keramiksubstrat hergestellt wurden.

Eine Leiterplatte als Entwurf auf einem Computer (links) und als Leiterplattenbaugruppe mit Komponenten (rechts) realisiert. Die Platine ist doppelseitig, mit Durchgangsbeschichtung, grünem Lötstopplack und einer weißen Legende. Es wurden sowohl oberflächenmontierte als auch Durchgangslochkomponenten verwendet.

Ursprünglich hatte jede elektronische Komponente Drahtleitungen und eine PCB hatte Löcher für jeden Draht jeder Komponente gebohrt. Die Komponentenleitungen wurden dann durch die Löcher eingeführt und mit den Kupferplatinenbahnen verlötet . Dieses Montageverfahren wird als Durchgangslochkonstruktion . Im Jahr 1949 entwickelten Moe Abramson und Stanislaus F. Danko von der United States Army Signal Corps des Auto-Sembly Prozess , in dem Bauteil führt in eine Kupferfolie Verbindungsmuster und eingeführt wurden dip gelötet . Das Patent, das sie 1956 erhielten, wurde der US-Armee übertragen. Mit der Entwicklung von Laminierungs- und Ätztechniken für Leiterplatten entwickelte sich dieses Konzept zum heute üblichen Standardverfahren zur Herstellung von Leiterplatten. Das Löten kann automatisch erfolgen, indem die Platine in einer Wellenlötmaschine über eine Welligkeit oder Welle geschmolzenen Lots geführt wird. Die Drähte und Löcher sind jedoch ineffizient, da das Bohren von Löchern teuer ist und Bohrer verbraucht und die hervorstehenden Drähte abgeschnitten und weggeworfen werden.

Ab den 1980er Jahren wurden zunehmend kleine oberflächenmontierte Teile anstelle von Durchgangslochkomponenten verwendet. Dies hat zu kleineren Platinen für eine bestimmte Funktionalität und niedrigeren Produktionskosten geführt, jedoch mit einigen zusätzlichen Schwierigkeiten bei der Wartung fehlerhafter Platinen.

In den 1990er Jahren wurde die Verwendung von mehrschichtigen Oberflächenplatten immer häufiger. Infolgedessen wurde die Größe weiter minimiert und sowohl flexible als auch starre Leiterplatten wurden in verschiedene Vorrichtungen eingebaut. 1995 begannen Leiterplattenhersteller mit der Verwendung der Microvia- Technologie zur Herstellung von HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect).

Die HDI-Technologie ermöglicht ein dichteres Design auf der Leiterplatte und deutlich kleinere Komponenten. Infolgedessen können Komponenten näher und die Pfade zwischen ihnen kürzer sein. HDIs verwenden blinde / vergrabene Durchkontaktierungen oder eine Kombination, die Mikrovias enthält. Bei mehrschichtigen HDI-Leiterplatten ist die Verbindung von gestapelten Durchkontaktierungen noch stärker, wodurch die Zuverlässigkeit unter allen Bedingungen erhöht wird. Die häufigsten Anwendungen für die HDI-Technologie sind Computer- und Mobiltelefonkomponenten sowie medizinische Geräte und militärische Kommunikationsgeräte. Eine 4-Lagen-HDI-Microvia-Leiterplatte Die Kosten entsprechen in der Qualität einer 8-Lagen-Durchgangsplatine. Die Kosten sind jedoch viel niedriger.

Jüngste Fortschritte im 3D-Druck haben dazu geführt, dass es bei der Leiterplattenerstellung mehrere neue Techniken gibt. 3D-gedruckte Elektronik (PEs) kann verwendet werden, um Elemente Schicht für Schicht zu drucken, und anschließend kann das Element mit einer flüssigen Tinte gedruckt werden, die elektronische Funktionen enthält.

Hersteller unterstützen möglicherweise die Reparatur von Leiterplatten auf Komponentenebene nicht, da die Kosten für den Austausch im Vergleich zu Zeit und Kosten für die Fehlerbehebung auf Komponentenebene relativ gering sind. Bei der Reparatur auf Platinenebene identifiziert der Techniker die Platine (PCA), auf der sich der Fehler befindet, und ersetzt sie. Diese Verschiebung ist aus Herstellersicht wirtschaftlich effizient, aber auch materiell verschwenderisch, da eine Leiterplatte mit Hunderten von Funktionskomponenten aufgrund des Ausfalls eines kleinen und kostengünstigen Teils wie eines Widerstands oder eines Kondensators weggeworfen und ersetzt werden kann. Diese Praxis trägt wesentlich zum Problem des Elektroschrotts bei .

Siehe auch

PCB-Materialien

PCB-Layout-Software

Verweise

Externe Links