Definition von Leiterplatte
PCB (Printed Circuit Board) ist das Trägermaterial für elektronische Bauteile und Schaltungsverbindungen. Da es mit Hilfe der elektronischen Drucktechnologie hergestellt wird, wird es als Leiterplatte bezeichnet. Dabei wird die Schaltung mittels Bildübertragung auf das Substrat übertragen und nach dem chemischen Ätzen die Schaltung erzeugt.
Der Ursprung von PCB
Im Jahr 1925 druckte Charles Ducas aus den Vereinigten Staaten, der Begründer des additiven Verfahrens, Schaltungsmuster auf isolierte Substrate und stellte anschließend mithilfe von Galvanisierung erfolgreich Leiter her.
Im Jahr 1936 verwendete Paul Eisler aus Österreich, der Begründer der subtraktiven Methode, erstmals eine Leiterplatte in einem Radio.
Im Jahr 1943 wandten die Vereinigten Staaten diese Technologie auf Militärfunkgeräte an. Im Jahr 1948 erkannten die Vereinigten Staaten diese Erfindung offiziell für die kommerzielle Nutzung an.
Seit Mitte der 1950er Jahre sind Leiterplatten in der Elektronikindustrie weit verbreitet und haben sich seitdem durchgesetzt. Leiterplatten haben sich von einlagigen zu doppelseitigen, mehrlagigen und flexiblen Leiterplatten entwickelt, wobei jede ihre eigene Entwicklungstendenz aufweist. Mit der kontinuierlichen Entwicklung hin zu hoher Präzision, hoher Dichte und hoher Zuverlässigkeit sowie einer Verringerung der Größe, der Kosten und einer Verbesserung der Leistung behalten Leiterplatten auch in der zukünftigen Entwicklung elektronischer Geräte eine starke Vitalität.
Funktionen von Leiterplatten
PCBs haben in elektronischen Geräten folgende Funktionen:
- Sie bieten mechanische Unterstützung für verschiedene elektronische Komponenten wie integrierte Schaltkreise und ermöglichen die Verdrahtung und elektrische Verbindung oder Isolierung zwischen verschiedenen elektronischen Komponenten. Außerdem bieten sie die erforderlichen elektrischen Eigenschaften.
- Sie bieten Lötmasken-Grafiken für das automatische Löten sowie Identifikationszeichen und Grafiken für den Einbau, die Inspektion und die Reparatur von Bauteilen.
- Der Einsatz von Leiterplatten in elektronischen Geräten vermeidet Verdrahtungsfehler und ermöglicht den automatisierten Bauteileinsatz oder die Oberflächenmontage, das automatische Löten und automatische Testen. Dies gewährleistet die Produktqualität, verbessert die Arbeitsproduktivität, senkt die Kosten und erleichtert die Wartung.
- Sie bieten die erforderlichen elektrischen Eigenschaften, die charakteristische Impedanz und die elektromagnetische Verträglichkeit für Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzschaltungen.
- Leiterplatten mit eingebetteten passiven Bauteilen bieten bestimmte elektrische Funktionen, vereinfachen den elektronischen Installationsprozess und verbessern die Produktzuverlässigkeit.
- Sie bieten einen effektiven Chipträger für miniaturisierte Chipverpackungen in groß- und ultragroßformatigen elektronischen Verpackungskomponenten.
Verschiedene Arten von Leiterplatten
Es gibt viele verschiedene Klassifizierungsmethoden für Leiterplatten, darunter Substratmaterial, Struktureigenschaften, Anzahl der Schichten, Anwendung usw.
Substratmaterial
PCB-Substrat bezeichnet das Grundmaterial, aus dem eine Leiterplatte (PCB) hergestellt wird. Es bildet die Grundlage für die Schaltkreise und Komponenten, aus denen ein elektronisches Gerät besteht. PCB-Substrate werden in der Regel aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt, darunter glasfaserverstärktes Epoxidharz (FR-4), Polyimid und Keramik.
| PCB Substrate Type | Examples |
|---|---|
| Paper-based PCBs | Phenolic Paper-based PCBs, Epoxy Paper-based PCBs, etc. |
| Glass Cloth-based PCBs | Epoxy Glass Cloth-based PCBs, PTFE Glass Cloth-based PCBs, etc. |
| Synthetic Fiber-based PCBs | Epoxy Synthetic Fiber-based PCBs, etc. |
| Organic Thin Film-based PCBs | Nylon Thin Film-based PCBs, etc. |
| Ceramic Substrate-based PCBs | - |
| Metal Core-based PCBs | - |
Strukturelle Eigenschaften
Je nach strukturellen Eigenschaften lassen sich Leiterplatten in starre Leiterplatten, flexible Leiterplatten und kombinierte weiche und harte Leiterplatten unterteilen. Der Unterschied zwischen starren und flexiblen Leiterplatten besteht darin, dass flexible Leiterplatten gebogen werden können.
- Gängige Dicken von starren Leiterplatten sind 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,6 mm, 2,0 mm usw.
- Die übliche Dicke der flexiblen Leiterplatte beträgt 0,2 mm, und an der Stelle, an der die Teile gelötet werden sollen, wird eine verdickte Schicht hinzugefügt. Die Dicke der verdickten Schicht variiert zwischen 0,2 mm und 0,4 mm.
- Gängige Materialien für starre Leiterplatten sind: Phenolharz-Papierlaminate, Epoxidharz-Papierlaminate, Polyester-Glasvlieslaminate, Epoxidharz-Glasgewebelaminate.
- Gängige Materialien für flexible Leiterplatten sind: Polyesterfolie, Polyimidfolie und fluorierte Ethylenpropylenfolie.
Anzahl der Schichten
Je nach Anzahl der Schichten lassen sich Leiterplatten in einseitige Leiterplatten, doppelseitige Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect Boards) unterteilen.
Einseitige Leiterplatte
Eine einseitige Leiterplatte ist eine Leiterplatte, die nur auf einer Seite (Lötseite) der Leiterplatte verdrahtet ist und auf der alle Bauteile, Bauteilbeschriftungen und Textbeschriftungen auf der anderen Seite (Bauteilseite) angebracht sind.
Das größte Merkmal der einseitigen Platine ist ihr niedriger Preis und ihr einfacher Herstellungsprozess. Da die Verdrahtung jedoch nur auf einer Oberfläche erfolgen kann, ist sie schwieriger und störanfällig, sodass sie nur für relativ einfache Schaltungen geeignet ist.
Doppelseitige Leiterplatte
Die doppelseitige Platine ist auf beiden Seiten der Isolierplatte verdrahtet, wobei eine Seite als obere Schicht und die andere Seite als untere Schicht verwendet wird. Die obere und untere Schicht sind über Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden.
Normalerweise werden die Bauteile auf einer zweilagigen Platine auf der oberen Schicht platziert, manchmal können jedoch auch Bauteile auf beiden Schichten platziert werden, um die Größe der Platine zu reduzieren. Die doppellagige Platine zeichnet sich durch einen moderaten Preis und eine einfache Verdrahtung aus. Sie ist der am häufigsten verwendete Typ bei gewöhnlichen Leiterplatten.
Mehrschichtige Leiterplatte
Eine Leiterplatte mit mehr als zwei Schichten wird als Mehrschichtleiterplatte bezeichnet, z. B. 2-lagig, 4-lagig, 6-lagig, 8-lagig usw.
Anwendung
- Verbraucher-Leiterplatten: Spielzeug, Kameras, Fernseher, Audiogeräte, Mobiltelefone usw.
- Industrielle Leiterplatten: Sicherheit, Automobil, Computer, Kommunikationsgeräte, Messtechnik usw.
- Militärische Leiterplatten: Luft- und Raumfahrt, Drohnen, Radar usw.
PCB-Struktur
PCB besteht hauptsächlich aus kupferkaschierten Laminaten (CCL), Prepreg (PP-Folie), Kupferfolie und Lötmaske. Gleichzeitig ist es zum Schutz der freiliegenden Kupferfolie auf der Oberfläche und zur Gewährleistung der Schweißwirkung erforderlich, eine Oberflächenbehandlung des PCB durchzuführen, und manchmal wird es auch mit Zeichen markiert.
Die schematische Darstellung der vierlagigen Leiterplattenstruktur ist in der Abbildung dargestellt:
Kupferkaschiertes Laminat
Kupferkaschiertes Laminat (CCL) ist das Grundmaterial für die Herstellung von Leiterplatten. Es besteht aus einer dielektrischen Schicht (Harz, Glasfaser) und einem hochreinen Leiter (Kupferfolie). Es besteht aus Verbundwerkstoffen.
Prepreg
Prepreg, auch bekannt als PP-Folie, ist eines der Hauptmaterialien bei der Herstellung von Mehrschichtplatinen. Es besteht hauptsächlich aus Harz und Verstärkungsmaterialien. Die Verstärkungsmaterialien werden in Glasfasergewebe (als Glasgewebe bezeichnet), Papierbasis und Verbundwerkstoffe unterteilt.
Die meisten Prepregs (Klebefolien), die bei der Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten verwendet werden, verwenden Glasgewebe als Verstärkungsmaterial. Das dünne Folienmaterial, das durch Imprägnieren des behandelten Glasgewebes mit Harzkleber und anschließendes Vorbacken durch Wärmebehandlung hergestellt wird, wird als Prepreg bezeichnet. Prepregs werden unter Hitze und Druck weich und verfestigen sich beim Abkühlen.
Kupferfolie
Kupferfolie ist eine dünne, durchgehende Metallfolie, die auf die Grundschicht der Leiterplatte aufgebracht wird. Als Leiter der Leiterplatte lässt sie sich leicht mit der Isolierschicht verbinden und zu einem Schaltungsmuster ätzen.
Lötmaske
Die Lötstoppschicht bezieht sich auf den Teil der Leiterplatte, der mit Lötstoppfarbe bedeckt ist. Sie ist eine dauerhafte Schutzschicht der Leiterplatte und kann Feuchtigkeit, Korrosion, Schimmel und mechanischem Abrieb vorbeugen. Lötstopplack ist in der Regel grün, in einigen Fällen wird auch rote, schwarze oder blaue Farbe verwendet, weshalb Lötstopplack in der Leiterplattenindustrie oft als „grünes Öl” bezeichnet wird. Er kann auch verhindern, dass Teile an falschen Stellen verlötet werden.
PCB-Herstellungsprozess
Der Herstellungsprozess von Leiterplatten (PCB, Printed Circuit Board) umfasst in der Regel die folgenden Schritte:
Materialschneiden:
Das rohe kupferbeschichtete Material wird auf die für die Leiterplatte erforderliche Größe zugeschnitten.
Layout:
Die vom Kunden bereitgestellte Grafikdatei wird angelegt, um die Position der Komponenten und die Verdrahtung auf der Leiterplatte zu bestimmen.
Filmdruck:
Importieren und ändern Sie die Layoutdatei in der Software und drucken Sie sie anschließend auf eine schwarze Folie aus silbersalzhaltigem, lichtempfindlichem Klebstoff. Diese Folie wird für die präzise Positionierung von Bauteilen auf der Leiterplatte verwendet.
Belichtung:
Tragen Sie die lichtempfindliche Flüssigkeit auf die Oberfläche der Leiterplatte auf, legen Sie dann die Folie über die Leiterplatte und belichten Sie sie mit UV-Licht. Nach der Belichtung wird die Folie entfernt, sodass nur die erforderlichen Linien und Bauteilpositionen auf der Leiterplatte zurückbleiben.
Radierung:
Tauchen Sie die Leiterplatte in eine Ätzlösung, um unerwünschte Kupferfolie zu entfernen und die erforderlichen Schaltkreise und Bauteilpositionen beizubehalten. Der Ätzprozess umfasst in der Regel Schritte wie Entwickeln, Ätzen und Abziehen. Die Ätzmethode unterscheidet sich für Leiterplatten mit inneren und äußeren Schichten.
Bohren:
Bohren Sie Löcher in die Leiterplatte entsprechend der Größe und den Koordinaten der Durchgangsbohrung in der Datei. Nichtmetallische Löcher erfordern möglicherweise Trockenfilm oder zwei Bohr- oder Stopfenlochverfahren.
Beschichtung:
Legen Sie die Leiterplatte in ein Galvanisierungsbad mit chemischem Kupfer, damit sich eine dünne Kupferschicht auf dem nichtleitenden Substrat und der Kupferoberfläche ablagert und die Leitfähigkeit gewährleistet ist.
Lötmaske und Siebdruck:
Um die Schaltung und die Komponenten vor Oxidation und Korrosion zu schützen, müssen wir die Lötmaske auf die Leiterplatte auftragen. Normalerweise ist die gängige Lötmaske grün, Sie können jedoch je nach Ihren Anforderungen aus verschiedenen Farben wählen. Auf die Oberfläche der Leiterplatte und der Lötmaske können Sie auch Zeichen, Markierungen, Symbole und Beschriftungen drucken.
Endkontrolle:
Führen Sie eine Reihe von Tests durch, z. B. AOI, ERC, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte den Kundenanforderungen und Standards entspricht.
PCB vs. IC
Der Hauptunterschied zwischen PCB und IC besteht darin, dass eine PCB-Platine als Plattform für den integrierten Schaltkreis (IC) dient, während der IC durch Löten auf der PCB-Platine befestigt wird. Nachstehend finden Sie eine Vergleichstabelle, in der die Unterschiede hervorgehoben sind.
| Criteria | PCB | IC |
|---|---|---|
| Definition | Printed Circuit Board | Integrated Circuit |
| Function | Provides a mechanical support for electronic components and interconnects them. | Contains multiple electronic components and their interconnections on a single piece of silicon, providing a complete electronic circuit function. |
| Size | Can vary greatly in size, from a few square millimeters to several meters. | Typically very small, with dimensions ranging from a few millimeters to a few centimeters. |
| Complexity | Can be simple or complex depending on the application. | Can be highly complex, with millions of transistors and other components integrated onto a single chip. |
| Manufacturing | Fabricated using various processes including drilling, etching, plating, and soldering. | Fabricated using semiconductor manufacturing processes including lithography, deposition, and diffusion. |
| Cost | Generally less expensive than ICs for simpler applications. | Generally more expensive than PCBs due to the complexity of the manufacturing process. |
| Reliability | More susceptible to failure due to external factors such as vibration, thermal cycling, and moisture. | Generally more reliable than PCBs due to their monolithic nature, but can still be susceptible to failure due to manufacturing defects or external factors. |
| Applications | Used in a wide range of electronic devices, including computers, televisions, and appliances. | Used in a wide range of electronic devices, including computers, mobile phones, and automotive electronics. |
