Der englische Begriff Printed Circuit Boards, kurz PCB, wird in die deutsche Sprache als Leiterplatte oder auch als Leiterkarte übersetzt.
Bei dem PCB handelt es sich um einen Träger, welcher elektronische Komponenten umfasst. Die Leiterplatte nimmt somit sowohl die Funktion einer elektrischen Verbindung als auch einer mechanischen Befestigung ein. Heutzutage lässt sich dabei kaum mehr ein elektronisches Gerät finden, welches nicht zumindest über eine Leiterplatte verfügt.
Der grundsätzliche Aufbau der Leiterplatten
Gefertigt sind die Printed Circuit Boards aus einem elektrisch isolierend wirkendem Material. An diesem haften wiederum die Leiterbahnen, welche die leitenden Verbindungen darstellen.
Bei günstigeren Produktionen wird für das isolierende Material in der Regel auf Hartpapier zurückgegriffen, ansonsten wird faserverstärkter Kunststoff verwendet. Dagegen bestehen die entsprechenden Leiterbahnen in den meisten Fällen aus einer Schicht aus Kupfer, welche nicht dicker als 35 µm ausfällt. Handelt es sich um eine komplexere Leiterplatte, ist es außerdem möglich, dass Diese weitere Verschraubungen, Klebstoffe und Kabelbinder aufweist.
Im Bereich der Leiterplatten lassen sich grundsätzlich viele unterschiedliche Arten ausmachen. Zu diesen zählen etwa simple, einseitige Leiterplatten, Multilayer Leiterplatten oder auch weitere Sonderformen, die sehr speziellen Einsatzzwecken dienen.
Die Geschichte der Leiterplatten
In der Vergangenheit – in den Zeiten vor der Einführung der Leiterplatten – fand eine freie Verdrahtung von elektronischen Schaltungen statt, für die in einigen Fällen auch zusätzliche Lötleisten genutzt wurden. Die mechanischen Stützpunkte bestanden etwa in Komponenten wie Fassungen von Elektronenröhren, Schaltern mit Lötösen, Drehkondensatoren oder Potentiometern.
Abhängig von dem jeweiligen Hersteller ließ sich entweder die Bestrebung erkennen, die Bauelemente rechtwinklig anzuordnen oder stets eine schräge, direkte Verbindung zu etablieren. Zu den damaligen Zeiten zeigten sich die einzelnen Elemente, wie etwa die Widerstände und Kondensatoren, allerdings noch recht lang und groß, sodass das Überbrücken von Distanzen von mehreren Zentimetern kein Problem darstellte. Die Fertigung dieser Geräte war jedoch ausschließlich manuell per Hand möglich. Als Vorlage diente ein entsprechender Verdrahtungsplan.
Zu Beginn der 1920er-Jahre traten dann die Vorläufer der modernen Leiterplatten in Erscheinung und zwar in Form von gestanzten Leiterzügen. Deren Aufnietung fand auf Hartpapier statt und die Widerstände und Kondensatoren wurden zwischen Blechfedern positioniert. Auf gelötete Verbindungen verzichtete die Fertigung allerdings noch.
Ein Elektro-Ingenieur aus Wien, Paul Eisler, meldete dann im Jahr 1943 das Patent für die gedruckte Leiterplatte an. Es dauerte jedoch noch einige Zeit, bis diese aus dem Schatten der herkömmlichen Handverdrahtung treten konnte. Dies geschah erst dann, als die Elektronik immer stärker miniaturisiert wurde.
So werden Leiterplatten hergestellt
Der Entwurf
Heutzutage wird der Entwurf für die Leiterplatten in der Regel mithilfe eines Software-Programmes ausgeführt. Dieses Programm enthält dabei nicht nur die Daten des Leiterzugs, sondern häufig auch Stücklisten, weiterführende Daten – etwa Lotpasten-Muster – und den jeweiligen Schaltplan. Ein PCB Service übernimmt die notwendigen Schritte um individuelle Entwürfe für Leiterplatten zu realisieren.
Die Software für den Leiterplattenentwurf ist in der Lage, diesen in Form eines Standardformates auszugeben. Gängige Formate bestehen in Sieb & Meyer, Excellon oder Gerber RE-274X.
Es findet eine Aufteilung der Projektdaten bezüglich der jeweiligen Leiterplatte statt. Gerber-Daten, welche die Topografie der Leiterplatten bestimmen, entsprechen dabei dem ersten Teil. Durch diese erfolgt unter anderem eine Dokumentation der Lokalisierung von PADs oder des Leiterbahnverlaufs. Die Bohrdaten sind dagegen im zweiten Teil zu finden, etwa in Form der Sieb & Meyer- oder der Excellon-Daten.
Der hauptsächliche Inhalt des Entwurfs besteht jedoch in der Leiterplattenflechtung. Darüber hinaus enthält er allerdings auch weiterführende technologische Angaben, darunter die Art der Oberfläche, die Fertigungstechnologie der Platine oder die Stärke des Kupfers. Nach der Erstellung des Entwurfs werden diese Daten an den Hersteller der Leiterplatte weitergegeben.
Die Fertigung
Zum Großteil findet die Herstellung von doppelseitigen und einseitigen Leiterplatten mithilfe eines fotochemischen Verfahrens statt.
Es werden dabei verschiedene Prozessschritte durchlaufen, die in dem Bohren, dem Durchkontaktieren, dem Laminieren, dem Belichten, dem Entwickeln, dem Ätzen, dem Spülen und dem Trocknen bestehen. Abhängig von dem jeweiligen Projekt, können im Anschluss noch weitere Schritte der Nachbearbeitung folgen.
Die Leiterbahnen werden zumeist fotolithografisch gefertigt. Dabei wird die Oberfläche der Platte, welche noch nicht komplett metallisiert ist, mit einer dünnen Fotolack-Schicht versehen, welche sich als äußerst lichtempfindlich zeigt. Nachdem der Fotolack mithilfe einer Maske mit dem jeweiligen Layout der Platine belichtet wurde, werden entweder die unbelichteten oder die belichteten Anteile entfernt. Genutzt wird dazu eine entsprechende Entwicklerlösung.
Die Technologien der Leiterplatten
Die Herstellung der meisten Leiterplatten, die in den modernen Elektrogeräten zu finden sind, erfolgt aus bedrahteten Bauteilen und einseitig kaschiertem Material.
Die Miniaturisierung schreitet jedoch stetig weiter voran, sodass auf der Unterseite der Leiterplatten immer häufiger SMD-Bauteile zu finden sind. Das Bestücken der Durchsteckbauelemente findet von oben statt. Um zu verhindern, dass die SMD-Bauteile im Zuge des Lötens abfallen, ist es außerdem möglich, diese zusätzlich mit Kleber zu fixieren.
Mehrlageplatinen und durchkontaktierte Platinen zeigen sich grundsätzlich als wesentlich kostenintensiver. Zu finden sind diese daher vor allem bei miniaturisierten Baugruppen, wie etwa Mobiltelefonen, zuverlässigeren Komponenten aus der Industrieelektronik oder komplexeren Computern.
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