Eine Leiterplatte, auch als Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung (engl. PWB Printed Wiring Board, PCB Printed Circuit Board, ECB Etched Wiring Board) bezeichnet, dient der mechanischen Befestigung und der elektrischen Verbindung von elektronischen Bauteilen. Die Verbindungsleitungen werden durch Ätzen aus einer dünnen Schicht leitfähigen Materials auf einer isolierenden Grundplatte hergestellt. Die Bauelemente werden auf diese Leiterbahnen gelötet.
Material
Einfache Leiterplatten bestehen aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial (Basismaterial), auf dem eine oder zwei Kupferschichten aufgebracht sind. Die Schichtstärke beträgt typischerweise 35 µm und für Anwendungen mit höheren Strömen zwischen 70 µm und 140 µm. Im englischsprachigen Ländern wird statt der Schichtstärke die Masse der leitfähigen Schicht pro Flächeneinheit in Unzen pro Quadratfuß (oz/sq.ft) angegeben.
Das Basismaterial war früher oft Pertinax (Phenolharz mit Papierfasern, sog. Hartpapier). Heute werden – außer für billige Massenartikel – meistens mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatten verwendet. Dieses Material hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier.
Für Spezialanwendungen kommen auch andere Materialien zum Einsatz, wie beispielsweise Teflon oder Keramik in LTCC und HTCC für die Hochfrequenztechnik sowie Polyesterfolie für flexible Leiterplatten.
Herstellung
Die Herstellung der Leiterbahnen erfolgt in der Regel fotolithografisch, indem eine dünne Schicht lichtempfindlichen Fotolacks auf die Oberfläche der noch vollständig metallisierten Platte aufgebracht wird. Nach der Belichtung des Fotolacks durch eine Maske mit dem gewünschten Platinenlayout sind je nach verwendetem Fotolack entweder die belichtete oder die unbelichteten Anteile des Lacks löslich in einer passenden Entwicklerlösung und werden entfernt. Bringt man die so behandelte Leiterplatte in eine geeignete Ätzlösung (z. B. in Wasser gelöstes Eisen(III)-chlorid oder Natriumpersulfat), so wird nur der freigelegte Teil der metallisierten Oberfläche angegriffen; die vom Fotolack bedeckten Anteile bleiben erhalten, weil der Lack beständig gegen die Ätzlösung ist.
Prototypen können auch durch Fräsen der Kupferschichten strukturiert werden. Solche Platinen bestehen nicht aus Leiterbahnen, sondern aus Flächen, die voneinander durch Frässpuren getrennt sind.
Die Kupferschichten können nach dem Ätzen galvanisch verstärkt werden.
Die Herstellung der Bohrungen zur Aufnahme bedrahteter Bauteile sowie für Durchkontaktierungen erfordert aufgrund des Glasfaser-Anteils des Trägermaterials Hartmetallwerkzeuge. Wenn Bohrungen an den Innenwänden metallisiert werden, entstehen Durchkontaktierungen. Die Metallisierung der Bohrungen (isolierende Flächen) erfordert eine Bekeimung, nachfolgende stromlose Abscheidung einer dünnen Kupferschicht und schließlich deren elektrolytische Verstärkung.
Zusätzlich können galvanisch auf Teilflächen oder der gesamten Kupferfläche metallische Schutz- und Kontaktschichten aus Zinn, Nickel oder Gold aufgebracht werden. Dünne Vergoldungen erfordern zum Kupfer hin eine Diffusionssperrschicht (Nickel-Sperrschicht).
Danach wird ein Lötstopplack (grüne Lackschicht der Leiterplatte im Foto) aufgebracht, der die Leiterbahnen abdeckt und nur die Lötstellen frei lässt. Damit lassen sich Lötfehler vermeiden, und beim Schwalllöten spart man Zinn. Die frei bleibenden Lötstellen (Pads und Lötaugen) können mit einem physikalischen Verfahren (hot air leveling) mit einer Zinnschicht versehen werden, die besseres Löten ermöglicht. Oft tragen Leiterplatten einen Bestückungsdruck, der in Verbindung mit einem Schaltplan den Service erleichtert.
Geschichte
Fertigungstechnologie
Der Einsatz von Leiterplatten begann Anfang der 1950er Jahre durch die von Fritz Stahl gegründeten Ruwel-Werke in Geldern am Niederrhein. Bis dahin wurden elektronische Bauteile frei verdrahtet, sie hingen also in der Luft und waren nur an den Enden festgelötet.
Bei gedruckten Schaltungen werden dagegen die Anschlussdrähte der Bauteile von oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (engl. Through Hole Technology, THT) – eine auch heute noch weit verbreitete Technologie. Auf der Unterseite (Löt-, Leiter- oder L-Seite) befinden sich die Kupferleiterbahnen, an denen sie festgelötet werden.
Komplexere einlagige Leiterplatten erfordern zusätzliche Verbindungen, die nicht im Layout herstellbar sind. Diese werden durch Lötbrücken mittels abgewinkelter Drähte oder Null-Ohm-Widerstände hergestellt. Letztere lassen sich besser in Bestückungsautomaten einsetzen. Später nutzte man für diese Verbindungen Kupferbahnen auf beiden Seiten der Leiterplatte (doppellagige Leiterplatte, DL). Verbindungen zwischen oberer (Bestückungs- oder B-Seite) und unterer Seite wurden durch Löten eingepresster Stifte oder Niete erzeugt.
Erst in den 1960er Jahren wurden diese Verbindungen (Durchkontaktierungen, DK, engl. vias) durch die Leiterplatte hindurch chemisch durch Metallisierung der Lochwände der Bohrungen erzeugt.
Aus Kostengründen werden auch heute noch einlagige Leiterplatten hergestellt, die jedoch oft auf der Leiterseite SMD-Bauteile tragen. Einlagige Leiterplatten haben zur besseren Bestückung bedrahteter Bauteile oft konische Bohrungen.
Es muss festgestellt werden, dass ein großer Teil der weltweit hergestellten Leiterplatten von Hand bestückt wird, obwohl es bereits seit ca. 30 Jahren Bestückungsautomaten gibt. Moderne Leiterplatten mit hoher Packungsdichte und SMD-Bauteilen können jedoch nicht von Hand bestückt werden. Sogenannte „Pick & place“-Automaten übernehmen die Handhabung der oft unter 1 mm großen Bauteile.
Layout
In den 1960er Jahren zeichnete man das Layout (Leiterbahnen-Struktur) im Maßstab 2:1 mit Tusche oder in Klebetechnik mit Layoutsymbolen und Kleberollen (Brady) auf Rasterfolien. Später erstellte man an Programmierarbeitsplätzen NC-Programme zur Steuerung eines Lichtzeichengerätes, welches den zur Fotolithografie erforderlichen Film herstellte. Danach verwendete man Computer, um die Zeichnungen der verschiedenen Kupfer- und Drucklagen sowie das NC-Steuerprogramm für die Herstellungen der Bohrungen zu erzeugen.
Aktuelle Layoutprogramme für die sog. „Electronic Design Automation“ ermöglichen die Erzeugung eines Verbindungsplanes und der entsprechenden Darstellung („Rattennest“) aus einem Stromlaufplan und beinhalten umfangreiche Bauteil-Bibliotheken, in denen für jedes Bauteil auch die Gehäusegeometrien, technische Daten und die Lötpads („Footprint“) enthalten sind. Die automatische Leiterplattenentflechtung anhand eines gegebenen Stromlaufplanes und Vorgabe von Design-Regeln (Platzierung der Bauteile (Autoplacement) und Entflechtung (Autorouting) der elektrischen Verbindungen) ist heute bei einfachen Leiterplatten Standard. An seine Grenzen stößt dieses Verfahren bei komplexen Leiterplatten, die viel Erfahrung bei der Entflechtung erfordern (z. B. bei Mobiltelefonen). Auch eine Steigerung der Computer-Rechenleistung bringt keine Verbesserung, da die Eingabe der komplexen Design-Vorgaben mehr Zeit in Anspruch nimmt als die manuelle Entflechtung.
Moderne Software kann inzwischen ansatzweise auch EMV-Aspekte und die Strombelastbarkeit der Leiterbahnen berücksichtigen.
Leiterplattentechnologien
SMD-Leiterplatten
Mitte der 1980er Jahre begann man damit, die Bauteile direkt auf die Leiterbahnen zu löten. Diese oberflächenmontierten Bauelemente (engl. Surface Mounted Devices, kurz SMD) ermöglichten es zudem, die Packungsdichte zu erhöhen, und trugen zu einer enormen Verkleinerung von elektronischen Geräten bei.
Mehrschichtplatinen
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. Die Verbindungen zwischen den Lagen werden mit Durchkontaktierungen („VIAs“) hergestellt. 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 bis zu 48 Schichten haben. Üblich sind z. B. vier bis acht Lagen in Computern und bis zwölf Lagen in Mobiltelefonen.
Bauelemente auf Platinen
Einfache passive Bauelemente können in die Platine integriert werden. Induktivitäten, Spulen, kleine Kapazitäten oder Kontakte 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 Klecks Kunstharz geschützt (engl. Globetop)(Beispiel: Quarzuhrwerke).
Microviatechnologie
Bei Multilayer-Platinen ist die Microviatechnologie 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 (HD-PCB, high density) ist die Microvia-Technik notwendig, da wegen des Platzmangels und des geringen Abstandes der Kontakte nicht mehr alle Kontakte z. B. von BGA-Bauteilen (Ball Grid Arrays) elektrisch angebunden werden können. So bindet man die Pads der BGAs an Microviabohrungen an, die auf einer anderen Lage enden, und gewährleistet so deren Entflechtung.
Buried-Via Technologie
Diese Technologie ist eine Variante der Microviatechnologie. 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.
Eine Weiterentwicklung der Dickkupfertechnick ist die Eisbergtechnik (engl.: iceberg technique). Dabei werden die Kupferlagen durch einen photolithographisch gesteuerten Ätzprozess vorstrukturiert: Bereiche, die kein Dickkupfer benötigen, werden hierbei auf 20 µm oder 100 µm zurückgeätzt. Diese Folie wird 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 auf bis zu 400 µm verstärkte Kupferlagen in die Leiterplatte eingearbeitet.
In Verbindung mit einem Wärmepastendruck kann so eine Wärmereduktion von bis zu 96% 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, was zu einer deutlichen Verbesserung der Entwärmung führt. Dieses führt auch zu einer geringeren Abstrahlung elektromagnetischer Felder.
Flexible Leiterplatten
Alternativ zu festen Leiterplatten finden auch dünne Flexleiterplatten z. B. auf Basis von Polyimid-Folien Verwendung. Die damit aufgebauten teureren Flexschaltungen sind sehr platzsparend und können durch Faltungen 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. Auf Grund der plastischen Verformung der beteiligten Metalle ergeben sich sichere elektrische Verbindungen auch ohne Löten. Als eine der 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 Chips ohne Gehäuse auf die Leiterplatte geklebt und mittels dünner Drähte mit den entsprechenden Kontakten auf der Leiterplatte verbunden. Dies passiert nicht durch löten, sondern mittels eines Stiftes, welcher auf den Draht drückt und um ca. 4-5µm schwingt (Ultraschall-Bonden). Dadurch entsteht Reibungswärme und verschweißt den Draht mit den Lands (kleine Cu-Flächen, auf die geschweißt wird). Es können momentan ca. 10-12 Verbindungen pro Sekunde hergestellt werden. Auf Leiterplatten gebondete Chips und Bonddrähte werden durch lichtabsorbierendes Harz geschützt.
Normen und Vorschriften
Zu dem Aufbau und den Eigenschaften von Leiterplatten gibt es vielfältige Vorschriften und Normen. Außer DIN-, IEC- und IPC-Normen haben große Unternehmen teilweise auch eigene Werksnormen. Neben diesen universellen Normen gibt es für Rack-Systeme standdardisierte Abmessungen für Leiterplatten:
- Europakarte (3 HE): 160 × 100 mm² (DIN 41494 Teil 2), an der Schmalseite kontaktiert
- Doppeltes Europakarten-Format (6 HE): 233 × 160 mm², an der Breitseite kontaktiert.
Testen der Leiterplatten
Leiterplatten werden oft noch vor der Auslieferung und Bestückung einer Prüfung unterzogen. Die visuelle Kontrolle zwischen den einzelnen Fertigungsschritten (z. B. dem Aufbringen einer weiteren Lage) und am Ende der Fertigung ist bei den Leiterplattenherstellern meist im Preis inbegriffen.
Ein elektrischer Test am Ende der Herstellung ist meist kostenpflichtig und erfordert die kompletten CAD-Daten sowie einen Prüfautomaten (In-Circuit-Tester), der sämtliche Signalwege kontaktiert und prüft. So können defekte, fehlende oder falsche Verbindungen herausgefunden werden. Dies bieten insbesondere reine Leiterplattenhersteller, da sie meist nicht selbst fertig bestückte funktionsfähige Baugruppen produzieren, jedoch die Qualität sichern möchten.
Fertig bestückte Leiterplatten werden ebenfalls mit einem „In-Circuit-Test“ geprüft, wofür es auf der Platine oft mehrere zusätzliche Kontaktinseln gibt, die im späteren Einsatz nicht mehr benötigt werden.
Bei einfachen Geräten und Massenproduktion genügt auch eine Funktionskontrolle am Ende der Fertigung, da die Herstellungstechnologie der Leiterplatten selbst sehr viel zuverlässiger als z. B. nachfolgende womöglich per Hand ausgeführte Montage- und Lötarbeiten ist.
Verbindungstest:
Beim Verbindungstest wird die Leiterplatte auf fehlerhafte und fehlende Verbindungen getestet. Diese Unterbrüche können durch mechanische Beschädigungen oder durch vorhandene Staubpartikel beim Belichten entstehen.
Funktionsweise:
Beim Verbindungstest werden alle zu testende Punkte innerhalb eines Netzes gegeneinander getestet. Bei Einzelpunkten kann keine Verbindung geprüft werden.
Durch Schmutz auf den Kontaktierstellen können die Messungen schnell hochohmig werden. Mögliche Verschmutzungen sind: Staub, Fräsrückstände, Oxidation auf der Kontaktierfläche. Durch ein erneutes Kontaktieren (Retest) können diese Phantomfehler (Fehler die nicht existieren) oft ausgeschlossen werden.
Die Messresultate werden folgendermassen unterschieden: (Beispielangaben für Messparameter welche Leiterplatten spezifisch eingestellt werden müssen)
- Messung <100Ω → Gute Verbindung
- Messung >100Ω → Unterbruch Hochohmig
- Messung >2Ω → Unterbruch
Isolationstest:
Normen des Basismaterials
Es gibt die unterschiedlichsten Normen über das verwendete Basismaterial, doch in der Industrie hat sich eine Klassifikation nach NEMA (National Electrical Manufacturers Association) durchgesetzt.
Basismaterialherstellung einer Leiterplatte
In der Imprägnieranlage werden zunächst das Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger gemischt. Dem können noch andere Stoffe hinzugegeben werden, wie z. B. Farbpigmente, Flammschutzmittel und Flexibilisatoren. Die Trägerstoffe (z. B. Papier, Glasgewebe, Aramidgewebe) werden in Rollen angeliefert, so dass der Prozess fortlaufend durchgeführt werden kann. Nachdem der Träger über Umlenkrollen durch das Bad gezogen wurde (Tränkung), wird das Material im Ofen getrocknet. Dabei verdunstet nicht nur das Lösungsmittel, sondern auch das Harz erreicht durch die Wärmezufuhr einen Zwischenzustand - das Harz härtet noch nicht vollständig aus, bei erneuter Wärmezufuhr wird es zunächst wieder klebrig und härtet erst dann aus. Dieses Halbzeug aus Harz und Träger nennt man Prepreg. Es wird zur Herstellung der Leiterplatten verwendet, indem die Lagen unter Wärmeeinfluss verpresst werden. Bei Multilayer-Leiterplatten werden mehrere Schichten Basismaterial und Kupfer nacheinander verpresst und geätzt.
Siehe auch
Weblinks
- Vom Layout zur fertigen Platine (Platinen im Selbstbau)
- Günstige Platinenherstellung mit einfachen Mitteln
- Platinen mit der „Direkt-Toner-Methode“ ätzen
- Strombelastbarkeit von Leiterbahnen
- Wärmeentwicklung auf Leiterbahnen im Bezug auf Strom und Kupferdicke
- Tabelle Abstand von Leiterbahnen in Bezug zur Spannung
- Leiterplattenherstellung - Flussdiagramm und Beschreibung