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Leiterplatten

Als Leiterplatten (Platinen, engl. printed circuit board, wörtl.: „gedruckte Schaltung“) bezeichnet man TrĂ€ger fĂŒr elektronische Bauteile aus einem elektrisch isolierenden Material, dass mit leitenden Kupferbahnen strukturiert wird, die die angelöteten Bauteile miteinander verbinden.

Wie werden Leiterplatten hergestellt?

Leiterplatten mĂŒssen aus einem Basismaterial bestehen, das elektrisch isolierend ist und gleichzeitig genug StabilitĂ€t fĂŒr die Fertigung und zum Tragen der einzelnen Bauteile bietet. In der Praxis haben sich hierzu zwei Werkstoffe etabliert: Wenn der Fokus auf der möglichst gĂŒnstigen Herstellung lieg, kommt Hartpapier zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen Werkstoff aus Papier und Phenol- oder Epoxidharz. Höherwertige Leiterplatten werden aus glasfaserverstĂ€rktem Kunststoff (GFK) hergestellt.

Entwurf und CAM-Daten

Die Herstellung jeder Leiterplatte beginnt mit dem Entwurf des Layouts mit Hilfe einer speziellen Software. Das Layout umfasst sowohl den Schaltplan als auch die Leiterzugdaten. Daneben können weiter Informationen wie StĂŒcklisten, der jeweilige BestĂŒckungsaufdruck usw. dargestellt werden. Der fertige Entwurf wird in CAM-Daten umgewandelt, die den Fertigungsanlagen die benötigten Produktionsdaten bereitstellen. Dazu gehören zum Beispiel der BestĂŒckungsplan, der Verlauf der Leiterbahnen oder die Lage der Bohrlöcher.

Das Ätzen der Leiterplatten

Vor Beginn des Ätzvorganges werden die Leiterplatten durch eine galvanische OberflĂ€chenbehandlung mit einer durchgehenden Kupferschicht versehen, von der der grĂ¶ĂŸte Teil jedoch wieder entfernt wird, sodass nur die Leiterbahnen ĂŒbrigbleiben. Am hĂ€ufigsten kommt zu diesem Zweck das fotochemische Verfahren zum Einsatz. Dazu wird eine Schicht Fotolack auf die noch vollstĂ€ndig mit Kuper ĂŒberzogene Platine aufgebracht und mit einer Maske im zuvor entworfenen Layout bedeckt, die die spĂ€teren Leitungsbahnen abdeckt. Anschließend wird der Fotolack belichtet. Der belichtete Lack wird dadurch löslich und kann mit einer geeigneten Lösung weggeĂ€tzt werden, sodass nur die kupfernen Leitungsbahnen zurĂŒckbleiben. Das Verfahren kann auch umgekehrt angewandt werden: Dann werden nur die spĂ€teren Leitungsbahnen nicht abgedeckt, der Lack wird durch die Belichtung an diesen Stellen entsprechend unlöslich und schĂŒtzt das Kupfer vor der Ätzlösung.

Der Weg zur fertigen Platine

Anschließend werden die notwendigen Bohrungen vorgenommen und eventuell durchkontaktiert. Manche Leiterplatten werden noch mit einer Schutzschicht aus Nickel oder Zinn versehen, bevor der Lötstopplack aufgebracht wird, der der OberflĂ€che der Platine ihre charakteristische grĂŒne Farbe verleiht. Danach kann die Platine bestĂŒckt werden. Dies geschieht mittels Löten.

Bei vielen modernen Leiterplatten folgt nach der Fertigstellung der eigentlichen Leiterplatte noch das Nutzentrennen. Zur leichteren Herstellung werden insbesondere kleine Platinen in grĂ¶ĂŸeren Einheiten, sogenannten Nutzen, zusammengefasst; am Ende werden die fertigen Leiterplatten aus den Nutzen getrennt.

Alternative Herstellungsverfahren

Neben dem Ätzverfahren kommen fĂŒr geringere StĂŒckzahlen und Prototypen noch weitere Verfahren wie das Verdrahten oder das FrĂ€sen zum Einsatz. Zur Herstellung grĂ¶ĂŸerer StĂŒckzahlen greift man heute meist auf das Stanzen oder das Lasern zurĂŒck.

Eine besonders gĂŒnstige Alternative zum Ätzen ist das Stanzen. Dabei wird das Kupfer in Form einer Folie einfach auf die Platine geklebt. Anschließend werden die Leiterbahnen mit einem PrĂ€gestempel ausgestanzt und fest auf das Basismaterial gedrĂŒckt, dabei können gleichzeitig die Vias angelegt werden. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht fĂŒr GFK-Platten und ist darum fĂŒr höherwertige Platinen nicht geeignet.

Das derzeit effizienteste und prĂ€ziseste Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten ist das Lasern. Die Hauptvorteile einer Laseranlage liegen in der zuverlĂ€ssig hohen Genauigkeit, wodurch der Materialabtrag prĂ€zise gesteuert werden kann und auch komplizierteste Layouts umgesetzt werden können. Außerdem bringt das Lasern eine erhebliche Zeitersparnis gegenĂŒber dem Ätzverfahren, da die Platine in einer Laseranlage gleichzeitig strukturiert und mit Vias, KavitĂ€ten und anderem versehen werden kann. Auch das Nutzentrennen kann im Anschluss gleich in derselben Anlage erfolgen.

Besondere Leiterplatten

Hinter jedem der immer kleiner und gleichzeitig immer fĂ€higer werdenden elektronischen GerĂ€te fĂŒr wirtschaftliche wie private Anwendungen stecken Fortschritte in der Leiterplattenfertigung. Ziel dabei ist vor allem, den immer kleiner werdenden Raum auf den Platinen maximal zu nutzen, um auch anspruchsvollste Rechenoperationen zu ermöglichen. In der Leiterplatten-Technik sind dazu vor allem zwei Entwicklungen relevant: Multilayer-Platinen und flexible Leiterplatten.

Multilayer-Platinen

LĂ€ngst wird nicht mehr nur eine Seite des Basismaterials strukturiert und bestĂŒckt. Mittlerweile sind nicht nur doppelseitige BestĂŒckungen auf der Ober- und Unterseite möglich, sondern sogenannte Multilayer. Bei diesem Lagenaufbau wechseln sich mehrere Kupferlagen und Faserschichten in einer Art Sandwichkonstruktion ab. Zwischen den einzelnen Ebenen bestehen Verbindungen durch sogenannte Durchkontaktierung. Dabei werden Bohrlöcher (Vias) galvanisch mit einer dĂŒnnen Metallschicht ĂŒberzogen und so ein elektrischer Kontakt hergestellt.

Flexible Leiterplatten

Flexible Leiterplatten bestehen aus Polyimid-Folien. Sie kommen vor allem als Steckverbinder zum Einsatz, also wenn eine Verbindung zwischen starren und beweglichen Teilen eines Produkts hergestellt werden soll. Ihre Dicke betrĂ€gt nur wenige Micrometer (m”). Zur Verbindung von Druckerköpfen mit dem eigentlichen Tintenstrahldrucker sind sie heute schon Standard, in Zukunft werden flexible Leiterplatten wohl die komplexen, kilometerlangen KabelbĂ€ume in unseren Autos ablösen.

Kurz zusammengefasst: Leiterplatten

Leiterplatten sind TrĂ€ger elektronischer Bauteile. Sie bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material und einer oder mehreren darauf aufgebrachten und strukturierten Kupferlagen, die als Leitungsbahnen der Verbindung zwischen den angelöteten Bauteilen dienen. Moderne Leiterplatten verfĂŒgen darĂŒber hinaus ĂŒber Vias, Durchkontaktierungen und KavitĂ€ten, was die mögliche KomplexitĂ€t der SchaltplĂ€ne weiter erhöht. In Zukunft wird der Fokus der Leiterplattenentwicklung auf flexiblen TrĂ€germaterialien und einer höheren Zahl an Kupferlagen liegen.

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