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Leiterplatten

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

Wie werden Leiterplatten hergestellt?

Leiterplatten mĂĽssen aus einem Basismaterial bestehen, das elektrisch isolierend ist und gleichzeitig genug Stabilität fĂĽr die Fertigung und zum Tragen der einzelnen Bauteile bietet. In der Praxis haben sich hierzu zwei Werkstoffe etabliert: Wenn der Fokus auf der möglichst gĂĽnstigen Herstellung lieg, kommt Hartpapier zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen Werkstoff aus Papier und Phenol- oder Epoxidharz. Höherwertige Leiterplatten werden aus glasfaserverstärktem 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 StĂĽcklisten, der jeweilige BestĂĽckungsaufdruck usw. dargestellt werden. Der fertige Entwurf wird in CAM-Daten umgewandelt, die den Fertigungsanlagen die benötigten Produktionsdaten bereitstellen. Dazu gehören zum Beispiel der BestĂĽckungsplan, der Verlauf der Leiterbahnen oder die Lage der Bohrlöcher.

Das Ă„tzen der Leiterplatten

Vor Beginn des Ă„tzvorganges werden die Leiterplatten durch eine galvanische Oberflächenbehandlung mit einer durchgehenden Kupferschicht versehen, von der der größte Teil jedoch wieder entfernt wird, sodass nur die Leiterbahnen ĂĽbrigbleiben. Am häufigsten kommt zu diesem Zweck das fotochemische Verfahren zum Einsatz. Dazu wird eine Schicht Fotolack auf die noch vollständig mit Kuper ĂĽberzogene Platine aufgebracht und mit einer Maske im zuvor entworfenen Layout bedeckt, die die späteren Leitungsbahnen abdeckt. AnschlieĂźend wird der Fotolack belichtet. Der belichtete Lack wird dadurch löslich und kann mit einer geeigneten Lösung weggeätzt werden, sodass nur die kupfernen Leitungsbahnen zurĂĽckbleiben. Das Verfahren kann auch umgekehrt angewandt werden: Dann werden nur die späteren Leitungsbahnen nicht abgedeckt, der Lack wird durch die Belichtung an diesen Stellen entsprechend unlöslich und schĂĽtzt das Kupfer vor der Ă„tzlösung.

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 Oberfläche der Platine ihre charakteristische grüne Farbe verleiht. Danach kann die Platine bestückt 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 größeren Einheiten, sogenannten Nutzen, zusammengefasst; am Ende werden die fertigen Leiterplatten aus den Nutzen getrennt.

Alternative Herstellungsverfahren

Neben dem Ă„tzverfahren kommen fĂĽr geringere StĂĽckzahlen und Prototypen noch weitere Verfahren wie das Verdrahten oder das Fräsen zum Einsatz. Zur Herstellung größerer StĂĽckzahlen greift man heute meist auf das Stanzen oder das Lasern zurĂĽck.

Eine besonders günstige 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 Prägestempel ausgestanzt und fest auf das Basismaterial gedrückt, dabei können gleichzeitig die Vias angelegt werden. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für GFK-Platten und ist darum für höherwertige Platinen nicht geeignet.

Das derzeit effizienteste und präziseste Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten ist das Lasern. Die Hauptvorteile einer Laseranlage liegen in der zuverlässig hohen Genauigkeit, wodurch der Materialabtrag präzise gesteuert werden kann und auch komplizierteste Layouts umgesetzt werden können. Außerdem bringt das Lasern eine erhebliche Zeitersparnis gegenüber dem Ätzverfahren, da die Platine in einer Laseranlage gleichzeitig strukturiert und mit Vias, Kavitäten 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 fähiger werdenden elektronischen Geräte fĂĽr 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

Längst wird nicht mehr nur eine Seite des Basismaterials strukturiert und bestĂĽckt. Mittlerweile sind nicht nur doppelseitige BestĂĽckungen 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 dĂĽnnen Metallschicht ĂĽberzogen 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 beträgt nur wenige Micrometer (mµ). Zur Verbindung von Druckerköpfen mit dem eigentlichen Tintenstrahldrucker sind sie heute schon Standard, in Zukunft werden flexible Leiterplatten wohl die komplexen, kilometerlangen Kabelbäume in unseren Autos ablösen.

Kurz zusammengefasst: Leiterplatten

Leiterplatten sind Träger 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 verfügen darüber hinaus über Vias, Durchkontaktierungen und Kavitäten, was die mögliche Komplexität der Schaltpläne weiter erhöht. In Zukunft wird der Fokus der Leiterplattenentwicklung auf flexiblen Trägermaterialien und einer höheren Zahl an Kupferlagen liegen.

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