Starre Leiterplatten sind eine der häufigsten Arten von Leiterplatten in der Elektronikindustrie. Aufgrund ihrer strukturellen Steifigkeit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz spielt sie in vielen Branchen eine entscheidende Rolle. In diesem Handbuch werden der Herstellungsprozess, die Typen, Vorteile und Anwendungen von starren Leiterplatten eingehend untersucht. Sie erhalten ein umfassendes Verständnis davon.
Was ist eine starre Leiterplatte?
Starre Leiterplatten sind die am häufigsten verwendeten Leiterplattentypen und bestehen aus einem festen, unflexiblen Substrat. Das Kernsubstrat ist typischerweise FR-4 bekannt für seine hervorragende Härte, thermische Leistung und dielektrischen Eigenschaften. Strukturell besteht eine starre Leiterplatte aus vier Hauptschichten: Substratschicht für mechanische Unterstützung und Isolierung, Kupferschicht für Leiterbahnen, Lötmaskenschicht zum Schutz und Siebdruckschicht zur Identifizierung. Nach der Herstellung können starre Leiterplatten nicht mehr geändert oder modifiziert werden. Diese Leiterplatten bieten überlegene mechanische Festigkeit, strukturelle Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Verformung.
So fertigen Sie starre Leiterplatten: Wichtige Fertigungsschritte
Hier finden Sie eine detaillierte Erklärung der wesentlichen Verfahren zur Herstellung starrer Leiterplatten.
Entwurf des Schaltplans und des PCB-Layouts
Beim starren PCB-Design können Designer PCB-Designsoftware als Unterstützung nutzen. Erstellen Sie einen Schaltplan und konvertieren Sie ihn in ein PCB-Layout.
Laminierungsprozess
Der PCB-Laminierungsprozess wird in einer Heißpresse durchgeführt. Das Prepreg wird weich und dann unter hohem Druck fest mit dem Kupferfolienlaminat verbunden.
Auftragen von Fotolack
Um die Kupferschicht vor chemischem Ätzen zu schützen, werden Fotolacke eingesetzt. Am gebräuchlichsten sind positive Fotolacke. Sie haben die Eigenschaft, dass Teile, die ultraviolettem (UV-)Licht ausgesetzt sind, leicht löslich werden.
Ätzprozess
Der Ätzprozess entfernt unerwünschtes Kupfer aus der Kupferschicht und lässt das gewünschte Schaltungsmuster zurück. Die freiliegenden Kupferbereiche werden mit chemischen Methoden entfernt, während die vom Fotolack bedeckten Bereiche geschützt bleiben. Anschließend wird der verbleibende Fotolack entfernt, sodass nur die gewünschte Spur übrig bleibt.
Bohren
Das Bohren von Leiterplatten kann mit einer computerprogrammierbaren Bohrmaschine erfolgen, die Bohrgeschwindigkeit, Druck und geometrische Parameter optimiert, um die Lochgenauigkeit sicherzustellen. Im Allgemeinen können mehrere Leiterplatten gestapelt werden, um die Produktionseffizienz zu verbessern.
Lötmaskierung
Die Lötmaske wird normalerweise auf die Kupferschicht der starren Leiterplatte aufgetragen, um unbeabsichtigtes Löten zu verhindern und den Kupferleiterpfad vor Beschädigungen zu schützen. Zwei gängige Methoden zum Auftragen von Lötmasken sind die Verwendung von flüssiger fotostrukturierbarer Lötmaske (LPSM) und der Epoxid-Flüssigsiebdruck.
Oberflächenfinish
Bei der Oberflächenbehandlung von Leiterplatten wird eine Schutzschicht auf freiliegende lötbare Bereiche aufgetragen, hauptsächlich um die Oxidation des Kupfers zu verhindern und so zuverlässige Lötverbindungen und eine gute Lötbarkeit sicherzustellen. Zu den gängigen Techniken gehören HASL, ENIG und OSP.
Seidensiebdruck
Die Siebdruckschicht verbleibt auf der Oberfläche der Lötmaskenschicht der Leiterplatte und fügt der Platine verschiedene Identifikationsinformationen hinzu. Weiß ist die am häufigsten verwendete Siebdruckfarbe, aber auch andere Farben können verwendet werden. Es gibt eine traditionelle Methode, das Tintenmuster mithilfe einer Schablone und eines Schabers auf eine starre Leiterplatte zu übertragen. Liquid Photo Imaging (LPI) eignet sich besser für starre Leiterplatten mit hoher Dichte.
Verschiedene Arten von starren Leiterplatten
In diesem Teil haben wir mehrere gängige Typen starrer Leiterplatten aufgelistet. Verschiedene Typen starrer Leiterplatten können an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden.
Einwellig-Schicht Leiterplatten
Einschichtige Leiterplatten haben eine einzelne leitfähige Kupferschicht, bei der alle Komponenten auf derselben Seite montiert sind. Diese Platinen nehmen in Geräten mehr Platz ein. Ihr einfaches Design und der schnelle Herstellungsprozess machen sie ideal für elektronische Anwendungen mit geringer Dichte.
Doppelt-Schicht Leiterplatten
Doppellagige Leiterplatten haben auf beiden Seiten leitfähige Schichten, sodass Komponenten auf beiden Seiten montiert werden können. Dies verbessert die Möglichkeiten und Abstände zur Komponentenplatzierung. Sie bieten mehr Designflexibilität und unterstützen komplexere Schaltungsdesigns als einlagige Leiterplatten.
Mehrschichtige Leiterplatten
Mehrschichtige Leiterplatten bestehen aus drei oder mehr leitfähigen Schichten, die unter hoher Temperatur und hohem Druck zusammenlaminiert werden. Auf beiden Seiten der Leiterplatte können Komponenten installiert werden. Mehrschichtige Leiterplatten reduzieren den Bedarf an Verbindungskabeln, sparen Platz und sind kompakter im Design.
Schwere Kupferleiterplatten
Leiterplatten aus schwerem Kupfer weisen im Vergleich zu Standard-Leiterplatten deutlich dickere Kupferschichten auf, wodurch sie höhere Ströme übertragen können. Standard-Leiterplatten haben typischerweise eine Kupferdicke von 1 Unze, Leiterplatten aus schwerem Kupfer haben eine Dicke von 3 bis 20 Unzen oder mehr. Die erhöhte Kupferdicke verbessert die Strombelastbarkeit, die Wärmeleistung und die Haltbarkeit.
Hoch-Tg-Leiterplatten
Bei High-Tg-PCBs handelt es sich um Leiterplatten aus Substratmaterialien mit einer Glasübergangstemperatur (TG) über 170 °C. High-Tg-Leiterplatten können höheren Wärmebelastungen beim Löten und bei Hochtemperaturvorgängen standhalten. Aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleistung sind sie eine ideale Lösung für Hochtemperaturanwendungen.
Hochfrequenz-Leiterplatten
Hochfrequenz-PCB bezeichnet eine Leiterplatte, die für die Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen entwickelt wurde und typischerweise in Hochfrequenz- (RF) und Mikrowellenanwendungen verwendet wird. Hochfrequenz-Leiterplatten verwenden Materialien mit niedriger DK (Dielektrizitätskonstante) und niedrigem DF (Verlustfaktor), die zur Reduzierung von Signaldämpfung und -verzerrung beitragen. Zu den üblichen Substratmaterialien gehören PTFE und Keramikmaterialien, die eine hervorragende Signalübertragungsleistung und -stabilität bieten.
Metallkern-Leiterplatten
Metallkern-Leiterplatten sind Leiterplatten mit Substraten aus Aluminium oder Kupfer, die die Wärmeleitfähigkeit verbessern und Wärme effektiv von kritischen Komponenten zu weniger kritischen Bereichen übertragen. Metallkern-Leiterplatten werden häufig in Hochleistungs-LED-Beleuchtung verwendet.
Hauptvorteile von starren Leiterplatten
Nachfolgend erläutern wir einige wichtige Vorteile, die starre Leiterplatten zu einer beliebten Wahl für eine breite Palette von Anwendungen machen.
Budgetfreundliche Lösung
Die Fertigungstechnologie für starre Leiterplatten ist gut etabliert und ermöglicht eine effiziente Produktion in großem Maßstab mit hoher Qualität. Im Vergleich zu flexiblen Leiterplatten und starr-flexiblen Leiterplatten bieten starre Leiterplatten eine kostengünstigere Lösung und sind daher die ideale Wahl für Projekte mit begrenztem Budget.
Höhere Funktionalität
Starre Leiterplatten unterstützen mehrschichtiges Design, das eine höhere Funktionalität und Designflexibilität für Leiterplatten bietet. Mit zunehmender Schaltungsintegration ermöglichen starre Leiterplatten Schaltungsdesigns mit hoher Dichte und erfüllen die Anforderungen an Miniaturisierung und hohe Leistung in verschiedenen Geräten.
Geringes elektronisches Rauschen
Starre Leiterplatten können durch optimiertes Layoutdesign elektronisches Rauschen reduzieren und die Signalintegrität verbessern. Dies ist bei Geräten mit hohen Anforderungen an Präzision und Stabilität von entscheidender Bedeutung.
Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchung
Starre PCB-Substrate weisen eine gute Vibrationsbeständigkeit auf und können Komponenten auf der Leiterplatte wirksam vor äußeren Einflüssen schützen. Ihre solide Struktur sorgt dafür, dass sie bei Herstellung, Montage und Verwendung nicht leicht beschädigt wird und eine hervorragende Beständigkeit gegen mechanische Beanspruchung aufweist.
Vereinfachte Wartung und Reparatur
Die Wartung und Reparatur des starren PCB-Designs ist einfach. Die Komponenten sind deutlich gekennzeichnet und die Leiterbahnen sind leicht zu identifizieren, sodass das Wartungspersonal Probleme schnell lokalisieren und beheben kann.
Wo werden starre Leiterplatten typischerweise verwendet?
Consumer Elektronik: Starre Leiterplatten werden in großem Umfang in einer Vielzahl von Verbrauchergeräten eingesetzt, die aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind.
- Computer
- Smartphones
- Neben Fernsehern
Medizintechnik: Starre Leiterplatten werden hauptsächlich in großen, nicht tragbaren Geräten eingesetzt, bei denen im medizinischen Bereich eine hohe Zuverlässigkeit und Stabilität erforderlich ist.
- Tomographie-Geräte
- Elektromyographiegeräte (EMG)
- Magnetresonanztomographie (MRT)-Systeme
Luft- und Raumfahrt: In der Luft- und Raumfahrt eingesetzte starre Leiterplatten müssen sich an extreme Umgebungsbedingungen anpassen. Sie werden normalerweise auf Kupfer- oder Aluminiumsubstraten verwendet, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
- Auxiliary Power Units (APUs)
- Instrumentierung im Flugzeugcockpit
- Stromrichter
Automobilindustrie: Starre Leiterplatten spielen eine wichtige Rolle für den stabilen Betrieb und die Zuverlässigkeit von Fahrzeugsystemen.
- Motorsteuergeräte
- Infotainment-Systeme
- Sicherheitsmodule
Industrielle Ausrüstung: Starre Leiterplatten müssen rauen Betriebsbedingungen und Vibrationen in Industriegeräten standhalten.
- Netzteile
- Motorsteuerungen
- Pick-and-Place-Ausrüstung
Starre Leiterplatte vs. flexible Leiterplatte: Wichtige Unterschiede und Vergleiche
| Kenngrößen | Starre Leiterplatte | Flex-Leiterplatte |
| Flexibilität | Unflexible, starre Struktur | Flexibel, kann gebogen und verdreht werden |
| Materialien | Üblicherweise hergestellt aus FR4, Fiberglas, Epoxidharz | Hergestellt aus flexiblen Materialien wie Polyimid |
| Raumeffizienz | Weniger effizient, benötigt mehr Platz | Effizienter, ermöglicht kompaktere Designs |
| Design | Einfachere Konstruktion und Herstellung | Komplexeres Design aufgrund von Flexibilitätsanforderungen |
| Herstellungskosten | Normalerweise günstiger in der Herstellung | Im Allgemeinen teurer aufgrund der Material- und Fertigungskomplexität |
| Größe | Fest, normalerweise größer | Flexibel, kann sich an enge oder unregelmäßige Räume anpassen. |
Starre Leiterplatten sind in der Regel kostengünstig und einfach herzustellen und eignen sich für Geräte mit relativ ausreichend Platz. Flexible Leiterplatten bieten eine bessere Platzeffizienz und Flexibilität für kompakte Anwendungen. Allerdings sind ihre Designkomplexität und die Produktionskosten höher.
Schlussbemerkungen
Starre Leiterplatten sind in vielen elektronischen Geräten unverzichtbar. Wenn Sie die Grundlagen verstehen, können Sie bei der Auswahl der richtigen Leiterplatte für Ihr Projekt eine kluge Wahl treffen. Wenn Sie außerdem einen kompetenten Partner für die Herstellung starrer Leiterplatten suchen, ist UnityPCB eine ausgezeichnete Wahl. Mit fast 20 Jahren Erfahrung in der Leiterplattenherstellung bietet UnityPCB zuverlässigen und innovativen Lösungen für globale Kunden und gewährleistet dabei hochwertige Leistung und außergewöhnlichen Service. Kontaktieren Sie uns einfach, um jetzt ein Angebot einzuholen, und wir werden Ihnen umgehend antworten.
