Unser Leben ist von verschiedenen elektronischen Geräten umgeben, und wenn wir sie auseinandernehmen, finden wir oft grüne Platinen, sogenannte PCBs (Printed Circuit Boards). Sie werden in fast allen elektronischen Produkten und Zubehörteilen verwendet, beispielsweise in Luft- und Raumfahrtgeräten, medizinischen Geräten, Mobiltelefonen, Computern usw. Da PCBs überall weit verbreitet sind, wie gut wissen Sie über sie? Dies ist der ultimative Leitfaden für Anfänger, um zu lernen, was Leiterplatten sind, wie sie hergestellt werden und welche gängigen Anwendungen sie haben.
Was ist eine Leiterplatte? Warum ist sie nützlich?
Leiterplatten sind Platten aus nichtleitenden Materialien, auf deren Oberfläche leitfähige Spuren geätzt oder gedruckt sind, damit die montierten elektronischen Komponenten funktionieren. Die nichtleitende Schicht besteht normalerweise aus FR4 und Polyimid, mit Isolierung, Wasserdichtigkeit und Stabilität. Die leitfähige Schicht besteht im Allgemeinen aus Kupfer mit hoher elektrischer Leitfähigkeit.
Die Erfindung der Leiterplatte half dabei, die Probleme komplexer, sperriger und zerbrechlicher Schaltkreise zu lösen. So können Schaltkreise auf einer Leiterplatte zusammengeführt werden, was sie kompakter, effizienter und weniger bruchanfällig macht. Die Leiterplattenherstellung folgt Verfahren, die eine Massenproduktion ermöglichen und gleichzeitig gleichbleibende Leistung und Qualität garantieren.
Die Geschichte und Entwicklung von PCB
Initiationsphase: 1850-1900
Mit der zunehmenden Verbreitung der Elektrizität wurde mit der Einführung von Telefonen und Glühbirnen der Grundstein für die technologische Entwicklung von Leiterplatten gelegt.
Entwicklungsstadium: 1900-1950
Bei vielen Telefonen in den USA war es erforderlich, den Telefonanschluss zu wechseln. 1903 patentierte der Deutsche Albert Hanson das erste PCB-ähnliche Gerät für den Einsatz in Telefonsystemen.
Im Jahr 1925 druckte Charles Ducas eine Schaltung auf ein isoliertes Substrat und baute dann die Leiterbahnen zur Verdrahtung durch Galvanisierung auf. Damit war die Leiterplatte geboren.
1941 stellte der Erfinder Eisler das Konzept der Leiterplatte vor, bei der Kupferfolie auf einer nichtleitenden Glasbasis verwendet wurde. Es gilt als die erste moderne Leiterplatte.
Schnelle Entwicklungsphase: 1950-2000
Nach dem Zweiten Weltkrieg wollten die Amerikaner den Weltraum erkunden. Leiterplatten machten die Erforschung des Weltraums möglich. Leiterplatten sind leicht, verbrauchen weniger Strom und sind bei der Ausführung sehr komplexer Aufgaben effizienter.
Reifestadium:2000 und später
Seit den 2000er Jahren haben rasante technologische Fortschritte die Entwicklung von Leiterplatten vorangetrieben. Sie werden immer komplexer, kleiner und leichter, sodass sie in zahlreichen Branchen wie Smart Homes, selbstfahrenden Autos und künstlicher Intelligenz weit verbreitet sind.
4 grundlegende Schichten einer Leiterplatte
PCB besteht aus mindestens den folgenden vier Schichten. Wenn PCBs mehr Funktionen haben, werden mehr Schichten benötigt.
Substrat Schicht
Die Substratschicht ist die Grundstruktur der Leiterplatte, die sowohl der Isolierung als auch der physikalischen Festigkeit dient. Sie besteht normalerweise aus FR-4 oder einem anderen kostengünstigen isolierenden, starren Material. FR-4 wird aufgrund seiner Effizienz und der einfachen, kostengünstigen Massenproduktion bevorzugt. Darüber hinaus können je nach Anwendungsszenario auch flexible Substrate (häufig aus Kunststoff) zum Falten und Binden verwendet werden.
Kupferschicht
Die leitfähige Schicht ist in der Regel eine dünne Kupferfolie, die mit dem Substrat verbunden ist. Auf einer Leiterplatte ist die Kupferschicht eine leitfähige Spur, die der elektronischen Signalübertragung dient.
Lötmaskenschicht
Im Allgemeinen ist die Lötstopplackschicht nicht leitend und wird zum Beschichten der Leiterplatte verwendet, wodurch die Platte eine grüne Farbe erhält, andere Farben sind jedoch ebenfalls möglich. Die Lötstopplackschicht befindet sich auf dem Kupfer und isoliert das Kupfer vor dem Kontakt mit anderen Elementen.
Siebdruckschicht
Die Siebdruckschicht ist die letzte Schicht der Leiterplatte, auf der Buchstaben, Zahlen und Symbole angebracht werden können. Benutzer können die verschiedenen Funktionen und Komponenten auf der Platine leicht erkennen und verstehen.
Wie wird eine Leiterplatte hergestellt: Schritt-für-Schritt-Übersicht
Schritt 1: Beginnen Sie mit dem Design
Designer verwenden PCB-Designsoftware, um das Erscheinungsbild und die Funktionalität von Leiterplatten zu entwerfen, einschließlich Leiterbahnebenen, Komponenten und anderen relevanten Informationen.
Schritt 2: Einen Film erstellen
Drucken Sie den PCB-Entwurf mit einem Spezialdrucker aus.
Schritt 3: Drucken in den Schichten
In diesem Schritt werden Kupferschichten an die Seiten des Substrats geklebt und das Leiterplattendesign auf eine Kupferschicht gedruckt. Fügen Sie der Platte einen lichtempfindlichen Film (Fotolack) hinzu.
Schritt 4: Überschüssiges Kupfer ätzen
Das überschüssige Kupfer wird mit einer chemischen Lösung weggeätzt und das benötigte Kupfer mit einem gehärteten Fotolack vor Korrosion geschützt.
Schritt 5: Ausrichten und Laminieren
Richten Sie alle Schichten aus und laminieren Sie sie zusammen. Ab diesem Schritt können Fehler in den inneren Schichten nicht mehr korrigiert werden. Daher ist es wichtig, eine AOI (Automatisierte Optische Inspektion) durchzuführen, um sicherzustellen, dass keine Fehler vorliegen.
Schritt 6: Bohren
Bohren Sie Löcher für die Beschichtung. Es dient zum Verbinden von Komponenten und zum Verbinden von Kupferschichten.
Schritt 7: Plattieren
Beim Galvanisieren werden die verschiedenen Schichten einer Leiterplatte durch Chemikalien miteinander verbunden. Nach gründlicher Reinigung wird beim Galvanisieren eine dünne Kupferschicht auf der Oberfläche abgelagert, und das Kupfer dringt auch in das zuletzt gebohrte Loch ein.
Schritt 8: Äußere Resistschicht
Um die äußere Schicht einer Leiterplatte abzubilden, wird auf eine Platte ein Fotolack aufgetragen, ähnlich wie die innere Schicht abgebildet wird.
Schritt 9: Zweite Beschichtung
Außerdem ist eine Kupferbeschichtung erforderlich. Auf die vorherige Kupferbeschichtung wird eine Zinnschicht aufgetragen, um zu verhindern, dass das gewünschte Kupfer weggeätzt wird.
Schritt 10: Abschließendes Ätzen des überschüssigen Kupfers
Das unerwünschte Kupfer wird mit einer chemischen Lösung entfernt und das Zinn schützt in diesem Stadium das benötigte Kupfer.
Schritt 11: Lötstopplack-Beschichtung
Nachdem die Platine gereinigt wurde, wird die Lötmaske auf beiden Seiten abgedeckt und mit UV-Licht bestrahlt. Ultraviolettes Licht dringt durch den Lötmasken-Fotofilm und der nicht ausgehärtete Teil wird entfernt.
Schritt 12: Oberflächenfinish
Um die Oxidation der Kupferflächen zu verhindern und eine glatte Oberfläche zum Löten von Komponenten zu schaffen, werden Leiterplatten mit Gold oder Silber beschichtet.
Schritt 13: Siebdruck
Die Oberfläche der Leiterplatte wird mit Tintenstrahldruck beschriftet, um relevante Informationen anzuzeigen. Abschließend durchläuft die Leiterplatte die letzte Beschichtungs- und Aushärtungsphase.
Schritt 14: Elektrischer test
Führen Sie abschließend einen elektrischen Test der Leiterplatte durch. Dabei geht es vor allem darum, festzustellen, ob die Funktionen der Leiterplatte normal genutzt werden können.
Gängige Leiterplattentypen
Einschichtige Leiterplatten
Einseitige Leiterplatte, eine Seite ist die leitfähige Kupferschicht, die andere Seite ist für elektronische Komponenten. Diese Art von Leiterplatte ist kostengünstig, schnell herzustellen und einfach zu entwerfen.
Zweilagige Leiterplatten
Eine doppelseitige Leiterplatte ist ein Substrat mit leitfähigen Kupferschichten auf beiden Seiten, und die Komponenten auf beiden Seiten sind durch Löcher verbunden. Sie hat ein breiteres Anwendungsspektrum und kann komplexere Schaltkreise implementieren. Sie funktioniert gut mit fortschrittlichen elektronischen Systemen.
Mehrschichtige Leiterplatten
Mehrschichtige Leiterplatten bestehen aus drei oder mehr leitfähigen Schichten, die durch eine entsprechende Anzahl von Substraten getrennt und dann zusammenlaminiert werden. Da mehrschichtige Leiterplatten mehr Schichten haben, können sie mehr Komponenten und komplexe Schaltkreise auf einer kleineren Fläche bedienen. Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung werden sie häufig in Luft- und Raumfahrtsystemen, Verteidigungssystemen und medizinischen Geräten verwendet.
Flexible Leiterplatten
Das Substrat von Flex-Leiterplatten ist flexibel, besteht normalerweise aus Polyamid und kann ein-, zwei- oder sogar mehrschichtig sein. Der Vorteil von Flex-Leiterplatten besteht darin, dass sie ohne Beschädigung der Drähte in die gewünschte Form gebogen werden können und Platz sparen. Diese Platten eignen sich für unregelmäßig geformte oder vibrationsresistente Anwendungen wie tragbare Elektronik.
Starre Leiterplatten
Die Substrate von starren Leiterplatten sind nicht biegsam, faltbar und können ein-, zwei- oder mehrschichtig sein. Diese Platten können nach ihrer Herstellung nicht mehr verändert werden. Sie sind kostengünstig und langlebiger als andere Leiterplatten. Sie sind leicht zu reparieren und zu warten. Starre Leiterplatten werden häufig in Alltagsprodukten wie Computern und Mobiltelefonen sowie in großen, nicht tragbaren medizinischen Geräten verwendet.
Rigid-Flex-Leiterplatten
Rigid-Flex-Leiterplatten haben die Vorteile sowohl von starren als auch von flexiblen Leiterplatten. Sie sind nicht nur flexibel, sondern auch robust und ermöglichen die Bildung gefalteter oder kontinuierlich gebogener Schaltkreise. Sie erreichen eine höhere räumliche Leistung durch 3D-Design, das in Situationen eingesetzt werden kann, in denen besondere Anforderungen an Platz und Gewicht bestehen, insbesondere in den Bereichen Medizin und Luft- und Raumfahrt.
Leiterplatten mit Aluminiumrücken
Leiterplatten mit Aluminiumrücken bestehen aus einer Metallbasis und einem mit Kupferfolie beschichteten Laminat. Sie eignen sich für Hochleistungsanwendungen, bei denen die Aluminiumkonstruktion zur Wärmeableitung und Kühlung der elektronischen Komponenten beiträgt.
Was Sie bei der Auswahl einer Leiterplatte beachten müssen
Da es zahlreiche Arten von Leiterplatten gibt, stellt sich die Frage, wie man die richtige Auswahl trifft. Die folgenden Aspekte sind die entscheidenden Punkte, die bei der Auswahl geeigneter Leiterplatten zu berücksichtigen sind.
Materialien
Leiterplatten bestehen aufgrund der guten Isolierung und Haltbarkeit normalerweise aus FR4 (glasfaserverstärktem Epoxidharz). Wenn die Platten spezielle Anforderungen haben, können andere Substrate ausgewählt werden.
Schichten
Einschichtige Platinen tragen weniger Baugruppen, doppelseitige Platinen erlauben mehr Komponenten und Mehrschichtplatinen werden für komplexe elektronische Schaltungen verwendet.
Größe
Die Größe der Platine richtet sich nach der Gerätegröße, es ist genügend Platz für alle Bauteile vorhanden ohne dass es zu eng wird.
Kostenbetrachtung
Bei der Auswahl von Materialien sind die Kosten ein wichtiger zu berücksichtigender Aspekt. Faktoren wie Designkomplexität, Anzahl der Schichten und Spezialmaterialien wirken sich alle auf den Preis aus.
Die 6 wichtigsten Anwendungen von PCB
PCB wird in vielen Branchen und Bereichen in großem Umfang eingesetzt. Hier stellen wir hauptsächlich 6 gängige Anwendungen vor:
LED-Anwendung
LEDs sind aufgrund ihrer kompakten Größe, langen Lebensdauer und hohen Energieeffizienz eine wichtige Beleuchtungsart. PCBs und LED-Technologie arbeiten zusammen, um Wärme von der Glühbirne abzuleiten und die Lebensdauer der LED zu verlängern. Die in LEDs verwendeten Leiterplatten bestehen normalerweise aus Aluminium und haben eine starke Wärmeleitfähigkeit.
Medizinische Anwendung
Mit der Weiterentwicklung der PCB-Technologie werden in der Medizinbranche immer mehr Leiterplatten eingesetzt. Leiterplatten sind wichtige Komponenten in Geräten zur Diagnose, Überwachung, Behandlung und mehr. In medizinischen Anwendungen handelt es sich dabei um gesundheitsbezogene Produkte, die Anforderungen an Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit erfüllen müssen.
Anwendung in der Unterhaltungselektronik
Die Produkte, die wir in unserem täglichen Leben häufig verwenden, wie Mobiltelefone, Computer, Haushaltsgeräte und andere Unterhaltungselektronik, benötigen alle die Unterstützung von Leiterplatten, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Immer mehr Leiterplatten werden zu Produkten hinzugefügt, und unser tägliches Leben ist auch untrennbar mit ihnen verbunden.
Automobilanwendung
Wurden Leiterplatten früher nur für Scheinwerferschalter und Scheibenwischer in Autos verwendet, verwenden Automobilhersteller heute immer mehr elektronische Komponenten in ihren Fahrzeugen, beispielsweise Entertainment- und Navigationssysteme, Steuerungssysteme und Sensoren.
Anwendung in der Luft- und Raumfahrt
Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie werden viele Leiterplatten verwendet. Die Materialien zur Herstellung der Leiterplatten müssen jedoch Vibrationen, extremen Temperaturen und anderen rauen Umgebungen standhalten. Diese Leiterplatten werden häufig in Stromversorgungen, Überwachungsgeräten und Kommunikationsgeräten verwendet.
Militärische Anwendung
Das Militär nutzt Leiterplatten in großem Umfang. Sie finden sich in Kommunikationsgeräten, Computern, Fahrzeugen und Schusswaffen. Das Militär ist oft technologisch führend und einige der fortschrittlichsten Anwendungen von Leiterplatten finden sich auch in Militär- und Verteidigungsanwendungen.
Die neuesten Trends in der Leiterplattenherstellung
3D Druck
Ein neuer Trend in der Leiterplattenherstellung ist der Einsatz von 3D-Druck. Im Vergleich zu anderen Verfahren können damit hochkomplexe Leiterplatten mit wenig Abfall, Zeitaufwand und Kosten hergestellt werden. Der 3D-Druck verkürzt die Zeit bis zur Fertigstellung der Produktherstellung, sodass die Produkte schneller auf den Markt gebracht werden können. Es ist auch eine wünschenswerte Lösung für die kundenspezifische Massenproduktion von Leiterplatten.
Künstliche Intelligenz (AI)
KI hat sich in allen Lebensbereichen allmählich entwickelt. Bei der Leiterplattenherstellung kann KI dazu beitragen, die Qualität zu verbessern und die Produktionszeit zu verkürzen, wodurch der Automatisierungsgrad in der Fertigung erhöht wird. Hersteller können KI verwenden, um Daten in jedem Prozessschritt zu analysieren und den gesamten Prozess zu optimieren.
IoT in Leiterplatten
Die Entwicklung des Internets der Dinge hat auch die Entwicklung der Leiterplattenindustrie weiter vorangetrieben. Die Hersteller haben kleinere, leistungsfähigere Leiterplatten entwickelt, die in kleinere Produkte passen. Diese Produkte sind kleiner, flexibler und bieten gleichzeitig eine höhere Leistung.
Nachhaltige Entwicklung
Angesichts der weltweiten Bemühungen um eine umweltfreundliche Fertigung ist die nachhaltige Herstellung von Leiterplatten ein zentraler Punkt für die Zukunft der Fertigung. Einige der herkömmlichen Materialien, die bei der Herstellung von Leiterplatten verwendet werden, enthalten Metalle und Chemikalien, die umweltschädlich sind und nicht leicht recycelt werden können. Forschung und Innovation im Bereich recycelbarer Materialien für die Leiterplattenherstellung sind ein wichtiger Innovationspunkt für die Zukunft.
Fazit
PCBs bestehen aus leitfähigen Kupferbahnen, die auf ein isolierendes Substrat geätzt sind. Sie haben sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt und sind heute komplexe und leistungsstarke Platinen. Sie eignen sich für verschiedene hochtechnologische elektronische Geräte. Somit können moderne Leiterplatten die Entwicklung der Elektronikindustrie vorantreiben. In Zukunft müssen PCBs auch die technologischen Entwicklungen verfolgen und entsprechend aktualisiert werden.
