Entwicklung, Layout, Leiterplatten 


Der Leiterplattenentwurf (Layout) erfolgt heute ausschließlich mit einer Software.
 

Die Vorgehensweise bei dem Layout der Leiterplatte ist somit:

 

  • 1. Entwicklung eines Schaltplanes und einer Stückliste mit Bauteilen
  • 2. Einfügen der Bauteile in die Bibliothek der Layoutsoftware
  • 3. Platzierung der Bauteile in die vorgegebene Layoutgröße (z.B. Eurokarte 160 x 100mm)
  • 4. Routen der längsten Leiterbahnen bis zu den kürzeren Verbindungen, möglichst ohne Autorouter.
  • 5. design rule check der Layoutsoftware
  • 6. Manchmal wird auch ein Positionsdruck auf Leiterplatten gefordert

Layout der Leiterplatte 

Ab den 60er Jahren zeichnete man das Layout im Maßstab 2:1 mit Tusche auf Pergamentpapier, oder in Klebetechnik auf Rasterfolien und diese wurden reprographisch in 1:1 verkleinert. Ab den 90er Jahren erstellte man Layout in CAD Technik. Die Ausgabe erfolgte in Gerberdaten mit separater Blendentabelle und Bohrdaten mit Drillinfo. Aus diesen Daten wurde über Fotoplotter ein Filmsatz erstellt.

Aktuelle Layoutprogramme für die sogenannte Electronic Design Automation (EDA) 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 dazugehörigen Gehäusegeometrien, technische Daten und die Lage und Größe der Lötpads (Footprint) enthalten sind. Automatische Leiterplattenentflechtung (Autorouting) anhand eines gegebenen Stromlaufplanes und der Vorgabe von Design-Regeln, Platzierung der Bauteile und Entflechtung der elektrischen Verbindungen ist heute bei einfachen Leiterplatten Standard. Eine manuelle Entflechtung des Layouts ist immer einem Autorouter vorzuziehen, da bei manuellem Routen die langen Verbindungen zuerst und danach die kürzeren Verbindungen geroutet werden.

Strombelastbarkeit (Stromdichte) von Leiterbahnen ist ein wichtiger Design-Aspekt. Sie kann wesentlich höher als diejenige von Massivdrähten liegen, da das Substrat durch Wärmeleitung kühlt. Neuste Layout-Software kann die Strombelastbarkeit im wesentlichen berücksichtigen. Neueste Layout- Software kann inzwischen ansatzweise auch EMV-Aspekte innerhalb der Platine berücksichtigen.

Material für die Leiterplatte

Früher wurde als Basismaterial oft Pertinax (Phenolharz mit Papierfasern, sog. Hartpapier, Materialkennung FR2). Heutzutage wird nur noch für billige Massenartikel  verwendet. Epoxidharz getränkte Glasfasermatten genannt FR4 hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier.


Materialbezeichnungen für die Leiterplatte:


•    FR1 = Phenolharz + Papier (billige Sorte)
•    FR2 = Phenolharz + Papier (Standard-Qualität)
•    FR3 = Epoxidharz + Papier
•    FR4 = Epoxidharz + Glasfasergewebe
•    FR5 = Epoxidharz + Glasfasergewebe (wärmebeständiger)

FR steht für flame retardant (dt. flammenhemmend).

Bei Spezialanwendungen werden andere Materialien zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Aluminium, Teflon, oder auch Keramik und Polyesterfolien für flexible Leiterplatten. Hersteller dieser speziellen Basismaterialien sind Firmen wie Rogers Corporation und Arlon Materials for Electronics.
Bei Leiterplatten mit hohen Anforderungen an die Wärmeabführung werden Basismaterialien mit elektrisch isolierten Metallkernen wie Aluminium verwendet, z. B. im Bereich der Beleuchtungstechnik mit Hochleistungsleuchtdioden. Dieses Materialien wird auch Direct Bonded Copper, oder Insulated metal substrate (IMS) bezeichnet.


Leiterplatte, Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung: (in Engish auch  printed circuit board genannt), ist die Grundplatine auf der die elektronischen Bauteile bestückt werden. Die Leiterplatte dient der mechanischen Befestigung der Bauteile und stellt durch ihre Leiterbahnen und Durchkontaktierungen die elektrischen Verbindung her. Alle elektronischen Geräte enthalten Leiterplatten. Weitere Funktionen werden zusätzlich mit Software gelöst. Diese kann durch unterschiedliche Programmstufen zu unterschiedlichen Funktionen führen, die elektronische Geräte ausmachen. Das beschichtete FR4 mit Kupferbeschichtung wird mit einem fotobeschichteten Laminat versehen um dieses zu belichten und zu entwickeln. Somit werden Leiterbahnen und Pads (Lötaugen) freientwickelt, um diese danach weiter auf 35µm oder mehr auf zu Kupfern. Danach wird als Ätzresisit Zinn verwendet. Das Laminat wird gestrippt (entfernt) und die Leiterplatte kann geätzt werden.

Die Produktionsdaten sind in nach Funktion getrennten Ebenen strukturiert:
  1. Muster einer oder mehrerer Kupferlagen (Leiterbahnen, Pads und Flächen)
  2. Bohrlöcher (Lage, Tiefe und Durchmesser)
  3. Umriss und Ausfäsungen
  4. Bestückungsdruck Top und Bottom
  5. Lötstopplack Top (Bestücksseite) und Bottom Lötseite)
  6. Bestückungsdruck Top und Bottom
  7. Passer und SMD Pads für SMD-Bauteile Top und Bottom
  8. Partielle Metallisierungen (zum Beispiel Vergoldung für Kontaktflächen in galvanisch Gold)

Serienfertigung - Leiterplatte

Der größte Teil einseitiger und doppelseitiger durchkontaktierter Leiterplatten wird fotochemischen Verfahren hergestellt.
Die heutige Reihenfolge der Herstellungsschritte (Leiterplatte) ist in Stichpunkten:
  1. Bohren der Leiterplatte
  2. Durchkontaktieren (bei doppelseitigen Leiterplatten), in chemischem Verfahren
  3. Fotoresist laminieren
  4. Belichten der Leiterplatte
  5. Galvanisches Aufkupfern bis auf CU Endstärke der Leiterplatte
  6. Ätzresist Zinn auf galvanisieren
  7. Fotoresist strippen der Leiterplatte
  8. Ätzen der Leiterplatte
  9. Spülen der Leiterplatte
  10. Trocknen der Leiterplatte
  11. Optische Kontrolle auf Bahnunterunterbrechungen der Leiterplatte
  12. Bürsten der Leiterplatte
  13. Foto lack im Gießverfahren auf die Leiterplatte aufbringen
  14. Belichten der Leiterplatte
  15. Entwickeln  der Leiterplatte
  16. Oberflächen Beschichtung z.B. bleifrei HAL, oder chem. Ni/Au auf die Leiterplatte aufbringen
  17. Positionsdruck aufdrucken, z.B. auf Top Layer
  18. Elektrischer Test wenn gewünscht (Test gegen gelieferte Gerberdaten)
  19. Ausfräsen der Leiterplatte

Stanztechnik und Drahtlegetechnik

Zwei weitere wichtige Herstellungsverfahren für Leiterplatten sind die Stanztechnik und Drahtlegetechnik.
In Stanztechnik werden Leiterplatten in sehr großen Stückzahlen hergestellt. Diese Technik eignet sich nur für einseitige Leiterplatten aus Pertinax oder unverstärkten Kunststoffen. Dabei wird Basismaterial ohne Kupferauflage verwendet, eine Kupferfolie mit einer Klebstoffschicht wird auf das Basismaterial gelegt und dann mit einem Prägestempel die Leiterbahnformen ausgestanzt und gleichzeitig auf das Basismaterial gedrückt. In einem Arbeitsgang werden dabei die Kontur der Leiterplatte und die Bohrungen gestanzt, sowie das Leiterbild ausgestanzt und mit dem Basismaterial verklebt.
Für kleine Serien und für spezielle Anwendungen, die eine hohe Stromfestigkeit der Leiterplatte benötigen, wird die Drahtlegetechnik angewandt. Dabei werden mittels einer Maschine isolierte Drähte auf dem Basismaterial, die mit Ultraschallschweißen sowohl an den Lötpunkten angeschlossen, als auch auf der Oberfläche des Basismaterials befestigt werden.


Nutzen oder auch Panel genannt
Es werden mehrere Einzelleiterplatten auf einer großen Platine plaziert um die Fertigung einer größeren Stückzahl zu vereinfachen (Mehrfachnutzen). Auch verschiedene Layouts sind so zu auf einem Nutzen zu plazieren um Kunden mehrfache Nebenkosten zu ersparen. Diese Layouts müssen allerdings bei einer Nachbestellung auch so wieder geordert werden. Nutzen werden auch bei Pool Bestellungen (Musterleiterplatten in kleinen Losgrößen) angewandt. Nach der Fertigung der Leiterplattennutzen werden als Einzelplatten getrennt (ausgefräst, oder geritzt).

Siebdrucktechnik

Anstatt eines fototechnischen Verfahrens wird auch die Siebdrucktechnik häufig angewandt um z.B. Lötstopplack auf die Leiterplatte aufzubringen, oder dies wird auch angewandt um einen Positionsdruck auf eine Leiterplatte zu drucken. Die Siebdrucktechnik wird allerdings nur bei groben Strukturen angewandt, da immer mit einem Abriss des Lacks zu rechnen ist.

Prototypen auf Lochrasterplatine, oder im Pool

Prototypenaufbau auf einer Lochrasterplatine

Zwei Ausführungen von Lochrasterplatinen im Raster 2,54 mm, mit quadratischen bzw. runden Lötpads. Die quadratischen Pads entstanden durch Fräsen und die runden durch Ätzen.

1 Stück einer unbestückten Lochrasterplatte mit einem Rastermaß von 2,54 mm und mit einem Rastermaß von 1,27 mm für den Aufbau von Prototypenschaltungen.


Vor einer Serienfertigung ist es ratsam, eine Schaltung zu testen, um die Kosten für die Erstellung der Filme und Nebenkosten zu riskieren.

Fertigung im Pool:

Viele Hersteller bieten die Fertigung von Einzelstücken und Kleinstserien im Pool an, d. h. mehrere Layouts werden in einem  Nutzen zusammengefasst und werden auf einer großen Platte gebohrt, durchkontaktiert, belichtet, geätzt, mit Lötstopplack versehen und danach ausgefräst.

Experimentier-Leiterplatte:

Lochrasterplatinen weisen Bohrungen oder Lötaugen (einseitig oder durchkontaktiert) in einem Raster auf, das für Elektronikbauteile üblich ist, also das Raster 2,54 mm (manchmal auch Raster 2,5 mm) oder die Hälfte davon. Verbindungen kann man durch das Löten mit Draht, in Fädeltechnik oder in Wickeltechnik herstellen. Oft sind mehrere Augen bereits durch Leiterbahnen verbunden (z. B. für Betriebsspannungen), oder man hat längere und kürzere Leiterbahnen zur Verfügung, die den in der Praxis vorkommenden Anforderungen möglichst nahe zu kommen versuchen. Auch komplett mit parallelen Leiterbahnen versehene Experimentierplatinen (Lötstreifenplatine) sind üblich. Hier muss man Trennungen mit einem Werkzeug herstellen. Weiterhin gibt es kleine Hilfsplatinen für gängige SMD-Gehäuseformen.

Frästechnik bei einer Leiterplatte:

Bei Frästechnik werden z.B. mit einem 2,40mm Fräser die Leiterplatten gefräst mittels Stegen und zum besseren Ausbrechen werden kleine Bohrungen in bleibenden Stegen gebohrt. Mit CAD-Software können meist auch die Fräsdaten ausgegeben werden, so dass Prototypen in einigen Minuten zu fertigen sind.

Tonertransfermethode bei einer Leiterplatte:

Hierbei wird das Layout mit einem Schwarzweiss-Laserdrucker spiegelverkehrt auf geeignetes Papier gedruckt und anschließend mit Bügeleisen oder Laminiergerät auf die Platine aufgebügelt. Der Toner wird dabei leicht flüssig und verbindet sich mit dem Kupfer der Platine. Anschließend wird das Papier wieder mit Wasser abgelöst – der Toner verbleibt auf dem Kupfer. Darauf folgt der Ätzvorgang, wobei die Tonerstellen stehenbleiben. 

Filzstiftverfahren bei einer Leiterplatte:

Die Leiterbahnen und Lötaugen können auch direkt mit einem wasserfesten Filzstift (sog. Permanent Marker) auf das Basismaterial aufgezeichnet werden. Die Filzstiftfarbe dient als Ätzresist bei dem Ätzvorgang. Nach dem Ätzen wird die Farbe dann mit Spiritus oder Aceton entfernt.Wird das Verfahren analog mit einer Kunststofffolie angewandt, so lässt sich die entstandene Maske auch für das Photopositivverfahren verwenden und ermöglicht auf diese Weise eine Massenproduktion bei unkomplizierten Leiterplatten für den Hobbygebrauch.


Historie der Leiterplatte

Vor der maschinellen Einführung von Leiterplatten wurden damals elektronische Schaltungen frei verdrahtet. Bauteile waren z.B. Potentiometer, Drehkondensatoren und Schalter mit ihren Lötösen. Je nach Herstellertyp versuchte man eine übersichtlich rechtwinklige Anordnung der Bauelemente, oder wählte immer die direkte und schräge Verbindung. Bauelemente wie Kondensatoren, oder Widerstände waren damals sehr groß und konnten Distanzen von einigen Zentimetern überbrücken. Elektronische Geräte wurden nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes zu gefertigt.

Erster Vorläufer war ab den 1920er Jahren die gestanzten Leiterzüge, die auf Hartpapier aufgenietet wurden. Die Bauelemente wurden ohne Lötverbindung zwischen Blechfedern getragen. Ein Wiener Elektronik-Ingenieur Namens Paul Eisler, ließ sich 1943 das Prinzip der gedruckten Leiterplatte patentieren. Dieses Patent fristete lange Zeit neben der regulären Handverdrahtung ein unbedeutendes Schattendasein . Erst mit der zunehmenden Miniaturisierung der Elektronik nahm die Bedeutung dieser Technik zu. Um 1940 wurden bestückte Leiterplatten mittels Siebdruck von Silberleitlack auf der Grundplatte hergestellt. Auf Keramiksubstrate gedruckte und eingebrannte Leiterbahnen und Widerstände werden demgegenüber unter dem Begriff Dickschichttechnik geführt.

Fertigungstechnik der Leiterplatte

Leiterplattenproduktion begann Anfang der 1950er Jahre durch die von Fritz Stahl gegründeten Ruwel-Werke in Geldern. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden elektronische Bauteile frei verdrahtet. Die bestückten Leiterplatten waren nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes zu fertigen. Bei bestückten Leiterplatten werden dagegen die Anschlussdrähte der Bauteile von oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (english auch Through Hole Technology, THT genannt) – eine auch heute noch weit verbreitete Technik. Auf der Unterseite (Lötseite, oder Bottom Layer genannt), befinden sich die Lötpads, an denen sie festgelötet werden. Das erlaubt eine vereinfachte und automatisierbare Fertigung, gleichzeitig sinkt die Fehlerrate bei der Produktion, da Verdrahtungsfehler damit für die Schaltung auf der Leiterplatte ausgeschlossen 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. Alternativ nutzt man für diese Verbindungen Kupferbahnen auf beiden Seiten der Leiterplatte (doppellagige Leiterplatte, DL). Verbindungen zwischen oberer (Bestückungsseiter oder Toplayer genannt) und unterer Seite wurden durch Löten eingepresster Stifte oder Niete erzeugt. In den 60er Jahren wurden die elektrischen Verbindungen (Durchkontaktierungen, DK, english vias genannt) durch die Leiterplatte hindurch mi Hilfe von chemischen Verbindungen Durchmetallisierung der Lochwände der Bohrungen erzeugt und wurden danach galvanisch verstärkt. Um Kosten einzusparen werden heute noch einlagige Leiterplatten hergestellt, wenn es die Schaltung es erlaubt. Gegenüber einer doppelseitigen, durchkontaktierten Leiterplatte liegen die Kosten für eine gleich große einseitige Leiterplatte bei ca.50 %, zu einer doppelseitigen Leiterplatte. Seit Mitte der 1970er Jahre gibt es Bestückungsautomaten, daher werden Schaltungen immer komplexer und kleiner, da SMD Bauteile gleich mehrere Funktionen erfüllen. Moderne Leiterplatten mit hoher Packungsdichte und oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMD) können jedoch nicht von Hand bestückt werden. Sogenannte „Pick & place“-Automaten übernehmen die Handhabung der teilweise weniger als 1 mm² großen Bauteile. Zunehmend werden im Anschluss an das Reflowlöten der auf beiden Seiten bestückten SMD, die THT-Bauelemente von Hand bestückt und anschließend selektiv gelötet.

Leiterplattentechnologien - Leiterplatte mit bedrahteten Bauelementen 

Unkomlizierte Leiterplatten werden auch heute noch aus einseitig kaschiertem Material und mit bedrahteten Bauteilen hergestellt. Mit fortschreitender Miniaturisierung werden z.B. auf einer Seite SMD-Bauteile eingesetzt, während die Durchsteckbauelemente von der anderen Seite bestückt werden. Die SMD-Bauteile werden auf der aufgebrachten Lotpaste bestückt, so dass sie beim Löten nicht abfallen und danach in Lötofen (im Durchlauf) gelötet.
Komplexere Leiterplatten werden als Mehrlagenschaltungen hauptsächlich in SMD Technik ausgeführt, dadurch wird bei kleiner Leiterplatte größere Funktionalität erreicht (Anwendungen z.B. Mobiltelefone Computertechnik und Industrieelektronik).

SMD Leiterplatte

Ab Mitte der 1980er Jahre begann man damit SMD Bauteile einzusetzen.  SMD Bauelemente (engl. Surface Mounted Devices, kurz SMD) ermöglichten es, die Packungsdichte zu erhöhen und trugen zu einer enormen Verkleinerung von elektronischen Geräten bei. Weiterhin wurden auch SMD-Bauteile auf  beiden Seiten einer Leiterplatte bestückt, dazu werden zunächst die auf der Bestückungsseite die anzubringenden Bauteile auf der Platine bestückt, und wenn die SMD Paste ausgehärtet ist wird die andere Seite bestückt. Der Lötvorgang wird dann im Reflowlötverfahren gelötet. Weitere Gründe für die Entwicklung des SMD-Verfahrens waren die stetig steigenden Frequenzen elektronischer Baugruppen. Durch den Einsatz von SMD Bauteilen konnten die Leitungslängen und die damit verbundenen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten reduziert werden.

Vorteile von SMD-Bauteilen ist auch die einfache Handhabung in automatischen Bestückungssystemen. Bei bedrahteten Bauteilen ist es immer ein wesentliches Problem, mit allen Anschlüssen die Bohrungen zu treffen und die zulässigen Biegeradien der Anschlussdrähte mit dem Biegemaß einzuhalten, weshalb große bedrahtete Bauteile auch heute noch in ansonsten automatisierten Fertigungen von Hand eingesetzt werden.

Mehrlagige Leiterplatten, auch Multilayer Leiterplatte genannt 

Um bei immer kleiner werden SMD-Bauteilen und deren Packungsdichte gerecht zu werden, , reicht es nicht aus, wird heutzutage auch doppelseitig bestückt. Nach doppelseitigen Leiterplatten begann man, mehrere Leiterplatten mit sog. Prepregs aufeinanderzukleben und dadurch entstanden Multilayer Leiterplatten. Mehrlagige Multilayer Leiterplatten können bis zu 50 Lagen, oder in Einzelfällen auch mehr Lagen haben. Gänig sind z. B. vier bis acht Lagen bei PC´s und bis zu zwölf Lagen in Mobiltelefonen. Verbindungen zwischen den einzelnen Lagen werden mit Durchkontaktierungen („VIAs“) hergestellt. Multilayer Leiterplatten werden auch bei geringerer Packungsdichte notwendig, wenn es sich z.B. um eine induktionsarme Stromversorgung aller Bauteile handelt. Es werden z.B. in den Innenlagen Abschirmungen vorgesehen.

Es sollten folgende Punkte beim Lagenaufbau beachtet werden:

  • 2 Prepregs zwischen den Lagen - (Isolation und Harzverfüllung sind sonst kritisch)
  • Die Mehrlagenschaltung soll symmetrisch aufgebaut werden -  bzgl. der Innenlagen Dicken, wenn Sie verschiedene Kernstärken verwenden wollen, als auch der Prepregs.
  • Es soll Aspect-Ratio von ≥ 1:8 beachtet werden. Das bedeutet ein Verhältnis kleinster Bohrdurchmesser zur Pressdicke.
  • Eine ungleichmäßige Kupferverteilung sollte auf einer Innenlage vermieden werden - (Gefahr dabei ist eine Verwindung und eine Verwölbung.
  • Die Impedanzkontrollierten Leiterbahnen unbedingt auf die Innenlagen legen. Der Querschnitt der Leiterbahnen ist aufgrund der eng tolerierten Kupferauflagen so genauer reproduzierbar.
  • Die Restringe auf den Innenlagen sollten umlaufend mindestens 0,13 mm haben und die Freistellungen mindestens 0,35 mm größer als der dazugehörende Bohrdurchmesser sein – Ihre Bestückungsbohrungen werden 0,15 mm und Vias 0,10 mm größer als der von Ihnen angegebene Enddurchmesser gebohrt.

 

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