Einführung in Leiterplatten & PCB-Typen

Was ist eine Leiterplatte?

Leiterplatten (PCBs) sind die Platinen, die in den meisten elektronischen Geräten als Basis verwendet werden – sowohl als physische Träger als auch als Verdrahtungsfläche für oberflächenmontierte und gesockelte Bauteile. Leiterplatten bestehen meist aus Glasfaser, Verbundepoxidharz oder einem anderen Verbundmaterial.

Die meisten Leiterplatten für einfache Elektronik sind einfach und bestehen nur aus einer einzigen Schicht. Anspruchsvollere Hardware wie Computer-Grafikkarten oder Motherboards kann mehrere Schichten haben, manchmal bis zu zwölf.

Obwohl Leiterplatten (PCBs) am häufigsten mit Computern in Verbindung gebracht werden, sind sie auch zu finden inviele andere elektronische Geräte, wie zum Beispiel Fernseher, Radios, Digitalkameras und Mobiltelefone. Neben ihrem Einsatz in Unterhaltungselektronik und Computern werden verschiedene Arten von Leiterplatten auch in einer Vielzahl anderer Bereiche verwendet, darunter:

•Medizinprodukte. Elektronikprodukte sind heute kompakter und verbrauchen weniger Energie als frühere Generationen, was es ermöglicht, neue und spannende Medizintechnologien zu testen. Die meisten medizinischen Geräte verwenden einHochdichte Leiterplatte, das verwendet wird, um das kleinstmögliche und kompakteste Design zu erstellen. Dies hilft, einige der besonderen Einschränkungen zu überwinden, die bei der Entwicklung von Geräten für den medizinischen Bereich aufgrund der Notwendigkeit von geringer Größe und geringem Gewicht bestehen. Leiterplatten finden sich heute in allem, von kleinen Geräten wie Herzschrittmachern bis hin zu viel größeren Geräten wie Röntgengeräten oder CT-Scannern.

•Industriemaschinen. Leiterplatten (PCBs) werden häufig in leistungsstarken Industriemaschinen verwendet. In Bereichen, in denen Leiterplatten mit einer Kupferdicke von einer Unze nicht den Anforderungen entsprechen,dicke Kupferleiterplattekönnen stattdessen verwendet werden. Beispiele für Situationen, in denen dickere Kupfer-Leiterplatten von Vorteil wären, sind Motorsteuerungen, Hochstrom-Batterieladegeräte und industrielle Lasttester.

•Beleuchtung. Während LED-basierte Beleuchtungslösungen aufgrund ihres niedrigen Stromverbrauchs und ihrer hohen Effizienz immer beliebter werden, gilt dies ebenso füraluminium-beschichtete Leiterplattedie zur Herstellung verwendet werden. Diese Leiterplatten dienen als Kühlkörper und ermöglichen einen höheren Wärmetransfer als einStandard-Leiterplatte. Diese gleichen aluminium-beschichteten Leiterplatten bilden die Grundlage sowohl für Hochleistungs-LED-Anwendungen als auch für einfache Beleuchtungslösungen.

•Automobil- und LuftfahrtindustrieSowohl die Automobil- als auch die Luft- und Raumfahrtindustrie verwenden flexible Leiterplatten, die dafür ausgelegt sind, den in beiden Bereichen üblichen starken Vibrationen standzuhalten. Je nach Spezifikation und Design können sie zudem sehr leicht sein, was bei der Herstellung von Bauteilen für die Transportindustrie unerlässlich ist. Außerdem sind sie in der Lage, sich an enge Räume anzupassen, wie sie in diesen Anwendungen vorkommen können, beispielsweise im Inneren von Instrumententafeln oder hinter dem Instrumentenanzeiger auf einem Armaturenbrett.

Es gibt verschiedene Arten von Leiterplatten, die jeweils eigene Fertigungsspezifikationen, Materialtypen und Verwendungszwecke haben:

Einlagige Leiterplatte

Eine einlagige oder einseitige Leiterplatte (PCB) besteht aus einer einzigen Schicht Basismaterial oder Substrat. Eine Seite des Basismaterials ist mit einer dünnen Metallschicht überzogen. Kupfer ist die am häufigsten verwendete Beschichtung, da es als elektrischer Leiter sehr gut funktioniert. Nachdem die Kupferbeschichtung aufgetragen wurde, wird in der Regel eine schützende Lötstoppmaske aufgebracht, gefolgt von dem abschließenden Siebdruck, um alle Elemente auf der Platine zu kennzeichnen.

Da einseitige/einlagige Leiterplatten (PCBs) ihre verschiedenen Schaltungen und Bauteile nur auf einer Seite verlötet haben, sind sie einfach zu entwerfen und herzustellen. Diese Beliebtheit bedeutet, dass sie zu niedrigen Kosten erworben werden können, insbesondere bei Großbestellungen. Das Modell mit niedrigen Kosten und hohen Stückzahlen führt dazu, dass sie häufig für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, darunter Taschenrechner, Kameras, Radios, Stereoanlagen, Solid-State-Laufwerke, Drucker und Netzteile.

Doppelschicht-Leiterplatte

Doppellagige oder doppelseitige Leiterplatten (PCBs) verfügen über ein Basismaterial mit einer dünnen Schicht aus leitfähigem Metall, wie Kupfer, die auf beiden Seiten der Platte aufgebracht ist. Durch die Platte gebohrte Löcher ermöglichen es, dass Schaltungen auf der einen Seite der Platte mit Schaltungen auf der anderen Seite verbunden werden.

Die Schaltungen und Komponenten einer doppelseitigen Leiterplatte werden in der Regel auf eine von zwei Arten verbunden: entweder durch die Verwendung von Durchgangsbohrungen oder durch Oberflächenmontage. Eine Durchgangsbohrungsverbindung bedeutet, dass kleine Drähte, sogenannte Anschlüsse, durch die Bohrungen geführt werden, wobei jedes Ende der Anschlüsse dann an das entsprechende Bauteil gelötet wird.

Oberflächenmontierte Leiterplatten (PCBs) verwenden keine Drähte als Verbindungen. Stattdessen werden viele kleine Anschlüsse direkt auf die Platine gelötet, was bedeutet, dass die Platine selbst als Verdrahtungsfläche für die verschiedenen Komponenten dient. Dadurch können Schaltungen auf weniger Raum realisiert werden, was Platz schafft, damit die Platine mehr Funktionen ausführen kann – in der Regel mit höheren Geschwindigkeiten und einem geringeren Gewicht als es eine Durchsteckplatine ermöglichen würde.

Doppelseitige Leiterplatten werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, die ein mittleres Maß an Schaltungskomplexität erfordern, wie zum Beispiel Industrie-Steuerungen, Stromversorgungen, Messtechnik, HLK-Systeme, LED-Beleuchtung, Armaturenbretter in Fahrzeugen, Verstärker und Verkaufsautomaten.

Mehrlagige Leiterplatte

Mehrlagige Leiterplatten bestehen aus einer Reihe von drei oder mehr doppelseitigen Leiterplatten. Diese Platinen werden dann mit einem speziellen Klebstoff zusammengefügt und zwischen Isolationsschichten eingebettet, um sicherzustellen, dass überschüssige Wärme keine der Komponenten schmilzt. Mehrlagige Leiterplatten sind in verschiedenen Größen erhältlich, von nur vier Lagen bis hin zu zehn oder zwölf Lagen. Die größte jemals gebaute mehrlagige Leiterplatte war 50 Lagen dick.

Mit vielen Schichten vonLeiterplatten, können Designer sehr dicke, komplexe Designs erstellen, die für eine breite Palette komplizierter elektrischer Aufgaben geeignet sind.Anwendungen, bei denen mehrlagige Leiterplatten verwendet werdenvon Vorteil wären Dateiserver, Datenspeicherung, GPS-Technologie, Satellitensysteme, Wetteranalyse und medizinische Geräte.

Starre Leiterplatte

Starre Leiterplatten bestehen aus einem festen Trägermaterial, das verhindert, dass sich die Platine verbiegt. Das wohl bekannteste Beispiel für eine starre Leiterplatte ist das Mainboard eines Computers. Das Mainboard ist eine mehrlagige Leiterplatte, die dazu dient, Strom vom Netzteil zu verteilen und gleichzeitig die Kommunikation zwischen allen Komponenten des Computers, wie CPU, GPU und RAM, zu ermöglichen.

Starre Leiterplatten machen vermutlich den größten Anteil der hergestellten Leiterplatten aus. Diese Leiterplatten werden überall dort eingesetzt, wo die Leiterplatte selbst in einer bestimmten Form installiert werden muss und diese Form für die gesamte Lebensdauer des Geräts beibehalten soll. Starre Leiterplatten können alles sein, von einer einfachen einlagigen Leiterplatte bis hin zu einer acht- oder zehnlagigen Multilayer-Leiterplatte.

Alle starren Leiterplatten haben einlagige, doppellagige oder mehrlagige Aufbauten, daher haben sie alle die gleichen Anwendungsbereiche.

Flexible Leiterplatte

Im Gegensatz zu starren Leiterplatten, die unbewegliche Materialien wie Glasfaser verwenden,flexible Leiterplattenbesteht aus Materialien, die sich biegen und bewegen können, wie zum Beispiel Kunststoff. Wie starre Leiterplatten sind flexible Leiterplatten in ein-, zwei- oder mehrlagigen Ausführungen erhältlich. Da sie auf einem flexiblen Material gedruckt werden müssen, sind die Herstellungskosten für flexible Leiterplatten höher.

Dennoch bieten flexible Leiterplatten viele Vorteile gegenüber starren Leiterplatten. Der auffälligste dieser Vorteile ist die Tatsache, dass sie flexibel sind. Das bedeutet, dass sie über Kanten gefaltet und um Ecken gewickelt werden können. Ihre Flexibilität kann zu Kosten- und Gewichtseinsparungen führen, da eine einzelne flexible Leiterplatte Bereiche abdecken kann, für die sonst mehrere starre Leiterplatten benötigt würden.

Flexible Leiterplatten können auch in Bereichen eingesetzt werden, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sein könnten. Dazu werden sie einfach aus Materialien gefertigt, die wasserdicht, stoßfest, korrosionsbeständig oder beständig gegen hochtemperaturbeständige Öle sind – eine Option, die herkömmliche starre Leiterplatten möglicherweise nicht bieten.

Starre-flexible Leiterplatte

Starre-flexible LeiterplattenKombinieren Sie das Beste aus beiden Welten, wenn es um die beiden wichtigsten übergeordneten Arten von Leiterplatten geht. Starrflex-Leiterplatten bestehen aus mehreren Schichten flexibler Leiterplatten, die mit einer Anzahl von starren Leiterplattenschichten verbunden sind.

Flex-rigid-Leiterplatten haben viele Vorteile gegenüber der ausschließlichen Verwendung von starren oder flexiblen Leiterplatten.für bestimmte Anwendungen. Zum einen haben Rigid-Flex-Leiterplatten eine geringere Anzahl an Bauteilen als herkömmliche starre oder flexible Leiterplatten, da die Verdrahtungsoptionen beider Typen in einer einzigen Leiterplatte kombiniert werden können. Die Kombination von starren und flexiblen Leiterplatten zu einer einzigen Rigid-Flex-Leiterplatte ermöglicht zudem ein schlankeres Design, wodurch die Gesamtgröße der Leiterplatte und das Paketgewicht reduziert werden.

Flex-rigid-Leiterplatten werden am häufigsten in Anwendungen eingesetzt, bei denen Platz- oder Gewichtseinsparungen von größter Bedeutung sind, darunter Mobiltelefone, Digitalkameras, Herzschrittmacher und Automobile.

Hochfrequenz-Leiterplatte

Hochfrequenz-PCB bezieht sich auf ein allgemeines PCB-Designelement und nicht auf eine Art des PCB-Aufbaus wie die vorherigen Modelle.Hochfrequenz-Leiterplatteist dafür ausgelegt, Signale über ein Gigahertz zu übertragen.

HochfrequenzLeiterplattenmaterialienhäufig gehören dazu FR4-Glasfaser-verstärktes Epoxidharz-Laminat, Polyphenylenoxid (PPO)-Harz und Teflon. Teflon ist eine der teuersten verfügbaren Optionen, da es eine geringe und stabile Dielektrizitätskonstante, geringe dielektrische Verluste und insgesamt eine niedrige Wasseraufnahme aufweist.

Bei der Auswahl einer Hochfrequenz-Leiterplatte und des entsprechenden Typs von PCB-Steckverbinder müssen viele Aspekte berücksichtigt werden, darunter die Dielektrizitätskonstante (DK), die Verlustleistung, der Verlust und die Dielektrikumsdicke.

Das Wichtigste davon ist das Dk des betreffenden Materials. Materialien mit hoher Wahrscheinlichkeit für eine Änderung der Dielektrizitätskonstante weisen oft Änderungen im Impedanzverhalten auf, was die Harmonischen, aus denen ein Digitalsignal besteht, stören und zu einem allgemeinen Verlust der Integrität des Digitalsignals führen kann – eines der Probleme, die Hochfrequenz-Leiterplatten verhindern sollen.

Weitere Aspekte, die bei der Auswahl der Leiterplatten- und PC-Steckverbindertypen für das Design einer Hochfrequenz-Leiterplatte zu berücksichtigen sind, sind:

•Dielektrischer Verlust (DF), was die Qualität der Signalübertragung beeinflusst. Eine geringere dielektrische Verlustleistung könnte einen geringen Signalverlust verursachen.

•Thermische Ausdehnung. Wenn die Wärmeausdehnungsraten der für die Herstellung der Leiterplatte verwendeten Materialien, wie zum Beispiel Kupferfolie, nicht gleich sind, könnten sich die Materialien aufgrund von Temperaturschwankungen voneinander lösen.

•WasseraufnahmeHohe Wassermengen beeinflussen die Dielektrizitätskonstante und den dielektrischen Verlust der Leiterplatte, insbesondere wenn sie in feuchten Umgebungen verwendet wird.

•Andere WiderständeDie für den Bau einer Hochfrequenz-Leiterplatte verwendeten Materialien sollten, sofern erforderlich, eine hohe Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit und Beständigkeit gegen gefährliche Chemikalien aufweisen.

Aluminium-beschichtete Leiterplatte

Aluminium-basierte Leiterplatten werden in etwa auf die gleiche Weise entworfen wie ihre kupferbasierten Gegenstücke. Allerdings wird anstelle des üblichen Glasfasermaterials, das bei den meisten Leiterplattentypen verwendet wird,Aluminium-LeiterplatteVerwenden Sie eine Aluminium- oder Kupferträgerplatte.

Die Aluminiumrückseite ist mit einem wärmeisolierenden Material ausgekleidet, das so konzipiert ist, dass es einen niedrigen Wärmewiderstand aufweist, was bedeutet, dass weniger Wärme vom Isoliermaterial auf die Rückseite übertragen wird. Nachdem die Isolierung aufgebracht wurde, wird eine Kupferschicht mit einer Dicke von einer bis zehn Unzen aufgetragen.

Aluminium-basierte Leiterplatten haben viele Vorteileüber Leiterplatten mit Glasfaserträger, einschließlich:

•Niedrige Kosten. Aluminium ist eines der am häufigsten vorkommenden Metalle auf der Erde und macht 8,23 % des Gewichts des Planeten aus. Aluminium ist leicht und kostengünstig abzubauen, was dazu beiträgt, die Ausgaben im Herstellungsprozess zu senken. Daher ist die Herstellung von Produkten aus Aluminium weniger teuer.

•Umweltfreundlich. Aluminium ist ungiftig und leicht recycelbar. Aufgrund seiner einfachen Montage ist die Herstellung von Leiterplatten aus Aluminium auch eine gute Möglichkeit, Energie zu sparen.

•Wärmeableitung. Aluminium ist eines der besten verfügbaren Materialien, um Wärme von wichtigen Komponenten von Leiterplatten abzuleiten. Anstatt die Wärme in den Rest der Platine zu verteilen, leitet es die Wärme in die offene Luft ab. Eine Aluminium-Leiterplatte kühlt schneller ab als eine gleich große Kupfer-Leiterplatte.

•Materialbeständigkeit. Aluminium ist weitaus haltbarer als Materialien wie Fiberglas oder Keramik, insbesondere bei Falltests. Die Verwendung robusterer Basismaterialien hilft, Schäden während der Herstellung, des Versands und der Installation zu reduzieren.

All diese Vorteile machen Aluminium-Leiterplatten zu einer ausgezeichneten Wahl für Anwendungen, die hohe Leistungsabgaben bei sehr engen Toleranzen erfordern, einschließlich Ampeln, Fahrzeugbeleuchtung, Stromversorgungen, Motorsteuerungen und Hochstromschaltungen.

Zusätzlich zu diesen Hauptanwendungsbereichen können aluminiumkaschierte Leiterplatten auch in Anwendungen eingesetzt werden, die ein hohes Maß an mechanischer Stabilität erfordern oder bei denen die Leiterplatte hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein könnte. Sie unterliegen weniger der thermischen Ausdehnung als eine Leiterplatte auf Glasfaserbasis, was bedeutet, dass sich die anderen Materialien auf der Leiterplatte, wie zum Beispiel die Kupferfolie und die Isolierung, weniger wahrscheinlich ablösen, was die Lebensdauer des Produkts weiter verlängert.

Im Laufe der Jahre haben sich Leiterplatten (PCBs) von einfachen einlagigen Leiterplatten, die in Elektronikgeräten wie Taschenrechnern verwendet werden, zu komplexeren Systemen wie Hochfrequenz-Teflon-Designs entwickelt. Leiterplatten haben in nahezu jeder Branche weltweit Einzug gehalten, von einfacher Elektronik wie Beleuchtungslösungen bis hin zu komplexeren Industrien wie der Medizin- oder Luft- und Raumfahrttechnik.

Die Entwicklung von Leiterplatten (PCBs) hat auch eine Weiterentwicklung der PCB-Baumaterialien vorangetrieben: Leiterplatten bestehen längst nicht mehr ausschließlich aus glasfaserverstärkter Kupferfolie. Neue Baumaterialien umfassen Aluminium, Teflon und sogar biegsame Kunststoffe. Besonders biegsame Kunststoffe und Aluminium haben die Entstehung von Produkten wie Rigid-Flex- und aluminiumkaschierten Leiterplatten gefördert, um die häufigen Probleme in vielen Branchen zu lösen.

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