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Leiterplatte

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Eine Leiterplatte (auch Leiterkarte, Platine) ist ein Träger aus isolierendem Material mit festhaftenden leitenden Verbindungen. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung elektronischer Bauteile.

Die Verbindungsleitungen (Leiterbahnen) werden zumeist durch Masken-Ätzen (geätzte Leiterplatte, engl. etched wiring board = EWB) aus einer dünnen Schicht leitfähigen Materials auf einem isolierenden Substrat (dem sogenannte Basismaterial) hergestellt. Die Bezeichnung gedruckte Schaltung (engl. printed circuit board = PCB) ist treffend für Leiterplatten, bei denen die Abdeckmaske (Ätzresist) oder andere Strukturen aufgedruckt werden und für die eher unzulänglichen, in der Anfangszeit um 1940 durch Siebdrucken von Silberleitlack hergestellten Schaltkreise. Auf Keramiksubstrate gedruckte und eingebrannte Leiterbahnen und Widerstände werden demgegenüber unter dem Begriff Dickschichttechnik geführt. Heute wird die Abdeckmaske meist durch Belichten und Auswaschen aus Fotolack erzeugt, der vorher in einem von vielen konkurrierenden Verfahren aufgebracht wurde.

Die leitende Schicht (oft auch mehrere davon) auf der Leiterplatte bildet die Leiterbahnen und Flächen zur elektrischen Verbindung der Bauteile, dies oft auch über Durchkontaktierungen zwischen Ober- und Unterseite oder Ebenen innerhalb der Leiterplatte. Die Bauelemente werden meist auf Lötflächen (Pads) oder in Bohrungen und (bohrungsumschließende) Lötaugen gelötet und so gleichzeitig mechanisch und elektrisch verbunden. Es werden aber auch andere Verfahren wie Kleben, Klemmen und Schweißen eingesetzt.

Inhaltsverzeichnis

Material

Einfache Leiterplatten bestehen aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial (Basismaterial), auf dem eine oder zwei Kupferschichten aufgebracht sind. Die Schichtstärke beträgt typischerweise 35 µm und für Anwendungen mit höheren Strömen zwischen 70 µm und 140 µm. In englischsprachigen Ländern wird statt der Schichtstärke die Masse der leitfähigen Schicht pro Flächeneinheit in Unzen pro Quadratfuß (oz/sq.ft) angegeben.

Das Basismaterial war früher oft Pertinax (Phenolharz mit Papierfasern, sog. Hartpapier, Materialkennung FR2). Heute werden – außer für billige Massenartikel – meistens mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatten verwendet (Materialkennung FR4). Dieses Material hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier.

Materialbezeichnungen:

FR steht für flame retardant (dt. flammenhemmend).

Für Spezialanwendungen kommen auch andere Materialien zum Einsatz, wie beispielsweise Teflon oder Keramik in LTCC und HTCC für die Hochfrequenztechnik sowie Polyesterfolie für flexible Leiterplatten. Hersteller dieser speziellen Basismaterialien sind Firmen wie Rogers Corporation, wovon sich auch die umgangssprachliche Bezeichnung „Rogers“ im technischen Englischen für teflonbasierende Leiterplatten mit Anwendungsbereich in der Hochfrequenztechnik ableitet. Neueste Entwicklungen setzen auch Glas als Basismaterial ein, für Leiterplatten mit hohen Anforderungen an die Wärmeabführung werden Basismaterialien mit Metallkernen verwendet, z. B. im Bereich der Beleuchtungstechnik mit Hochleistungs-LEDs.

Bei Anwendungen für niedrige Temperaturen oder hohe Luftfeuchtigkeit können auch Basismaterialien mit integrierten Heizelementen eingesetzt werden, die Unterkühlen oder Betauung der Schaltung verhindern.

Zudem wird an alternativen Materialien geforscht, die umweltfreundlicher sind, aktuell gibt es dort aber noch Probleme mit der Feuchteresistenz.

Herstellung

Entwurf

Der Leiterplattenentwurf erfolgt heute meist mit Software, die eine Übergabe der Daten an die Produktion ermöglicht. Entsprechende Systeme gibt es sowohl für den automatischen als auch für den manuellen Entwurf.

Serienfertigung

Der größte Teil einseitiger und durchkontaktierter Leiterplatten wird fotochemisch hergestellt.

Die heutige Reihenfolge der Herstellungsschritte ist:

  1. Bohren
  2. Durchkontaktieren
  3. Fotoresist laminieren
  4. Belichten
  5. Entwickeln
  6. Ätzen.

Danach folgen je nach Bedarf Nachbearbeitungsschritte.

Ursprünglich wurde das Bohren und Durchkontaktieren erst nach dem Ätzen der Leiterplatte vorgenommen. Seitdem aber der Fotolack durch sog. Trockenresist, eine fotoempfindliche Folie, ersetzt wurde, wurde die Reihenfolge der Produktionsschritte verändert. Vorteil ist, dass nun nicht mehr vor dem Durchkontaktieren eine Maske auf die Platine aufgebracht werden muss, die das Aufwachsen des Kupfers an unerwünschten Stellen verhindert. Da zu diesem Zeitpunkt noch die gesamte Leiterplatte von Kupfer bedeckt ist, erhöht sich nur die Schichtdicke der Kupferfolie. Die metallisierten Bohrungen werden während des Ätzvorganges von der Fotoresistfolie beidseitig abgeschlossen.

Die Herstellung der Leiterbahnen erfolgt in der Regel fotolithografisch, indem eine dünne Schicht lichtempfindlichen Fotolacks auf die Oberfläche der noch vollständig metallisierten Platte aufgebracht wird. Nach der Belichtung des Fotolacks durch eine Maske mit dem gewünschten Platinenlayout sind je nach verwendetem Fotolack entweder die belichteten oder die unbelichteten Anteile des Lacks löslich in einer passenden Entwicklerlösung und werden entfernt. Bringt man die so behandelte Leiterplatte in eine geeignete Ätzlösung (z. B. in Wasser gelöstes Eisen(III)-chlorid oder Natriumpersulfat oder mit Salzsäure+H2O2[1]), so wird nur der freigelegte Teil der metallisierten Oberfläche angegriffen; die vom Fotolack bedeckten Anteile bleiben erhalten, weil der Lack beständig gegen die Ätzlösung ist.

Prototypen können auch durch Fräsen der Kupferschichten strukturiert werden (s. u. Bild zu Lötrasterplatinen). Solche Platinen bestehen nicht aus Leiterbahnen, sondern aus Flächen, die voneinander durch Frässpuren getrennt sind. Die Kupferschichten können nach dem Ätzen galvanisch verstärkt werden.

Die Herstellung der Bohrungen zur Aufnahme bedrahteter Bauteile sowie für Durchkontaktierungen erfordert aufgrund des Glasfaser-Anteils des Trägermaterials Hartmetallwerkzeuge. Wenn Bohrungen an den Innenwänden metallisiert werden, entstehen Durchkontaktierungen. Die Metallisierung der Bohrungen (isolierende Flächen) erfordert eine Bekeimung, nachfolgende stromlose Abscheidung einer dünnen Kupferschicht und schließlich deren elektrolytische Verstärkung. Zusätzlich können galvanisch auf Teilflächen oder der gesamten Kupferfläche metallische Schutz- und Kontaktschichten aus Zinn, Nickel oder Gold aufgebracht werden. Dünne Vergoldungen erfordern zum Kupfer hin eine Diffusionssperrschicht (Nickel-Sperrschicht).

Danach wird ein Lötstopplack (grüne Lackschicht der Leiterplatte im Foto) aufgebracht, der die Leiterbahnen abdeckt und nur die Lötstellen frei lässt. Damit lassen sich Lötfehler vermeiden, beim Schwalllöten spart man Zinn und die Leiterbahnen werden vor Korrosion geschützt. Die frei bleibenden Lötstellen (Pads und Lötaugen) können mit einem physikalischen Verfahren (hot air leveling) mit einer Zinnschicht versehen werden, die besseres Löten ermöglicht. Oft tragen Leiterplatten einen Bestückungsdruck, der in Verbindung mit einem Schaltplan den Service erleichtert.

Zwei weitere wichtige Herstellungsverfahren für Leiterplatten sind die Stanztechnik und Drahtlegetechnik.

In Stanztechnik werden Leiterplatten für sehr große Stückzahlen hergestellt. Die 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 verlegt eine Maschine isolierte Drähte auf dem Basismaterial, die mittels Ultraschallschweißens sowohl an den Lötpunkten angeschlossen, als auch auf der Oberfläche des Basismaterials befestigt werden.

Prototypen

Vor der Serienfertigung ist es oft ratsam, eine Schaltung zu testen, ohne die hohen Kosten für die Erstellung der Fotomasken zu riskieren.

Dazu gibt es folgende Möglichkeiten:

Hersteller bieten die Fertigung von Einzelstücken und Kleinstserien im „Pool“ an, d. h. mehrere Einzelstücke als Nutzen werden auf einer großen Platte gebohrt, durchkontaktiert, belichtet, geätzt und danach ausgefräst.
Lochrasterplatinen weisen Bohrungen oder Lötaugen (einseitig oder durchkontaktiert) in einem Raster auf, das für Elektronikbauteile üblich ist, also 2,54 mm (manchmal auch 2,5 mm) oder die Hälfte davon. Verbindungen kann man durch Löten mit Schaltdraht oder in Fädeltechnik 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 (Streifenleiterplatinen) sind üblich; hier muss man Trennungen mit einem Werkzeug herstellen. Weiterhin gibt es kleine Hilfsplatinen für gängige SMD-Gehäuseformen.
Bei der Frästechnik werden mit einem Fräskopf Trennlinien zwischen den Leiterflächen hergestellt. Dabei bleibt alles Kupfer stehen außer den Trennlinien. Die nasschemischen und fotolithografischen Schritte entfallen. Mit der CAD-Software können oft auch die Fräsdaten ausgegeben werden, sodass Prototypen in einigen Minuten zu fertigen sind (Inselverfahren).

Auch Elektronikbastler verwenden diese Techniken.

Geschichte

Ein Vorläufer ab den 1920er Jahren waren gestanzte Leiterzüge, die auf Hartpapier aufgenietet wurden. Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren) wurden ohne Lötverbindung zwischen Blechfedern getragen. Paul Eisler, ein Wiener Elektronik-Ingenieur, ließ sich 1943 das Prinzip der gedruckten Leiterplatte patentieren, das aber lange Zeit neben der regulären Handverdrahtung ein eher unbedeutendes Schattendasein fristete. Erst mit der zunehmenden Miniaturisierung der Elektronik nahm die Bedeutung dieser Technik zu.

Fertigungstechnik

Der Einsatz von Leiterplatten begann Anfang der 1950er Jahre durch die von Fritz Stahl gegründeten Ruwel-Werke in Geldern am Niederrhein. Bis dahin wurden elektronische Bauteile frei verdrahtet, sie hingen also in der Luft und waren nur an den Enden festgelötet, wobei am Chassis befestigte Lötfahnen oder die Anschlussfahnen der Fassungen von Elektronenröhren als mechanische Stützpunkte dienten. Die Geräte waren nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes zu fertigen.

Bei gedruckten Schaltungen werden dagegen die Anschlussdrähte der Bauteile von oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (engl. Through Hole Technology, THT) – eine auch heute noch weit verbreitete Technik. Auf der Unterseite (Löt-, Leiter- oder L-Seite) befinden sich die Kupferleiterbahnen, an denen sie festgelötet werden. Dies 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. Letztere lassen sich besser in Bestückungsautomaten einsetzen. Alternativ nutzt man für diese Verbindungen Kupferbahnen auf beiden Seiten der Leiterplatte (doppellagige Leiterplatte, DL). Verbindungen zwischen oberer (Bestückungs- oder B-Seite) und unterer Seite wurden durch Löten eingepresster Stifte oder Niete erzeugt.

Erst in den 1960er Jahren wurden diese Verbindungen (Durchkontaktierungen, DK, engl. vias) durch die Leiterplatte hindurch chemisch durch Metallisierung der Lochwände der Bohrungen erzeugt.

Aus Kostengründen werden auch heute noch einlagige Leiterplatten hergestellt, wenn die Schaltung es erlaubt. Gegenüber einer doppelseitigen, durchkontaktierten Leiterplatte liegen die Kosten für eine gleich große einseitige Leiterplatte bei 25–50 %.

Ein erheblicher Teil der weltweit hergestellten Leiterplatten wird auch heute noch von Hand bestückt, obwohl es bereits seit ca. Mitte der 1970er Jahre Bestückungsautomaten gibt. 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.

Layout

In den 1960er Jahren zeichnete man das Layout (Leiterbahnen-Struktur) im Maßstab 2:1 mit Tusche oder in Klebetechnik mit Layoutsymbolen und Kleberollen (Brady) auf Rasterfolien. Später erstellte man an Programmierarbeitsplätzen NC-Programme zur Steuerung eines Lichtzeichengerätes, welches den zur Fotolithografie erforderlichen Film herstellte. Danach verwendete man Computer, um die Zeichnungen der verschiedenen Kupfer- und Drucklagen sowie das NC-Steuerprogramm für die Herstellungen der Bohrungen zu erzeugen.

Aktuelle Layoutprogramme für die sog. 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 Gehäusegeometrien, technische Daten und die Lage und Größe der Lötpads (Footprint) enthalten sind. Die automatische Leiterplattenentflechtung anhand eines gegebenen Stromlaufplanes und Vorgabe von Design-Regeln (Platzierung der Bauteile (Autoplacement) und Entflechtung (Autorouting) der elektrischen Verbindungen) ist heute bei einfachen Leiterplatten Standard. An seine Grenzen stößt dieses Verfahren bei komplexen Leiterplatten, die viel Erfahrung bei der Entflechtung erfordern (z. B. bei Mobiltelefonen). Auch eine Steigerung der Computer-Rechenleistung bringt keine Verbesserung, da die Eingabe der komplexen Design-Vorgaben teilweise mehr Zeit in Anspruch nimmt als die manuelle Entflechtung.

Die Strombelastbarkeit (Stromdichte) von Leiterbahnen ist ein wichtiger Design-Aspekt. Sie kann wesentlich höher als diejenige von Massivdrähten liegen, da das Substrat durch Wärmeleitung kühlt. Layout-Software kann die Strombelastbarkeit berücksichtigen.

Die gegenseitige kapazitive und induktive Verkopplung der Leiterbahnen, deren Empfänglichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Feldern sowie die Abstrahlcharakteristik (Störemission) wird unter dem Sammelbegriff Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beschrieben. Moderne Software kann inzwischen ansatzweise auch EMV-Aspekte innerhalb der Platine berücksichtigen.

Weitere Aspekte sind:

Leiterplattentechnologien

Ein großer Teil der Leiterplatten in elektronischen Geräten wird auch heute noch aus einseitig kaschiertem Material und mit bedrahteten Bauteilen hergestellt. Mit fortschreitender Miniaturisierung werden auf deren Unterseite zunehmend SMD-Bauteile eingesetzt, während die Durchsteckbauteile von oben bestückt werden. Die SMD-Bauteile können zusätzlich geklebt sein, sodass sie beim Löten nicht abfallen. Die teureren durchkontaktierten Platinen sowie noch teurere Mehrlagenplatinen werden bei komplexeren (z. B. Computer), zuverlässigeren (z. B. Industrieelektronik) oder miniaturisierten (z. B. Mobiltelefone) Baugruppen eingesetzt.

SMD-Leiterplatten

Mitte der 1980er Jahre begann man damit, unbedrahtete Bauteile zu fertigen die direkt auf die Leiterbahnen zu löten waren. Diese oberflächenmontierten Bauelemente (engl. Surface Mounted Devices, kurz SMD) ermöglichten es, die Packungsdichte zu erhöhen, und trugen zu einer enormen Verkleinerung von elektronischen Geräten bei. Zudem ist es möglich, SMD-Bauteile auf beiden Seiten einer Leiterplatte zu platzieren, dazu werden zunächst die auf der Unterseite anzubringenden Bauteile auf der Platine verklebt, danach der Kleber ausgehärtet und die Leiterplatte umgedreht, um die andere Seite zu bestücken. Der Lötvorgang kann dann entweder im Reflow-Verfahren oder im Schwallbad geschehen, sofern die auf der Unterseite angebrachten Teile geeignet sind, durch die Lotwelle zu laufen.

Ein weiterer Grund für die Entwicklung von SMD waren die stetig steigenden Frequenzen elektronischer Baugruppen. Durch SMD konnten die Leitungslängen und die damit verbundenen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten reduziert werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der SMD-Bauteile ist die einfache Handhabung in automatischen Bestückungssystemen. Bei bedrahteten Bauteilen ist es immer ein wesentliches Problem, mit allen Anschlüssen die Bohrungen sauber zu treffen, weshalb große bedrahtete Bauteile auch heute noch in ansonsten automatisierten Fertigungen von Hand eingesetzt werden.

Mehrlagige Platinen

Um der Packungsdichte bei modernen SMD-Bauteilen, insbesondere bei Computern, gerecht zu werden, reicht es nicht aus, wenn sich die Leiterbahnen nur auf einer Seite der Leiterplatte befinden. Nach den doppelseitigen Leiterplatten, die auf beiden Seiten der Leiterplatte eine Kupferschicht haben, begann man, mehrere dünnere Leiterplatten mit sog. Prepregs aufeinanderzukleben. Diese mehrlagigen sog. Multilayer-Leiterplatten können bis zu 48 Schichten haben. Üblich sind z. B. vier bis acht Lagen in Computern und bis zu zwölf Lagen in Mobiltelefonen. Die Verbindungen zwischen den Lagen werden mit Durchkontaktierungen („VIAs“) hergestellt.

In vielen Fällen ist die Verwendung von Multilayer-Leiterplatten auch bei geringerer Packungsdichte notwendig, z. B. um die induktionsarme Stromversorgung aller Bauteile zu gewährleisten.

Bauelemente auf und in Platinen

Einfache passive Bauelemente können in die Platine integriert werden. Induktivitäten, Spulen, kleine Kapazitäten, Kontakte oder Kühlkörper können direkt als Kupferschicht-Struktur ausgebildet werden. Widerstände können mittels spezieller Pasten auf die Oberfläche oder in die verdeckten Layer eingedruckt werden. Dadurch kann man Bauelemente und deren Bestückung einsparen.

Es gibt Platinen, auf oder in denen integrierte Schaltkreise direkt platziert sind (Chip on board, chip in board). Oft sind sie direkt zur Platine gebondet und nur durch einen Klecks Kunstharz geschützt (engl. Globetop) (Beispiel: Quarzuhrwerke).

Microvia-Technik

Bei Multilayer-Platinen ist die HDI-Leiterplattentechnik inzwischen Standard. Dabei werden Sacklochbohrungen mit 50 – 100 µm Durchmesser mittels Laser oder durch Plasmaätzen in die Außenlagen eingebracht und enden auf dem Kupfer der nächsten – oder übernächsten – Lage. Nach der Reinigung des verbliebenen Harzes werden diese Mikrobohrlöcher wiederum galvanisch verkupfert und somit elektrisch angebunden.

Hierbei gibt es mehrere Möglichkeiten des Lagenaufbaus,

Bei Leiterplatten mit hoher Packungsdichte (HDI-PCB, High Density Interconnect) ist die Microvia-Technik notwendig, da wegen des Platzmangels und des geringen Abstandes der Kontakte nicht mehr alle Kontakte z. B. von Ball Grid Array-Bauteilen (BGA) elektrisch angebunden werden könnten. So bindet man die Pads der BGAs an Microviabohrungen an, die auf einer anderen Lage enden, und gewährleistet so deren Entflechtung.

Buried-Via-Technik

Diese Technologie ist eine Variante der Microviatechnik. Die Vias (Durchkontaktierungen) verbinden auch hier zwei oder mehrere Kupferlagen, sind jedoch nur zwischen Innenlagen eingebracht und nicht von der Platinenoberfläche zugänglich. Buried Vias (dt.: vergrabene Durchkontaktierungen) sind somit nur bei Multilayer-Platinen ab vier Lagen möglich.

Dickkupfer

Die Verwendung von Kupferstärken jenseits von 200 µm bis 400 µm wird als Dickkupfer bezeichnet. Sie erlauben höhere Strombelastbarkeiten und lateralen Wärmetransport. Bedingt durch den Ätzprozess lassen sich nur grobe Leiterstrukturen realisieren.

Alternativ kann eine Platine mit geringer Kupferdicke fotolithografisch strukturiert galvanisch mit Kupfer verstärkt werden. Nachfolgendes Ätzen vermag dann ohne Abdecklack die Leiterzüge freizulegen, sodass nicht die gesamte Kupferdicke, sondern nur die dünne Grundschicht geätzt werden muss.

Eine Weiterentwicklung der Dickkupfertechnik ist die Eisbergtechnik (engl.: iceberg technique). Dabei werden die noch geschlossenen Kupferlagen in Folienform durch einen photolithographischen Ätzprozess vorstrukturiert: Bereiche, die kein Dickkupfer benötigen, werden hierbei auf 20 µm oder 100 µm zurückgeätzt. Die Folien werden dann in das Prepreg eingepresst und konventionell weiterverarbeitet. Die verbleibende geringe Erhebung erlaubt eine feinere Struktierung und ggf. zuverlässigere Überdeckung mit Lötstopplack.

Wärmemanagement

Thermal Vias verbessern den Wärmetransport senkrecht zur Leiterplatte. Die Wärmeleitfähigkeit von kostengünstigen Basismaterialen wie FR4 mit 0,3 W/m·K ist für eine Entwärmung von Bauelementen zu gering. Thermal Vias sind Durchkontaktierungen, deren primäre Aufgabe in einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit besteht; sie nutzen den hohen Wärmeleitwert (300 W/m·K) von Kupfer, dem Material der Durchkontaktierung. Durch eine dichte Anordnung, beispielsweise in einem hexagonalen Raster von 0,5 mm und einem Durchmesser der Vias von 0,25 mm, können effektiv bis zu 10 % Kupfer in die Leiterplatte eingebracht werden. Daraus ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/m·K senkrecht zur Leiterplatte.

Metallkern (engl. metal core) und Dickkupfer erlauben höhere laterale Wärmeleitfähigkeiten. Hierzu werden Kupfer- oder Aluminiumbleche oder auf bis zu 400 µm verstärkte Kupferlagen in die Leiterplatte eingearbeitet.

In Verbindung mit einem Wärmepastendruck kann so eine Wärmereduktion erreicht und in bestimmten Fällen der Einsatz zusätzlicher Kühlkörper vermieden werden; eine Leiterplatte im Europakartenformat hat durch Konvektion einen Wärmewiderstand von 6 K/W und aufgrund von thermischer Abstrahlung etwa 5 K/W.

Zudem gibt es wassergekühlte Leiterplatten, bei denen vor dem Zusammenbau der einzelnen Lagen feine Nuten an Ober- und Unterseite der Innenlagen gefräst werden. Nach dem Zusammenbau verbleibt hier ein Kanal, durch den Kühlwasser geleitet werden kann.

Neuerdings werden Leiterkarten auch an den Schmalseiten mit einer dünnen Kupferschicht versehen, die zu einer verbesserten Entwärmung dienen kann. Sie kann auch zu einer verringerten Abstrahlung elektromagnetischer Felder betragen.

Flexible Leiterplatten

Alternativ zu festen Leiterplatten finden auch dünne Flexleiterplatten z. B. auf Basis von Polyimid-Folien Verwendung. Die damit aufgebauten Flexschaltungen sind zwar teurer, können jedoch platzsparend durch Falten in engsten Strukturen z. B. in Fotoapparaten und Videokameras eingesetzt werden.

Flexible Verbindungen für dauernde Beanspruchung, z. B. in Tintenstrahldruckern, werden häufig ebenfalls als Polyimid-Folien-Leiterplatte ausgebildet.

Wird allerdings nur ein nicht dauerhaft flexibler Bereich in der Leiterplatte benötigt, z. B. um die Montage bei engen Bauraumverhältnissen zu ermöglichen, gibt es den Ansatz, den aus mehreren Prepregs (s. u.) aufgebauten Schichtstapel einer Leiterplatte bis auf wenige Lagen durch Fräsen oder vorgestanzte Prepregs mit ausgesparten Bereichen zu verjüngen. Der verjüngte Bereich wird typischerweise mit einer dauerflexiblen Lackschicht versehen und lässt sich dann wenige Male biegen.

Einpresstechnik und andere Lötalternativen

Als Alternative zum Verlöten der Bauteilanschlüsse auf einer Leiterplatte gibt es die Einpresstechnik. Dabei werden elastische oder starre Stifte in eng tolerierte und metallisierte Bohrungen der Leiterplatte gepresst. Aufgrund der plastischen Verformung der beteiligten Metalle ergeben sich sichere elektrische Verbindungen auch ohne Löten. Als eine Hauptanwendung hat sich das Einpressen von vielpoligen Steckern und Gewindebolzen etabliert. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch die Verwendung von Klebstoff. Dabei wählt man zwischen elektrisch nichtleitenden bzw. leitfähigen isotropen und anisotropen Klebstoffen. Eine weitere Technik ist das Bonden. Dabei werden gedünnte (flacher geätzte oder geschliffene) Chips ohne Gehäuse auf die Leiterplatte geklebt oder gelötet (Chipbonden) und mittels dünner Drähte mit den entsprechenden Kontakten auf der Leiterplatte verbunden (siehe Drahtbonden). Die auf Leiterplatten gebondeten Chips und Bonddrähte werden durch lichtabsorbierendes Harz geschützt.

Normen und Vorschriften

Zu dem Aufbau und den Eigenschaften von Leiterplatten gibt es vielfältige Vorschriften und Normen. Außer DIN-, IEC- und IPC-Normen haben große Unternehmen teilweise auch eigene Werksnormen. Neben diesen universellen Normen gibt es für Rack-Systeme standardisierte Abmessungen für Leiterplatten:

Test

Leiterplatten werden oft noch vor der Auslieferung und Bestückung einer Prüfung unterzogen. Die visuelle Kontrolle zwischen den einzelnen Fertigungsschritten (z. B. vor dem Aufbringen einer weiteren Lage) und am Ende der Fertigung ist bei den Leiterplattenherstellern meist im Preis inbegriffen.

Ein elektrischer Test am Ende der Herstellung ist meist kostenpflichtig und erfordert die kompletten CAD-Daten sowie einen Prüfautomaten, der sämtliche Signalwege kontaktiert und prüft. Bei den Prüfautomaten unterscheidet man zwischen dem In-Circuit-Tester und dem Flying-Prober. Die Flying-Prober haben mehrere einzelne Prüffinger, welche die Leiterplatten abtesten. Diese Technik hat den großen Vorteil, dass keine Adapter zum Kontaktieren benötigt werden und so auch kleine Serien günstig getestet werden können. Als Nachteil zählt die langsame Prüfzeit zum Testen und dass mit diesem System meistens keine 100-%iger Test durchgeführt wird (zu lange Prüfzeit). Beim In-Circuit-Tester werden die Leiterplatten mit Federstift bestückten Adaptern oder sehr feinen sogenannten Starrnadeladaptern getestet. Diese Technik hat den Vorteil, dass alle Testpunkte auf einmal kontaktiert werden können und so ein sehr schneller Test mit einer 100-%igen Prüftiefe erreicht werden kann. Die heutigen MCA Microadapter (siehe Starrnadeladapter) ermöglichen mit dem Staggering das Kontaktieren von feinsten Strukturen der Mikroelektronik. Als Nachteil können hier nur die Adapterkosten erwähnt werden, welche aber bei etwas größeren Stückzahlen nicht mehr ins Gewicht fallen.

Fertig bestückte Leiterplatten können ebenfalls mit einem In-Circuit-Test geprüft werden, wofür oft mehrere zusätzliche Kontaktinseln layoutet werden, die im späteren Einsatz nicht mehr benötigt werden. Damit keine solchen zusätzlichen Testpunkte generiert werden müssen, kann auch hier ein Starrnadeladapter eingesetzt werden, der das Kontaktieren auf Bauteilanschlüsse, Stecker oder sogar Chips ermöglicht.

Oft wird nur eine Funktionskontrolle am Ende der Fertigung durchgeführt, da die Herstellungstechnologie der Leiterplatten selbst sehr viel zuverlässiger als nachfolgende Verfahrensschritte ist.

Durchgangstest

Beim Durchgangstest wird die Leiterplatte auf fehlerhafte und fehlende Verbindungen getestet. Diese Unterbrechungen können durch mechanische Beschädigungen oder durch Filmfehler beim Belichten entstehen.

Funktionsweise: Beim Durchgangstest werden alle zu einem Netz gehörenden Punkte gegeneinander getestet. Bei Einzelpunkten kann keine Verbindung geprüft werden. Durch Schmutz auf den Kontaktierstellen können die Messungen ein hochohmiges Ergebnis zeigen. Mögliche Verschmutzungen sind: Staub, Fräsrückstände oder Oxidation auf der Kontaktierfläche. Durch ein erneutes Kontaktieren (Retest) können diese Phantomfehler (Fehler, die nicht existieren) oft ausgeschlossen werden.

Die Messresultate werden bei zweipoliger Messung produktspezifisch z. B. folgendermaßen klassifiziert:

(Messschwellen sind teilespezifisch zu definieren)

Für Messungen von Verbindungen oder Widerständen unter 10 Ω muss oft eine Vierleitermessung eingesetzt werden, dadurch verfälschen die Kabel- und Kontaktwiderstände das Messresultat nicht.

Kurzschlusstest

Ein Kurzschluss ist eine Verbindung zwischen zwei Punkten, die entsprechend der Schaltung nicht bestehen darf. Kurzschlüsse sind Verbindungen, die z. B. durch Zinnfäden, schlechtes Ätzen oder mechanische Beschädigung der Isolationsschicht zwischen den Lagen hervorgerufen werden.

Funktionsweise: Für jedes Netz wird ein Testpunkt als Primärtestpunkt festgelegt. Danach wird zwischen allen Netzen die Isolation gemessen. Wenn eine Leiterplatte 3 Netze hat, wird Netz1 gegen Netz2, Netz1 gegen Netz3 und Netz2 gegen Netz3 gemessen. Sind weitere Netze vorhanden, verhalten sich die Anzahl Messungen nach:

Wird beim Durchgangstest eine Unterbrechung festgestellt, wird dort ein weiterer Primärpunkt gesetzt und ein weiteres Sub-Netz generiert (Netz 3a). So kann die Leiterplatte zu 100 % auf Kurzschlüsse getestet werden.

Die Messresultate werden produktspezifisch zum Beispiel folgendermaßen interpretiert:

Röntgentest

Vor allem bei mehrlagigen Platinen werden auch Röntgenaufnahmen eingesetzt, um eine visuelle Prüfung durchführen zu können, z. B. der Passgenauigkeit der verschiedenen Lagen.

Belastung von Leiterbahnstrukturen mit großen Strömen

Häufig besteht die Notwendigkleit, unbestückte Leiterplatten (besonders auch Hybrid- bzw. Dickschichtschaltungen) mit größerem Prüfstrom auf Einengungen, schlechte Durchkontaktierungen usw. zu testen. Solche Fehlerstellen werden dann zerstört und können als Unterbrechung erkannt werden. Ein zerstörungsfreies Mittel zur Prüfung von Leiterplatten auch im Betrieb ist die Thermografie. Siehe Leiterbahnenbelastbarkeit.

Leiterplatten-Basismaterial

Verschiedenste Anforderungen an die Leiterplatten machen die Verwendung von unterschiedlichen Leiterplattensubstraten notwendig. Aspekte sind zum Beispiel Zuverlässigkeit, Kosten, Wasseraufnahme, Kriechstromfestigkeit, dielektrischer Verlustfaktor, Isolationswiderstand, mechanische Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit.

Für viele Anwendungen ist Pertinax oder FR4 (Glasfaserverstärkter Kunststoff, kurz GFK) ausreichend. Im Höchstfrequenzbereich sind oft andere Materialien (Keramik, PTFE) erforderlich.

Basismaterialien sin in internationalen Normen verankert (siehe Tabelle).

Werte einiger ausgewählter typischer Materialgruppen
Material Norm
Basismaterial für starre Leiterplatten, 1- und 2-seitig, Multilayer IPC-4101
Basismaterial für HF-Anwendungen IPC-4103
Kupferkaschierte Folien für flexible Leiterplatten IPC-4204
Kupferkaschierte Folien für flexible Leiterplatten IPC-4203
Thermische Eigenschaften
Getestet wird die Delaminationszeit bei 260 °C und 288 °C, das Ausdehnungsverhalten CTE (in x, y und z) und die Beständigkeit bei thermischen Zyklentests. Die erhöhten Löttemperaturen mit bleifreien Loten bedeuten eine verstärkte thermische Belastung der Leiterplatte, welche die Gefahr von Hülsenrissen, „Cornercracks“, Kupferablösung und Delamination erhöht.
typische Bedingungen bei Temperaturwechseltests für Einsatz in Fahrzeugen sind zum Beispiel >500 Zyklen von −40 °C bis +125 °C oder 1000 Zyklen von −40 °C bis +140 °C. Diese Beständigkeit erfüllen nur Materialien mit geringer Ausdehnung in z-Richtung, also einem kleinen CTE (z).
Die Erweichung (Tg-Wert) beginnt bei FR4-Substraten bereits bei 140–150 °C: Eine Dauertemperatur von 20–25 °C darunter ist ein Richtwert für die thermische Dauerbelastbarkeit.
Elektrische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften
Weitere Eigenschaften
RoHS-Konformität
Sie betrifft hier insbesondere den Bleigehalt. Die Materialien müssen der RoHS/WEEE-Vorgabe genügen. Darüber hinaus gibt es sogenannte „grüne Substrate“, die trotz schwerer Entflammbarkeit auf Halogene als Flammhemmer verzichten können. Das ist z. B. FR4, welches zusätzlich sehr gute thermische Beständigkeit und elektrische Eigenschaften aufweist. Es wird jedoch aufgrund deutlich höherer Kosten und stärkerer Werkzeugabnutzung beim Bohren und Fräsen (Glasfaseranteil) nicht überall verwendet.

Eigenschaften typischer Basismaterialien

Materialgruppe Tg
in °C
CTE2
in ppm/K
Spannungsfestigkeit
in kV/mm
Kriechstromfestigkeit
in V
Wasseraufnahme
in %
Cu-Haftung
in N/mm
Standard-FR4 125–140 °C < 70 50 > 200 0,06 1,5
Modifizierte FR4 135–180 °C < 55 45 > 200 0,06 1,5
Halogenfreies FR4 150–170 °C < 40 50 > 500 0,06 1,5
BT-Epoxy ca. 200 °C < 40 70 > 200 0,05 1,6
CE-Epoxy ca. 250 °C < 70 50 > 200 0,06 1,5
Polyimid 220–260 °C < 55 45 > 100 3-5 1,0
PTFE (rein) 200−230 °C < 70 45 > 600 0,04 1,3
RO3000 - < 40 30 > 600 0,1 2,5
RO4000 ca. 280 °C < 45 30 > 600 0,04 1,0

Standard-Basismaterialien

Bezeichnung Verstärkung Harz Bemerkung Beispiele Kostenfaktor
(Referenz: FR4)
FR2 Papier Phenol Low Tec,
nicht bleifrei lötbar
Cabrisol FR2;
Aismalibar
0,3
FR3 Papier Epoxy Low Tec,
fast nicht mehr verfügbar
Cabrisol FR3;
Aismalibar
0,6
CEM1 Papier Epoxy Low Tec Cabrisol CEM1;
Aismalibar
0,7
CEM3 Glasvlies Epoxy Low Tec --- 0,8
FR4
Standard
Glas Epoxy Tg 130–140 °C;
ist RoHS/WEEE-konform
MC-100EX;
R-1766r
1,0
FR4
Halogenfrei
Glas Epoxy Sehr thermostabil;
Tg ≥ 150 °C
SE156,IS500;
R-1566W
1,3

Basismaterialherstellung einer Leiterplatte

In der Imprägnieranlage werden zunächst das Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger gemischt. Dem können noch andere Stoffe zugesetzt werden, wie z. B. Farbpigmente, Flammschutzmittel und Flexibilisatoren. Die Trägerstoffe (z. B. Papier, Glasgewebe, Aramidgewebe) werden in Rollen angeliefert, so dass der Prozess fortlaufend durchgeführt werden kann. Nachdem der Träger über Umlenkrollen durch das Bad gezogen wurde (Tränkung), wird das Material im Ofen getrocknet. Dabei verdunstet nicht nur das Lösungsmittel, sondern auch das Harz erreicht durch die Wärmezufuhr einen Zwischenzustand – das Harz härtet noch nicht vollständig aus, bei erneuter Wärmezufuhr wird es zunächst wieder klebrig und härtet erst dann aus. Dieses Halbzeug aus Harz und Träger nennt man Prepreg. Es wird zur Herstellung der Leiterplatten verwendet, indem die Lagen unter Wärmeeinfluss verpresst werden. Bei Multilayer-Leiterplatten werden mehrere Schichten Basismaterial und Kupfer nacheinander verpresst und geätzt.

Verbindungen

Mechanische Verbindungen

Bei der Montage von Platinen in einem Gehäuse muss ein Abstand zwischen ggf. metallener Montagebasis und der Platine sichergestellt werden. Zum Einen, damit keine Kurzschlüsse entstehen, und zum Anderen, damit die unebene Unterseite der Platine mit den vielen Lötpunkten und teilweise hervorstehenden Drahtenden nicht direkt aufliegt und so zu mechanischen Spannungen führen könnte. Dazu verwendet man u. a. lange Gewindeschrauben mit Abstandshaltern und Muttern oder Kunststoffelemente, die in Löcher in der Platine und auf der anderen Seite im Gehäuse eingeklipst werden. Manchmal übernimmt auch die im Folgenden beschriebene elektrische Verbindung den mechanischen Part mit.

Elektrische Verbindungen

Wenn die Leiterplatte eine Steckkarte ist, die auf einer anderen Leiterplatte sitzt, verwendet man meist direkte Steckverbinder und Federleisten.

Andere vielpolige Kabelverbindungen werden über Leitgummi oder über Steckerleisten und Stiftleisten realisiert, wobei die Kontakte in einer oder auch mehreren Reihen angeordnet sein können. Wenn es nur um wenige Pole geht, werden auch Federleisten oder kleine Buchsen- oder Kupplungsteile auf Lötstifte aufgesteckt.

In speziellen Umgebungen wie beispielsweise innerhalb mechanischer Fotoapparate wählt man Folienverbinder, die praktisch biegsame Leiterplatten darstellen, ggf. mit direkten Steckverbindern an einem oder beiden Enden oder alternativ direkter Verlötung.

Siehe auch

Fußnoten und Einzelnachweise

  1. Forschungszentrum Karlsruhe 1996 Stoffströme bei der Herstellung von Leiterplatten