Was ist eine Leiterplatte?

Eine Leiterplatte ist eine mechanische Basis, die die Komponenten eines elektrischen Schaltkreises aufnimmt und verbindet. Leiterplatten werden in fast allen modernen Geräten und Zubehörteilen für Unterhaltungselektronik verwendet, darunter Telefone, Tablets, Smartwatches, drahtlose Ladegeräte und Netzteile. Diese mehrschichtigen Platten aus verschiedenen Werkstoffen bilden die stabile Grundlage für eine Leiterplattenbaugruppe (PCBA) und sind für die Leitung des Stromflusses zwischen aktiven und passiven Komponenten verantwortlich.

Die Grundschicht einer Leiterplatte besteht in der Regel aus einer Kombination von soliden, nicht leitenden Werkstoffen, die Isolierung, Wasserbeständigkeit und Temperaturstabilität bieten. Zu den gängigen Leiterplattenmaterialien gehören FR4, Metalle und Polyimid (PI). Kosteneinsparungen, funktionale Leistung (z. B. Wärmeausdehnung) und Umweltfreundlichkeit sind Faktoren, die bei der Wahl von Werkstoffen für eine Leiterplatte berücksichtigt werden sollten.

Auf der Grundschicht einer Leiterplatte sind Leitungen eingeätzt, die Signale von Punkt zu Punkt übertragen. Diese dünnen als „Spuren“ bezeichneten Körper bestehen normalerweise aus Kupfer, einem hochleitfähigen Material, das ermöglicht, dass sich Elektronen mit geringem Widerstand zwischen den Komponenten bewegen.

Verschiedene Leiterplattentypen bieten unterschiedliche Leistungseigenschaften und werden häufig anhand der Formbarkeit des verwendeten Substrats klassifiziert. Diese Substrate können starr, flexibel oder eine Mischform aus beidem sein.

Zusätzlich zu diesen drei Haupttypen können Leiterplatten auch anhand anderer Kriterien kategorisiert werden, wie z. B. Platzierung der Komponenten (einseitige oder doppelseitige Leiterplatten), Werkstoffe (Metallkern- oder Keramikplatten), Anschlussdichte (hochdichte Verbindungsplatinen und ultra-hochdichte Verbindungsplatinen) oder Anzahl der Schichten (16-lagige Leiterplatten).

Wenn ein Gerät einen Einschalter hat, hat es wahrscheinlich auch eine Leiterplatte. Leiterplatten werden in fast allen elektronischen Geräten in den verschiedensten Branchen und Gerätetypen eingesetzt.  

High-Tech: Kundenspezifische Leiterplatten fördern Innovationen in der hochkomplexen und schnellen Hightech-Branche, einschließlich 5G-Infrastruktur und Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung. Diese Platinen können eine hohe Anzahl Schichten und einzigartige Werkstoffe aufweisen, da diese Branche den neuesten Stand der Geräteentwicklung mitbestimmt.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Zuverlässigkeit ist bei diesen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da Geräte häufig ferngesteuert sind und extremen Umwelteinflüssen ausgesetzt sein können (z. B. Temperatur, Vibrationen oder Erschütterungen). Hier werden Leiterplatten in Sensoren, Stromversorgungen und Navigationssystemen für Satelliten und Flugzeuge eingesetzt.

Automobilindustrie: Während Leiterplatten in allen modernen Fahrzeugen in Head-up-Displays, Airbags, fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen und anderen Bereichen zu finden sind, spielen sie bei Elektrofahrzeugen eine besonders wichtige Rolle, da sie den Betrieb und die Leistungsabgabe von Elektromotoren steuern.

Energie: Leiterplatten sind für die Erzeugung, Sammlung und Verteilung von Strom von wesentlicher Bedeutung. Ihre Zuverlässigkeit sorgt für einen reibungslosen Betrieb im Energiesektor und erleichtert gleichzeitig die Kommunikation zwischen Stromnetz und Steuerungen, Energiespeicher und Systemüberwachung.

Industrieanlagen: Die in industriellen Anwendungen eingesetzten automatisierten Ausrüstungen sind auf Leiterplatten angewiesen, die den intensiven Bedingungen wie Hochspannungsströmen, Maschinenvibrationen und extremen Temperaturen standhalten. Sie finden sich in Bohrmaschinen und Pressen in der Fertigung, Messgeräten und Hochgeschwindigkeits-Videogeräten.

Frühe Konzepte von Leiterplatten stützten sich auf die Durchsteckmontage, gefolgt von der Oberflächenmontage (SMT). Jahrzehntelang wurden die Layouts von Hand gezeichnet, wodurch die Fertigung langsam und teuer war. Mit der Einführung von Computern änderte sich der gesamte Layoutprozess, was die Produktion beschleunigte und gleichzeitig Einheitlichkeit und Funktionalität verbesserte. Moderne Hersteller verwenden Simulationssoftware für das Leiterplatten-Layout, um ihre Konstruktionen in jedem Entwicklungsschritt zu modellieren, zu analysieren und zu validieren.

Zu den Herausforderungen des Leiterplatten-Layouts gehören Größenbeschränkungen, thermische Überlegungen, Elektromigration, mechanische Integration und Energieeffizienz. Diese Komplexität erfordert die Zusammenarbeit zahlreicher Fachleute, um sicherzustellen, dass elektrische, mechanische und thermische Überlegungen während des gesamten Prozesses berücksichtigt werden.

Der Layoutprozess:

1. Schaltplanerstellung: Mit einer ECAD-Software (Electronic Computer-Aided Design) wird ein 2D-Entwurf der Leiterplatte gezeichnet. Darin werden die Komponenten der Leiterplatte, ihre Platzierung und ihre Anbindung angegeben.
2. Materialauswahl: Basierend auf den Anforderungen der fertigen Baugruppe wählt man Werkstoffe aus, die auf der Leiterplatte verwendet werden sollen. Zur Auswahl stehen hier FR-4, Polyimidlaminate, Epoxid-Verbundwerkstoffe (CEM), Flüssigkristallpolymer und andere Werkstoffe. 
3. Überprüfung des Layouts: Vor der Produktion wird Simulationssoftware verwendet, um zu testen und zu validieren, wie die Platine unter verschiedenen Bedingungen funktioniert. Diese Tests stellen sicher, dass die Komponentenanordnung alle Anforderungen erfüllt.  

Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, kann die Platine gefertigt werden. Die Leiterplattenherstellung ist ein mehrstufiger Prozess mit vielen kritischen Phasen. Zu den wichtigsten Schritten zählen Drucken, Ätzen, Pressen, Bohren, Siebdruck, und Maskierung. 

• Zunächst wird der Leiterplattenschaltplan auf ein kupferbeschichtetes Substrat gedruckt. 
• Anschließend wird das überschüssige Kupfer in einem Prozess entfernt, der als Ätzen bezeichnet wird, um die Spuren und Pads für die Schaltkreise freizulegen. 
• Daraufhin werden die verschiedenen Materialschichten unter hohen Temperaturen zusammengepresst, und in die Platine werden Löcher zur Befestigung und für verschiedene Stifte gebohrt. 
• Anschließend wird eine Siebdruckschicht hinzugefügt, um die Oberfläche mit Informationen wie Polarität, Namen der Anschlüsse und Firmenlogos zu versehen. 
• Schließlich wird eine Lötmaske zum Schutz vor Oxidation und Lötbrückenbildung aufgetragen.

Als Rückgrat der modernen Elektronik werden sich Leiterplatten stetig weiter entwickeln, da die Geräte und Maschinen, in denen sie eingesetzt werden, immer kleiner, flexibler und leistungsfähiger werden. Durch Miniaturisierung sowie transparente sowie dehnbare Werkstoffe können Leiterplatten Elektronikkonstruktionen auf zahlreiche interessante Weisen ergänzen. Und während die Elektrifizierung Innovationen in der Automobilbranche sowie in Luft- und Raumfahrt vorantreibt, werden Leiterplatten eine große Rolle bei der Frage spielen, wie Systeme für Kommunikation und Navigation mit saubererer Energie versorgt werden können.

Erfahren Sie mehr über die neuen Funktionen der Ansys Maxwell-Software für flexible und starre Leiterplattenkonstruktionen und lesen Sie Weiteres zu Ansys Sherlock-Lösungen für die Zuverlässigkeit von Elektronikgeräten.

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