PCBs erklärt: Wie gedruckte Leiterplatten Elektronik mit Strom versorgen

Einführung

Leiterplatten (PCBs) finden sich in vielen unserer heutigen elektronischen Geräte. Viele Menschen sind sich jedoch der Bedeutung von PCBs und ihrer revolutionären Bedeutung für die Herstellung und Weiterentwicklung elektronischer Geräte nicht bewusst.

Was sind Leiterplatten (PCBs)? Warum sind sie überhaupt wichtig?

A PCB (gedruckte Leiterplatte) ist eine Platine, die als Basis dient, auf der elektronische Komponenten über Kupferleiterbahnen miteinander verbunden werden. Leiterplatten sind unerlässlich, um die elektrischen Komponenten physisch zu stützen und sicherzustellen, dass sie jederzeit verbunden bleiben.

Dieser Leitfaden soll Ihnen helfen, mehr über Leiterplatten, ihre allgemeine Terminologie, die verfügbaren Typen, ihre Verwendungsmöglichkeiten und viele weitere Funktionen zu erfahren. Letztendlich sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, was Sie von Leiterplatten erwarten können, und sie möglicherweise für Ihr nächstes Projekt einsetzen.

Teile einer Leiterplatte

Leiterplatten bestehen aus vier Hauptbestandteilen. Diese bestimmen die Eigenschaften der Platine. Zu diesen Bestandteilen gehören:

• Substrat: Dieses Material besteht aus Glasfaser und ist unerlässlich, um die erforderliche Kernfestigkeit der Leiterplatte zu gewährleisten. Es bildet quasi das Skelett der Leiterplatte und verleiht ihr die nötige Stabilität und Festigkeit.
• Kupferschicht: Die Kupferschicht kann je nach gewähltem Leiterplattentyp aus Kupferfolie oder -beschichtung bestehen. Kupfer überträgt die elektrischen Signale zwischen den verschiedenen Komponenten auf der Platine.
• Lötmaske: Diese Polymerschicht ist wichtig, um zu verhindern, dass die Kupferschicht oxidiert und die Leiterbahnen während der Leiterplattenherstellung versehentlich brechen.
• Siebdruck: Dies kann als Legende betrachtet werden, da es wichtige Informationen über die Platine und ihre Komponenten enthält.

Rollen von PCBs in der Elektronik

Eine Leiterplatte ist eine wichtige Grundlage moderner Elektronik. Daher wird ihr eine Vielzahl von Funktionen zugeschrieben. Hier sind einige wichtige Funktionen von Leiterplatten.

– Mechanische Unterstützung

Elektronische Geräte benötigen Widerstände, ICs, Transistoren, Kondensatoren und andere Komponenten, um zu funktionieren. Sie alle müssen irgendwo montiert werden. Die Leiterplatte bietet eine stabile Plattform für die mechanische Unterstützung dieser Komponenten. Einmal montiert, können sie sich nicht mehr bewegen und beeinträchtigen somit nicht die Funktion des Geräts.

– Sorgen Sie für einen elektrischen Anschluss

Die Komponenten einer Leiterplatte sind über Kupferbahnen oder -leiter miteinander verbunden. Diese Bahnen gewährleisten einen stabilen Strom- und Signalfluss. Daher können sie bereits in der Designphase optimiert werden, um eine effiziente Leistung der Komponenten zu gewährleisten.

– Schutz

Leiterplatten sind auch für den Schutz der darauf montierten Komponenten von entscheidender Bedeutung. Dazu gehört der Schutz vor übermäßiger Hitze, Störungen und Umwelteinflüssen, die manchmal zu Ausfällen führen können.

– Vielseitig und skalierbar

Auf dem Markt gibt es viele Formen und Typen von Leiterplatten, darunter doppelseitige, einseitige und mehrschichtige. So können Sie die passende Platine für Ihre Designanforderungen auswählen. Daher können Leiterplatten sowohl für die Herstellung einfacher als auch komplexer Elektronik verwendet werden.

– Massenproduktion und Kosteneffizienz

Leiterplatten werden hauptsächlich in der Massenproduktion elektronischer Geräte eingesetzt, da sie kostengünstig sind. Das bedeutet, dass sie die Herstellungskosten senken und eine einheitliche Leistung und ein einheitliches Design gewährleisten. Da die Leiterplatten erschwinglich sind, ist die Herstellung aller Arten von Elektronik nun einfacher.

Wichtige PCB-Terminologie

Bei Design und Fertigung einer Leiterplatte fallen viele Begriffe auf. Doch wissen Sie, was sie bedeuten? Nachfolgend finden Sie gängige PCB-Begriffe, damit Sie sie beim nächsten Mal besser verstehen.

Schichten – dies ist die Anzahl der leitfähigen Kupferschichten in einer Leiterplatte. Sie reichen von 2 bis über 20 Schichten.

Footprint – Anzahl und Anordnung der Löcher eines elektronischen Bauteils. Dieser dient zur Herstellung der elektrischen Verbindung.

Track oder Trace – dies ist der Pfad, der ein Bauteil auf der Leiterplatte mit dem anderen verbindet. Er dient zur Übertragung elektrischer Signale.

Lötstoppmaske – das Material, das die Kupferleiterbahnen abdeckt. Seine Funktion besteht darin, zu verhindern, dass das Lot dorthin fließt, wo es nicht hin soll.

Siebdruck – das sind die Markierungen und Texte auf der Leiterplatte. Diese Inhalte liefern wichtige Informationen wie den Komponentennamen oder Referenznummern.

Massefläche – dies ist der Bezugspunkt für die elektrischen Signale. Dank ihrer Größe ist sie kaum zu übersehen.

Stromversorgungsebene – dies ist der Kupferbereich, der für die Übertragung der elektrischen Energie an verschiedene Komponenten vorgesehen ist.

Schemasymbol – dies zeigt Ihnen die visuelle Darstellung, wie die verschiedenen Komponenten auf der Leiterplatte verbunden sind.

Dies sind nur einige Begriffe, die Ihnen möglicherweise begegnen. Sie werden jedoch mehr lernen, wenn Sie bei der Bearbeitung verschiedener Projekte mit Leiterplatten arbeiten.

Schlüsselkomponenten von Leiterplatten und Funktionen

Wenn Sie sich ansehen So entwerfen Sie eine Leiterplatte, werden Sie verschiedene Schlüsselkomponenten bemerken, die in keinem elektronischen Gerät fehlen dürfen. So unterschiedlich die Einsatzzwecke verschiedener elektronischer Geräte auch sein mögen, diese Komponenten sind immer gleich. Hier erfahren Sie, welche Komponenten Sie als Leiterplattenkomponenten erwarten können.

1. Widerstände

Widerstände begrenzen den Stromfluss im Stromkreis und wirken als Spannungsteiler. Ihr Funktionsprinzip ist entscheidend für die Begrenzung des Stromflusses durch empfindliche Bauteile.

Zu den Widerstandstypen gehören Festwiderstände und Potentiometer mit variablem Widerstand.

2. Kondensatoren

Kondensatoren sind für die kurzfristige Energiespeicherung unerlässlich. Sie sind entscheidend für die gleichmäßige Stromversorgung der empfindlichen Elektronik im Schaltkreis. Kondensatoren glätten außerdem Spannungsspitzen und filtern Rauschen, was für den reibungslosen Betrieb der Geräte entscheidend ist.

3. Induktoren

Induktivitäten speichern Energie in Form eines Magnetfelds, wenn Strom durch sie fließt. Zusammen mit Kondensatoren filtern sie unerwünschte Frequenzen in den Wechselstromsignalen. Induktivitäten sind außerdem unerlässlich, um potenzielle elektromagnetische Störungen zu bewältigen, die den Stromkreis beeinträchtigen könnten.

4. Transistoren

Die Transistoren auf einer Leiterplatte sind für die Verstärkung von Signalen und Leistung in der Schaltung unerlässlich. Sie sind in der modernen Elektronik weit verbreitet. Beispiele sind Bipolartransistoren (BJTs) und Feldeffekttransistoren (FETs).

5. Dioden

Dioden sind so konstruiert, dass sie den Stromfluss nur in eine Richtung zulassen. Daher eignen sie sich hervorragend zur Gleichrichtung und Signalverarbeitung in Schaltkreisen. Aufgrund ihrer Eigenschaften können sie auch zum Schutz empfindlicher elektronischer Geräte eingesetzt werden.

6. Integrierte Schaltkreise

Integrierte Schaltkreise (ICs) vereinen mehrere Komponenten wie Transistoren, Widerstände und andere in einem Bauteil. Durch diese Kombination sparen Sie Platz und können je nach Design einfache bis komplexe Operationen ausführen.

Arten von Leiterplatten

Der Leiterplattentyp kann entscheidend für deren optimale Verwendung im Designprozess sein. Wir stellen einige der besten Leiterplatten auf dem Markt und ihre Einsatzmöglichkeiten vor.

1. Einseitige Leiterplatten

Bei diesem Leiterplattentyp ist eine Seite mit dem leitenden Material kodiert, während die andere zur Montage der elektronischen Komponenten dient.

Dieser Leiterplattentyp wurde in den 1950er Jahren eingeführt, findet aber auch heute noch zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Das liegt an seinem einfachen Design, das sich auch heute noch für viele Anwendungen eignet.

Ein einfaches Design bedeutet auch, dass weniger Ressourcen für die Herstellung benötigt werden. Das Ergebnis ist eine kostengünstige Leiterplatte, die dennoch gut funktioniert. Selbst für eine einseitige Leiterplatte können Sie eine beeindruckende Leistung erwarten.

Anwendungen

• Drucker
• Verkaufsautomaten
• Radio
• Stereoanlage usw.

 

2. Doppelseitige Leiterplatten

Bei diesen Leiterplatten befindet sich die leitfähige Kupferschicht auf beiden Seiten der Platine. Das bedeutet, dass die Komponenten auf beiden Seiten der Platine montiert werden können und funktionieren. Aufgrund dieser Fähigkeit werden solche Platinen hauptsächlich für komplexere Designs verwendet.

Doppelte Lagen zur Montage von Komponenten erhöhen die Nutzung und Flexibilität der Platine. Sie können nun mehr Komponenten auf der Platine montieren als bei Verwendung der einseitigen Platine.

Wenn Sie mit einem komplexen Schaltungsdesign arbeiten, benötigen Sie diese. So werden sie beispielsweise für Beleuchtungsplatinen und Armaturenbretter verwendet.

Anwendungen

• Fernseher
• Spielkonsolen
• Digitalkameras
• Audiogeräte
• Mobiltelefone
• Beleuchtungssysteme
• HLK-Systeme usw.

 

3. Mehrschichtige Leiterplatten

Während die meisten elektronischen Bauteile aus ein oder zwei leitfähigen Schichten bestehen, gibt es auch solche mit mehreren Schichten. In diesem Fall besteht die Leiterplatte aus mehreren Schichten oder Basismaterial. Solche Leiterplatten haben in der Regel mehr als drei leitfähige Schichten.

Wie werden die mehreren Schichten erreicht? Dies geschieht mithilfe des Sandwich-Modells. Dabei werden die leitfähigen Schichten durch isolierende Materialplatten getrennt. Anschließend werden sie unter hoher Temperatur und hohem Druck luftspaltfrei verbunden und laminiert. Nach der Montage erhalten Sie eine robuste Leiterplatte.

Mehrschichtige Leiterplatten sind voraussichtlich teurer als die anderen oben genannten Typen. Je nach Anwendung können sie jedoch dennoch unverzichtbar oder nützlich sein. Wenn Sie beispielsweise mit vielen Komponenten arbeiten, können Sie mit einem geringeren Platzbedarf rechnen.

Anwendungen

• 5G-Infrastruktur
• Satellitenkommunikation
• Industrielle Steuerungen
• Tragbare Geräte
• Laptops, Smartphones, Tablets
• Diagnosegeräte usw.

Die oben genannten Leiterplatten sind die gängigste Kategorisierung. Es gibt jedoch auch andere Leiterplattentypen, z. B. starre, flexible, HDI-Leiterplatten usw. Es hängt alles von der Konstruktion und Anwendung ab. Sprechen Sie immer mit Ihrem Lieferanten, um die Leiterplatte, die Sie kaufen, zu verstehen und zu prüfen, ob sie zu Ihrem aktuellen Arbeitsgebiet passt.

PCB-Herstellungsprozess

Bevor die Leiterplatte in ein Gerät eingebaut wird, müssen verschiedene Schritte durchgeführt werden. Nachfolgend finden Sie die Standardprozesse zur Leiterplattenherstellung.

1. PCB-Design

Dieser Teil erfordert die Verwendung von PCB-Design-Software um das richtige Design zu finden, das zu Ihnen passt. Gängige PCB-Designsoftware ist Eagle, KiCad, Altium Designer und mehr.

Sobald das Design fertig ist, wird es in einem Format exportiert, das Leiterplattenhersteller unterstützt.

2. Der Druck

Sobald die Druckerei das Design erhalten hat, beginnt der Druckvorgang. Dabei werden die Fotofolien, die auf die Leiterplatte geklebt werden, mit einem Plotter bedruckt. Der Plotterdruck ist gängiger, da er eine präzisere Drucktechnologie bietet.

Bei diesem Schritt erhalten Sie eine Kunststofffolie mit den Schaltkreisen, die anzeigt, wo auf der Leiterplatte die Kupferspuren verlaufen.

In diesem Schritt wird überschüssiges Kupfer entfernt, um die Kupferbahnen freizulegen. Anschließend werden die inneren Schichten ausgerichtet und eine optische Prüfung durchgeführt, um Genauigkeit und Qualität sicherzustellen.

3. Laminierung

Die inneren Lagen werden nun mittels eines vorimprägnierten Materials miteinander verbunden. So entsteht der Leiterplattenkern.

Als nächstes werden Löcher in die Leiterplatte gebohrt, um die Stellen zu markieren, an denen die Komponenten befestigt oder montiert werden.

4. Beschichtung

In den Bohrlöchern wird mehr Kupfer abgelagert, um im Rahmen der Beschichtung elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.

Anschließend fährt der Hersteller mit der Außenschichtbebilderung fort, bei der das Außenschichtdesign auf das kupferkaschierte Laminat gedruckt wird.

Dennoch wird durch Ätzen das überschüssige Kupfer entfernt und ein saubereres Design der Außenschicht geschaffen.

In dieser Phase wird auch der Siebdruck durchgeführt. Dabei werden Etiketten und Markierungen auf die Leiterplatte gedruckt, um die Komponenten leicht identifizieren und montieren zu können.

5. Oberflächenveredelung

Die Leiterplatte erhält eine abschließende Oberflächenveredelung. Dazu gehören das Vergolden und andere Arten von Schutzbeschichtungen.

Sobald die Oberflächenveredelung abgeschlossen ist, folgen elektrische Tests, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte wie erwartet funktioniert.

Vor der Montage der Leiterplattenkomponenten wird eine Endkontrolle durchgeführt.

6. Leiterplattenmontage

Während der Leiterplattenmontage werden die elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte befestigt. Die Komponenten werden gelötet und getestet, bevor sie an den Kunden versendet werden.

Dies ist nur eine kurze Zusammenfassung der Herstellung von Leiterplatten. Der eigentliche Prozess kann recht langwierig sein und erfordert Qualitätskontrollen. So soll sichergestellt werden, dass die Qualität und Leistung der Leiterplatte Ihren Erwartungen entspricht.

Designüberlegungen für Leiterplatten

Für die korrekte Gestaltung von Leiterplatten spielen viele Faktoren eine Rolle. Wenn Sie dies für möglich halten, beachten Sie Folgendes:

• Für optimale Signalintegrität sollten Sie kurze und direkte Signalwege wählen. Dadurch werden Reflexionen und Impedanz minimiert.
• Arbeiten Sie auch am Wärmemanagement. Platzieren Sie die wärmeerzeugenden Komponenten so, dass eine effiziente Wärmeableitung möglich ist.
• Berücksichtigen Sie auch die Herstellbarkeit Ihres Designs. Das bedeutet, dass der Hersteller in der Lage sein sollte, Ihr Design umzusetzen. Berücksichtigen Sie außerdem, wie einfach das Löten und Prüfen ist.
• Wir empfehlen dennoch die Entwicklung eines robusten Stromverteilungsnetzes. Dies ermöglicht eine effiziente, saubere und stabile Stromversorgung aller Komponenten.
• Durch Abschirmtechniken können elektromagnetische Störungen minimiert und die EMV-Konformität des Geräts gewährleistet werden.
• Beachten Sie Designregeln wie die Einhaltung der korrekten Leiterbahnbreiten, Abstände und anderer Parameter. Dies sollte zu einer besseren Leistung und Herstellbarkeit führen.

Abschluss

Elektronik benötigt Leiterplatten, um stets einwandfrei zu funktionieren. Sie bilden die Grundlage für die verschiedenen Komponenten, die die Geräte zum Funktionieren benötigen, darunter Widerstände, Transistoren, ICs und viele mehr. Je nach Anwendung gibt es viele verschiedene Leiterplattentypen. Wenn Sie Ihre eigene Leiterplatte herstellen müssen, achten Sie darauf, mit namhaften Herstellern zusammenzuarbeiten, um sicherzustellen, dass diese die richtige Leiterplatte produzieren, die Ihrem Design entspricht.