mini|hochkant=1.8|Bestückungsseite (oben) und Lötseite (unten) einer einseitigen Leiterplatte
Eine Leiterplatte (Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung; , PCB) ist ein Träger für elektronische Bauteile. Sie dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung. Nahezu jedes elektronische Gerät enthält eine oder mehrere Leiterplatten.
Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit darauf haftenden, leitenden Verbindungen (Leiterbahnen). Als isolierendes Material ist faserverstärkter Kunststoff üblich, bei niedrigpreisigen Geräten auch Hartpapier. Die Leiterbahnen werden zumeist aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt, üblich sind 35 µm. Die Bauelemente werden auf Lötflächen (Pads) oder in Lötaugen gelötet. So werden sie an diesen footprints gleichzeitig mechanisch gehalten und elektrisch verbunden. Größere Komponenten können auch mit Kabelbindern, Klebstoff oder Verschraubungen auf der Leiterplatte befestigt werden.
Leiterplattenarten mini|hochkant=1.8|Bestückte Leiterplatte
Die Leiterplattenarten reichen von einseitigen Leiterplatten über Multilayer bis hin zu Sondertechniken. Standardleiterplatten Einseitige und zweiseitige Leiterplatten Multilayer mit mehreren Lagen (unterschiedlich, je nach Hersteller) Sondertechniken (Sondertechniken kommen in allen Industriezweigen zum Einsatz und besitzen besondere Eigenschaften und Anforderungen) Flexlam Hochstrom: Um den Transport von hohen Strömen und Signalelektronik über eine Leiterplatte zu realisieren. Dickkupfer Dünnstleiterplatten Schleifring: Ein Schleifring wird für die Übertragung und zum Abgreifen von Energie, Signalen und Daten bei sich drehenden Systemen genutzt. Einsatzgebiete sind beispielsweise bei Industrierobotern und Windkrafträdern. Voraussetzung für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer einer Schleifringoberfläche ist die richtige Applikation der Edelmetallbeschichtung. HDI-Leiterplatte IMS-Leiterplatte Leiterplatten auf Glas
Herstellung mini|hochkant=1.8|CAD-Leiterplattenentwurf
Entwurf
Der Leiterplattenentwurf (Layout) erfolgt heute meist mit einer Software, die neben den Leiterzug-Daten auch den Schaltplan und oft Stücklisten sowie auch Daten wie Lotpasten-Muster oder Bestückungsdruck enthält. Der Leiterplattenentwurf kann von den Leiterplatten-Layout-Programmen in einem Standardformat ausgegeben werden. Die meisten Leiterplattenhersteller verarbeiten die Formate Gerber RS-274X, Excellon oder Sieb & Meyer. Dabei werden die Projektdaten der Leiterplatte aufgeteilt. Der erste Teil besteht aus Gerber-Daten für die Topographie der Leiterplatten. Damit werden z. B. der Leiterbahnverlauf und die Lokalisierung von PADs etc. dokumentiert. Der zweite Teil besteht aus den Bohrdaten im Format der Excellon- oder Sieb & Meyer-Daten.
Die Leiterplattenentflechtung (manuell oder mit einem Autorouter) ist der Hauptinhalt des Entwurfes. Dazu kommen technologische Angaben wie Kupferstärke, Platinen-Fertigungstechnologie und Oberflächenart. Jetzt erfolgt die Übergabe der Daten an den Leiterplattenhersteller.
CAM Der Leiterplattenhersteller wird die Daten zuerst in eine CAM-Station einlesen. Dort wird zunächst der Lagenaufbau extrahiert, damit die Funktion der Daten beim System bekannt ist. Dann wird mittels Design Rule Checks geprüft, ob die angelieferten Daten fehlerfrei und fertigbar sind. Dann wird ein Produktionspanel erstellt. Es besteht aus den für die Fertigung benötigten Programmen. Dazu gehören Ausgaben für Filmplotter/Imager, Bohr-, Fräs- und Ritzdaten, AOI (Automatic Optical Inspection) Ausgaben, Elektrische Prüfprogramme, und vieles mehr.
Die Produktionsdaten sind in nach Funktion getrennten Ebenen strukturiert: Muster einer oder mehrerer Kupferlagen (Leiterzüge und Flächen) Bohrlöcher (Lage, Tiefe und Durchmesser) Umriss und Durchbrüche Bestückungsplan oben und unten Lötstopplack oben und unten Bestückungsdruck oben und unten Klebepunkte und Lotpastenmuster für SMD-Bauteile oben und unten Partielle Metallisierungen (zum Beispiel Vergoldung für Kontaktflächen)
Serienfertigung Photochemisches Verfahren mini|Anlage zur Elektroplattierung mini|Leiterplatten während ihrer Elektroplattierung Der größte Teil einseitiger und doppelseitiger durchkontaktierter Leiterplatten wird fotochemisch hergestellt.
Die heutige Reihenfolge der Herstellungsschritte ist: Bohren Durchkontaktieren (bei doppelseitigen Leiterplatten) Fotoresist laminieren Belichten Entwickeln Ätzen Spülen Trocknen Danach folgen je nach Bedarf weitere Nachbearbeitungsschritte.
Ursprünglich wurde das Bohren und Durchkontaktieren erst nach dem Ätzen der Leiterplatte vorgenommen. Seitdem aber der Fotolack durch sog. Trockenresist, also eine fotoempfindliche Folie ersetzt wurde, konnte die Reihenfolge der Produktionsschritte verändert werden. 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 + Wasserstoffperoxid, Forschungszentrum Karlsruhe 1996.) 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 („Isolationsfräsen“, 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 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 und zusätzlich mit einem Flussmittel überzogen werden, die besseres Löten ermöglicht.
Lotpaste-Inseln zum Auflöten von SMD-Bauteilen werden mittels einer Lotpasten-Maske aufgebracht. Sie ist aus Metallblech und enthält an den Stellen Löcher, wo Lotpaste aufgetragen werden soll. Die Masken werden durch Laserfeinschneiden hergestellt. Ein weiterer möglicher Verfahrensschritt bei der SMD-Bestückung ist das Aufbringen von Kleberpunkten, die die Fixierung der Bauteile beim Bestücken (Pick and place) bis zum Löten sicherstellt.
Oft tragen Leiterplatten einen per Siebdruck hergestellten Bestückungsdruck, der in Verbindung mit dem Schaltplan Montage und Service erleichtert.
Stanztechnik und Drahtlegetechnik Zwei weitere wichtige Herstellungsverfahren für Leiterplatten sind die Stanz- und die 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.
mini|4-fach-Nutzen Mit „Nutzen“ wird bei der Anfertigung von Leiterplatten das Zusammenfassen mehrerer kleinerer Layouts auf einer großen Platine bezeichnet. Der Begriff stammt aus der Drucktechnik. Die gesamte Verarbeitungskette erfolgt soweit möglich mit diesem Nutzen. Durch geschickte Anordnung unterschiedlicher Entwürfe können die üblicherweise rechteckigen Formate des Basismaterials auch bei abweichenden, beispielsweise L-förmigen Geometrien gut ausgenutzt werden. Für die anschließend erforderliche Zerteilung der Platine ist der Begriff Nutzentrennung gebräuchlich.
Siebdruck
Anstelle des fotochemischen Verfahrens kann für die Abdeckung der Leiterzüge vor dem Ätzen auch die Siebdrucktechnik verwendet werden. Diese ist insbesondere für einseitig beschichtetes Material und wenig komplexe Leiterplatten geeignet.
Prototypen mini|Prototypenaufbau auf einer Lochrasterplatine mini|Zwei Ausführungen von Lochrasterplatinen im Raster 2,54 mm, mit quadratischen bzw. runden Lötpads. Die quadratischen Pads entstanden durch Fräsen, die runden durch Ätzen. mini|Platine, überwiegend in Frästechnik mini|Unbestückte Lochrasterplatten
Vor der Serienfertigung werden meist ein oder mehrere Prototypen erstellt und getestet, um im Fehlerfall die hohen Kosten für die Erstellung der Fotomasken zu vermeiden.
Dazu gibt es folgende Möglichkeiten: Fertigung im Pool Hersteller bieten die Fertigung von Einzelstücken und Kleinstserien im „Pool“ an, d. h. mehrere Einzelstücke als Nutzen (siehe oben) werden auf einer großen Platte gebohrt, durchkontaktiert, belichtet, geätzt und danach ausgefräst.
Fräsen Bei der Frästechnik werden mit einem Stiftfräser Trennlinien zwischen den Leiterflächen hergestellt. Dabei bleibt alles Kupfer stehen (Inselverfahren). Die nasschemischen und fotolithografischen Schritte entfallen. Viele ECAD-Programme können CNC-Programme generieren, mit denen Prototypen und Kleinserien schnell gefertigt werden können.