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Ratgeber
In den Anfängen der Elektronik wurden Bauelement zumeist fliegend montiert. An den Sockeln von Vakuumröhren zum Beispiel. Längere Leitungswege übernahmen isolierte Drähte. Die weitaus meisten Schaltungen werden heute allerdings auf Leiterplatten realisiert. Das vereinfacht die praktische Umsetzung des Schaltbilds, minimiert die Gefahr von Montage- und Betriebsfehlern und reduziert erheblich die Herstellungskosten.
Erfahren Sie in diesem Ratgeber, welche Leiterplatten es gibt, wie sie aufgebaut sind und für welche Einsatzzwecke elektronischer Schaltungen sie besonders geeignet sind.
Leiterplatten oder Platinen finden sich in den meisten elektronischen Geräten. Sie sind einerseits der physischer Träger vieler Kleingeräte, andererseits dienen sie generell als Verdrahtungsfläche für die Komponenten wie diskrete Bauteile oder ICs. Leiterplatten sind in PCs und Tablets ebenso vorhanden wie in Fernsehern, Radios, Digitalkameras und Smartphones. Neben ihrer Verwendung in der Unterhaltungselektronik und in Computern sind verschiedene Arten von Leiterplatten auch in einer Vielzahl anderer Bereiche im Einsatz, darunter medizinische Geräte, industrielle Maschinen und Beleuchtungen.
Die meisten Leiterplatten sind einfach und bestehen nur aus einer einzigen Lage. Anspruchsvollere Hardware wie Computergrafikkarten oder Hauptplatinen von Computern können mehrere Lagen besitzen, manchmal bis zu zwölf.
Für die Verwendung einer Platine ist das Basismaterial von entscheidender Bedeutung. Es wird in Klassen von FR1 bis FR5 eingeteilt. FR1-, FR2- und FR3-Leiterplatten bestehen aus mit Kunstharz getränktem Papier. Sie gehören zwar zu den flexiblen Leiterplatten, sind aber auch relativ empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, zu hohen Verarbeitungstemperaturen und Beschädigungen. Gängigstes Material ist die Klasse FR4. Statt Papier enthalten diese Platinen Glasfasergewebe. Das Grundmaterial der Klasse FR5 enthält ebenfalls Glasfasergewebe, lässt sich aber bis etwa 150 Grad Celsius erhitzen.
Einlagige Leiterplatten
Eine einlagige oder einseitige Leiterplatte besteht aus einer einzigen Lage Grundmaterial. Der feste Kern der Klasse FR4 verleiht der Leiterplatte ihre Steifigkeit und Dicke. Eine Seite des Materials ist mit einer dünnen Metallschicht überzogen, in der Regel Kupfer. Eine Schicht aus Lötstopplack schützt die Kupferschicht und verhindert beim späteren Löten, dass sich Lötzinn außerhalb der Lötpunkte und Leiterbahnen ausbreitet.
Da bei einlagigen kupferbeschichteten Platinen die verschiedenen Schaltkreise und Komponenten nur auf eine Seite gelötet werden, sind die Platinen relativ flach und lassen sich leicht einbauen. Außerdem sind sie einfach zu entwerfen und kostengünstig auch in größeren Stückzahlen herzustellen. Dies gilt vor allem für die automatisierte Montage von SMDs auf der Oberfläche der Platine.
Doppellagige Leiterplatten
Doppellagige oder doppelseitige Leiterplatten bestehen in der Regel aus FR4-Basismaterial mit einer dünnen Schicht Kupfer, die auf beiden Seiten der Leiterplatte angebracht ist. Durch die Bohrungen in der Platine lassen sich die Schaltungen auf der einen Seite der Platine mit den Schaltungen auf der anderen Seite verbinden.
Die Schaltkreise und Komponenten einer doppellagigen Leiterplatte sind in der Regel auf eine von zwei Arten verbunden: entweder mit Hilfe von Durchgangslöchern oder mit Hilfe der Oberflächenmontage. Bei einer Durchsteckverbindung oder kurz THT werden die Anschlussdrähte der Bauteile durch die Löcher geführt, wobei jedes Ende der Drähte mit der korrespondierenden Komponente verlötet wird.
Bei der Oberflächenmontage oder kurz SMT besitzen die Komponenten keine langen Anschlussdrähte. Stattdessen werden sie direkt auf die Platine gelötet, die Platine selbst ist die Verdrahtungsfläche. So lassen sich Schaltungen auf kleinerem Raum realisieren.
Doppelseitige Leiterplatten eignen sich in der Regel für Anwendungen, die eine mittlere Komplexität der Schaltungen erfordern. Dazu zählen beispielsweise industrielle Steuerungen, Stromversorgungen, Messgeräte, Klima- und Belüftungssysteme, LED-Beleuchtungen, Verstärker und Verkaufsautomaten.
Mehrlagige Leiterplatten
Mehrlagige oder Multilayer-Leiterplatten bestehen aus einer Reihe von drei oder mehr doppellagigen Leiterplatten. Diese Platinen sind mit einem speziellen Klebstoff verbunden und zwischen Isoliermaterial eingebettet, um überschüssige Hitze abzuführen. Mehrlagige Leiterplatten gibt es in verschiedenen Größen: von vier Lagen bis hin zu zehn oder zwölf. Die größte jemals gebaute mehrlagige Leiterplatte war 50 Lagen dick.
Mit mehrlagigen Leiterplatten können Entwickler sehr komplexe Designs erstellen, die sich für eine breite Palette komplizierter elektrischer Aufgaben eignen. Zu den Anwendungen, bei denen mehrlagige Leiterplatten von Vorteil sind, gehören Dateiserver, Datenspeicherungssysteme, GPS-Technologien, Satellitensysteme, Geräte für die Wetteranalyse und medizinische Geräte.
Platinen für die Schaltungsentwicklung
Gängige Basis zur Umsetzung eines Schaltungsentwurfs in die Praxis ist das Steckbrett oder auch Steckplatine. Es dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung von Bauelementen für Versuchsschaltungen und Experimente. Größter Vorteil einer Steckplatine: Bedrahtete Komponenten lassen sich in die Kontaktbuchsen einführen und unversehrt wieder herausziehen. Die Buchsen der Steckplatine sind in einem festgelegten Schema miteinander verbunden und verfügen in der Regel über das klassische Rastermaß von 2,54 Millimeter. Elektrische Verbindungen werden mit Drahtbrücken realisiert.
Steckplatinen gibt es in unterschiedlichen Größen und Ausführungen, mit und ohne Stromversorgungsleiste. Über Kontaktzungen und -nuten sind Steckplatinen an allen Seiten anreihbar.
Platinen für die Schaltungsentwicklung
Gängige Basis zur Umsetzung eines Schaltungsentwurfs in die Praxis ist das Steckbrett oder auch Steckplatine. Es dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung von Bauelementen für Versuchsschaltungen und Experimente. Größter Vorteil einer Steckplatine: Bedrahtete Komponenten lassen sich in die Kontaktbuchsen einführen und unversehrt wieder herausziehen. Die Buchsen der Steckplatine sind in einem festgelegten Schema miteinander verbunden und verfügen in der Regel über das klassische Rastermaß von 2,54 Millimeter. Elektrische Verbindungen werden mit Drahtbrücken realisiert.
Steckplatinen gibt es in unterschiedlichen Größen und Ausführungen, mit und ohne Stromversorgungsleiste. Über Kontaktzungen und -nuten sind Steckplatinen an allen Seiten anreihbar.
Platinen für Prototypen
Hat sich ein Schaltungsentwurf im Aufbau auf Steckplatinen bewährt, steht oft die Produktion von Prototypen an. Das Angebot an dafür geeigneten Platinen ist sehr groß und sollte sich zunächst auf die erforderliche Größe beziehen. Ist diese festgelegt – zum Beispiel auf die Europlatine mit 160 mal 100 Millimeter –, ist die Konfektionierung zu wählen. Sie richtet sich in erster Linie nach persönlichen Erfahrungen im Löten und dem zur Verfügung stehenden Equipment.
Für die Handverdrahtung eignen sich besonders gut Punkt- und Lochrasterplatinen sowie Streifenrasterplatinen. Punktrasterplatinen enthalten Bohrungen im üblichen Rastermaß von 2,54 Millimeter. Jede Bohrung ist von einer runden oder viereckigen Kupferfläche umgeben, entweder nur einseitig oder doppelseitig. Für die Montage der Bauelemente sind die Anschlussdrähte oder Kontaktflächen durch die Bohrungen zu führen beziehungsweise aufzulegen und anzulöten. Elektrische Verbindungen lassen sich durch Drahtbrücken herstellen.
Ähnlich wie die Punktrasterplatinen sind Lochrasterplatten aufgebaut. Sie besitzen jedoch keine Kupferschicht oder Lötpunkte. Die Kontaktierung der THT-Komponenten erfolgt üblicherweise über die Rückseite mit gelöteten Drahtverbindungen.
Streifenrasterplatinen ähneln ebenfalls den vorgenannten Typen, die Kupferschicht besteht hier aber aus streifenförmigen Elementen, die wahlweise zu Einheiten miteinander verbunden sind.
Platinen für die Serienproduktion
Nachdem Tests mit Steckplatinen und Prototypen hinsichtlich der Funktion erwartungsgemäß gelaufen sind, ist der nächste Schritt die Produktion von Kleinserien. Schon bei kleinen Stückzahlen kann sich aber herausstellen, dass die Herstellung in Prototyp-Technik zu viel zeitlichen Aufwand erfordert. Insgesamt schneller im Einzelnen allerdings im Zubehör recht aufwändig ist die Herstellung echter gedruckter Schaltungen aus vollständig kupferkaschierten Platinen. Solche in vielen verschiedenen Abmessungen erhältlichen Leiterplatten sind üblicherweise mit UV-empflindlichem Lack versehen.
Die Leiterbahnen und Lötpunkte sind zunächst auf die Lackschicht zu übertragen, zum Beispiel über Laser-Ausdrucke auf hauchdünnem Papier oder Film. Für das platinengerechte Layout – Experten sprechen hier auch vom Leiterplatten-Entflechten – steht kostenlose oder preisgünstige Software für alle populären Betriebssysteme zur Verfügung.
Nachdem der Ausdruck des Layouts wird auf die Platine gelegt und mit einem speziellen UV-Gerät belichtet wurde, erfolgt das Entwickeln. Dafür sind spezielle Entwickler oder auch konzentrierte Natronlauge erforderlich. Je nach Belichtungszeit und Konzentration der Entwicklerlösung erscheinen die Leiterbahnen schon nach wenigen Sekunden. Wie beim Entwickeln von Fotopapier im klassischen Schwarzweiß-Labor ist der letzte Schritt das Fixieren der Leiterbahnen, hier Ätzen genannt. Sinn ist auch hier das Entfernen der noch übrig gebliebenen lichtempfindlichen Schicht mitsamt dem darunterliegenden Kupfer. Dafür wird eine Lösung mit Eisen-(III)-Chlorid genutzt. Bei stetiger Bewegung ist die Platine nach etwa 10 Minuten geätzt und muss nur noch sorgfältig abgewaschen werden.
Das Belichten, Entwicklen und Ätzen lässt sich zwar auch mit Bordmitteln wie UV-Strahlern, laugebeständigen Wannen, Klammern und Haltevorrichtungen durchführen, einfacher und vor allem sicherer erfolgt die Herstellung von gedruckten Schaltungen mit dafür vorgesehener Profi-Ausrüstung. Und wer das gesamte Procedere scheut: Es gibt Unternehmen, die sich auf die Herstellung fertiger Platinen sowohl für Kleinserien als auch für große Stückzahlen spezialisiert haben. Dazu ist einfach das Layout in gängigen Datenformaten zu übermitteln.