Was ist eine gedruckte Schaltung (PCB)? Bedeutung und Typen

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Heutzutage bestehen fast alle elektronischen Geräte aus Leiterplatten. Der Begriff Leiterplatte steht für “printed circuit board”. Da sie heute als solide Grundlage für neue elektronische Technologien dienen, werden alle kleinen Teile, die ein Gerät betreiben können, auf irgendeine Weise an diesem Material befestigt, und dieses Material schafft somit die notwendigen elektrischen Pfade, damit diese kleinen Teile miteinander kommunizieren können.

PCB und seine Verwendung

Eine Leiterplatte ist eine flache, nicht leitende Platine aus einem nicht leitenden Material, auf der die Komponenten untergebracht sind. Auf dieser Platine befinden sich eine Reihe von dünnen Kupferdrähten, die Leiterbahnen genannt werden und elektrische Signale von einer Komponente zur anderen übertragen, ähnlich wie Drähte Signale übertragen.

Gäbe es keine Leiterplatte, würde die Verbindung all dieser Einzelkomponenten zu Tausenden unabhängiger Kabelbäume führen; eine Produktion in großem Maßstab wäre daher unmöglich und unzuverlässig.

Eine Leiterplatte löst zwei große Probleme:

1. Die physische Montage der Komponente wird an einem bestimmten Ort erfolgen, um den systematischen Zusammenbau der Komponenten und die Skalierbarkeit der Herstellung zu erleichtern.
2. Die Kupferleiterbahnen sorgen für einen etablierten und stabilen Stromkreis, der eine konsistente und zuverlässige elektrische Übertragung ermöglicht.

Eine fertige Leiterplatte mit allen darauf gelöteten elektronischen Bauteilen nennt man eine Leiterplattenmontage. Der Unterschied zwischen PCB und PCBA besteht also darin, dass PCB eine nackte Leiterplatte ist, während PCBA die fertige, voll funktionsfähige Leiterplatte ist.

Wie funktioniert eine Leiterplatte?

Die Aufgabe einer Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) ist sehr einfach, aber sehr wichtig: Sie leitet den Strom durch die verschiedenen Teile des Schaltkreises.

Der erste Schritt in diesem Prozess ist ein Entwurf, ein Schema der Schaltung, das enthält, wo jedes Teil hingehört und wie der Strom durch jedes Teil fließt. Die Leiterplatte selbst besteht häufig aus einer Art Glasfaserverbundstoff, der als FR-4 bekannt ist. Dieser leitet keinen Strom, damit sich die elektrischen Signale, die durch die einzelnen Leiterbahnen fließen, nicht gegenseitig stören.

Tipp: FR-4 ist die Abkürzung für “Flame Retardant 4”.

Normalerweise wird die Leiterplatte zusammengebaut, indem die Komponenten durch Löten mit den Pads verbunden werden. Lötzinn ist eine Metalllegierung, die leicht schmilzt und eine starke elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Bauteilanschlüssen und den Lötaugen auf der Leiterplatte herstellt.

Wenn das Gerät mit Strom versorgt wird, sendet die Leiterplatte über ihre Leiterbahnen Strom an alle Komponenten und sendet gleichzeitig Datensignale über verschiedene Leiterbahnen, um die Komponenten mit den Anweisungen für den Betrieb zu versorgen. Diese Organisation des Stromflusses ist es, die ein modernes Gerät so zuverlässig und erschwinglich macht.

Aus welchen Komponenten besteht eine Leiterplatte?

Auch wenn Leiterplatten identisch aussehen, bestehen sie in Wirklichkeit aus mehreren Schichten, die zu einer einzigen Platte zusammengepresst werden. Die folgenden Schichten bilden das, was wir eine Leiterplatte nennen:

Trägermaterial: Dies ist der Hauptbestandteil einer Leiterplatte und macht in der Regel die größte Fläche der Platine aus. Es besteht in der Regel aus FR-4-Material und dient als Struktur, bietet elektrische Isolierung und ist flammhemmend.

Kupferschicht: Jede Leiterplatte hat eine Kupferschicht, die aus dünnen Kupferfolien besteht, die auf die Ober- und/oder Unterseite des Substrats laminiert sind. Bei mehrlagigen Leiterplatten werden die Kupferschichten durch Substratschichten getrennt, wobei das Kupfer weggeätzt wird, so dass nur das Schaltungsmuster übrig bleibt, das zur Definition der Leiterbahnen und Punkte dient.

Lötstoppmaske: Die Lötstoppmaske wird auf eine Kupferschicht aufgetragen und besteht aus einer Polymerbeschichtung. Die Lötstoppmaske verhindert die Oxidation des Kupfers und verhindert “Lötbrücken”, eine unbeabsichtigte elektrische Verbindung zwischen den beiden Punkten.

Der Silkscreen. Die Siebdruckschicht wird in der Regel mit weißer Tinte gedruckt. Sie dient den Ingenieuren und Monteuren als Referenz, um die verschiedenen Komponenten auf den Leiterplatten zu lokalisieren.

Welche Arten von PCBs gibt es?

Leiterplatten werden hauptsächlich nach ihrer Lagenzahl und Steifigkeit klassifiziert.

Sie ist nach Ebenen geordnet.

Einseitig - Dies ist der einfachste und preiswerteste Typ. Die Komponenten und Leiterbahnen befinden sich auf einer Seite der Leiterplatte. Dieser Typ wird in Geräten wie Taschenrechnern verwendet.

Doppelseitig - Dieser Typ hat Kupferbahnen auf beiden Seiten der Leiterplatte. Die beiden Seiten sind durch plattierte Löcher, sogenannte Vias, miteinander verbunden. Dieser Typ wird typischerweise in industriellen Steuerungen und Stromversorgungsschaltungen verwendet.

Dreilagig - Wird in Smartphones und Laptops verwendet. Dieser Typ besteht aus drei oder mehr Kupferschichten, die zusammenlaminiert wurden, um eine Verdichtung und komplexe Signalführung zu ermöglichen.

Sie wird nach ihrer Steifigkeit klassifiziert.

Starr - Hergestellt aus festen Materialien, wie z.B. FR-4. Starre Materialien können sich nicht biegen. Computer-Motherboards sind ein gutes Beispiel dafür.

Flex-Schaltung - Aufgebaut auf einer flexiblen Kunststofffolie. Flex-Schaltkreise können gefaltet oder gebogen werden, damit sie z.B. in Kameras und Wearables Platz finden.

Starr-Flex-Schaltung - Eine hybride Kombination, bei der ein flexibles Ende starre Platten verbindet. Dies macht den Einsatz von schweren Steckern und Kabeln überflüssig und ist ideal für Luft- und Raumfahrt und militärische Anwendungen.

Der PCB Design- und Herstellungsprozess

Für die Erstellung funktionaler Leiterplatten sind drei wesentliche Schritte erforderlich: Design, Herstellung, und Montage.

In der Schaltplanphase entwerfen die Ingenieure ein Logikdiagramm und definieren mit Hilfe von CAD-Software, wie alle Schaltkreise und Verbindungen einer Leiterplatte funktionieren.

In der Phase des physischen Layouts platzieren die Designer die digitalen Footprints auf der Leiterplatte und verlegen dann die Leiterbahnen, um sie miteinander zu verbinden, ohne sich gegenseitig zu behindern.

Als Teil des Designprozesses werden Design Rule Checks durchgeführt, um zu überprüfen, ob das Design die erforderlichen Fertigungskapazitäten erfüllt, um zu verhindern, dass die Leiterplatte aufgrund von Komponenten außerhalb der Spezifikation ausfällt.

Gerber-Dateien werden aus der CAD-Software exportiert. Die Gerber-Dateien enthalten alle Daten, die das Werk zur Herstellung einer Leiterplatte benötigt, einschließlich der Kupferlagen, der Lötmaske usw.

Nachdem die Fabrik die Gerberdateien erhalten hat, beginnt sie mit dem Herstellungsprozess, indem sie ein Substrat für eine Leiterplatte ausschneidet, die Löcher bohrt und die Kupfermuster mit Fotolack und ultraviolettem Licht ätzt.

Nach der Herstellung der nackten Leiterplatte wird mit der Montage begonnen. Bestückungsautomaten setzen die oberflächenmontierten Bauteile automatisch auf die Pads. Danach durchlaufen die Leiterplatten das Reflow-Löten. Durch die beim Reflow-Löten erzeugte Hitze schmilzt die Lötpaste, um die SMD-Bauteile dauerhaft mit der Leiterplatte zu verbinden.

Schließlich werden die fertigen Platinen vor dem Versand an die Kunden mit Prüfspitzen elektrisch getestet, um sicherzustellen, dass keine offenen oder kurzen Schaltkreise vorhanden sind.

Wo werden PCBs verwendet?

PCBs sind in fast allen modernen Produkten enthalten. elektronisches Produkt, mit Anwendungen in allen Branchen und im täglichen Leben.

• Unterhaltungselektronik: Dichte, mehrlagige Leiterplatten versorgen Laptops, Smartphones und Smart-Home-Geräte; PCB-Innovationen ermöglichen kleinere, leistungsfähigere Gadgets.
• Computer & Bürobedarf: Desktop-Hauptplatinen und Bürogeräte sind auf PCBs angewiesen.
• Automobilsektor: Ein schnell wachsender PCB-Anwender - die Steuergeräte moderner Autos sind auf PCBs angewiesen. Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme und Elektrofahrzeuge steigern die Nachfrage nach robusten Leiterplatten für die Automobilindustrie.
• Industrielle Anwendungen: Langlebige PCBs unterstützen Fertigungssteuerungssysteme, Robotik und branchenübergreifende Technologien (z. B., Erkennung der Zusammensetzung von Düngemitteln Systeme). Sie widerstehen rauen Bedingungen.
• Medizinischer Bereich: Spezialisierte Leiterplatten ermöglichen zuverlässige Geräte, oft mit kompakten Starr-Flex-Designs.
• Militär/Luft- und Raumfahrt: Die hochmodernen PCBs funktionieren auch in extremen Umgebungen einwandfrei und stehen für erstklassige PCB-Technologie.

Fazit

Leiterplatten sind ein einfaches, aber unglaublich wichtiges und leistungsstarkes Stück Technologie. Der Einsatz von Leiterplatten ist vielfältig und reicht von einfachen, einseitigen Leiterplatten bis hin zu komplexeren, starr-flexiblen Leiterplatten, die strukturelle Unterstützung und die elektrischen Leitungen liefern, die unsere Welt antreiben. Leiterplatten sind auch der Grundbaustein für einen Großteil der Technologie, die wir heute in Computern, mobilen Geräten und Automobilen verwenden.