Entwicklung, Layout, Leiterplatten 

Die Vorgehensweise bei dem Layout der Leiterplatte ist somit:

Layout der Leiterplatte 

Ab den 60er Jahren zeichnete man das Layout im Maßstab 2:1 mit Tusche auf Pergamentpapier, oder in Klebetechnik auf Rasterfolien und diese wurden reprographisch in 1:1 verkleinert. Ab den 90er Jahren erstellte man Layout in CAD Technik. Die Ausgabe erfolgte in Gerberdaten mit separater Blendentabelle und Bohrdaten mit Drillinfo. Aus diesen Daten wurde über Fotoplotter ein Filmsatz erstellt.

Aktuelle Layoutprogramme für die sogenannte Electronic Design Automation (EDA) ermöglichen die Erzeugung eines Verbindungsplanes und der entsprechenden Darstellung („Rattennest“) aus einem Stromlaufplan und beinhalten umfangreiche Bauteil-Bibliotheken, in denen für jedes Bauteil auch die dazugehörigen Gehäusegeometrien, technische Daten und die Lage und Größe der Lötpads (Footprint) enthalten sind. Automatische Leiterplattenentflechtung (Autorouting) anhand eines gegebenen Stromlaufplanes und der Vorgabe von Design-Regeln, Platzierung der Bauteile und Entflechtung der elektrischen Verbindungen ist heute bei einfachen Leiterplatten Standard. Eine manuelle Entflechtung des Layouts ist immer einem Autorouter vorzuziehen, da bei manuellem Routen die langen Verbindungen zuerst und danach die kürzeren Verbindungen geroutet werden.

Strombelastbarkeit (Stromdichte) von Leiterbahnen ist ein wichtiger Design-Aspekt. Sie kann wesentlich höher als diejenige von Massivdrähten liegen, da das Substrat durch Wärmeleitung kühlt. Neuste Layout-Software kann die Strombelastbarkeit im wesentlichen berücksichtigen. Neueste Layout- Software kann inzwischen ansatzweise auch EMV-Aspekte innerhalb der Platine berücksichtigen.

Material für die Leiterplatte

Materialbezeichnungen für die Leiterplatte:

Siebdrucktechnik

Anstatt eines fototechnischen Verfahrens wird auch die Siebdrucktechnik häufig angewandt um z.B. Lötstopplack auf die Leiterplatte aufzubringen, oder dies wird auch angewandt um einen Positionsdruck auf eine Leiterplatte zu drucken. Die Siebdrucktechnik wird allerdings nur bei groben Strukturen angewandt, da immer mit einem Abriss des Lacks zu rechnen ist.

Prototypen auf Lochrasterplatine, oder im Pool

Prototypenaufbau auf einer Lochrasterplatine

Zwei Ausführungen von Lochrasterplatinen im Raster 2,54 mm, mit quadratischen bzw. runden Lötpads. Die quadratischen Pads entstanden durch Fräsen und die runden durch Ätzen.

1 Stück einer unbestückten Lochrasterplatte mit einem Rastermaß von 2,54 mm und mit einem Rastermaß von 1,27 mm für den Aufbau von Prototypenschaltungen.

Vor einer Serienfertigung ist es ratsam, eine Schaltung zu testen, um die Kosten für die Erstellung der Filme und Nebenkosten zu riskieren.

Fertigung im Pool:

Viele Hersteller bieten die Fertigung von Einzelstücken und Kleinstserien im Pool an, d. h. mehrere Layouts werden in einem  Nutzen zusammengefasst und werden auf einer großen Platte gebohrt, durchkontaktiert, belichtet, geätzt, mit Lötstopplack versehen und danach ausgefräst.

Experimentier-Leiterplatte:

Lochrasterplatinen weisen Bohrungen oder Lötaugen (einseitig oder durchkontaktiert) in einem Raster auf, das für Elektronikbauteile üblich ist, also das Raster 2,54 mm (manchmal auch Raster 2,5 mm) oder die Hälfte davon. Verbindungen kann man durch das Löten mit Draht, in Fädeltechnik oder in Wickeltechnik herstellen. Oft sind mehrere Augen bereits durch Leiterbahnen verbunden (z. B. für Betriebsspannungen), oder man hat längere und kürzere Leiterbahnen zur Verfügung, die den in der Praxis vorkommenden Anforderungen möglichst nahe zu kommen versuchen. Auch komplett mit parallelen Leiterbahnen versehene Experimentierplatinen (Lötstreifenplatine) sind üblich. Hier muss man Trennungen mit einem Werkzeug herstellen. Weiterhin gibt es kleine Hilfsplatinen für gängige SMD-Gehäuseformen.

Frästechnik bei einer Leiterplatte:

Bei Frästechnik werden z.B. mit einem 2,40mm Fräser die Leiterplatten gefräst mittels Stegen und zum besseren Ausbrechen werden kleine Bohrungen in bleibenden Stegen gebohrt. Mit CAD-Software können meist auch die Fräsdaten ausgegeben werden, so dass Prototypen in einigen Minuten zu fertigen sind.

Tonertransfermethode bei einer Leiterplatte:

Hierbei wird das Layout mit einem Schwarzweiss-Laserdrucker spiegelverkehrt auf geeignetes Papier gedruckt und anschließend mit Bügeleisen oder Laminiergerät auf die Platine aufgebügelt. Der Toner wird dabei leicht flüssig und verbindet sich mit dem Kupfer der Platine. Anschließend wird das Papier wieder mit Wasser abgelöst – der Toner verbleibt auf dem Kupfer. Darauf folgt der Ätzvorgang, wobei die Tonerstellen stehenbleiben. 

Filzstiftverfahren bei einer Leiterplatte:

Die Leiterbahnen und Lötaugen können auch direkt mit einem wasserfesten Filzstift (sog. Permanent Marker) auf das Basismaterial aufgezeichnet werden. Die Filzstiftfarbe dient als Ätzresist bei dem Ätzvorgang. Nach dem Ätzen wird die Farbe dann mit Spiritus oder Aceton entfernt.Wird das Verfahren analog mit einer Kunststofffolie angewandt, so lässt sich die entstandene Maske auch für das Photopositivverfahren verwenden und ermöglicht auf diese Weise eine Massenproduktion bei unkomplizierten Leiterplatten für den Hobbygebrauch.

Historie der Leiterplatte

Vor der maschinellen Einführung von Leiterplatten wurden damals elektronische Schaltungen frei verdrahtet. Bauteile waren z.B. Potentiometer, Drehkondensatoren und Schalter mit ihren Lötösen. Je nach Herstellertyp versuchte man eine übersichtlich rechtwinklige Anordnung der Bauelemente, oder wählte immer die direkte und schräge Verbindung. Bauelemente wie Kondensatoren, oder Widerstände waren damals sehr groß und konnten Distanzen von einigen Zentimetern überbrücken. Elektronische Geräte wurden nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes zu gefertigt.

Erster Vorläufer war ab den 1920er Jahren die gestanzten Leiterzüge, die auf Hartpapier aufgenietet wurden. Die Bauelemente wurden ohne Lötverbindung zwischen Blechfedern getragen. Ein Wiener Elektronik-Ingenieur Namens Paul Eisler, ließ sich 1943 das Prinzip der gedruckten Leiterplatte patentieren. Dieses Patent fristete lange Zeit neben der regulären Handverdrahtung ein unbedeutendes Schattendasein . Erst mit der zunehmenden Miniaturisierung der Elektronik nahm die Bedeutung dieser Technik zu. Um 1940 wurden bestückte Leiterplatten mittels Siebdruck von Silberleitlack auf der Grundplatte hergestellt. Auf Keramiksubstrate gedruckte und eingebrannte Leiterbahnen und Widerstände werden demgegenüber unter dem Begriff Dickschichttechnik geführt.

Fertigungstechnik der Leiterplatte

Leiterplattenproduktion begann Anfang der 1950er Jahre durch die von Fritz Stahl gegründeten Ruwel-Werke in Geldern. Bis zu diesem Zeitpunkt wurden elektronische Bauteile frei verdrahtet. Die bestückten Leiterplatten waren nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes zu fertigen. Bei bestückten Leiterplatten werden dagegen die Anschlussdrähte der Bauteile von oben durch Bohrlöcher durch die Leiterplatte gesteckt (english auch Through Hole Technology, THT genannt) – eine auch heute noch weit verbreitete Technik. Auf der Unterseite (Lötseite, oder Bottom Layer genannt), befinden sich die Lötpads, an denen sie festgelötet werden. Das erlaubt eine vereinfachte und automatisierbare Fertigung, gleichzeitig sinkt die Fehlerrate bei der Produktion, da Verdrahtungsfehler damit für die Schaltung auf der Leiterplatte ausgeschlossen werden. Komplexere einlagige Leiterplatten erfordern zusätzliche Verbindungen, die nicht im Layout herstellbar sind. Diese werden durch Lötbrücken, mittels abgewinkelter Drähte oder Null-Ohm-Widerstände hergestellt. Alternativ nutzt man für diese Verbindungen Kupferbahnen auf beiden Seiten der Leiterplatte (doppellagige Leiterplatte, DL). Verbindungen zwischen oberer (Bestückungsseiter oder Toplayer genannt) und unterer Seite wurden durch Löten eingepresster Stifte oder Niete erzeugt. In den 60er Jahren wurden die elektrischen Verbindungen (Durchkontaktierungen, DK, english vias genannt) durch die Leiterplatte hindurch mi Hilfe von chemischen Verbindungen Durchmetallisierung der Lochwände der Bohrungen erzeugt und wurden danach galvanisch verstärkt. Um Kosten einzusparen werden heute noch einlagige Leiterplatten hergestellt, wenn es die Schaltung es erlaubt. Gegenüber einer doppelseitigen, durchkontaktierten Leiterplatte liegen die Kosten für eine gleich große einseitige Leiterplatte bei ca.50 %, zu einer doppelseitigen Leiterplatte. Seit Mitte der 1970er Jahre gibt es Bestückungsautomaten, daher werden Schaltungen immer komplexer und kleiner, da SMD Bauteile gleich mehrere Funktionen erfüllen. Moderne Leiterplatten mit hoher Packungsdichte und oberflächenmontierbaren Bauteilen (SMD) können jedoch nicht von Hand bestückt werden. Sogenannte „Pick & place“-Automaten übernehmen die Handhabung der teilweise weniger als 1 mm² großen Bauteile. Zunehmend werden im Anschluss an das Reflowlöten der auf beiden Seiten bestückten SMD, die THT-Bauelemente von Hand bestückt und anschließend selektiv gelötet.

Leiterplattentechnologien - Leiterplatte mit bedrahteten Bauelementen 

Unkomlizierte Leiterplatten werden auch heute noch aus einseitig kaschiertem Material und mit bedrahteten Bauteilen hergestellt. Mit fortschreitender Miniaturisierung werden z.B. auf einer Seite SMD-Bauteile eingesetzt, während die Durchsteckbauelemente von der anderen Seite bestückt werden. Die SMD-Bauteile werden auf der aufgebrachten Lotpaste bestückt, so dass sie beim Löten nicht abfallen und danach in Lötofen (im Durchlauf) gelötet.
Komplexere Leiterplatten werden als Mehrlagenschaltungen hauptsächlich in SMD Technik ausgeführt, dadurch wird bei kleiner Leiterplatte größere Funktionalität erreicht (Anwendungen z.B. Mobiltelefone Computertechnik und Industrieelektronik).

SMD Leiterplatte

Ab Mitte der 1980er Jahre begann man damit SMD Bauteile einzusetzen.  SMD Bauelemente (engl. Surface Mounted Devices, kurz SMD) ermöglichten es, die Packungsdichte zu erhöhen und trugen zu einer enormen Verkleinerung von elektronischen Geräten bei. Weiterhin wurden auch SMD-Bauteile auf  beiden Seiten einer Leiterplatte bestückt, dazu werden zunächst die auf der Bestückungsseite die anzubringenden Bauteile auf der Platine bestückt, und wenn die SMD Paste ausgehärtet ist wird die andere Seite bestückt. Der Lötvorgang wird dann im Reflowlötverfahren gelötet. Weitere Gründe für die Entwicklung des SMD-Verfahrens waren die stetig steigenden Frequenzen elektronischer Baugruppen. Durch den Einsatz von SMD Bauteilen konnten die Leitungslängen und die damit verbundenen parasitären Induktivitäten und Kapazitäten reduziert werden.

Vorteile von SMD-Bauteilen ist auch die einfache Handhabung in automatischen Bestückungssystemen. Bei bedrahteten Bauteilen ist es immer ein wesentliches Problem, mit allen Anschlüssen die Bohrungen zu treffen und die zulässigen Biegeradien der Anschlussdrähte mit dem Biegemaß einzuhalten, weshalb große bedrahtete Bauteile auch heute noch in ansonsten automatisierten Fertigungen von Hand eingesetzt werden.

Mehrlagige Leiterplatten, auch Multilayer Leiterplatte genannt 

Um bei immer kleiner werden SMD-Bauteilen und deren Packungsdichte gerecht zu werden, , reicht es nicht aus, wird heutzutage auch doppelseitig bestückt. Nach doppelseitigen Leiterplatten begann man, mehrere Leiterplatten mit sog. Prepregs aufeinanderzukleben und dadurch entstanden Multilayer Leiterplatten. Mehrlagige Multilayer Leiterplatten können bis zu 50 Lagen, oder in Einzelfällen auch mehr Lagen haben. Gänig sind z. B. vier bis acht Lagen bei PC´s und bis zu zwölf Lagen in Mobiltelefonen. Verbindungen zwischen den einzelnen Lagen werden mit Durchkontaktierungen („VIAs“) hergestellt. Multilayer Leiterplatten werden auch bei geringerer Packungsdichte notwendig, wenn es sich z.B. um eine induktionsarme Stromversorgung aller Bauteile handelt. Es werden z.B. in den Innenlagen Abschirmungen vorgesehen.

Es sollten folgende Punkte beim Lagenaufbau beachtet werden:

• 2 Prepregs zwischen den Lagen - (Isolation und Harzverfüllung sind sonst kritisch)

• Die Mehrlagenschaltung soll symmetrisch aufgebaut werden -  bzgl. der Innenlagen Dicken, wenn Sie verschiedene Kernstärken verwenden wollen, als auch der Prepregs.

• Es soll Aspect-Ratio von ≥ 1:8 beachtet werden. Das bedeutet ein Verhältnis kleinster Bohrdurchmesser zur Pressdicke.

• Eine ungleichmäßige Kupferverteilung sollte auf einer Innenlage vermieden werden - (Gefahr dabei ist eine Verwindung und eine Verwölbung.

• Die Impedanzkontrollierten Leiterbahnen unbedingt auf die Innenlagen legen. Der Querschnitt der Leiterbahnen ist aufgrund der eng tolerierten Kupferauflagen so genauer reproduzierbar.

• Die Restringe auf den Innenlagen sollten umlaufend mindestens 0,13 mm haben und die Freistellungen mindestens 0,35 mm größer als der dazugehörende Bohrdurchmesser sein – Ihre Bestückungsbohrungen werden 0,15 mm und Vias 0,10 mm größer als der von Ihnen angegebene Enddurchmesser gebohrt.