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Leiterplatten – elektrische Verbindung und mechanische Befestigung

Verbindungen zwischen elektronischen Systemen werden durch sogenannte Leiterplatten hergestellt. Diese Bauteilträger bestehen meist aus kupferkaschierten und glasfaserverstärkten Kunststoffplatten. In den vergangenen Jahren entstand durch Weiterentwicklungen im Technikbereich der Bedarf nach kleineren elektronischen Systemen, sodass inzwischen Bauteile entwickelt wurden, die in das Innere der Leiterplatten integriert werden. Zu den verschiedenen Leiterplattenarten gehören einseitige Leiterplatten ebenso wie Multilayer-Platten und Sondertechniken für spezielle Anwendungen.

Verwendung von Leiterplatten im Technikbereich


Während solche Platten früher noch aus isolierten Materialien wie Pertinax bestanden, werden heute vorwiegend in Epoxidharz getränkte Glasfaserplatten verwendet. Ein Grundstoff gilt nur dann als geeignetes Basismaterial, wenn dieser eine geringe Wasseraufnahmetendenz sowie gute Hochfrequenzeigenschaften und Kriechstromfestigkeit aufweist. Bei speziellen Anwendungen kommen auch Materialien wie Polyesterfolie, Keramik oder Teflon zum Einsatz. Als Träger elektronischer Bauteile dient die Leiterplatte zur elektrischen Verbindung sowie zur mechanischen Befestigung. In fast allen elektronischen Geräten wie Computer, Mobiltelefon oder Fernseher sind eine oder mehrere Leiterplatten enthalten. Vor der Verwendung von Leiterplatten im Technikbereich wurden elektronische Schaltungen üblicherweise frei verdrahtet. Dabei nutzte man Bauteile wie Drehkondensatoren, Potentiometer, Sockel von Elektronenröhren sowie Schalter mit Lötösen als mechanische Stützpunkte. Abhängig vom Verwendungszweck mussten die Bauelemente rechtwinklig angeordnet werden, in den meisten Fällen wurde jedoch eine direkte, schräge Verbindung gewählt. Größere Bauteile wie Kondensatoren konnten auch Distanzen von einigen Zentimetern überbrücken. Mit dem Einsatz von Leiterplatten wurde bereits am Anfang der 1950-er Jahre begonnen. Trotz der technischen Weiterentwicklungen in den vergangenen Jahren wird auch heute noch ein Großteil der in elektronischen Geräten eingesetzten Leiterplatten aus einseitig kaschiertem Material sowie mit bedrahteten Bauteilen angefertigt. Die fortschreitende Miniaturisierung erfordert derzeit weitere Verbesserungen, sodass auf der Unterseite der Platten zunehmend SMD-Bauteile eingesetzt werden. Gleichzeitig werden die Durchsteckbauelemente von oben bestückt. Damit die Kleinteile beim Löten nicht abfallen, werden die SMD-Bauteile zusätzlich geklebt. Bei komplexen Baugruppen wie Computern sowie im Bereich der Industrieelektronik und im Mobilfunksektor werden vor allem Mehrlagenplatinen eingesetzt. Die Komplexität der Anwendungen erfordert sorgfältige Kontrollen. Deshalb werden Leiterplatten häufig noch vor der Auslieferung umfangreichen Prüfungen unterzogen. Dazu zählen visuelle Kontrollen, die bereits zwischen den einzelnen Fertigungsschritten durchgeführt werden. Generell bestehen Leiterplatten aus elektrisch isolierendem Material. Die daran haftenden leitenden Verbindungen werden als Leiterbahnen bezeichnet. Als isolierendes Material wird hauptsächlich faserverstärkter Kunststoff verwendet. Zumeist werden die Leiterbahnen aus einer dünnen Schicht Kupfer geätzt, bevor die Bauelemente in Lötaugen oder auf Lötflächen gelötet werden. Dadurch können sie gleichzeitig elektrisch verbunden sowie mechanisch gehalten werden. Falls die Anwendung dies erfordert, können größere Komponenten mithilfe von Klebstoff, Verschraubungen oder Kabelbindern auf der Leiterplatte befestigt werden. Die geforderte Packungsdichte kann jedoch häufig aufgrund der vielen Kontakte, die Mikroprozessoren sowie andere elektronische Bauteile besitzen, nicht realisiert werden, sodass ein- oder doppelseitig beschichtete Leiterplatten für diese Zwecke nicht mehr ausreichen.

Mehr Effizienz durch verkürzten Arbeitsvorbereitungsaufwand


Da gedruckte Schaltungen zu viele Kreuzungspunkte haben, stellte man schon in den 1970-er Jahren mehrlagige Leiterplatten her. Deren Leitungsführung erfolgte auf mehreren kreuzungsfreien Lagen. Mehrlagige Leiterplatten werden auch als Multilayer-Leiterplatten (MLB) bezeichnet. Diese Leiterplatten können aus bis zu 48 Lagen bestehen. Mit einem Multilayer ist deshalb auch das Verpressen verschiedener Materialien im Rahmen des sogenannten Sandwich-Aufbaus möglich. Aufgrund immer schnellerer Taktfrequenzen werden häufig Impedanzkontrollierte Multilayer-Leiterplatten verwendet. Bei der Realisierung eines individuellen Lagenaufbaus kann ein Leiterplatten-Online-Kalkulator helfen, der die Berechnung von Multilayer-Platten bis zu 10 Lagen ermöglicht. Grundsätzlich sind Multilayer-Leiterplatten lagenweise und in Bezug auf die Innenlagen, Kupferlagen und Prepegs symmetrisch aufgebaut. Die Innenlagen, die aus bestimmten Trägermaterialien bestehen, besitzen standardmäßig Materialstärken zwischen 0,10 und 1,20 Millimeter. Meist befinden sich zwei Prepregs zwischen den verschiedenen Lagen. Multilayer-Leiterplatten kommen vor allem in der HDI-Technik, im Bereich der Surface Mounted Technology (SMT) und High Density Interconnect zum Einsatz. Für diese Verwendungsbereiche werden Leiterplatten mit 4 bis 10 Einzellagen verwendet, abhängig vom Verwendungszweck sind auch bis zu 50 Lagen realisierbar. Die Verbindung zwischen den Lagen wird mithilfe der Microvia-Technik hergestellt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um minimale Bohrungen mit einem Laser, um elektrische Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Lagen zu erzeugen. Die Microvia-Technik wurde zur Erzeugung einer hohen Verdrahtungsdichte entwickelt, sodass die äußeren Lagen von Multilayer-Leiterplatten miteinander verbunden werden können. Das Verfahren, das für seine hohe Zuverlässigkeit bekannt ist, gilt als zukunftssichere Technik, da die Bauteile immer kleiner  werden. Darüber hinaus soll die Microvia-Anwendung zur Verringerung parasitärer Induktivitäts- und Kapazitätseffekte führen. Passive und aktive Komponenten können auf den Innenlagen von Multilayer-Leiterplatten auch mithilfe der Embedded-Component-Technology (ECT) eingebettet werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, Dünnschichtwiderstände, Transistoren, Kapazitäten odr Streifenleitungen zwischen den Lagen unterzubringen. ZU den neuesten Entwicklungen im Bereich Leiterplatten zählt, dass als Basismaterial auch Glas eingesetzt wird. Bei hohen Anforderungen an die Wärmeabführung verwendet man auch Aluminium, da dieses Basismaterial über elektrisch isolierte Metallkerne verfügt. Für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen oder hoher Luftfeuchtigkeit kommen auch Grundmaterialien mit integrierten Heizelementen infrage, da diese eine Betauung oder Unterkühlung der Schaltung verhindern. Im Bereich der Technikforschung wird derzeit an alternativen, umweltfreundlichen Materialien geforscht.