Starre Leiterplatten: Die Welt der elektronischen Schaltungen beginnt hier
Starre Leiterplatten bzw. starre Platinen, sind aus vielen elektronischen Geräten nicht wegzudenken. Sie verfügen über – wie der Name schon sagt – starre Lagen, meist aus gewebtem, glasfaserverstärktem Laminat und sind Träger kleinster elektronischer Schaltungen, die über Kupferbahnen und metallische Durchkontaktierungen in zwei- oder mehrschichtigen Platten miteinander verbunden sind. Dabei unterscheidet man einseitige, doppelseitige und mehrlagige PCBs. Die Anzahl der Lagen hängt dabei von der Komplexität der elektronischen Schaltung und dem verfügbaren Platz im Gehäuse ab. Starre Leiterplatten zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit, erprobte Herstellungsverfahren, Einsatz in Großserien und damit verbunden geringere Herstellungskosten als etwa bei flexiblen Platinen aus.
Was ist eine starre Leiterplatte?
Die starre Leiterplatte (engl. Rigid PCB (Printed Circuit Board)), ist die Standard-Leiterplatte. Aufgrund ihres einfachen Designs, ihrer Steifheit und ihrer Zuverlässigkeit kommt sie in unzähligen elektronischen Geräten und Systemen im Einsatz. Auf einer festen und unflexiblen Substratplatte sind elektronische Schaltkreise montiert. Das gebräuchlichste Basismaterial für starre Leiterplatten sind als FR-4 klassifizierte schwer entflammbare glasfaserverstärkte Laminate oder Epoxidharze mit ausgezeichneten elektrischen und mechanischen Eigenschaften, aber in einigen Fällen auch die älteren Materialtypen wie CEM (Composite Epoxy Materials), insbesondere CEM 1 und CEM 3, die hauptsächlich für Haushaltsgeräte verwendet werden.
Die meisten starren Leiterplatten bestehen aus mehreren Lagen (multilayer). Dabei sind mehrere Lagen von Basismaterialien und Kupferfolien fest miteinander verbunden. Jede Schicht enthält Leiterbahnen und Isolationsbereiche und die äußeren Lagen enthalten zusätzlich Pads und Löcher, an denen die Bauteile montiert und gelötet werden sollen.
Im Gegensatz zu flexiblen Leiterplatten (Flex PCBs), die auch in gekrümmten Formen verwendet werden können, behalten starre Standard-Leiterplatten ihre Form und Struktur bei. Diese Eigenschaft macht sie ideal für Lösungen, bei denen die Platine in einem festen Gehäuse montiert werden muss oder eine solide Plattform für die Elektronikkomponenten benötigt wird.
Es gibt auch Mischformen: Starrflex-Leiterplatten verbinden flexible mit starren Bereichen (FR4 in Kombination mit Rogers-Material, biegbare Leiterplatten, bei denen durch Tiefenfräsen ein Teil des Materials in der Z-Achse entfernt wird und die Leiterplatte auf diese Weise gebogen werden kann usw.).
Vorteile der Verwendung von starren Leiterplatten
Vielseitigkeit
Starre PCBs sind vielseitig einsetzbar und kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz.
Robuste Struktur
Dank ihrer Steifheit sind sie widerstandsfähig gegenüber mechanischer Belastung und Vibrationen.
Leistungsfähigkeit
Rigid PCBs bieten eine ausgezeichnete elektrische Leistung und können komplexe Schaltungen mit vielen Komponenten unterstützen. Sie eignen sich daher gut als Lösung für anspruchsvolle Elektronikprojekte und Hochleistungsanwendungen.
Kosteneffizienz
Im Vergleich zu Flex PCBs sind Rigid PCBs in der Regel kostengünstiger in der Herstellung. Dies macht sie attraktiv für Projekte mit begrenztem Budget.
Montage
Dank ihrer starren Struktur sind Rigid PCBs leicht zu montieren und in Gehäusen zu befestigen. Das macht viele Fertigungsschritte in Großserien einfacher und effizienter.
Herstellung von starren Leiterplatten
Die Herstellung von starren Leiterplatten ist ein komplexer Prozess, bei dem verschiedenste Materialen eine Verbindung eingehen müssen. Dieser Herstellungsprozess verzeiht keinerlei Abweichungen, verläuft in mehreren Schritten und erfordert hochpräzise Technologien und Verfahren. Die wichtigsten Produktionsschritte sind:
Design und Layout
Sämtliche elektrischen Verbindungen, Komponentenplatzierungen und Leiterbahnen werden hier gemäß den Spezifikationen mit einem CAD-Programmen festgelegt.
Materialauswahl
Die gebräuchlichsten Basismaterialien sind als FR4 klassifizierte schwer entflammbare glasfaserverstärkte Laminate mit ausgezeichneten elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung kommen auch Materialien wie Rogers, Polyimid, Aluminium oder Keramik zum Einsatz.
Kupferbeschichtung
Nachdem die Lagen aufgebaut sind, werden sie mit einer dünnen Schicht aus Kupfer überzogen. Diese Kupferschicht wird dann mit Fotolack beschichtet.
Fotolithografie
Ein Fotoresist (Fotolack) wird auf die Kupferschicht aufgebracht und dann mit UV-Licht belichtet.
Ätzen
Nach der Belichtung wird die Kupferschicht geätzt, wodurch die Leiterbahnen gemäß dem Fotomaskenmuster entstehen. Die nicht benötigten Bereiche des Kupfers werden entfernt.
Durchgangsbohrungen
Bohrungen in die Leiterplatte gebohrt schaffen Durchkontaktierungen (Vias). Diese stellen die elektrische Verbindungen zwischen den verschiedenen Lagen her.
Laminieren
Hoher Druck und Hitze verbinden die Schichten der multilayer Leiterplatten nach dem Bohren fest miteinander.
Kupferveredelung
Eine weitere Kupferschicht schützt Leiterbahnen und Durchkontaktierungen und erhöht die elektrische Leitfähigkeit.
Lötstopplack und Beschriftung
Lötstopplack wird auf die Leiterplatte aufgebracht, um die Lötstellen zu definieren und zu schützen. Die Platte kann auch beschriftet werden, um die Identifizierung von Komponenten und Leiterbahnen zu erleichtern.
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Häufig gestellte Fragen zu starren Leiterplatten
Starre Leiterplatten werden in nahezu allen Bereichen eingesetzt und sind Standard, wenn es um die Steuerung in Verbraucherelektronik, Haushaltsgeräten, Kommunikation, Automobilindustrie, Medizintechnik, industrielle Steuerungssysteme, Wissenschaft und Forschung, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt sowie viele andere Anwendungen geht.
Während eine flexible Leiterplatte dünn, leicht und biegsam ist, besteht eine starre Leiterplatte aus einem laminierten Gewebe aus glasfaserverstärktem Harz und ist daher starr.
Starre Leiterplatten sind vielseitig einsetzbar und werden in zahlreichen Anwendungen verwendet. Dank ihrer Steifheit sind starre Leiterplatten gegen mechanische Belastungen und Vibrationen resistent und bieten gleichzeitig eine hervorragende elektrische Leistung – und das bei hoher Kosteneffizienz.
Flex Leiterplatten können in gebogenen Formen verwendet werden, während starre Leiterplatten ihre Form und Struktur beibehalten. Diese Eigenschaft macht sie ideal für Anwendungen, in denen die Leiterplatte in einem starren Gehäuse montiert werden muss oder eine solide Plattform für die elektronischen Komponenten benötigt wird.
Starre Standard-Leiterplatten sind ein wesentlicher Bestandteil vieler elektronischer Geräte. Eine starre Leiterplatte zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, bewährte Fertigungsprozesse, den Einsatz in großen Serien und der damit verbundenen Kostenreduzierung für die Herstellung aus.
