Leiterplatte

Geschichte

Leiterplatten stammten von elektrischen Verbindungssystemen, die in den 1850er Jahren verwendet wurden. Ursprünglich wurden Metallstreifen oder -stäbe verwendet, um große, auf Holzsockel montierte elektrische Komponenten zu verbinden. Später wurden die Metallstreifen durch Drähte ersetzt, die mit Schraubklemmen verbunden waren, und Holzsockel wurden durch Metallrahmen ersetzt. Dadurch konnten die Dinge kleiner werden, was notwendig wurde, da die Schaltungen mit mehr Teilen immer komplexer wurden. Thomas Edison testete Methoden zur Verwendung von Metallen auf Leinenpapier. Arthur Berry ließ 1913 ein Druck- und Ätzverfahren in Großbritannien patentieren. Charles Ducas aus den Vereinigten Staaten entwickelte 1925 ein Verfahren, bei dem die Galvanisierung eingesetzt wurde. Er schuf einen elektrischen Pfad direkt auf einer isolierten Oberfläche, indem er durch eine Schablone (eine in einen Karton oder ein Papier geschnittene Form) mit spezieller Tinte druckte, die Elektrizität leiten konnte, genau wie Drähte. Diese Methode wurde "gedruckte Verdrahtung" oder "gedruckte Schaltung" genannt.

1943 patentierte der Österreicher Paul Eisler, der in Großbritannien arbeitete, eine Methode zum Ätzen des Leitungsmusters oder der Schaltkreise auf einer Schicht Kupferfolie, die auf einer harten, nicht elektrisch leitenden Unterlage angebracht war. Eislers Technik wurde vom US-Militär bemerkt, und sie begannen, sie im Zweiten Weltkrieg in neuen Waffen, darunter auch Nahzündern, einzusetzen. Seine Idee wurde in den 1950er Jahren sehr nützlich, als der Transistor eingeführt wurde. Bis zu diesem Zeitpunkt waren Vakuumröhren und andere Komponenten so groß, dass die traditionellen Montage- und Verdrahtungsmethoden ausreichten. Mit der Einführung der Transistoren wurden die Komponenten jedoch sehr klein, und die Hersteller mussten Leiterplatten verwenden, damit auch die Verbindungen klein sein konnten.

Die Durchkontaktierungstechnologie und ihre Verwendung in mehrschichtigen Leiterplatten wurde 1961 von der amerikanischen Firma Hazeltine patentiert. Dies ermöglichte wesentlich komplexere Leiterplatten, bei denen die Komponenten dicht beieinander angeordnet waren. Integrierte Schaltungschips wurden in den 1970er Jahren eingeführt, und diese Komponenten wurden schnell in das Leiterplattendesign und die Herstellungsverfahren integriert. Heute kann die Leiterplatte bei einigen Anwendungen bis zu 50 Lagen haben.

Die Oberflächenmontagetechnik wurde in den 1960er Jahren entwickelt und in den späten 1980er Jahren weit verbreitet.

Eine handgefertigte Leiterplatte

Gestaltung

Die Hauptaufgabe beim Entwurf einer Leiterplatte besteht darin herauszufinden, wohin alle Komponenten gehen werden. Normalerweise gibt es ein Design oder einen Schaltplan, der in eine Leiterplatte umgewandelt werden soll. So etwas wie eine Standard-Leiterplatte gibt es nicht. Jede Platine wird für ihren eigenen Gebrauch entworfen und muss die richtige Größe haben, um in den erforderlichen Platz zu passen. Leiterplattendesigner verwenden computergestützte Designsoftware, um die Schaltungsentwürfe auf der Leiterplatte zu layouten. Die Abstände zwischen den elektrischen Leiterbahnen können 0,04 Zoll (1,0 mm) oder kleiner sein. Auch die Lage der Löcher für Bauteilanschlüsse oder Kontaktpunkte wird festgelegt. Sobald das Schaltungsmuster ausgelegt ist, wird ein Negativbild in exakter Größe auf einer durchsichtigen Plastikfolie ausgedruckt. Bei einem Negativbild werden die Bereiche, die nicht Teil des Schaltungsmusters sind, schwarz dargestellt, und das Schaltungsmuster wird als klar dargestellt. Das Metall wird dann aus den klaren Bereichen entfernt, normalerweise mit Chemikalien. Aus diesem Entwurf werden Anweisungen für eine computergesteuerte Bohrmaschine oder für die im Herstellungsprozess verwendete automatische Lötpaste erstellt.

Fertigung

Die Karte ist mit Außenlagen aus Kupfer hergestellt. Unerwünschtes Kupfer wird entfernt, so dass Kupferdrähte zurückbleiben, die die elektronischen Komponenten verbinden. Die Komponenten werden auf der Karte platziert und mit den Drähten kontaktiert.

Fotoresist

Leiterplatten werden manchmal mit Fotolithografie hergestellt. Ein Überzug, Photoresist genannt, reagiert mit Licht, und dann werden die Leiterplatte und der Überzug in einen Entwickler gegeben. Diese Methode ist pro Leiterplatte teuer, aber anfangs sehr billig einzurichten.

Siebdruck

Es gibt jedoch verschiedene Methoden zur Herstellung einer Leiterplatte. Einige professionell hergestellte Leiterplatten verwenden eine andere Methode, um überschüssiges Kupfer von der Leiterplatte zu entfernen. Es wird ein Verfahren namens Siebdruck verwendet. Beim Siebdruck wird ein Tuch fest über einen Rahmen gezogen. Dann wird ein Bild auf das Tuch gedruckt. Dann wird Tinte durch das Tuch gepresst. Die Tinte geht nicht dorthin, wo das Bild auf den Stoff gedruckt wurde. Man spricht vom Siebdruck, weil der Stoff in der Regel aus Siebdruck besteht. Der Stoff ist in der Regel aus Seide, weil er sehr kleine Löcher hat. Der Siebdruck wird verwendet, um eine Tinte, Resist genannt, auf die Platte zu drucken. Resist ist eine Tinte, die dem bei der Herstellung der Leiterplatte verwendeten Ätzmittel widersteht. Ätzmittel löst das Kupfer auf der Platine auf. Dies ist für jede Platine billiger als Fotoresist, ist aber anfangs teurer.

Fräsen

Eine weitere Möglichkeit, eine Leiterplatte herzustellen, ist die Verwendung einer Fräse. Ein Fräser ist ein Bohrer, der sich in viele Richtungen bewegt. Der Bohrer entfernt jedes Mal, wenn er sich über die Leiterplatte bewegt, eine kleine Menge Kupfer. Die Fräse entfernt das Kupfer um die Drähte auf der Leiterplatte. Dadurch bleibt zusätzliches Kupfer auf der Leiterplatte zurück. Bei anderen Methoden bleibt das zusätzliche Kupfer nicht auf der Leiterplatte zurück. Diese Methode ist pro Platte billiger, aber die Ausrüstung zu ihrer Herstellung ist teuer. Diese Methode wird nicht oft angewendet, da die beiden anderen Methoden einfacher sind.