Die Leiterplattenherstellung hat enorme technologische Fortschritte erlebt. Moderne Designer haben bei der Bestückung neuer Leiterplatten verschiedene Fortschritte erzielt, um den Anforderungen ihrer Kunden gerecht zu werden. Bisher wurden durchkontaktierte Löcher und Vias verwendet, um Verbindungen zwischen mehreren Leiterplattenlagen herzustellen. Dies reichte jedoch nicht aus, um Leiterplatten miteinander zu verbinden.
Während des Designprozesses stellen Sie fest, dass bestimmte Funktionen durch die Integration einer vorhandenen Leiterplatte in Ihr Design erreicht werden können, um Ihre Idee zu verwirklichen. Wenn Sie beispielsweise ein IoT-Projekt mit WLAN-Konnektivität durchführen, müssen Sie die WLAN-Schaltung nicht von Grund auf neu entwickeln. Die Verwendung handelsüblicher Module wie des ESP32-WROOM-32E reicht aus. Allerdings stellt sich die Frage, wie das WLAN-Modul mit Ihrem Design verbunden wird. Hier kommen Zinnen-Leiterplatten ins Spiel. Die ESP32-WROOM-32E ist ein Beispiel für ein Leiterplattenmodul mit Zinnen-Technologie. Dieser Artikel stellt Zinnen-Leiterplatten vor und hilft Ihnen, sie im Detail zu verstehen.
Abbildung 1: ESP32-WROOM-32E-Modul mit Zinnenlöchern
Was sind kastellierte Leiterplatten?
Zinnenförmige Leiterplatten sind Leiterplatten mit speziellen Befestigungslöchern, sogenannten Zinnenlöchern. Diese befinden sich am Rand der Leiterplatte. Diese Löcher ermöglichen es Entwicklern, Leiterplatten durch Board-to-Board-Löten auf einer anderen Leiterplatte zu montieren. Wie Durchgangslöcher und Vias sind auch die Zinnenlöcher zur Verbesserung der Leitfähigkeit beschichtet. Zinnenlöcher sind in der Regel halbierte Durchgangslöcher. Diese Eigenschaften werden bevorzugt bei der Oberflächenmontage eingesetzt.
Abbildung 2: Zinnenförmige Löcher an der Peripherie einer Leiterplatte
Durch die Verwendung von Zinnenlöchern bieten Leiterplatten verschiedene Vorteile, die sie für vielfältige Anwendungen geeignet machen, wie zum Beispiel:
· Integration von Modulen in Host-PCBs: Verschiedene Module wie GPRS, GPS, Wi-Fi und Bluetooth verfügen über Zinnenlöcher, die es ermöglichen
· Prototyping-Prozesse: Mit Zinnenlöchern werden Designern und Innovatoren vereinfachte Produkttests, Prototyping und Montage garantiert.
· Möglichkeit zur Miniaturisierung von Leiterplatten: Mit dem Aufkommen von Zinnenleiterplatten ist es möglich geworden, Module zu entwickeln, die in begrenzte Bereiche eingebaut werden können, wodurch die Leiterplattengröße reduziert wird.
· Verbesserte PCB-Haltbarkeit: Zinnenförmige Löcher haben die mechanische Struktur von PCBs verbessert und sie somit haltbarer gemacht.
· Verbesserte elektrische Stabilität: Leiterplatten mit Zinnenlöchern weisen bessere elektrische Eigenschaften auf. Die plattierten Zinnenlöcher verbessern die Verbindung zwischen den Leiterplatten und erhöhen so die elektrische Stabilität.
Arten der Zinnenanordnung in Zinnen-Leiterplatten
Zinnen in Zinnen-Leiterplatten können in vollständige, teilweise und versetzte Zinnen eingeteilt werden.
Vollkastellationen
Vollständige Zinnen in Leiterplatten entstehen durch die Halbierung der durchkontaktierten Löcher am Leiterplattenrand. Dadurch entstehen vollständig durchkontaktierte halbkreisförmige Löcher (siehe Abbildung 2). Die vollständige Durchkontaktierung soll die mechanische Robustheit und die elektrische Kontinuität verbessern.
Um vollständige Zinnen zu bilden, werden am Rand der Leiterplatte vollständige Löcher gebohrt. Der Rand wird gefräst, wobei die Hälfte des Durchgangslochs erhalten bleibt. Abschließend wird die gesamte geformte Form mit Kupfer beschichtet.
Vollzinnen kommen in folgenden Bereichen zum Einsatz:
· PCB-Randlöten: Manchmal möchten Sie als Designer oder Hersteller einige Module, wie etwa SIM800L-Mobilfunkmodule, ESP32-WLAN-Module usw., an Ihre Host-PCB anschließen, und die vollständige Zinnenverlierung kommt Ihnen dabei zu Hilfe.
· Erdung: Vollbleche werden als Abschirmung in Bereichen verwendet, in denen elektromagnetische und hochfrequente Störungen Vorrang haben.
· Elektrische Verbindungen: Die vollständige Zinnenanordnung eignet sich zur Herstellung stapelbarer Platinen, da sie die elektrische Kontinuität gewährleistet.
· Prototyping und Testen: Während der frühen Entwurfsphase des Projekts werden bei Prototypen Vollkastellationstechniken eingesetzt, die Testpunkte zum Testen der Leistung der Leiterplatten oder sogar zum Anschließen externer Leiterplatten bieten, die beim Testen hilfreich sein könnten.
Teilkastellationen
Partielle Zinnen sind eine Weiterentwicklung der Vollzinnungen. Der Unterschied besteht darin, dass bei partiellen Zinnen die U-förmigen Gravuren nicht vollständig plattiert sind. Diese Art der Zinnen hat zudem eine geringe Tiefe. Im Gegensatz zur Vollzinnung durchdringt sie nicht die gesamte Leiterplattendicke.
Teilkronen werden in Leiterplatten verwendet, die Folgendes aufweisen:
· Platzbeschränkung: Auf manchen Leiterplatten ist der Platz begrenzt, sodass eine vollständige Zinnenbildung nicht möglich ist. An dieser Stelle ist eine teilweise Zinnenbildung erforderlich.
· Weniger kritische Verbindungen: Partielle Zinnen werden dort eingesetzt, wo eine robuste mechanische Verbindung nicht unbedingt erforderlich ist. Sie werden bevorzugt, da sie die Kosten der Leiterplatte senken.
· Signalpunkte flexibler Schaltkreise: In flexiblen Schaltkreisen werden partielle Zinnen verwendet, da sie Ankerpunkte für schwächere Signale bieten.
Versetzte Zinnen
Versetzte Zinnen wurden durch unregelmäßig entlang der Leiterplattenkante angeordnete Löcher halbiert. Im Gegensatz zu Voll- und Teilzinnungen, bei denen die Gravuren eine einheitliche Tiefe, Höhe und Position aufweisen, weisen versetzte Zinnen unterschiedliche Variationen ähnlicher Merkmale auf. Die Zinnen können vollständig oder teilweise plattiert sein.
Versetzte Zinnen werden in folgenden Bereichen eingesetzt:
· HDI: HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect) verfügen über viele Komponenten auf begrenztem Raum. Diese mehrschichtigen Leiterplatten haben eine begrenzte Verbindungsfläche. Versetzte Zinnenanordnungen gewährleisten die Verbindung.
· Breakout-Boards: Versetzte Zinnenanordnungen werden in modularen Leiterplatten dort eingesetzt, wo jederzeit Konnektivität erforderlich sein könnte, ohne die Stabilität derselben Platine zu beeinträchtigen.
Zinnenförmige Leiterplatten: Zinnenkonfigurationen
Zusätzlich zu den drei Zinnentypen in Leiterplatten verwenden Designer drei Konfigurationen in Zinnenleiterplatten: einreihige, zweireihige und verschachtelte Zinnen.
Einreihige Zinnenanordnung
Die häufigste Konfiguration von Zinnen ist die einreihige Zinnenanordnung, die aus einer Reihe von Kerben entlang der Leiterplattenkante besteht. Jede Zinne ist unabhängig und verfügt über eine Kupferbeschichtung, um die Konnektivität mit anderen Leiterplatten zu verbessern.
Einreihige Zinnen sind einfach zu konstruieren und bieten robuste mechanische Verbindungen, ausreichende elektrische Eigenschaften, eine gut lötbare Oberfläche und hervorragende Steckverbinderkompatibilität. Sie weisen jedoch Einschränkungen auf, wie z. B. begrenzte Kontaktflächen, da eine einzelne Reihe nur begrenzte Zinnen für die Konnektivität bietet und für HDI und andere komplexe Leiterplatten ungeeignet ist.
Doppelreihige Zinnen
Die doppelreihige Zinnenanordnung verfügt über zwei parallele Kerbenlagen am Rand der Leiterplatte. Die Anzahl der Kontaktpunkte wird verdoppelt, wodurch die Konnektivität bei gleichbleibender Leiterplattengröße erhöht wird.
Es erzeugt ein kompaktes Design, das für HDI geeignet ist und Tochterplatinen mit Hauptplatinen und komplexeren Geräten verbindet, die zahlreiche Kommunikationsprotokolle erfordern. Diese Art der Konfiguration ist jedoch aufgrund der hohen Herstellungskosten, des komplexen Designs und der Montageschwierigkeiten mit Einschränkungen verbunden.
Verschachtelte Zinnenanordnung
Bei einer verschachtelten Zinnenanordnung sind die Zinnen am Rand der Leiterplatte in zwei oder mehr Reihen versetzt. Anders ausgedrückt: Die Anordnung nimmt ein Zickzackmuster an. Dies vergrößert die Verbindungsflächen und maximiert gleichzeitig den Abstand.
Die verschachtelte Zinnenanordnung bietet eine größere Anschlussfläche, Flexibilität bei der Verlegung und eine bessere Signalintegrität als andere Verfahren. Allerdings ist sie relativ teuer und komplex in der Montage, und es sind fortschrittlichere Fertigungstechniken erforderlich.
Entwurf von Leiterplatten mit Zinnen
Die Herstellung von kastellierten Leiterplatten erfordert fortgeschrittenes Wissen, Techniken und Ausrüstung. Vor der Herstellung müssen Sie bei der Konzeption Ihres Projekts Folgendes berücksichtigen:
· Spezifikationen: Der kleinste Durchmesser des Zinnenlochs sollte 0.6 mm, der größte 1.2 mm betragen. Der Anwendungsbereich bestimmt die Größe der Auswahl. Das Ganze muss mit Kupfer beschichtet werden, um die Leitfähigkeit und Lötbarkeit zu verbessern.
· Kurzschlussschutz: Die umliegenden Zinnenlöcher werden mit einer Lötstoppmaske abgedeckt, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Lötstoppmasken verbessern zudem das Erscheinungsbild der Platine.
· Leiterplattenkantenbeschichtung: Um eine leitfähige Oberfläche der Leiterplatte zu gewährleisten, muss die Leiterplattenkante verkupfert werden.
· Mausbisse erzeugen: Gezackte Leiterplatten weisen an den Kanten Mausbisse auf. Diese winzigen Perforationen ermöglichen ein einfaches Anbringen und Abnehmen der Leiterplatten, ohne die Signalintegrität zu beeinträchtigen.
Anwendungen von kastellierten Leiterplatten
In den folgenden Bereichen finden Zinnenleiterplatten Anwendung:
· Testen und Prototyping: Während der Herstellung werden Leiterplatten mit Zinnen verwendet, um die Platinen zu testen und sicherzustellen, dass sie die erwarteten Anforderungen erfüllen.
· Wird in IoT-Geräten verwendet: Geräte wie GPRS, GSM, GPS, Bluetooth und Wi-Fi-Module verwenden zur einfachen Integration die Zinnentechnologie.
· Energieverwaltungssysteme: BMS-Systeme, die eine nahtlose Verbindung erfordern, verwenden die Zinnen-PCB-Technologie.
Herausforderungen bei kastellierten Leiterplatten
Neben den vielen Vorteilen und Einsatzmöglichkeiten bringen kastellierte Leiterplatten auch einige Herausforderungen mit sich. Der Herstellungsprozess ist sehr komplex. Bei unsachgemäßer Handhabung kann die kastellierte Beschichtung beschädigt werden. Diese Technologie ist für Hochstromleiterplatten nicht geeignet, was bedeutet, dass kastellierte Leiterplatten Designbeschränkungen unterliegen. Eine weitere Herausforderung ist das Löten. Bei unsachgemäßem Löten können die kastellierten Löcher verstopft werden.
Fazit
Zinnenplatinen haben ihren Platz in der modernen Elektronik gefunden. Ihr Aufkommen ermöglicht die Verbindung von Platinen. Dank ihrer Vielseitigkeit erfüllen IoT, eingebettete Systeme, Prototyping und Innovation die erwartete Qualität. Designer benötigen jedoch Vorkenntnisse, um die Zinnenplatinentechnologie optimal zu nutzen.
Bastler und Designer profitieren von der elektrischen und mechanischen Robustheit von Zinnenleiterplatten. Ihre einfache Lötbarkeit, Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit ermöglichen bessere und fortschrittlichere Projekte. Besuchen Sie unsere Website PCBASICS und erfahren Sie mehr über unsere Dienstleistungen für Zinnenleiterplatten.
