Was sind Leiterbahnen auf Leiterplatten?

Die Leiterbahnen werden direkt in das Substrat der Leiterplatten geätzt. Sie werden auch als Leiterbahnen bezeichnet. Diese Leiterbahnen ähneln Drähten. Ihr Hauptzweck ist die Übertragung von Signalen oder Strom an Leiterplattenkomponenten. Zum Beispiel an Relais, Widerstände, Klemmen, Kondensatorgehäuse und Leiter. Wie gehen Leiterplatteningenieure mit dieser Situation um? Sie fertigen Leiterbahnen aus schmaler Kupferfolie.

Interessant ist, dass diese Leiterbahnen die Elektronik grundlegend verändert haben. Sie ersetzen beispielsweise herkömmliche Verdrahtungsmethoden vollständig. Hersteller nutzen sie heute aus Gründen der Zuverlässigkeit und als standardisierte Verbindungswege.

Was sind Leiterbahnen auf Leiterplatten?

Vereinfacht ausgedrückt sind Leiterbahnen dünne Metalllinien, die man üblicherweise auf einer Leiterplatte sieht. Stellen Sie sie sich wie kleine Straßen vor, auf denen Strom fließt. Wenn Sie also ein Gerät einschalten, fließt Strom entlang dieser Leiterbahnen. Der Zweck besteht darin, alle Teile miteinander zu verbinden.

Diese Leiterbahnen sind enorm wichtig, denn ohne sie würden Ihre elektronischen Geräte überhaupt nicht funktionieren! Der Hauptgrund ist, dass sie lästige Kabel ersetzen und Geräte kleiner und zuverlässiger machen. Warum ist das wichtig? Weil fast jedes Gerät, das Sie verwenden, sie enthält.

Materialien für Leiterbahnen auf Leiterplatten

Schauen Sie sich diese gängigen Materialien für Leiterplattenleiterbahnen an:

● Kupfer (Cu)

● Aluminium (Al)

● Silber (Ag)

● Gold (Au)

● Nickel (Ni)

Kupfer (Cu)

Leiterplattenhersteller verwenden Kupfer (Cu) als gängiges Fertigungsmaterial. Daher wird es in Leiterplatten genutzt, um dünne Leitungen zur Signalübertragung zu konstruieren. Wussten Sie, dass Kupfer über hervorragende Eigenschaften verfügt? Das macht es zu einer unverzichtbaren Wahl. Beispiele hierfür sind seine elektrische Leitfähigkeit, sein günstiger Preis und seine Kompatibilität.

Die einzigartigen Eigenschaften von Kupfer und seine Leistungsfähigkeit helfen Ingenieuren. Sie ermöglichen die Herstellung produktiver Elektrogeräte. Aufgrund seiner Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen schädliche Einflüsse ist Kupfer das am häufigsten verwendete Material.

Eigenschaften:

● Hohe elektrische Leitfähigkeit

● Wärmeleitfähigkeit

● Duktilität

● Wirtschaftlich

● Rostbeständig

● Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

● Zuverlässigkeit

Anwendungen:

Mikrostreifen-Übertragungsleitungen

 Die Kupferleiterbahnen dienen zur Verbesserung der Hochfrequenzsignale in Mikrostreifenleitungen. Sie können die Kupferleiterbahnen mit benutzerdefinierten Breiten und Dicken anpassen.

Endstufen

 Die Hersteller setzen in Leistungsverstärkern Kupferleiterbahnen ein, um die Leistung zu verteilen und den Ausgangspegel zu regulieren.

Hochfrequenzschaltungen

Kupferleiterbahnen verbessern die Leistung von Hochfrequenzschaltungen. Dazu gehören Radar- oder Kommunikationssysteme. Sie sorgen für eine gute elektrische Leitfähigkeit und einen geringen Steuerwiderstand.

Radiofrequenzidentifikation (RFID)

 Der Hersteller bringt Kupferleiterbahnen an der Radiofrequenz-Identifikation an. Diese überträgt Daten drahtlos. Sie dient auch zur Speicherung.

MEMS-Geräte

 Diese Leiterbahnen werden in mikroelektromechanischen Geräten verwendet. Sie vereinen mechanische und elektronische Elemente auf einer einzigen Leiterbahn.

Solarplatten

 Solarmodule sind für den Außenbereich geeignet. Sie erfordern umfangreiche Materialeigenschaften, die Korrosion und kritischen Umwelteinflüssen standhalten. Deshalb fügt der Ingenieur Kupferleiterbahnen in die Leiterplatten von Solarmodulen ein.

Signalintegrität

Kupferleiterbahnen werden in elektronischen Geräten häufig verwendet. Das verbessert die Signalintegrität. Es reduziert elektromagnetische Störungen (EMI) und Übersprechen.

Aluminium (Al)

Aluminium wird bekanntlich seit Jahrzehnten in der Fertigung eingesetzt. Es ist leicht erhältlich. Das Metall verfügt über eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Aluminiumleiterbahnen werden durch einen Metallkern hergestellt.

Die Verwendung von Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Leiterbahnen auf Leiterplatten ist für leichte Produkte von entscheidender Bedeutung. Ihre Wärmeleitfähigkeit trägt zur Ableitung der bei Übertragungsvorgängen entstehenden Wärme bei.

Eigenschaften:

● Geringere elektrische Leitfähigkeit

● Hervorragende Wärmeleitfähigkeit

● Leichtgewicht

● Schutz vor Korrosion

● Langlebig

● Zuverlässig

Anwendungen:

Kryogene Elektronik

 Aluminiumbahnen fungieren als supraleitende Verdrahtung. Sie ermöglichen die Signalübertragung. Deshalb gewährleisten sie bei kryogenen Temperaturen einen hohen Leistungsfluss. Dafür sind niedrige Temperaturen unerlässlich. Produkte der kryogenen Elektronik sind Quantencomputer oder fortschrittliche Forschungswerkzeuge und wissenschaftliche Instrumente.

Transparente Leiterplatten für Röntgensysteme

 Aluminiumspuren enthalten Ordnungszahlen. Sie werden aufgrund ihrer geringeren Röntgendämpfung in Röntgensystemen verwendet. Sie reduzieren die Strahlungsabsorption deutlich im Vergleich zu Kupfer. Diese Spuren werden transparent, wenn der Verbraucher ein Objekt röntgt. Dies ermöglicht klare Beobachtungsergebnisse.

Nukleare Strahlanwendungen

Wie bereits erwähnt, weisen Aluminiumlegierungen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Daher werden sie von Herstellern für Anwendungen mit nuklearen Strahlen eingesetzt. Diese enthalten hohe Strahlungsniveaus. Die Aluminiumleiterbahnen steuern die Wärmeableitung. Detektionsverfahren, nukleare Instrumente und die Elektronik von Teilchenbeschleunigern nutzen diese Leiterbahnen. Das hilft ihnen, die Wärmeentwicklung zu reduzieren.

LED-Beleuchtungssysteme

 LED-Beleuchtung erzeugt während des Betriebs Wärme. Daher sind Elemente erforderlich, die diese überschüssige Wärme ableiten. Aluminiumleiterbahnen sind die beste Lösung, um Überhitzung zu vermeiden.

Luft- und Raumfahrt und Automobil

 Verbraucher nutzen Aluminiumleiterbahnen in verschiedenen Industriesystemen. Diese verhindern Überhitzung im Betrieb. In der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie werden Aluminiumleiterbahnen in Fahrzeugen, Flugzeugen, Haushaltsprodukten und Verbrauchergeräten eingesetzt. Diese Geräte enthalten Aluminiumleiterbahnen als Kühlkörper.

Silber (Ag)

Silber ist günstiger als Gold. Es bietet eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Dies ermöglicht ein verbessertes Löten. Hersteller nutzen dieses Material, um die Oberflächengüte von Kupfer zu verbessern. Dadurch bildet es eine Schutzschicht auf den Leiterbahnen von Leiterplatten.

Eigenschaften:

● Leitet Wärme effektiv ab.

● Höchste elektrische Leitfähigkeit.

● Beständiger gegen Oxidation als Kupfer.

● Teuer

Anwendungen:

Leiterplatten mit Hochfrequenz

Die Silberleiterbahnen weisen eine gute Strombelastbarkeit auf. Das unterstützt die Signalübertragung. Diese Leiterbahnen verhindern Signalunterbrechungen bei hohen Frequenzen. Sie werden in HF-Schaltungen und Produkten mit präziser Signalübertragung eingesetzt.

Medizinische Geräte

  Silberleiterbahnen werden in Herzschrittmachern und Diagnosegeräten verwendet. Was ist der grundlegende Zweck? Diese Leiterbahnen werden in Leiterplatten eingebracht, um die Leistung der Geräte zu verbessern. Dadurch können präzise Informationen von empfindlichen Geräten erfasst werden.

Militärische Systeme

Silbermetall ist ein wirtschaftlicher Ersatz für Kupfer. Daher wird es häufig in militärischen Systemen eingesetzt. Es schützt Marineanwendungen vor extremen Bedingungen.

Consumer Elektronik

PCB-Unternehmen wie PCBasic konzentrieren sich auf die Herstellung sicherer und zuverlässiger Elektronik. Silberleiterbahnen bieten eine zusätzliche Schicht zum Löten auf der Leiterplatte. Dies erhöht die Lebensdauer und Tragbarkeit der Anwendung.

Gold (Au)

Gold ist im Vergleich zu anderen Metallen ein teures Material. Es verfügt jedoch über zahlreiche Eigenschaften. Es eignet sich zur Herstellung langlebiger Leiterbahnen auf Leiterplatten. Neben seinen Haupteigenschaften (Korrosionsbeständigkeit, Flexibilität und Wärmekapazität) ermöglicht es eine starke Verbindung zwischen Drähten. Das Material ist biokompatibel und schmilzt schnell. Der Hersteller kann diese Komponente recyceln und so neue Erträge erzielen.

Eigenschaften:

● Hervorragende Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit

● Biokompatibel

● Oberflächenbeschaffenheit

● Teuer

● Flexibilität

● Leicht zu schmelzen

● Gute Lötbarkeit

● Bleifrei

Anwendungen:

Randsteckverbinder und Schaltkontakte

 Die Goldsubstanz wird in Leiterplatten verwendet, um die Kantenverbinder und Schaltkontakte zu beschichten. Dies trägt dazu bei, über einen längeren Zeitraum eine stabile Verbindung herzustellen.

Mikroelektronik

Der Anteil mikroelektronischer Bauteile wie ICs oder Halbleiter ist in Leiterplatten hoch. Deshalb wird Gold zur Stabilisierung der Leitfähigkeit gewählt.

Electronic Equipment

 Vergoldete Säulen werden in elektronischen Geräten wie Computern, tragbaren Geräten und Smartphones verwendet. Sie sind über Sekundärschaltkreise mit der Hauptplatine verbunden.

Raumfahrzeuge und Satelliten

 In Raumfahrzeugen und Satelliten werden Goldleiterbahnen in Leiterplatten verwendet, um klimatischen Risiken standzuhalten. Diese Leiterbahnen steuern effektiv die Kommunikationsübertragung und die Stromversorgungssysteme.

Nickel (Ni)

Nickel wird häufig verwendet, um Doppelschichten auf Kupferplatten in Leiterplatten zu erzeugen. Die ersten Schichten schützen die Platten vor Rost und Oxidation. Die zweite Schicht verlängert deren Lebensdauer. Nickel dient außerdem als Barriere zwischen den Lötstellen und dem Kupfer.

Eigenschaften:

● Bietet hohe Oxidationsbeständigkeit.

● Verlängern Sie die Lebensdauer

● Lötbarkeit

● Mäßige elektrische Leitfähigkeit

● Härte

Anwendungen:

ENIG-Beschichtung

Die chemisch Nickel-Tauchvergoldung wird auf der Leiterplatte aufgebracht. Dies bietet eine zusätzliche Schutzschicht vor Oxidation.

Plattierte Durchgangslöcher

 Der Ingenieur verwendet Nickel zum Plattieren von Durchgangslöchern. Sie verbessern die mechanische Festigkeit mehrschichtiger Leiterplatten.

Anschlüsse und Kontaktpunkte

 Für den langfristigen Einsatz benötigen Leiterplattenanschlüsse und Kontaktpunkte eine starke Integration. Daher wird Nickel zum Löten und Verkabeln der Komponenten verwendet.

Leiterbahndicke der Leiterplatte

Die Leiterbahndicke einer Leiterplatte wird als Breite und Höhe der Leiterbahn bezeichnet. Sie kann je nach Projektdesign festgelegt werden. Üblicherweise liegt die Leiterbahndicke einer Leiterplatte zwischen 0.008 Zoll und 0.240 Zoll. Berücksichtigen Sie bei der Bestimmung der Leiterbahndicke folgende Faktoren:

● Standarddicke

● Leiterbahnbreite

● Trace-Beendigung

● Trace-Größenrechner

Standard Dicke

Die Standarddicke von Leiterplattenleiterbahnen für einfache bis industrielle Anwendungen liegt bei etwa 0.5 bis 2 oz/ft². Für Hochleistungsprojekte mit Hochspannung sind jedoch 2 oz/ft² oder mehr erforderlich.

Spurbreite

Die Bestimmung der Leiterbahnbreite wird üblicherweise vom Konstrukteur der Leiterplatte festgelegt und vorgegeben. Sie bezieht sich auf die dünne Leitung aus leitfähigem Kupfer, die die Signalübertragungen übernimmt.

Leiterbahnabschluss

Ein weiterer Punkt, den der Leser beachten sollte, ist, dass die Verbindung von Leiterbahnen und Pads auch die Leiterbahndicke beeinflusst. Die Leiterbahnbreite richtet sich hauptsächlich nach der Breite der Pads in den SOIC-Footprints.

Trace-Größenrechner

Leiterplattenhersteller nutzen außerdem Leiterbahngrößenrechner, um die Leiterbahndicke zu berechnen. Dies hilft ihnen, die richtigen Abmessungen zu wählen, um Überhitzung und Stromschlaggefahr zu vermeiden.

Leiterbahnbreite der Leiterplatte im Vergleich zum Strom

Was ist die Leiterbahnbreite im Vergleich zur Stromstärke? Vereinfacht ausgedrückt, gibt das Verhältnis zwischen Leiterbahnbreite und Stromstärke die Übertragungskapazität an. Die Leiterbahndicke beeinflusst die Spannung von niedriger bis hoher Stromstärke drastisch. Daher ist die Wahl der richtigen Größe entscheidend für die Zuverlässigkeit der Leiterplatte.

Berechnung der Leiterbahnbreite für Stromstärke auf der Leiterplatte:

● IPC-2221-Standard

● Zu berücksichtigende Faktoren

IPC-2221-Norm

IPC-2221 ist der effektivste Ansatz. Er hilft Herstellern, die genaue Leiterbahndicke zu bestimmen. Er zeigt verschiedene wichtige Aspekte in Form von Formeln und Diagrammen zur Strombelastbarkeit und zum Temperaturanstieg auf. Die unten stehende Tabelle hilft Ihnen bei der Wahl der Leiterbahndicke. Sie basiert auf der Strombelastbarkeit der äußeren und inneren Schichten.

Faktoren zu berücksichtigen

● Aktueller Fluss

● Zulässiger Temperaturanstieg

● PCB-Schicht

Wie repariert man Leiterbahnen auf Leiterplatten?

Wenn eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte unterbrochen ist, können Sie sie selbst reparieren. Dazu müssen Sie einen neuen Weg für den Stromfluss schaffen. Reinigen Sie zunächst die beschädigte Stelle, um die Leiterplatte zu reparieren. Schmutz verhindert nämlich, dass die Reparatur haftet. Verwenden Sie anschließend leitfähige Farbe, Lötzinn oder einen dünnen Draht, um die unterbrochene Leiterbahn wiederherzustellen.

 Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die neue Verbindung sicher ist und vollständigen Kontakt bietet. Warum ist das wichtig? Weil eine schwache Reparatur schnell wieder fehlschlägt. Verstehen Sie? Eine gute Reparatur der Leiterbahnen erspart Ihnen den Austausch der gesamten Platine!

Fazit

Leiterbahnen sind die Standardpfade von Leiterplatten. Sie verteilen die Signalübertragung auf alle Elemente. Der Hersteller kann aus verschiedenen Materialien wählen, um die gewünschten Leiterbahnen zu konstruieren. Diese Leiterbahnen werden in zahlreichen Anwendungen zur Gewährleistung der Signalintegrität eingesetzt. Dicke und Breite der Leiterbahnen wirken sich direkt auf ihre Leistung aus. Berücksichtigen Sie daher diese spezifischen Aspekte bei der Gestaltung Ihrer Leiterplattenleiterbahnen mit funktionalen Eigenschaften.