Arten von Leiterplatten: Was sind verschiedene Arten von Leiterplatten und ihre Anwendungen

Haben Sie sich schon einmal gefragt, was Ihr Smartphone smarter und Laptops blitzschnell macht? Das Ergebnis: Das Zusammenspiel verschiedener Leiterplatten sorgt für das Endprodukt. In der modernen Technologiewelt von heute sind Leiterplatten die heimlichen Helden! 

Leiterplatten gibt es in unterschiedlichen Farben, Formen und Größen. Die Leiterplattentypen unterscheiden sich jedoch auch in den Schichten, im Design und im Zweck. Egal, ob Sie Technikbegeisterter, angehender Ingenieur oder einfach nur neugierig auf das Innenleben Ihres Geräts sind: Halten Sie sich fest, denn wir enthüllen Ihnen die Geheimnisse der Leiterplatte. Dieser Leitfaden stellt Ihnen verschiedene Leiterplattentypen, ihre Anwendungen und ihre Funktionsweise vor. Also, los geht‘s.

1. Einschichtige Leiterplatte

Die einlagige Leiterplatte ist die einfachste Art des PCB-Designs. Wie der Name schon sagt, besteht eine einlagige Leiterplatte aus nur einer Lage mit zwei Seiten: Eine Seite dient als Leiterbahn, die andere zur Platzierung der Bauteile.

Einschichtige Leiterplatten sind in verschiedenen Leiterplattenmaterialien erhältlich, beispielsweise Kupferharz, Glasfaser und anderen.

Ein einschichtiges PCB-Design bietet zahlreiche Vorteile, beispielsweise:

• 1. Einfache Installation, die Kosten bei der Leiterplattenmontage spart.
• 2. Einfaches Design, dessen Erstellung für ein Unternehmen weniger zeitaufwändig ist.
• 3. Effektiv und einfach zu testen.
• 4. Geringe Geräuschentwicklung, die die Funktionalität der Platine beeinträchtigen könnte.
• 5. Einfaches und schnelles Löten für Muster und schnell und günstig in der Massenproduktion.

Einlagige Leiterplatten eignen sich hervorragend für verschiedene Arten von Leiterplattentests, da sie einfach zu entwerfen, zu montieren und die einwandfreie Funktion der Komponenten sicherzustellen sind. Einlagige Leiterplatten werden häufig für Prototyping- und Testzwecke verwendet, obwohl solche Leiterplatten häufig auch in Massenproduktion hergestellt werden, wenn das Design einfach genug ist, um den Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.

Außer für Prototyping- und Testzwecke kann die Einzelplatine in folgenden Anwendungen eingesetzt werden:

• 1. Überwachungs- und persönliche Kameras
• 2. LED-Beleuchtung
• 3. Konsumgüter wie Kaffeemaschinen, Radiogeräte, Drucker usw.
• 4. Industriemaschinen wie Verkaufsautomaten, Multimediasysteme und mehr …

Wenn Sie eine schnelle Lösung für kostengünstige und einfache Arten der Leiterplattenherstellung benötigen, ist eine einschichtige Leiterplatte möglicherweise die richtige Lösung für Ihre Anforderungen.

2. Doppelschichtige Leiterplatte

Doppellagige Leiterplatten (manchmal auch doppelseitige oder Dual-Layer-Leiterplatten genannt) gelten als beliebte Leiterplattentypen in der Massenproduktion von Leiterplattendesigns. Die doppellagige Leiterplatte besteht aus zwei Seiten, Ober- und Unterseite, die Kupfer, Isoliermaterialien und andere Leiterplattenmaterialien miteinander verbinden.

Doppellagige Leiterplatten erfreuen sich aufgrund ihrer geringen Kosten, der einfachen Konstruktion und der schnellen Produktion bei Hardware-Enthusiasten großer Beliebtheit. Die Doppellage besteht aus sogenannten „Vias“, kleinen Löchern, die Schaltkreise von einer Lage zur anderen verbinden und überbrücken. Einseitige Leiterplatten können nur einseitig bestückt werden und benötigen weder Vias noch komplexe Verdrahtungsschemata. Vias ermöglichen es Ingenieuren, eine Seite der Platine effizient mit der anderen zu verbinden und so mehrere Komponenten in einem bestimmten Design zu einem einzigen Schaltkreis zu verbinden.

Doppelschichten werden häufig in Anwendungen wie den folgenden verwendet:

• 1. Industrielle Anwendungen und Steuerungen.
• 2. Geräte und Zubehör zur Stromüberwachung.
• 3. Stromwandler AC-DC oder DC-DC.
• 4. Relais und Brücken zum Öffnen und Schließen von Stromkreisen.
• 5. Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
• 6. Andere Arten von PCB-Anwendungen …

Wenn Sie ein erfahrener Hardware-Ingenieur/Designer sind, sollte eine doppellagige Leiterplatte in den meisten Fällen ausreichen. Bei der Entwicklung eines brandneuen PCB-Projekts wird eine doppellagige Leiterplatte oft als die beste Wahl angesehen.

3. Mehrschichtige Leiterplatte

Mehrschichtige Leiterplatten beziehen sich auf alle anderen Leiterplatten, die über 2 Schichten liegen. Einige komplexe Designs erfordern viel gestopfte Vias und Informationsübertragungen, was zu einem mehrschichtigen PCB-Design führt. Mehrschichtige PCBs können zwischen 4 und 16 Schichten auf einer einzelnen PCB umfassen.

Anders als bei anderen Designs wie doppelseitigen oder einschichtigen Leiterplatten, die nur zwei leitfähige Schichten zwischen den Kupferplatten enthalten, verfügt eine mehrschichtige Leiterplatte (eine Leiterplatte mit > 2 Schichten) über nicht weniger als drei Schichten leitfähigen Materials, die in der Mitte des Leiterplattenmaterials eingebettet sind.

Zu bedenken ist, dass das Design umso komplexer wird, je höher die Anzahl der Schichten und die Dichte der verschiedenen PCB-Typen sind. Zudem sind häufig mehr Ressourcen und Zeit für das Entwerfen, Produzieren und Testen der PCB erforderlich.

Jetzt wissen Sie, was eine mehrschichtige Leiterplatte ist. Kommen wir zu ihren Vorteilen. Hier sind einige der Vorteile von mehrschichtigen Leiterplatten. 

● Eine hohe Komponentendichte ermöglicht kompakte Geräte mit vielen Funktionen. 
● Minimiert elektromagnetische Störungen (EMI).
● Ideal für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen. 
● Bietet stabile Erdungsreferenzen für Komponenten.
● Obwohl es mehrschichtig ist, trägt es zur Herstellung schlanker, leichter Geräte bei. 

Zur Herstellung einer Mehrschicht-Leiterplatte laminieren wir abwechselnd Schichten aus Trägermaterial und Prepreg mit Kupferfolien. Anschließend ätzen wir unerwünschtes Kupfer weg, um die gewünschten Leiterbahnen zu erzeugen. Die Anzahl der Schichten zwischen den Mehrschicht-Leiterplatten kann je nach Komplexität der Geräte stark variieren und zwischen 4 und 20 oder mehr Schichten betragen. 

Sehen wir uns einige Schlüsselbereiche an, in denen mehrschichtige Leiterplatten häufig verwendet werden. 

● Sie finden sie auf Smartphones, Tablets, Laptops und Smart-TVs.
● Sie sind das Rückgrat von Computerservern und Rechenzentren.
● In Netzwerkgeräten, Routern und Kommunikationsgeräten.
● Medizinische Geräte wie MRT-Geräte und CT-Scanner nutzen mehrschichtige Leiterplatten.
● Sie spielen auch eine wichtige Rolle in Automatisierungs- und Steuerungssystemen, die in Fabriken und Industriemaschinen verwendet werden. 

4. Starre Leiterplatten

Starre Leiterplatten (PCBs) sind ein grundlegender Typ elektronischer Leiterplatten, die für ihre Unflexibilität und Langlebigkeit bekannt sind. Aufgrund ihrer robusten Struktur sind sie in den meisten Alltagsgegenständen zu finden. 

Wie der Name schon sagt, sind sie starr und können weder gebogen noch verformt werden. Bei ihrer Herstellung werden verschiedene Schichten verwendet, wie z. B. eine Substratschicht, eine Siebdruckschicht, eine Kupferschicht und Lötstoppmaskenschichten. Um diese Schichten miteinander zu verbinden, verwenden wir Hitze und Klebstoff. 

Das Besondere an starren Leiterplatten ist ihre Vielseitigkeit. Sie sind einseitig, doppelseitig und sogar mehrschichtig. Im Gegensatz zu anderen Leiterplatten, die ein- oder doppelseitig sein können, können Sie starre Leiterplatten nach Ihren Wünschen anpassen und dabei Ihr Budget einhalten. 

Lassen Sie uns genauer untersuchen, welche Vorteile es bietet:

● Sie sind ideal für komplizierte elektronische Geräte, die viele Komponenten aufnehmen können.
● In Bezug auf die Kosten sind starre Leiterplatten wirtschaftlicher als flexible oder starrflexible Leiterplatten.
● Sie haben viele Anwendungsgebiete, von der Elektronik bis hin zu industriellen Steuerungssystemen.
● Dank ihrer starren Struktur können Sie davon ausgehen, dass sie länger ohne Verschleiß funktionieren. 

Starre Leiterplatten sind eine hervorragende Wahl, wenn Sie eine kostengünstige Lösung suchen, die in großen Mengen hergestellt werden kann. Zu den am häufigsten verwendeten Materialien gehören FR-4 (Fire Retardant-4) und andere Substrate wie Keramik, Metallkern und Verbundwerkstoffe, die dem Gerät seine einzigartigen Eigenschaften verleihen. 

Kommen wir nun zu den industriellen und alltäglichen Einsatzmöglichkeiten:

● Sie werden am häufigsten in Motorsteuergeräten (ECUs) und Fahrzeugsensoren verwendet.
● Entscheidend für Radarsysteme und militärische Kommunikationsgeräte. 
● In medizinischen Bildgebungsgeräten und Diagnoseinstrumenten zu finden.
● Wird in Stromverteilungssystemen und Anlagen für erneuerbare Energien eingesetzt. 

5. Flexible Leiterplatten

Eine flexible Leiterplatte besteht aus einem natürlich flexiblen Substrat, beispielsweise Polyamid-Kapton. Diese Platten sind für ihre Flexibilität und Vielseitigkeit bekannt und können gebogen oder verformt werden. Dank ihrer Flexibilität eignen sie sich für Anwendungen, bei denen herkömmliche starre Leiterplatten nicht praktikabel sind. 

Zu den wichtigsten Materialien, die bei ihrer Herstellung verwendet werden, gehören Polyamid und PET (Polyethylenterephthalat) für Flexibilität. Darüber hinaus verwenden flexible Leiterplatten, genau wie starre Leiterplatten, Kupferfolien für Leiterbahnen. 

Hier sind einige seiner Vorteile:

● Ihre Flexibilität ermöglicht es ihnen, in kleinere Räume zu passen.
● Weniger Steckverbinder und Verbindungsstücke verringern das Risiko eines Verbindungsfehlers. 
● Es ist ideal für Anwendungen, bei denen das Gewicht entscheidend ist, wie beispielsweise tragbare Geräte. 
● Flex-Leiterplatten sind weniger anfällig für mechanische Belastungen und Vibrationen.
● Sie können bestimmte Formen und Konturen anpassen und so innovative Produktdesigns ermöglichen. 

Sehen wir uns nun an, wo wir flexible Leiterplatten finden können:

● Wird aufgrund des kompakten Designs in Digitalkameras verwendet.
● Wird in Airbags und Fahrzeugsteuerungssystemen eingesetzt.
● Es findet sich in tragbaren Gesundheitsmonitoren und chirurgischen Instrumenten.
● Wird in Sensoren in der Automatisierung und Robotik verwendet.
● Integraler Bestandteil der Entwicklung flexibler und rollbarer Displays für Bildschirme der nächsten Generation. 

6. Rigid-Flex-Leiterplatten

Eine starr-flexible Leiterplatte ist eine spezielle Leiterplattenklasse, die die Eigenschaften flexibler und starrer Leiterplatten in einer Einheit vereint. Sie verfügt über starre, nicht biegbare Abschnitte und flexible, faltbare und biegbare Einheiten. Dieses einzigartige Design macht sie außergewöhnlich vielseitig für verschiedene Anwendungen.

Bei genauerer Betrachtung ihrer Strukturen werden Sie feststellen, dass sie aus einer Materialkombination bestehen. Beispielsweise werden für die starre Variante oft traditionelle Materialien wie FR4 verwendet. Die flexiblen Abschnitte bestehen dagegen aus Polyamid, das Biege- und Faltvorgängen standhält. 

Das Beste an diesen Leiterplatten ist, dass sie mehrere herkömmliche Leiterplatten und Steckverbinder ersetzen können und so Platz in kompakten Geräten sparen. Darüber hinaus können diese Platinen hochdichte Komponenten aufnehmen und eignen sich daher für komplexe elektronische Systeme. 

Wie starre und flexible Leiterplatten bieten sie ähnliche Vorteile, allerdings mit einigen Ergänzungen. Werfen wir einen genaueren Blick darauf.

● Eine Reduzierung der Steckverbinder und der Montagekomplexität führt auf lange Sicht oft zu Kosteneinsparungen. 
● Ingenieure haben mehr Gestaltungsfreiheit, da sie 3D-Designs erstellen, Gewicht reduzieren und das Layout optimieren können. 
● Ihre flexible Form spart Platz. 
● Aufgrund ihrer Robustheit und Platzeffizienz werden sie in industriellen Steuerungssystemen eingesetzt. 

Wenn wir über industrielle Anwendungen sprechen, finden wir sie in allen Bereichen, von kleinen Geräten bis hin zu größeren medizinischen Geräten und allem dazwischen. Hier sind einige gängige Anwendungen. 

● Starrflexible Leiterplatten sind in medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern und Diagnosegeräten unverzichtbar. 
● Wird in Luft- und Raumfahrtsystemen verwendet, wo Gewichtsreduzierung, Zuverlässigkeit und Flexibilität entscheidend sind. 

● Sie sind auch in Airbags und Infotainmentsystemen zu finden. 

7. High-Density Interconnect (HDI)-Leiterplatte

High Density Interconnects, kurz HDI, bezeichnet Leiterplatten mit einer höheren Drahtdichte. HDI-Platinen verfügen über begrenzten Platz, was zu engen Abständen und Leitungen führt.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplattendesigns sind HDI-Designs die beste Wahl für mehrschichtige Designs mit teuren Oberflächen. HDI-Designs bieten gegenüber herkömmlichen Designs zahlreiche Vorteile, wie z. B. geringeres Gewicht der Leiterplatte bei kleineren Abmessungen und bessere elektrische Leistung.

Die Inspiration für das HDI-Platinendesign kam aus der Halbleiterindustrie. Halbleiter benötigen eine sehr kleine Oberfläche und können dennoch viele Transistoren und mikroelektrische Komponenten enthalten.

HDI-Platinen eignen sich besonders für die Hochgeschwindigkeitsübertragung elektrischer Signale und sind dafür optimiert. Diese Platinen unterstützen zahlreiche Funktionen, darunter HF-Übergang (Hochfrequenz) und Blockadekontrolle. Der Grund für die höhere Dichte von HDI-Platinen liegt in ihrem miniaturisierten Design, das mit winzigen, dicht auf der gesamten Platine angeordneten Elektronikbauteilen einhergeht. Daher spricht man bei dieser Art von Platine von einer hochdichten Verbindungsplatine.

Zu den Anwendungen von HDI-Platinen gehören:

• 1. Personalcomputer (Laptops, PCs)
• 2. Mobiltelefone
• 3. Medizinische Geräte
• 4. Automobilindustrie
• 5. Spielkonsolen
• 6. Wearables, Smartwatches und mehr …

Die bei der Herstellung von HDI-Platinen verwendete Technologie ermöglicht eine Erweiterung des ursprünglichen PCB-Designs, jedoch auf kleinerem, leichterem und dichteren Raum. Die Platzierung von Komponenten auf einer HDI-Platine erfordert aufgrund der hohen Präzisionsanforderungen und des geringen Platzbedarfs fortschrittliche PCBA- und SMT-Technologie. Die manuelle Reparatur solcher Platinen kann für Ingenieure aufgrund der Dichte der HDI-Platine eine schwierige Aufgabe sein.

HDI-Platinen sind eine großartige Option für Designs, die eine schnelle elektrische Übertragung erfordern und bei denen die Komponenten auf kleinem Raum untergebracht werden müssen.

8. Hochfrequenz-PCB

Hochfrequenz-Leiterplatten sind Leiterplattentypen, die mit Frequenzen über 1 GHz arbeiten. Für die Herstellung solcher Leiterplatten eignen sich verschiedene Materialien, beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen). Dieses Material wird oft kurz Teflon genannt. Die meisten Hochfrequenz-Leiterplattentypen und -designs erreichen Frequenzen über 5 GHz. Weitere Materialien sind FR4 (glasfaserverstärktes Epoxid) und PPO (Polyphenylenoxid). Diese Materialien erreichen bei sachgemäßer Anwendung bis zu 10 GHz.

Der Zweck von Hochfrequenz-Leiterplatten, kurz HFP, besteht darin, die Anforderungen an fortschrittliche Leiterplattendesigns zu erfüllen. Diese Designs erfordern eine schnelle Signalübertragung im Hochfrequenzbereich. Diese Fähigkeit ermöglicht es HFPs, Signale mit hoher Rate und Geschwindigkeit zu übertragen.

Einige der Hochfrequenz-Leiterplattentypen werden in kritischen Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel:

• 1. Kommunikationssysteme, Netzwerkstationen, Hochfrequenz-Funksender usw.
• 2. Militärindustrie und ihre Anwendungen, einschließlich Waffen, Raketen und Ortungsgeräte.
• 3. Radarsysteme und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
• 4. Medizinische und gesundheitspflegerische Anwendungen für Diagnose- und Überwachungszwecke.

Hochfrequenz-Leiterplattentypen sind für den Einsatz in industriellen und kritischen Systemen von entscheidender Bedeutung, da sie schnelle Hochfrequenzsignale über mehrere Schaltkreise übertragen können. Für den privaten Gebrauch sind andere Optionen, wie beispielsweise Doppel- oder Mehrschicht-Leiterplatten, möglicherweise die bessere Wahl.

9. LED-Leiterplatten

Bei dem Namen LED denken Sie bestimmt an Lichter. Dann haben Sie Recht! LED-Leiterplatten sind so konstruiert, dass sie die notwendigen elektrischen Anschlüsse, das Wärmemanagement und die mechanische Unterstützung für LEDs bieten. 

Sie werden typischerweise aus Materialien hergestellt, die für Wärmeableitung und Lichtdurchlässigkeit optimiert sind. Beispielsweise wird Aluminium wegen seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, Kupfer zur Wärmeleitung und FR4 für eine gute elektrische Isolierung verwendet. 

Diese Platinen verfügen über speziell entwickelte Pads zum Löten oder Montieren von LEDs, um elektrische Verbindungen sicherzustellen. Dieses PCB-Layout berücksichtigt Lichtstreuung und -reflexion, um die Lichtleistung der LED zu maximieren. 

Mit all diesen bemerkenswerten Funktionen bietet es eine Vielzahl von Vorteilen. Zum Beispiel:

● Sie leiten die Wärme hervorragend ab und sorgen so für eine konstante Leistung und Langlebigkeit der LEDs.
● Optimierte Lichtleistung maximiert die Verteilung der LEDs.
● Diese Platinen bieten zuverlässige elektrische Verbindungen und verringern so das Risiko eines LED-Ausfalls.
● Sie sind außerdem kompakt und können daher flexibel an kleine Räume angepasst werden.

Schauen wir uns nun einige seiner Anwendungen an:

● Sie bilden die Grundlage von LED-Beleuchtungssystemen für Häuser, Büros und Straßenlaternen.
● Wird in Fahrzeugscheinwerfern, Rücklichtern und der Innenbeleuchtung verwendet.
● Zu finden in Fernsehern, Monitoren und kleinen Anzeigebildschirmen in Geräten wie Smartphones.
● Es befindet sich in LED-Leiterplatten, die von Leuchtschildern und Werbetafeln mit Strom versorgt werden. 

Zusammenfassung

In diesem Artikel haben wir die verschiedenen Leiterplattentypen und ihre Anwendungen behandelt. Egal, ob Sie ein ein- oder mehrlagiges Design benötigen, PCBasic hilft Ihnen dabei.

Indem wir die Anforderungen Ihrer Anwendung verstehen, können wir Ihre Idee in die Tat umsetzen. Mit über 15 Jahren Erfahrung sind wir in der Lage, jede Art von Leiterplatte zu bearbeiten, einschließlich komplexer HFP- und HDI-Designs.