Wofür steht PCB? Leiterplatten in der Elektronik

In modernen elektronischen Produkten werden in fast allen Geräten – wie Smartphones, Computern, Fernsehern und Mikrowellen – PCBs verwendet. Wofür steht PCB? Warum ist es für den normalen Betrieb elektronischer Geräte so wichtig?

Dieser Artikel bietet eine detaillierte Einführung in die Bedeutung von PCB, erklärt, was PCB ist, listet gängige Leiterplattentypen auf und erklärt, wie Leiterplatten funktionieren. Ob Elektroingenieur oder Anfänger: Das Verständnis, was eine Leiterplatte ist und aus welchen Materialien sie besteht, ist der erste Schritt zur Beherrschung der Grundlagen der Elektrotechnik.

Bedeutung von PCB: Wofür steht PCB in der Elektronik?

Wofür steht PCB in der Elektronik? PCB ist die Abkürzung für Printed Circuit Board (gedruckte Leiterplatte). Es handelt sich um eine flache Platte, die üblicherweise aus isolierenden Materialien wie Glasfaser oder Epoxidharz besteht. Auf der Oberfläche der Leiterplatte werden durch Ätzen eine Reihe von Leiterbahnen gebildet. Diese Leiterbahnen sind wie Drähte und verbinden elektronische Bauteile.

Zu diesen Komponenten gehören Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise. Sie werden auf der Leiterplatte montiert und über diese Leiterbahnen miteinander verbunden, wodurch die Funktion der gesamten Schaltung gewährleistet wird. Ohne eine Leiterplatte können diese Komponenten weder ordnungsgemäß angeordnet und miteinander verbunden werden, noch können sie stabil arbeiten.

Manchmal stößt man auch auf einen anderen Begriff: PWB, was für Printed Wiring Board (gedruckte Leiterplatte) steht. Früher wurden PWB und PCB synonym verwendet. Heute wird der Begriff „PCB“ in der Elektronikindustrie jedoch häufig verwendet, insbesondere wenn die Leiterplatte nicht nur Verdrahtung, sondern auch Durchgangslöcher, Pads und eine vollständige leitfähige Struktur aufweist.

Wenn jemand fragt: „Wofür steht PCB?“, lautet die Standardantwort: Gedruckte Leiterplatte. Sie ist ein unverzichtbarer Bestandteil fast aller elektronischen Geräte und die Basisplattform für elektronische Produkte zur Realisierung ihrer Funktionen.

Arten von Leiterplatten

Es ist sehr wichtig, die verschiedenen Leiterplattentypen zu verstehen, da jede Leiterplatte ihre eigenen Besonderheiten aufweist und für unterschiedliche Geräte und Anwendungsszenarien geeignet ist. Die Wahl des Leiterplattentyps hängt in der Regel von mehreren Aspekten ab: der Komplexität der Schaltung, den Größenbeschränkungen des Produkts, den Anforderungen an die Wärmeableitung und der Frage, ob die Leiterplatte gebogen oder gefaltet werden muss.

Im Folgenden sind einige gängige PCB-Typen aufgeführt:

1. Einseitige Leiterplatte

Eine einseitige Leiterplatte besteht aus nur einer leitfähigen Kupferschicht, und alle elektronischen Komponenten sind auf derselben Seite montiert. Dieser Leiterplattentyp zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und niedrige Herstellungskosten aus. Er eignet sich für Produkte mit wenigen Komponenten und einfachem Schaltungsdesign, wie beispielsweise elektronisches Spielzeug der unteren Preisklasse, Fernbedienungen und einfache Ladegeräte.

2. Doppelseitige Leiterplatte

Eine doppelseitige Leiterplatte besteht aus zwei leitfähigen Schichten, die sich jeweils auf der Ober- und Unterseite der Platte befinden. Komponenten können beidseitig montiert und Schaltkreise über Durchkontaktierungen miteinander verbunden werden. Diese Struktur ermöglicht komplexere Schaltungsdesigns und wird häufig in Bereichen wie Haushaltsgeräten, Automobilelektronik und industriellen Steuerplatinen eingesetzt.

3. Mehrschichtige Leiterplatte

Eine mehrschichtige Leiterplatte besteht aus drei oder mehr Lagen leitfähigem Kupfer. Die gängigsten Konfigurationen sind 4-, 6- oder 8-lagige Leiterplatten, einige können jedoch bis zu 32 oder mehr Lagen aufweisen. Diese Leiterplatten bieten mehr Platz für die Verlegung und eignen sich ideal für leistungsstarke, hochdichte elektronische Systeme wie Server, Kommunikationsgeräte und Medizinelektronik. Mehrschichtige Leiterplatten bieten zudem eine bessere Signalintegrität und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

4. Starre, flexible und starr-flexible Leiterplatten

• Starre Leiterplatte: Dieser Platinentyp ist stabil und lässt sich nicht verbiegen. Er wird in den meisten herkömmlichen elektronischen Geräten verwendet, beispielsweise in Computer-Motherboards und TV-Steuerplatinen.

• Flexible Leiterplatte: Diese auch als Flex-PCB bekannte Platine kann gebogen oder gefaltet werden. Sie eignet sich ideal für kompakte oder mobile Anwendungen mit begrenztem Platzangebot oder Bewegungsfreiheit, wie z. B. tragbare Geräte und bewegliche Kameramodule.

• Starr-Flex-Leiterplatte: Dieser Platinentyp kombiniert starre und flexible Bereiche. Die flexiblen Teile dienen zum Falten oder Bewegen von Abschnitten, während die starren Teile zur Montage und Unterstützung von Komponenten dienen. Rigid-Flex-Leiterplatten werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der Medizintechnik eingesetzt, wo hohe Zuverlässigkeit und strukturelle Komplexität erforderlich sind.

Woraus bestehen Leiterplatten? Wichtige Materialien

Viele, die sich neu mit Leiterplatten beschäftigen, stellen sich oft die Frage: „Woraus bestehen Leiterplatten?“ Tatsächlich besteht jede Leiterplatte (PCB) aus mehreren verschiedenen Materialschichten. Jede Schicht hat ihre spezifische Funktion, und zusammen bestimmen sie die Leistung, Stabilität und Herstellbarkeit der Leiterplatte.

Schauen wir uns die Hauptmaterialien, aus denen eine Leiterplatte besteht, Schicht für Schicht genauer an:

1. Substrat

Das Substrat ist die unterste Schicht der Leiterplatte und dient als mechanischer Träger der Platine. Das gängigste Substrat ist FR4, ein Material aus Glasfaser und Epoxidharz. Es bietet gute Isolierung und mechanische Festigkeit und sorgt dafür, dass die Platine hart und flach bleibt.

Für flexible Leiterplatten wird kein FR4 verwendet. Stattdessen kommen Polyimid oder andere flexible Polymere zum Einsatz. Diese Materialien sind biegsam und brechen nicht so leicht, sodass sie sich für Anwendungen eignen, die Falten oder Rollen erfordern.

2. Kupferfolie

Die Kupferfolienschicht ist die leitfähige Schicht einer Leiterplatte und dient zur Herstellung der elektrischen Verbindungen im Schaltungsdesign. Typischerweise wird Kupferfolie mithilfe von Hitze und Klebstoff auf die Oberfläche des Substrats laminiert. Die Leiterbahnen (auch „Drähte“ oder „Kupferleitungen“ genannt) entstehen durch Ätzen dieser Kupferschicht.

Die Anzahl der Leiterplattenlagen wird durch die Anzahl der Kupferfolienlagen bestimmt. Eine einseitige Platine besteht aus nur einer Kupferlage, eine doppelseitige Platine aus Kupfer auf beiden Seiten und eine mehrschichtige Platine aus mehreren inneren und äußeren Kupferlagen, um komplexere Routing- und Energiemanagement-Designs zu ermöglichen.

3. Lötmaske

Der Lötstopplack ist eine Schutzschicht, die über die Kupferleiterbahnen aufgetragen wird. Er ist üblicherweise grün (obwohl auch andere Farben wie Rot, Blau und Schwarz verwendet werden). Die Hauptfunktionen des Lötstopplacks sind:

•  Verhindern Sie, dass Kupfer oxidiert.

•  Verhindern Sie Lötbrücken während des Lötvorgangs;

•  Stellen Sie sicher, dass Lötpaste oder Lötzinn nur an bestimmten Pads haftet.

Grün ist die gebräuchlichste Farbe, je nach Produkt oder Kundenwunsch können aber auch andere Farben ausgewählt werden.

4. Siebdruck

Der Siebdruck ist die oberste Schicht der Leiterplatte und dient zum Aufdruck von Text und Symbolen. Zu den üblichen Siebdruckmaterialien gehören:

•  Komponentenbezeichnungen (z. B. R1, C5, U3);

•  Firmenlogos oder Produktmodellnummern;

•  Testpunktanzeigen, Polaritätsmarkierungen und andere Montageanweisungen.

Obwohl die Siebdruckschicht keine elektrische Funktion erfüllt, ist sie für die Montage, Fehlerbehebung und Wartung äußerst wichtig.

Woraus bestehen Leiterplatten? Die Antwort lautet: Isolierendes Substrat, leitfähige Kupferschichten, Lötstopplack und Siebdruck. Diese vier Schichten bilden zusammen eine stabile und zuverlässige Leiterplatte, die elektronischen Produkten eine sichere und effiziente elektrische Unterstützung bietet.

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Wie funktioniert eine Leiterplatte?

Sehen wir uns nun genauer an, wie eine Leiterplatte funktioniert. Ihr Kernstück sind die Kupferleiterbahnen – das sind geätzte Leiterbahnen auf der Oberfläche oder den inneren Schichten der Leiterplatte, die wie elektrische Leitungen funktionieren. Sie leiten Strom und verbinden verschiedene elektronische Komponenten miteinander.

Wenn die Leiterplatte mit Strom versorgt wird, fließen elektrische Signale entlang dieser Leiterbahnen. Der Strom fließt durch Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden und integrierte Schaltkreise. Jede Komponente erfüllt eine bestimmte Aufgabe – beispielsweise die Signalverarbeitung, die Spannungsregelung oder die Datenspeicherung. Sind alle Komponenten ordnungsgemäß angeschlossen, kann die Leiterplatte ihre vorgesehenen elektrischen Funktionen erfüllen.

Nehmen wir zum Beispiel ein Smartphone. Im Inneren verbindet die Leiterplatte Prozessor, Speicher, Display, Kamera, Sensoren und andere Module. Wenn Sie auf den Bildschirm tippen oder eine App öffnen, werden Signale in Echtzeit über die gesamte Leiterplatte übertragen, sodass alle Module reibungslos zusammenarbeiten.

Jede Leiterplattenschicht wird sorgfältig mithilfe von CAD-Software (Computer-Aided Design) entworfen. Während des Layouts optimieren Ingenieure Signalführung, Stromverteilung und Erdung, um Störungen zu reduzieren und eine stabile Leistung zu gewährleisten. Bei mehrschichtigen Leiterplatten werden häufig separate Schichten für Strom und Masse zugewiesen, um Hochgeschwindigkeitssignale zu isolieren und die elektromagnetische Verträglichkeit zu verbessern.

Durch das Verständnis der Funktionsweise von Leiterplatten gewinnen wir Einblicke in die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte – von einfachen Schaltkreisen bis hin zu komplexen Computersystemen. Die Leiterplatte fungiert als zentrale Plattform für eine schnelle, präzise und organisierte elektrische Kommunikation zwischen den Komponenten.

Wie werden Leiterplatten hergestellt?

Nachdem wir nun wissen, was eine Leiterplatte ist und wie sie funktioniert, wollen wir uns der nächsten Frage widmen: Wie werden Leiterplatten hergestellt?

Die Herstellung einer Leiterplatte (PCB) umfasst eine Reihe präziser und kontrollierter Schritte. Jeder Schritt stellt sicher, dass die fertige Leiterplatte die elektrischen, mechanischen und qualitativen Anforderungen für den zuverlässigen Einsatz in elektronischen Geräten erfüllt.

Hier ist eine schrittweise Aufschlüsselung des PCB-Herstellungsprozesses:

1. PCB-Design

Der erste Schritt besteht darin, das PCB-Layout mit spezieller Software wie Altium Designer, Eagle oder KiCAD zu entwerfen. Ingenieure erstellen den Schaltplan, platzieren alle Komponenten und definieren deren Verbindung über Kupferbahnen. Sie weisen außerdem die Anzahl der PCB-Lagen zu und bestimmen, wo die Vias (vertikale Verbindungen) verlaufen.

2. Übertragung des Schaltungsmusters

Sobald das Design fertig ist, wird das Schaltungsmuster auf die kupferkaschierte Platine übertragen. Dies geschieht mittels UV-Bestrahlung und Fotolack. Mithilfe einer Fotomaske werden nur die Bereiche freigelegt, in denen Kupfer verbleiben soll. Der Rest wird vor Licht geschützt, um im nächsten Schritt selektives Ätzen zu ermöglichen.

3. Ätzen

In diesem Schritt wird das freiliegende Kupfer durch ein chemisches Ätzverfahren entfernt. Nur die gewünschten Kupferspuren verbleiben auf der Leiterplattenoberfläche. Diese Spuren dienen als Leiterbahnen für den Strom.

4. Bohren und Plattieren

Anschließend werden mit CNC-Bohrmaschinen Löcher gebohrt. Diese dienen zur Montage von bedrahteten Bauteilen und zur Herstellung von Durchkontaktierungen, die mehrere Leiterplattenlagen verbinden. Nach dem Bohren werden die Innenwände der Löcher galvanisch verkupfert, um die elektrische Verbindung zwischen den Lagen herzustellen.

5. Lötstoppmaske und Siebdruck auftragen

Eine Lötstoppmaske wird über die Kupferleiterbahnen aufgetragen, um sie vor Oxidation zu schützen und Lötbrücken bei der Montage zu vermeiden. Diese Schicht verleiht der Leiterplatte ihre typische grüne (oder rote, blaue, schwarze) Farbe. Anschließend wird eine Siebdruckschicht aufgedruckt, um Bauteilbeschriftungen, Teilenummern, Logos und andere nützliche Kennzeichnungen anzuzeigen.

6. Elektrische Prüfung

Vor der endgültigen Auslieferung wird die Leiterplatte einer elektrischen Prüfung unterzogen. Dazu gehören Durchgangsprüfungen (zur Sicherstellung korrekter Anschlüsse) und Isolationsprüfungen (zur Vermeidung unbeabsichtigter Kurzschlüsse). Automatisierte Maschinen führen diese Tests durch, um sicherzustellen, dass jede Leiterplatte wie vorgesehen funktioniert.

Wie werden Leiterplatten hergestellt? In einem streng kontrollierten und systematischen Prozess – angefangen beim Design, der Musterübertragung, dem Ätzen, Bohren und Maskieren bis hin zur abschließenden Prüfung. Jeder Schritt spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung hochwertiger, zuverlässiger Leiterplatten, die die strengen Leistungsstandards der Elektronikfertigung erfüllen.

PCB vs. PCBA: Was ist der Unterschied?

In der Elektronikfertigung ist es sehr wichtig, den Unterschied zwischen PCB und PCBA zu verstehen. Obwohl die beiden Begriffe eng verwandt sind, beziehen sie sich auf unterschiedliche Phasen im Produktionsprozess einer Leiterplatte.

• PCB (gedruckte Leiterplatte): ist die unbestückte Platine. Sie enthält keine elektronischen Bauteile. Sie besteht lediglich aus Kupferleiterbahnen, Durchkontaktierungen, Pads und der Schichtstruktur, die die elektrischen Verbindungen und die mechanische Basis bildet.

• PCBA (Leiterplattenbaugruppe): Eine vollständig bestückte Leiterplatte mit allen erforderlichen elektronischen Komponenten. Dazu gehören integrierte Schaltkreise (ICs), Widerstände, Kondensatoren, Dioden und andere aktive und passive Bauteile. Die Montage erfolgt durch Löten, entweder mittels Oberflächenmontage (SMT), Durchsteckmontage (THT) oder beidem.

Einfach ausgedrückt ist eine PCB wie das Skelett oder die Grundlage eines elektronischen Produkts, während eine PCBA die vollständige, funktionsfähige Leiterplatte ist, die zur Verwendung in einem Gerät bereit ist.

Das Verständnis des Unterschieds zwischen PCB und PCBA ist wichtig, wenn Sie Leiterplatten bestellen, Prototypen entwickeln oder in die Massenproduktion einsteigen. Missverständnisse der Begriffe können zu Verzögerungen, falschen Angeboten oder inkompatiblen Teilen führen.

Vergleichstabelle: PCB vs. PCBA

Fazit

Die Leiterplatte (PCB) bildet die Grundlage moderner elektronischer Geräte und ermöglicht die Verbindung und Unterstützung verschiedener Komponenten. Dieser Artikel erläutert die Bedeutung von PCB, verschiedene Leiterplattentypen, ihre Materialien, ihre Funktionsweise, ihre Herstellung und den Hauptunterschied zwischen PCB und PCBA. Das Verständnis dieser Grundlagen hilft Ihnen, die Entwicklung und Herstellung elektronischer Produkte besser zu verstehen.