Leiterplatte

Eine Leiterplatte ist ein laminierter Schichtstoff, typischerweise glasfaserverstärktes Epoxidharz (FR-4-Qualität), auf dem Kupferleiter durch Ätzen oder Galvanisieren aufgebracht werden, um elektrische Schaltungen zu bilden. Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltkreise und Stecker werden auf die Plattenoberfläche gelötet oder durch gebohrte Löcher gesteckt. Die Kupferbahnen ersetzen die früher manuell verlegten Verdrahtungen; die Platine selbst wird zum physisch ausgeführten Schaltplan.

Leiterplatten gibt es in einfach-, doppel- und mehrschichtiger Ausführung. Eine einseitige Platine hat Kupfer nur auf einer Seite; zweiseitige Platten nutzen beide Flächen. Mehrschichtplatten stapeln vier, sechs, acht oder mehr Kupferschichten, die durch isolierende Dielektrika getrennt sind, was eine dichte Signalverdrahtung und Stromverteilung ermöglicht. Leiterbahnbreite, Abstände und Dicke werden in Tausendstel Zoll oder Mikrometern angegeben; dünnere Bahnen führen weniger Strom und benötigen weniger Platz, aber feinere Strukturen erfordern präzisere Fertigung. Durchkontaktierungen, durch die Platine gebohrt und plattiert, verbinden Leiterbahnen verschiedener Schichten.

Fertigung und Fehler

Leiterplatten werden durch Fotolithografie hergestellt: eine Fotolackschicht wird durch eine Filmmaske belichtet, entwickelt, um ungewollten Lack zu entfernen, und das freigelegte Kupfer wird chemisch oder elektrochemisch weggeätzt. Das verbleibende Kupfer bildet die Schaltung. Die Bestückung erfolgt durch Pick-and-Place-Maschinen, die Anschlüsse oder Oberflächenmontage-Flächen mit Mikrometergenauigkeit positionieren. Das Löten erfolgt in einem Reflowlötofen (für oberflächenbestückte Bauteile) oder in einer Wellenlötmaschine (für durchgesteckte Bauteile), wo das Lot schmilzt und beim Erkalten dauerhafte Verbindungen bildet.

Häufige Fehler sind kalte Lötverbindungen, bei denen unzureichende Wärmezufuhr zu einer schwachen elektrischen Verbindung führt; abgelöste Kontaktflächen, bei denen sich das galvanisierte Kupfer vom Schichtstoff trennt; Leiterbahnrisse durch mechanische Belastung oder Fertigungsfehler; und Lötbrücken, wo überschüssiges Lot benachbarte Bahnen kurzschließt. Verformungen entstehen, wenn der Schichtstoff Feuchtigkeit aufnimmt und ungleichmäßig aufquellt; Durchkontaktierungen können brechen, wenn Leiterbahnen wiederholten Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Die Kontrolle erfolgt optisch, elektrisch (Flying-Probe-Tester) oder per Röntgen, um innere Fehlstellen und verborgene Mängel zu erkennen.

Der Begriff 'Leiterplatte' stammt vom ursprünglichen Siebdruckverfahren, mit dem Lötmaske und Bauteilbeschriftung aufgebracht wurden, obwohl moderne Fotolithografie nicht wirklich ein Druckverfahren ist. Leiterplatten sind grundlegend für fast alle elektronischen Geräte: Industriesteuerungen, Medizingeräte, Fahrzeugsysteme, Telekommunikationsausrüstungen und Verbrauchselektronik sind alle auf zuverlässiges Leiterplattendesign und Fertigung angewiesen. Toleranzen, Materialwahl und Schichtanzahl werden je nach elektrischen Anforderungen und Umgebungsbedingungen jeder Anwendung ausgewählt.