PCB

PCB – Aufbau, Funktion und Fertigung von Leiterplatten

Eine PCB ist eine Leiterplatte, auf der elektronische Bauteile mechanisch befestigt und elektrisch miteinander verbunden werden. Die Abkürzung PCB steht für „Printed Circuit Board“. Leiterplatten bilden die technische Grundlage nahezu aller modernen elektronischen Geräte, Maschinensteuerungen und Automatisierungssysteme.

Von einfachen Stromversorgungen bis zu komplexen CNC-Steuerungen übernimmt die PCB die geordnete Verbindung der elektronischen Komponenten. Leiterbahnen ersetzen dabei einen großen Teil der früher notwendigen Einzelverdrahtung.

Was ist eine PCB?

Eine PCB besteht aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial, auf dem leitfähige Kupferstrukturen aufgebracht sind. Diese Kupferstrukturen bilden Leiterbahnen, Kontaktflächen und Anschlusspunkte für elektronische Bauteile.

Als Trägermaterial wird häufig FR-4 eingesetzt. Dabei handelt es sich um ein glasfaserverstärktes Epoxidharz mit guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Für besondere Anwendungen kommen auch flexible Kunststoffe, Keramik oder metallische Trägerplatten zum Einsatz.

Die wesentlichen Aufgaben einer PCB sind:

• mechanische Aufnahme elektronischer Bauteile,
• elektrische Verbindung der Komponenten,
• zuverlässige Signal- und Energieübertragung,
• definierte Führung von Strömen und Spannungen,
• Wärmeverteilung innerhalb der Schaltung,
• kompakter und reproduzierbarer Aufbau elektronischer Systeme.

Aufbau einer PCB

Eine typische Leiterplatte setzt sich aus mehreren funktionalen Schichten zusammen.

Trägermaterial

Das Trägermaterial sorgt für die mechanische Stabilität und die elektrische Isolation. FR-4 ist das am häufigsten verwendete Material für starre Standardleiterplatten.

Kupferschicht

Auf dem Trägermaterial befindet sich eine dünne Kupferschicht. Aus dieser Schicht werden während der Fertigung die Leiterbahnen, Pads und Kupferflächen erzeugt.

Die erforderliche Kupferstärke richtet sich unter anderem nach der Strombelastung, der Wärmeentwicklung und dem vorgesehenen Einsatzbereich.

Leiterbahnen

Leiterbahnen verbinden die einzelnen Bauteile elektrisch miteinander. Ihre Breite und ihr Abstand müssen an Spannung, Stromstärke, Fertigungsverfahren und Signalanforderungen angepasst werden.

Zu schmale Leiterbahnen können sich bei hoher Belastung erwärmen. Unzureichende Abstände können dagegen zu Überschlägen, Kriechströmen oder Fertigungsproblemen führen.

Pads

Pads sind metallische Kontaktflächen, auf denen Bauteile angelötet werden. Die Form und Größe eines Pads hängen von der Bauform des jeweiligen Bauteils und dem vorgesehenen Lötverfahren ab.

Durchkontaktierungen und Vias

Vias stellen elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Kupferlagen her. Je nach Aufbau werden unterschiedliche Ausführungen verwendet:

• durchgehende Vias,
• Sacklochbohrungen beziehungsweise Blind Vias,
• vergrabene Vias beziehungsweise Buried Vias,
• besonders kleine Microvias.

Bei einer durchkontaktierten Bohrung wird die Bohrungswand metallisiert. Dadurch entsteht eine elektrische Verbindung zwischen den beteiligten Kupferlagen.

Lötstopplack

Der meist grüne, teilweise aber auch andersfarbige Lötstopplack schützt die Leiterbahnen vor Verschmutzung, Oxidation und unbeabsichtigten Lötbrücken. Nur die benötigten Kontaktflächen bleiben frei.

Bestückungsdruck

Der Bestückungsdruck enthält beispielsweise Bauteilbezeichnungen, Polaritätsmarkierungen, Prüfhinweise und weitere Informationen für Montage und Wartung.

Oberflächenbeschichtung

Freiliegende Kupferflächen werden mit einer geeigneten Oberfläche geschützt. Gebräuchliche Verfahren sind unter anderem HASL, ENIG und OSP. Die Auswahl hängt von den verwendeten Bauteilen, dem Lötverfahren, der Lagerdauer und den technischen Anforderungen ab.

Welche PCB-Arten gibt es?

Leiterplatten werden nach Lagenzahl, Material und mechanischem Aufbau unterschieden.

Einseitige Leiterplatte

Bei einer einseitigen PCB befinden sich die Leiterbahnen auf nur einer Seite. Diese Bauweise ist vergleichsweise einfach und wird häufig für unkomplizierte Schaltungen eingesetzt.

Doppelseitige Leiterplatte

Doppelseitige Leiterplatten besitzen Kupferstrukturen auf beiden Seiten. Durchkontaktierungen ermöglichen elektrische Verbindungen zwischen Ober- und Unterseite.

Mehrlagige Leiterplatte

Eine Multilayer-PCB besteht aus mehreren übereinanderliegenden Kupfer- und Isolationslagen. Dadurch lassen sich komplexe Schaltungen kompakt aufbauen.

Zusätzliche Lagen können für Signale, Masseflächen und Versorgungsspannungen verwendet werden. Die Entwicklung erfordert eine genaue Planung des Lagenaufbaus.

Flexible Leiterplatte

Flexible Leiterplatten verwenden biegsame Trägermaterialien. Sie eignen sich für bewegliche Baugruppen, enge Einbauräume und elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Gehäuseteilen.

Starrflex-Leiterplatte

Eine Starrflex-PCB verbindet starre und flexible Bereiche innerhalb einer gemeinsamen Leiterplatte. Dadurch können zusätzliche Steckverbinder und Kabelverbindungen reduziert werden.

Metallkern-Leiterplatte

Bei einer Metallkern-PCB unterstützt ein metallischer Träger die Wärmeableitung. Diese Bauweise wird beispielsweise bei leistungsstarken LEDs und anderen thermisch belasteten Komponenten eingesetzt.

Entwicklung und Layout einer PCB

Die Entwicklung beginnt üblicherweise mit einem elektrischen Schaltplan. Anschließend werden die Bauteile im Leiterplattenlayout platziert und durch Leiterbahnen miteinander verbunden.

Der typische Ablauf umfasst:

1. Erstellung des Schaltplans,
2. Zuordnung der Bauteilgehäuse,
3. Festlegung der Leiterplattenabmessungen,
4. Platzierung der Bauteile,
5. Verlegung der Leiterbahnen,
6. Planung von Masse- und Versorgungslagen,
7. Prüfung der elektrischen und mechanischen Regeln,
8. Erzeugung der Fertigungsdaten,
9. Kontrolle der Daten vor der Produktion.

Für die Fertigung werden häufig Gerber-Dateien, Bohrdaten und weitere Produktionsinformationen ausgegeben. Vor der Freigabe sollte eine Design-Rule-Prüfung durchgeführt werden.

Wichtige Konstruktionsparameter

Bei der PCB-Entwicklung müssen zahlreiche elektrische und mechanische Anforderungen berücksichtigt werden:

• Leiterbahnbreite,
• Leiterbahnabstand,
• Kupferstärke,
• Bohrungsdurchmesser,
• Größe der Vias,
• Lötflächen und Bauteilabstände,
• Kriech- und Luftstrecken,
• thermische Belastung,
• kontrollierte Impedanzen,
• Position von Steckverbindern,
• Befestigungsbohrungen,
• Außenkontur der Leiterplatte,
• Möglichkeiten der späteren Bestückung und Prüfung.

Besonders bei hohen Strömen, schnellen Signalen oder höheren Spannungen muss das Layout gezielt an die Anwendung angepasst werden.

Herstellung einer PCB

Die industrielle PCB-Fertigung besteht aus mehreren aufeinander abgestimmten Arbeitsschritten. Der genaue Ablauf hängt von der Leiterplattenart und der Anzahl der Lagen ab.

Typische Fertigungsschritte sind:

1. Vorbereitung des kupferkaschierten Basismaterials,
2. Übertragung des Leiterbildes,
3. Entwicklung und Ätzen der Kupferstrukturen,
4. Bohren der Befestigungs- und Kontaktbohrungen,
5. Metallisierung der Durchkontaktierungen,
6. Aufbringen des Lötstopplacks,
7. Aufbringen des Bestückungsdrucks,
8. Beschichtung der freien Kontaktflächen,
9. Fräsen oder Ritzen der Außenkontur,
10. optische und elektrische Prüfung.

Bei Mehrlagenleiterplatten werden die einzelnen Innenlagen zunächst gefertigt, geprüft und anschließend unter Druck und Temperatur miteinander verpresst.

Bestückung einer PCB

Nach der Herstellung wird die PCB mit elektronischen Bauteilen bestückt. Dabei werden hauptsächlich zwei Verfahren eingesetzt.

SMT-Bestückung

Bei der Surface-Mount-Technologie werden die Bauteile direkt auf die Oberfläche der Leiterplatte gesetzt. Zunächst wird Lotpaste aufgetragen. Danach werden die Bauteile platziert und in einem Reflow-Prozess verlötet.

THT-Bestückung

Bei der Through-Hole-Technologie besitzen die Bauteile Anschlussdrähte, die durch Bohrungen gesteckt werden. Die Lötung erfolgt beispielsweise manuell, selektiv oder über ein Wellenlötverfahren.

Viele Baugruppen verwenden eine Kombination aus SMT- und THT-Bauteilen.

PCB-Prototypen mit der CNC-Fräse herstellen

Für Versuche, Einzelstücke und einfache Prototypen kann eine PCB auch mechanisch auf einer CNC-Fräsmaschine bearbeitet werden. Dabei werden die Kupferflächen entlang der Leiterbahnen durch Isolationsfräsen voneinander getrennt.

Mögliche CNC-Arbeitsschritte sind:

• Isolationsfräsen der Leiterbahnen,
• Bohren von Kontakt- und Befestigungsbohrungen,
• Fräsen von Ausschnitten,
• Herstellen der Außenkontur,
• Gravieren von Beschriftungen.

Für ein sauberes Ergebnis sind ein geringer Rundlauffehler, eine exakt ausgerichtete Arbeitsfläche und geeignete Leiterplattenfräser erforderlich. Bereits geringe Höhenunterschiede können die Frästiefe und damit die Breite der Isolationskanäle verändern.

Mechanisch gefertigte Prototypen besitzen ohne zusätzliche Bearbeitung normalerweise keine industriell metallisierten Durchkontaktierungen. Solche Verbindungen müssen bei Bedarf durch Nieten, Drähte oder andere geeignete Verfahren hergestellt werden.

Beim Fräsen von glasfaserverstärktem Leiterplattenmaterial entstehen feine Stäube und abrasive Partikel. Eine geeignete Absaugung, persönliche Schutzausrüstung und eine sichere Maschinenführung sind deshalb erforderlich.

Typische PCB-Fehler

Fehler können während Entwicklung, Fertigung, Bestückung oder Betrieb entstehen. Häufige Probleme sind:

• unterbrochene Leiterbahnen,
• Kurzschlüsse zwischen Leiterbahnen,
• fehlerhafte oder fehlende Durchkontaktierungen,
• unzureichende Leiterbahnbreiten,
• falsche Bohrungsdurchmesser,
• beschädigte oder abgelöste Pads,
• kalte Lötstellen,
• Lötbrücken,
• verpolte Bauteile,
• thermisch überlastete Bereiche,
• Delamination einzelner Schichten,
• falsche Bauteilabstände,
• nicht übereinstimmende Fertigungs- und Bohrdaten.

Eine sorgfältige Prüfung der Konstruktionsdaten und eine elektrische Endkontrolle reduzieren das Risiko fehlerhafter Baugruppen.

Typische Anwendungen

PCB-Leiterplatten werden unter anderem eingesetzt in:

• CNC-Steuerungen,
• Frequenzumrichtern,
• Maschinen und Industrieanlagen,
• Sensoren und Messsystemen,
• Stromversorgungen,
• Motorsteuerungen,
• Kommunikationsgeräten,
• Fahrzeugtechnik,
• Medizintechnik,
• Haushaltsgeräten,
• Computern und Netzwerktechnik,
• Beleuchtungsanlagen,
• Automatisierungs- und Robotertechnik.

Fazit

Die PCB ist das zentrale Verbindungselement moderner Elektronik. Sie trägt die Bauteile, stellt elektrische Verbindungen her und ermöglicht einen kompakten sowie reproduzierbaren Aufbau elektronischer Systeme.

Eine zuverlässige Leiterplatte erfordert eine sorgfältige Abstimmung von Material, Lagenaufbau, Leiterbahnen, Bohrungen, Bauteilplatzierung und Fertigungsverfahren. Während industriell gefertigte Leiterplatten besonders feine und komplexe Strukturen ermöglichen, bietet die CNC-Bearbeitung eine flexible Möglichkeit zur Herstellung einfacher Prototypen und Versuchsaufbauten.