Die Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) ist ein wichtiges elektronisches Bauteil, das als Trägerstruktur für andere elektronische Komponenten und als Schnittstelle für elektrische Verbindungen dient. Sie wird als „gedruckte“ Leiterplatte bezeichnet, da sie mithilfe elektronischer Druckverfahren hergestellt wird. Leiterplatten gehören zu den unverzichtbaren Komponenten der Elektronikindustrie. Nahezu jedes elektronische Gerät, von kleinen Artikeln wie Digitaluhren und Taschenrechnern bis hin zu großen Systemen wie Computern, Kommunikationselektronik und militärischen Waffensystemen, verwendet Leiterplatten, um integrierte Schaltkreise und andere elektronische Komponenten elektrisch zu verbinden.
Eine Leiterplatte besteht aus einem isolierenden Substrat, Anschlussdrähten und Lötpads für die Montage und das Löten elektronischer Bauteile. Sie dient sowohl als Leiterbahnen als auch als isolierende Basis. Sie kann komplexe Verdrahtungen ersetzen, um elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten herzustellen. Dadurch werden Montage- und Lötprozesse vereinfacht, der Arbeitsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen Verdrahtungsmethoden reduziert und die Arbeitsintensität deutlich gesenkt. Darüber hinaus tragen Leiterplatten dazu bei, die Gesamtgröße von Geräten zu verringern, die Produktkosten zu senken und die Qualität und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte zu verbessern. Sie bieten eine hohe Produktkonsistenz und können im Design standardisiert werden, was die Mechanisierung und Automatisierung in der Produktion erleichtert. Eine vollständig bestückte und geprüfte Leiterplatte kann zudem als unabhängiges Ersatzteil dienen, wodurch der Austausch und die Wartung kompletter Produkte vereinfacht werden.
Ursprünglich wurden Leiterplatten aus papierbasierten, kupferkaschierten Laminaten hergestellt. Seit der Einführung von Halbleitertransistoren in den 1950er-Jahren ist die Nachfrage nach Leiterplatten sprunghaft angestiegen. Die rasante Entwicklung und die breite Anwendung integrierter Schaltungen führten zu immer kleineren elektronischen Geräten mit steigender Schaltungsdichte und -komplexität, was kontinuierliche Innovationen bei Leiterplatten erforderlich machte. Heute gibt es eine Vielzahl von Leiterplatten, von einseitigen über doppelseitige und mehrlagige bis hin zu flexiblen Leiterplatten. Ihre Struktur und Qualität haben sich in Richtung ultrahoher Dichte, Miniaturisierung und hoher Zuverlässigkeit weiterentwickelt. Ständig entstehen neue Designmethoden, Materialien und Fertigungsprozesse. In den letzten Jahren haben sich verschiedene CAD- Softwarelösungen für Leiterplatten in der Industrie weit verbreitet, und die mechanisierte und automatisierte Produktion hat manuelle Prozesse bei spezialisierten Leiterplattenherstellern vollständig ersetzt.
Klassifizierung nach Schichtanzahl
Leiterplatten lassen sich anhand der Anzahl ihrer Lagen in einseitige , doppelseitige und mehrlagige Leiterplatten unterteilen. Gängige mehrlagige Leiterplatten bestehen typischerweise aus vier oder sechs Lagen, während komplexere Leiterplatten Dutzende von Lagen aufweisen können. Die drei Haupttypen von Leiterplatten sind:
Einseitige Platinen
Einseitige Leiterplatten (Single-Sided Boards) haben die Bauteile auf einer Seite und die Leiterbahnen auf der gegenüberliegenden Seite (oder Leiterbahnen und SMD-Bauteile auf einer Seite und THT-Bauteile auf der anderen). Da die Leiterbahnen nur auf einer Seite vorhanden sind, werden diese Leiterplatten als einseitig bezeichnet. Aufgrund der strengen Einschränkungen beim Schaltungsdesign (Leiterbahnen dürfen sich nicht kreuzen und müssen getrennt verlaufen) werden einseitige Leiterplatten typischerweise nur in frühen Schaltungsdesigns verwendet.
Doppelseitige Tafeln
Doppelseitige Leiterplatten (Double-Sided Boards) verfügen über beidseitige Leiterbahnen und benötigen daher korrekte elektrische Verbindungen zwischen den beiden Seiten. Diese Verbindungen, sogenannte Vias, sind kleine, mit Metall gefüllte oder beschichtete Löcher, die die Leiterbahnen beider Seiten verbinden. Doppelseitige Leiterplatten, die die doppelte Oberfläche einseitiger Leiterplatten aufweisen, lösen die Probleme der Leiterbahnverschachtelung einseitiger Designs (da die Verbindungen über Vias hergestellt werden können). Sie eignen sich besser für komplexere Schaltungen als die, die üblicherweise auf einseitigen Leiterplatten realisiert werden.
Flexible Platine, Starr-flexible Platine
Mehrlagige Leiterplatten (Multi-Layer Boards, MLBs) vergrößern die verfügbare Leiterbahnfläche durch die Verwendung mehrerer ein- oder doppelseitiger Leiterplatten. Beispielsweise kann eine vierlagige Leiterplatte aus einer doppelseitigen Leiterplatte als Innenlage und zwei einseitigen Leiterplatten als Außenlagen bestehen, oder aus zwei doppelseitigen Leiterplatten als Innenlagen und zwei einseitigen Leiterplatten als Außenlagen. Diese Leiterplatten sind mit isolierenden Klebematerialien verschachtelt und gemäß den Designvorgaben miteinander verbunden. Die Anzahl der Lagen gibt nicht unbedingt die Anzahl der unabhängigen Leiterbahnen an; in Sonderfällen können Leerlagen eingefügt werden, um die Leiterplattendicke zu steuern. Die Anzahl der Lagen ist typischerweise gerade und umfasst die beiden äußersten Lagen. Die meisten Motherboards bestehen aus 4 bis 8 Lagen, obwohl Leiterplatten technisch gesehen fast 100 Lagen haben können. Hochleistungs-Supercomputer verwenden oft hochlagige Motherboards, aber da Cluster von Standardcomputern solche Systeme mittlerweile ersetzen können, werden Ultra-Multilayer-Leiterplatten immer seltener. Jede Lage einer Leiterplatte ist eng integriert, was es schwierig macht, die tatsächliche Lagenanzahl zu erkennen. Eine genaue Betrachtung eines Motherboards kann diese Information jedoch liefern.
Flexible Platine, Starr-flexible Platine
Flexible Platinen und Starrflex-Platinen werden in starre und flexible Leiterplatten unterteilt. Im Allgemeinen wird die im ersten Bild gezeigte Leiterplatte als starre Leiterplatte bezeichnet, während die gelben Anschlüsse im zweiten Bild als flexible Leiterplatten bezeichnet werden. Der intuitive Unterschied besteht darin, dass flexible Leiterplatten gebogen werden können. Gängige Dicken für starre Leiterplatten sind 0.2 mm, 0.4 mm, 0.6 mm, 0.8 mm, 1.0 mm, 1.2 mm, 1.6 mm und 2.0 mm. Die übliche Dicke für flexible Leiterplatten beträgt 0.2 mm, mit dickeren Schichten auf der Rückseite zum Löten von Komponenten, die zwischen 0.2 mm und 0.4 mm liegen können. Das Verständnis dieser Details bietet Bauingenieuren eine räumliche Referenz während der Konstruktion. Gängige Materialien für starre Leiterplatten sind Phenolpapierlaminate, Epoxidpapierlaminate, Polyesterglasfaserlaminate und Epoxidglasfaserlaminate; gängige Materialien für flexible Leiterplatten sind Polyesterfolie, Polyimidfolie und Fluorethylenpropylenfolie.
