Die Leiterplatte besteht aus einem Verbund von Isolierstoff als Trägermaterial und ein oder mehreren Lagen Leitermaterial.

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1 Leiterplatte 1) Leiterplattentechnik 1.1) Funktion Die Leiterplatte hat in der Elektronik folgende Funktionen zu erfüllen: Verdrahtungsfunktion: Sie stellt die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen her mechanische Funktion: Sie hält die Bauteile mechanisch fest und ist die Montageplatte für Kühlkörper, Stecker usw. wirtschaftliche Funktion: Die Bestückung und das Löten kann maschinell erfolgen. Der Aufbau ist übersichtlich und begünstigt den Prüfablauf. Die Leiterplatte besteht aus einem Verbund von Isolierstoff als Trägermaterial und ein oder mehreren Lagen Leitermaterial ) Trägermaterial Das Trägermaterial besteht aus einem Füllstoff (Hartpapier oder Glasgewebe) und Harz als Bindemittel. Es wird meist als starre Platte, bei der flexiblen Leiterplatte auch in Form als flexible Folien verwendet. Füllstoff Bindemittel Handelsnamen Eigenschaften Anwendung Hartpapier Phenolharz FR2 elektrisch gut, mechanisch ausreichend, mechanisch leicht bearbeitbar, preisgünstig, hygroskopisch Elektro- u. Konsumgeräte Hartpapier Epoxidharz FR3 elektrisch sehr gut, mechanisch gut, preisgünstig Elektro- u. Konsumgeräte Glasgewebe Epoxidharz FR4 elektrisch sehr gut; mechanisch sehrgut kommerzielle Technik FR5 wie FR4, wärmebeständig Glasgewebe Teflon elektrisch sehr hochwertig, chemisch sehr beständig Polyesterharz Mylarfolie elektrisch sehr hochwertig, flexibel HF-Technik, außergewöhnliche elektrische u. mechanische Beanspruchung flexible Schaltungen In den meisten Fällen wird Trägermaterial mit 1,0 mm oder 1,5 mm Dicke verwendet. Für flexible Leiterplatten oder zur Herstellung von Multilayern kann die Dicke auch unter 0,1 mm betragen. Bei großer mechanischer Belastung kann die Dicke mehr als 2,0 mm erreichen ) Leitermaterial Als Leitermaterial wird ausschließlich Elektrolytkupfer verwendet. Üblich sind 35 µm, in Sonderfällen auch 18 µm, 70 µm und 105 µm. Die Kupferfolie wird ein- oder beidseitig aufgetragen. Ga 07 Seite 1 ftkl_leiterplatte.doc

2 1.2) Ausführungsformen von Leiterplatten 1.2.1) Einseitige Leiterplatte Sie wird für einfache Schaltungen mit geringer Packungsdichte eingesetzt. Sie kann im Positiv- Verfahren, als auch im Negativ-Verfahren hergestellt werden. Bei großer Stückzahl wird das Siebdruckverfahren verwendet, bei kleinen Stückzahlen oder schmalen Leiterbahnen das Fotodruckverfahren ) Doppelseitige Leiterplatte Bei komplexeren Schaltungen (z.b. integrierten Schaltungen) sind Leitungskreuzungen auf einer zweiten Ebene erforderlich. Außerdem ist für eine EMV-gerechte Konstruktion eine saubere Spannungsversorgung der ICs auf einer zweiten Ebene notwendig. Die doppelseitige Leiterplatte wird im Negativ- Verfahren hergestellt. Die Verbindung der beiden Leiterebenen erfolgt mit Durchkontaktierungen ) Multilayer (Mehrlagen-Leiterplatte) Bei sehr hoher Packungsdichte reichen zwei Leiterebenen nicht aus. Es werden Mehrlagen- Leiterplatten verwendet, bei denen sich im Inneren weitere Lagen befinden. Technisch sind zur Zeit bis zu 32 Lagen machbar. Die Herstellung bedingt eine hohe Präzision und ist teuer. Bei der Herstellung eines 6-Lagen-Multilayers werden zunächst drei dünne, doppelseitige Leiterplatten gebohrt, durchkontaktiert und geätzt. Die drei Leiterplatten werden übereinander gestapelt, zwischen die Leiterplatten kommt je eine Lage Prepreg. Prepreg ist eine dünne harzgetränkte Glasfasermatte, bei der das Harz noch nicht ausgehärtet ist. Im Laminierungsprozess werden sämtliche Lagen unter Druck und Wärme zu einer kompakten Platte vereinigt. Zum Schluss werden die Durchgangslöcher gebohrt und durchkontaktiert. Leiterplatte Mit dem Aufbau des Multilayers kann die EMV beeinflusst werden. Dazu werden zwischen die Signallagen Prepregs mit kleinem ε r und zwischen die Stromversorgungslagen Prepregs mit großem ε r gelegt ) Flexible Leiterplatten Leiterplatten werden wie ein- oder doppelseitige Leiterplatten hergestellt. Das Trägermaterial ist jedoch flexibel und dünn. Mit flexiblen Leiterplatten werden teure Verdrahtungen eingespart. Ga 07 Seite 2 ftkl_leiterplatte.doc

3 1.3) Herstellungsverfahren 1.3.1) Positiv-Verfahren Beim Positiv-Verfahren werden die Leiterbahnen durch einen Ätzschutz (Siebdruckfarbe oder gehärtete Fotoschicht) abgedeckt und das freiliegende Kupfer durch Ätzen entfernt. Nach dem Ätzen wird der Ätzschutz entfernt und die freiliegenden Kupferleiterbahnen durch einen lötfähigen Schutzlack gegen Oxidation geschützt. Im Positiv-Verfahren sind keine Durchkontaktierungen möglich ) Negativ-Verfahren Industriell eingesetzte Leiterplatten werden zumeist im Negativ-Verfahren hergestellt. Beim Negativ-Verfahren werden zunächst die zu ätzenden Flächen abgedeckt. Die freiliegenden Flächen (Leiterbahnen) werden galvanisch verzinnt. Die Zinnauflage dient zugleich als Ätzschutz. Zum Schluss wird die Siebdruckfarbe oder die gehärtete Fotoschicht entfernt und die freiliegenden Flächen geätzt ) Durchkontaktierungen Durchkontaktierungen werden im Negativ-Verfahren hergestellt. Ausgangsmaterial ist doppelseitiges Basismaterial mit einer dünnen Cu-Auflage von einigen µm. Die Löcher werden gebohrt und gereinigt. Anschließend erfolgt die Katalysierung und ein chemischer Cu-Auftrag (1 µm). Nach dem Aufdrucken der Abdeckmaske werden die Leiterbahnen und die Bohrungen galvanisch verkupfert und verzinnt. Die Abdeckmaske wird entfernt und das freiliegende Kupfer geätzt. Als letzter Schritt wird der Lötstopplack mittels Siebdruck aufgebracht. 1.4) Elektrische Kenngrößen 1.4.1) Elektrischer Widerstand Der elektrische Widerstand beträgt bei 20 C: R 20 ρ. l = oder A R 20 l = γ. A spezifischer Widerstand ρ für Kupfer bei 20 C: ρ = 0,0178 Ω.mm 2 /m spezifischer Leitwert γ für Kupfer bei 20 C: γ = 56 m/(ω.mm 2 ) Länge l der Leiterbahn in m Querschnittsfläche A der Leiterbahn in mm 2 Bei hohen Frequenzen tritt der Skin-Effekt ein. Dadurch werden die "Stromfäden" an die Oberfläche des Leiters abgedrängt. Der effektive Leiterquerschnitt reduziert sich, es entsteht eine Erhöhung des ohmschen Widerstandes. Als Richtwert für eine 1mm breite Leiterbahn (35 µm dick) gilt: 10 MHz der Widerstand verdoppelt sich 250 MHz der Widerstand verzehnfacht sich Ga 07 Seite 3 ftkl_leiterplatte.doc

4 1.4.2) Strombelastbarkeit Hohe Stromdichten führen zu einer Erwärmung der Leiterbahn. Die Erwärmung sollte gering gehalten werden. Daher ist aus nachstehendem Diagramm die entsprechende Leiterbahnbreite auszuwählen. Strombelastung und Temperaturerhöhung geätzter Leiterbahnen 35 µm: 1.4.3) Leiterabstand, Spannungsfestigkeit Die zulässige Spannung zwischen zwei Leitern ist von mehreren Faktoren abhängig, z.b.: Leiterabstand Basismaterial Herstellungsverfahren Löt- und Schutzüberzüge Umgebungsbedingung, Luftdruck Außerdem sind die entsprechenden Vorschriften (z.b. ÖVE-Vorschriften / Netz) zu beachten! Mindestwerte für Leiterabstände Spannung Leiterabstand ohne Schutzüberzug in Höhen von m Leiterabstand ohne Schutzüberzug in Höhen über 3048 m Leiterabstand mit Schutzüberzug in Höhen von m Leiterabstand in mm mit Schutzüberzug in Höhen über 3048 m 0 50 V 0,381 mm 0,66 mm 0,381 mm 0,559 mm V -- 1,575 mm -- 0,762 mm V -- 3,17 mm -- 1,524 mm V -- 6,35 mm -- 3,17 mm V -- 12,7 mm -- 6,35 mm V 0,66 mm -- 0,559 mm V 1,575 mm -- 0,762 mm V 3,17 mm -- 1,524 mm -- > 500 V 0,0076 mm/v 0,025 mm/v 0,0051 mm/v 0,0127 mm/v Spannungswerte gelten für Gleichspannung oder Spitzenwerte bei Wechselspannung (Quelle: Andus Elektronik) Ga 07 Seite 4 ftkl_leiterplatte.doc

5 1.4.4) Kapazität Zwei parallele geätzte Leiterbahnen bilden einen Kondensator. Die Kapazität hängt vom Leiterabstand, der wirksamen Fläche der Leiter und der Dielektrizitätskonstante ε r des Basismaterials ab. Sie beträgt einige pf. A C = ε 0. ε r. d ε 0 = 8, As/Vm für Hartpapier: ε r = 4,8 für FR4: ε r = 5,4 Die kapazitive Kopplung zweier Leiter lässt sich verringern, indem man eine breite Masseleitung zwischen die Signaleiter legt. Die Koppelkapazität wird damit um den Faktor 2 bis 5 verringert. Gedruckte Kondensatoren werden mit kammartig ineinandergreifenden Strukturen realisiert. Sie werden meist bei Rundfunk- und Fernsehgeräten für Schwingkreise und Filter verwendet ) Induktivität Jedes Leiterstück ist Teil einer Leiterschleife und somit eine Induktivität. Als groben Richtwert kann man 10 nh/cm annehmen. Gedruckte Spulen werden im HF- und ZF-Teil von Rundfunk- und Fernsehgeräten, sowie Schaltnetzteilen eingesetzt. Sie besitzen jedoch nur eine geringe elektrische Güte. 2) Leiterplattenkonstruktion 2.1) Voraussetzung Die Umsetzung einer elektronischen Schaltung in eine Leiterplatte erfordert trotz CAD-Unterstützung umfangreiche Tätigkeiten. Zunächst müssen folgende Unterlagen vorliegen: Stromlaufplan Bauteilliste mit Typenbezeichnung und elektrischen Werten mechanische Abmessungen und Anschlussbelegung aller Bauteile Lage fixer Bauteile (z.b. Stecker, Kühlkörper, Bedienelemente) Lage von Messpunkten Strombelastung zur Festlegung der Leiterbahnbreite Spannungsbelastung zur Festlegung der Leiterbahnabstände Hinweis auf mögliche Verkopplung von Stromkreisen Hinweis auf hohe Bauteiltemperaturen Umweltbedingung (Feuchte, Temperatur, Staub) Größe und Befestigung der Leiterplatte Fertigungstechnik (Toleranzen) und Lötverfahren 2.2) Toleranzklassen Bei der Herstellung von Leiterplatten dürfen trotz auftretender Fertigungstoleranzen Mindestabstände, Mindestleiter- und -ringbreiten nicht unterschritten werden. Die Fertigungstoleranzen hängen von den Fertigungsverfahren ab. Nach DIN werden folgende Toleranzklassen eingeteilt: Ga 07 Seite 5 ftkl_leiterplatte.doc

6 Toleranzklasse Herstellungsverfahren relative Kosten grob Siebdruck 1 mittel Präzisionssiebdruck 3 fein Fotodruck 4 bis 6 Leiterplatte Toleranzklasse grob (mm) mittel (mm) fein (mm) Leiterbreite Normal Engstelle 0,75 0,50 0,50 0,30 0,35 0,25 Leiterabstand auf der Leiterplatte (0..30 V, schutzlackiert) Zugabe für Fertigungstoleranzen Min. Leiterabstand auf dem Film 0,25 0, ,65 0,25 0, ,55 0,25 0, ,45 Ringbreite 0,60 0,40 0,25 Lötaugendurchmesser für die Bohrung 0,7 +0,2 mm 1,0 +0,2 mm 1,3 +0,2 mm 2,10 2,40 2,70 1,70 2,00 2,30 1,40 1,70 2,00 Diese Mindestbreiten bzw. -abstände dürfen keinesfalls unterschritten werden. Bei der Bemessung der Abstände und Breiten sind auch die Strombelastbarkeit und die Spannungsfestigkeit (siehe elektrische Kenngrößen) zu berücksichtigen. 2.3) Entwurfstechnik Der Entwurf ist grundsätzlich auf einem genormten Raster 2,54 mm ( 1 / 10 Inch = 100 mil) zu zeichnen. Um höchste Genauigkeit zu erreichen, wird im Maßstab 2:1 oder 4:1 gearbeitet. Man geht von der Bestückungsseite aus. Die Leiterbahnen der Bestückungsseite werden durchgezogen, die der Lötseite gestrichelt gezeichnet. Für die Platzierung der Komponenten auf der Leiterplatte gibt es verschiedenen Konzepte: Schematische Orientierung Bei einfachen, unkomplizierten Schaltungen werden die Komponenten analog zum Stromlaufplan aneinandergereiht. Man beginnt links mit dem Eingang und endet rechts mit dem Ausgang. Periphere Bauelementeanordnung Meist sind auf der Leiterplatte Komponenten, die einen bestimmten Platz einnehmen müssen (z.b. Stecker, Potentiometer, Leuchtdioden, Kühlkörper...). Zuerst werden diese eingezeichnet und von diesen ausgehend die übrigen Bauteile. Dabei werden zunächst jene Bauteile platziert, die den engste Verbindung zu den fixierten Komponenten habe. Zentrale Bauelementeanordnung Bei Leiterplatten mit ein oder mehreren vielpoligen Bauelementen (z.b. Mikroprozessoren) werden zuerst diese im Zentrum der Leiterplatte angeordnet. Die weiteren Komponenten werden je nach Anzahl der Verbindungen im näheren oder weiteren Abstand angeordnet. Ga 07 Seite 6 ftkl_leiterplatte.doc

7 Ordnungsprinzip Bei reinen Digitalschaltungen werden die ICs in einem festen Raster angeordnet. Die Verbindung erfolgt auf zwei Leiterebenen. Auf der eine Ebene werden vorzugsweise die Längsverbindungen, auf der anderen die Querverbindungen erstellt. 2.4) Hinweise für den Entwurf 2.4.1) Lage von Widerständen und Dioden Alle Komponenten werden in geordneter Form auf der Leiterplatte untergebracht. Widerstände und Dioden sind parallel zur Leiterplattenkante ausgerichtet. Gleiche Bauteile haben gleiche Abstände zueinander und werden mit dem kürzest möglichen Leiter verbunden. Für vereinfachte Montage werden alle axialen Bauelemente liegend montiert werden ) Rastermaße Zylindrische Bauelemente: Grundsätzlich sind einheitliche Rastermaße zu verwenden. Für zylindrischen Bauelementen gilt: RM = Bauteillänge + 2 mm auf jeder Seite z.b.: Widerstand 0,25 W: RM = 400 mil Diode kleiner Leistung: RM = 400 mil Widerstand 0,5 W: RM = 600 mil Diode 1N4007: RM = 600 mil Biegeradius ca. 1 bis 2 mal Drahtdurchmesser Genormte Bauelemente: Transistoren, ICs, Stecker usw.: Rastermaße siehe Datenbuch, Tabellenbuch ) Bohrdurchmesser In der Fertigung benötigt der Bohrerwechsel viel Zeit. Daher sind möglichst wenige verschiedene Bohrdurchmesser zu verwenden. Um eine gute Lötstelle zu gewährleisten, darf der Bohrdurchmesser maximal 0,2 mm größer als der Drahtdurchmesser betragen. Dieser Wert gilt auch bei Durchkontaktierungen (Kapillarwirkung). Ga 07 Seite 7 ftkl_leiterplatte.doc

8 Richtwerte für Bohrdurchmesser: Bohr-Ø für Anschlussdrähte bis Ø Beispiele 0,8 mm 0,5 mm Widerstände 0,25 W, kleine Dioden, Transistoren, kleine Kondensatoren, ICs, 1,0 mm 0,8 mm Widerstände 0,5 W, Elkos, Kondensatoren 1,3 mm 1,1 mm Klemmen, Relais, große Dioden 3,2 mm Befestigungsbohrungen 2.4.4) Leiterbahnanordnung a,b) Spitze Winkel vermeiden: Durch die Oberflächenspannung des Lötzinns reißt beim Maschinenlöten der Zinnfilm innerhalb des spitzen Winkels nicht ab. Es entsteht ein Kurzschluss mit dem eingeschlossenen Lötauge. Falls ein spitzer Winkel erforderlich ist, soll der Innenwinkel abgerundet werden. c,d) Kürzeste Verbindung wählen: Lötaugen auf möglichst kurzem Weg verbinden. e) Möglichst große Abstände einhalten: Bei Engstellen besteht immer die Gefahr von Kurzschlüssen. f,h) Große Lötflächen vermeiden: Große Lötflächen benötigen sehr viel Wärme für den Lötvorgang. Es besteht daher die Gefahr einer "kalten" Lötstelle. g) Leiterbahn immer von der Lötaugenmitte aus ziehen. i) Wärmefalle: Durch die große Wärmekapazität des dicken Stifts wird das Lötzinn vom dünneren Stift abgezogen und diese Lötstelle nicht geschlossen. k) Masseflächen: Große Masseflächen, die später von Lötzinn benetzt werden, sind durch Aufrasterung gegen Verwerfung zu schützen. e) Einstellmaß und Eckmarkierunq Außerhalb des Leiterbildes ist auf der Druckvorlage ein Einstellmaß anzubringen. Sie dient bei der Erstellung der Fotoschablone zur Justierung der Kamera. Das Einstellmaß muss sehr genau sein. Ga 07 Seite 8 ftkl_leiterplatte.doc

9 Die Größe der Leiterplatte wird durch Eckmarkierungen gekennzeichnet. Es darf keinesfalls der Leiterplattenumriss auf der Druckvorlage gezeichnet werden. Die Leiterplatte wird innerhalb der Eckmarkierungen zugeschnitten. Um verschiedene Druckvorlagen übereinander zu justieren werden Passermarken verwendet. Sie sollen möglichst diagonal außerhalb des Leiterbildes angeordnet werden. Ga 07 Seite 9 ftkl_leiterplatte.doc