Leiterplatten. Glossar Leiterplatten
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- Hennie Frieda Schubert
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1 Glossar Leiterplatten 1
2 Index Leiterplatten AR, aspect ratio Feinleitertechnik FPC, flexible printed circuitry HDI, high density interconnect IPC, association connecting electronics industries Leiterbahn Leiterplatte, LP Microvia Multilayer-Leiterplatte Prepreg PTH, plated through hole Sackloch SMT, surface mounted technology THT, through hole technology Via Wirelaid Impressum 2
3 AR, aspect ratio Der Begriff Aspect Ratio (AR) wird u.a. bei Leiterplatten benutzt und gibt das Verhältnis zwischen der Leiterplattendicke und dem Bohrlochdurchmesser an. Dieses Verhältnis wird auch als Streckenverhältnis bezeichnet. Hat die Leiterplatte beispielsweise eine Dicke von 0,2 mm und die Bohrung einen Durchmesser von 0,02 mm, dann ist das Aspect Ratio 10:1. Beim Bohrungsdurchmesser ist zu beachten, dass Board-Entwickler als Größe für den Durchmesser die so genannte Finished Hole Size (FHS) benutzen, also den Lochdurchmesser von der fertigen Bohrung und nicht den Durchmesser des Bohrers. Das Aspect Ratio ist ein wichtiger Kennwert für die Bestückung der Leiterplatten mit den verschiedenen BGA-Packages. Feinleitertechnik FLM, fine line metal Die Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente und Chips hat zwangsläufig zu kompakteren Leiterplatten mit verringerten Leiterbahnstrukturen geführt. Diese Techniken, die in den 90er Jahren entwickelt wurde und u.a. zur HDI- Leiterplatte geführt haben, werden als Feinleiter-, Feinstleiter-, Mikrofeinleiter- und Mikrofeinstleitertechnik bezeichnet. Die Leiterbahnstrukturen, Foto: ILFA GmbH Feinleitertechniken 3
4 unterscheiden sich in der Struktur ihrer Leiterbahnen, der Größe der Pads, Vias und Microvias. Haben Standard-Leiterbahnen eine Leiterbahnstruktur zwischen 300 µm und 200 µm, so ist die der Feinleitertechnik 180 µm, der Feinstleitertechnik 150 µm, der Mikrofeinleiter- und Mikrofeinstleitertechnik 90 µm und 50 µm. Gleiches gilt für die Vias, die bei Standard- Leiterplatten 0,60 mm groß sind, bei Feinleitern lediglich 0,40 mm und bei Feinstleitern und Mikrofeinstleitern nur noch 0,20 mm und 0,15 mm. Die Feinleitertechnik wird u.a. in der SMT-Technik eingesetzt, die der Feinstleiter in der Fine- Pitch-Technik und die der Mikrofein- und -feinstleiter in Chip on Board (CoB) und Multi-Chip- Modulen (MCM). FPC, flexible printed circuitry Flexible Leiterplatte Flexible Printed Circuit (FPC) sind flexible Leiterplatten, sogenannte Flexleiterplatten. Es sind gedruckte elektronische Schaltungen auf flexiblem Basismaterial, die unterschiedlich biegsam sind. Als Basismaterial wird Polyimid benutzt, meistens aber Polyesterfolie. Bei flexiblen Leiterplatten wird das flexible Basismaterial wie bei der Leiterplattenherstellung mit einer dünnen Kupferkaschierung beschichtet. Die Leiterbahnen und Schaltungen werden mit einer speziellen Farbe auf das flexible Basismaterial aufgedruckt und der nicht bedruckte Bereich wird ausgeätzt. Dadurch bleiben die Leiterbahnen für die elektronische Schaltung erhalten. Alternativ dazu können die Flexible Printed Circuitry (FPC), Foto: Parlex Leiterbahnen auch mit leitender 4
5 Druckerfarbe als gedruckte Elektronik aufgedruckt werden. Die gedruckten Schaltungen können ein- oder beidseitig auf das Trägermaterial aufgebracht werden, aber ebenso mehrmalig wie Multilayer-Leiterplatten ausgeführt sein. Die Leiterbahnabstände können unter 0,2 mm liegen. Neben einseitigen flexiblen Leiterplatten gibt es doppelseitige und auch mehrlagige flexible Leiterplatten. Ein Einsatzgebiet für flexible Leiterplatten sind Verbindungskabel, die in FPC-Technologie allerdings aufwendiger herzustellen sind als die in Leiterausführung. Darüber hinaus werden flexible Leiterplatten in der Medizin- und Automotive-Technik eingesetzt, in der Telekommunikation, der Sensortechnik, im Maschinenbau und der Luft- und Raumfahrt. HDI, high density interconnect HDI-Leiterplatte Die zunehmende Miniaturisierung von Geräten, Baugruppen und Bauteilen stellt immer weitere SMT-Platine mit Vias Anforderungen an die Bauelemente- und Leiterbahndichte von Leiterplatten. Die konstruktiven Lösungen werden durch die Verkleinerung der Pad-Durchmesser, durch Reduzierung der Leiterbahnbreite und des Leiterbahnabstands, die Erhöhung der Lagenzahl und der Microvias für die Kontaktierungen erreicht. Alle diese Konstruktionsmerkmale kennzeichnen die HDI-Leiterplatten (High Density Interconnection), eine Multilayer-Leiterplatte, die je nach Lagenzahl zwischen 0,8 mm und 2,4 mm dünn sind. 5
6 Die Leiterbahnstrukturen von HDI-Leiterplatten sind in Feinstleiter-, Mirkofeinleiter- oder Mikrofeinstleitertechnik (MFT) aufgebaut. Die technischen Merkmale für HDI-Leiterplatten sind durch die Leiterbahnbreite von <120 µm und dem Leiterbahnabstand von <120 µm sowie dem Einsatz von Blind-Vias charakterisiert. Bedingt durch die enorme Leiterbahndichte kann jede Lage mehr Leiterbahnen aufweisen, wodurch die Lagenzahl reduziert werden kann. Der HDI-Lagenaufbau, der im Standard IPC-2315 beschrieben ist, besteht prinzipiell aus der Kernlage aus Epoxidharz, den Prepregs, das sind vorimprägnierte, faserverstärke Schichten, und dem HDI-Dielektrikum. Vom Aufbau her gibt es mehrere unterschiedliche HDI-Typen: HDI-Typ I arbeitet mit Durchkontaktierungen und Microvias. Die Lagenanzahl variiert und hängt von dem Seitenverhältnis der Durchkontaktierungen und von der Dicke des FR-4- Dielektrika ab, das bei hohen Temperaturen delaminieren kann. Um eine hinreichende Zuverlässigkeit zu erhalten, sollte das Verhältnis von Kontaktierungslänge und Lochdurchmesser mindestens 10 sein. Beim HDI-Typ II werden Microvias benutzt und innenliegende Durchkontaktierungen, die sogenannten Buried Vias. Diese verdeckten Durchkontaktierungen werden nach der Bohrung durch weitere Lagen abgedeckt. Microvias können neben oder auch über den innenliegenden Durchkontaktierungen angebracht werden. Die Lagenanzahl ist bei den HDI-Typen I und II begrenzt. Im Unterschied zu HDI-Typ II befinden sich beim HDI-Typ III mindestens zwei Microvia-Lagen auf mindestens einer Leiterplattenseite. Die Microvias können direkt über den verdeckten Vergrabungen angeordnet werden. Diese HDI-Leiterplatte eignet sich für große, dicht bestückte Platinen mit mehreren BGA-Packages mit vielen Pins. Mit den HDI-Typen IV, V und VI gibt es noch drei weitere HDI-Typen, die allerdings nicht für BGA-bestückte Leiterplatte genutzt werden. 6
7 HDI-Leiterplatten werden in mobilen Endgeräten, in Handys, PDAs, Smartphones und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. IPC, association connecting electronics industries Die Association Connecting Electronics Industries (IPC) wurde 1957 als Institut für gedruckte Schaltungen, Institute for Printed Circuits, gegründet. Später wurde diese Bezeichnung in Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits geändert und diese wurde 1999 wiederum in Association Connecting Electronics Industries umbenannt. Beibehalten wurde lediglich das schon immer verwendete Akronym IPC. Die IPC ist eine Vereinigung, die sich mit den Problemen, Lösungen, Strategien und Produktionstechniken von gedruckten Schaltungen im weitesten Sinne beschäftigt. Als weltweit agierende Organisation mit über Mitgliedsfirmen beschäftigt sich die IPC mit allen Facetten der Entwicklung, Herstellung und Produktion von Leiterplatten und deren Bestückungstechniken. Sie erstellt Marktprognosen, erarbeitet Standards, gibt Richtlinien für die Baugruppenfertigung und die Qualitätssicherung heraus und fördert die Schulung des Firmenpersonals und die Produktionstechniken. Die IPC-Richtlinien umfassen den Montageprozess und die Tests für elektronische Baugruppen in dem die Qualität des Endprodukts durch die richtige Handhabung der Leiterplatten, der zu bestückenden Bauelemente, des Lotes, der Flussmittel und der Produktionsmaschinen bestimmt wird. Leiterbahn conductor path Leiterbahnen sind elektrisch leitende Verbindungen auf einer Leiterplatte. Sie werden für die Strompfade, Masse und die Temperaturableitung benutzt. Damit der Stromtransport möglichst verlustarm erfolgt, sind die Leiterbahnen aus Kupfer, das einen geringen spezifischen Leiterplatte mit Leiterbahnen und Vias 7
8 Widerstand hat, und werden bei der Leiterplattenherstellung aus dem aufkaschierten Kupferbelag ausgeätzt. Dies geschieht mit lithografischen und galvanischen Verfahren. Leiterbahnen werden in handelsüblichen Leiterbahndicken ausgeführt, die Leiterplatte mit Leiterbahnen und Vias Leiterbahnbreiten werden durch die Konstruktionsprogramme und die Leiterbahntechniken festgelegt. Bei den Leiterbahnstrukturen unterscheidet man zwischen Standard-Leiterbahnen die zwischen 300 µm und 200 µm breit sind, der Feinleitertechnik mit 180 µm, der Feinstleitertechnik mit 150 µm, der Mikrofeinleiter- und Mikrofeinstleitertechnik mit Leiterbahnstrukturen von 90 µm und 50 µm. Die Leiterbahndicken liegen zwischen 5 µm und 400 µm, gängige Leiterbahndicken betragen 17,5 µm, 35 µm und 70 µm. Der sich daraus ergebende Leiterquerschnitt bestimmt die Stromtragfähigkeit der Leiterbahn und damit den Strom, der durch sie fließen kann. Leiterbahnen mit kleinerem Querschnitt werden für Feinstleitertechnik benutzt, dickere hingegen für Feinleitertechnik und noch dickere für Hochstromverbindungen. Leiterbahnen für hohe Stromstärken arbeiten mit Kupfereinleger, die in gefräste Vertiefungen eingelegt werden. Diese können sich auf der Leiterplattenoberseite oder bei Multilayer-Leiterplatten auch zwischen den Leiterplattenschichten befinden. Werden als Einleger Drähte verwendet, spricht man von Wirelaid. Bei dickeren Leiterbahnen spricht man von Dickkupfer-Leiterplatten. Der Abstand zwischen zwei Leiterbahnen wird durch die Spannungsfestigkeit der Isolation und durch die 8
9 gegenseitige kapazitive Beeinflussung bestimmt. Leiterplatten werden ja nicht nur einseitig mit Kupferfolie kaschiert, sondern sind zweiseitig und oft mehrlagig als Multilayer-Leiterplatten ausgeführt. Die Verbindung zwischen zwei oder mehreren Leiterbahnen durch die Leiterplatte durch Bohrungen und durchkontaktierte Bohrungen, den sogenannten Vias. Leiterplatte, LP PCB, printed circuit board Leiterplatten sind kupferkaschierte, glasfasergetränkte Epoxydharzplatten oder Polyimid- und Polyesterfolien, auf denen elektronische Bauteile über Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Die Leiterbahnen selbst werden durch Ätztechniken aus der Kupferkaschierung ausgeätzt. Als Basismaterial benutzen Leiterplatten Hartpapier, Glasgewebe oder Baumwollpapier, das durch Harze wie Phenol, Epoxid, Teflon und Polymere verstärkt wird. Dieses Trägermaterial wird mit einer Kupferschicht kaschiert. Zur Klassifizierung sind die Basismaterialien von Leiterplatten in FR-Klassen (FR, Flame Retardant) eingeteilt. Je nach Trägermaterial eignen sie sich für Konsumerprodukte, Computer, Messgeräte oder HF-Schaltungen. Häufig eingesetzte Leiterplatten sind flammwidrig und Aufbau einer beidseitig kaschierten Leiterplatte 9
10 haben eine FR-Klasse 4. Neben den starren Leiterplatten gibt es auch flexible Leiterplatten, die u.a. als Kabelverbinder eingesetzt werden, starr-flexible und dreidimensionale Form- Leiterplatten. Die einfachste Ausführung ist eine einseitige Standard-Leiterplatte, die nur auf einer Seite Leiterbahnen hat. Auf der zweiten Leiterplattenseite werden die Bauteile montiert. Die Seite mit den Leiterbahnen wird als Lötseite bezeichnet, die mit den elektronischen Bauteilen als Bestückungsseite. Da die Leiterbahnen auf dem Trägermaterial immer kreuzungsfrei verlegt sein müssen, kann man nur bei einfachen elektronischen Schaltungen mit einer einzigen Leiterbahnebene arbeiten. Bei steigender Komplexität sind Leiterplatten beidseitig kupferkaschiert. Darüber hinaus können auch beide Seiten mit SMD-Bauteilen, integrierten Schaltungen, Sockeln, Steckern und Steckverbindern bestückt werden. Mit der Miniaturisierung der Bauelemente und dem damit verbundenen geringeren Stromverbrauch, wurden auch die Leiterbahnstrukturen über die Jahre kontinuierlich verringert. Betrug die Leiterbahnstruktur von Standard- Leiterplatten in den 80er Jahren noch zwischen 300 µm und 200 µm, so Nach NEMA definierte Basismaterialien für Leiterplatten reduzierte sie in den folgenden Jahren 10
11 mit der Feinleitertechnik auf 180 µm und mit der Feinstleitertechnik auf 150 µm. In den darauf folgenden Techniken mit Mikrofeinleiter und Mikrofeinstleiter wurden die Leiterbahnstrukturen auf 90 µm und 50 µm reduziert. Die Kupferkaschierung des Trägermaterials ist bei allen Leiterplattenausführungen äußerst dünn und hat Kupferauflagen zwischen 5 µm und 210 µm, wobei die gängigsten Kaschierungen bei 17,5 µm, 35 µm und 70 µm liegen. Die dünnen Kupferauflagen werden für Feinstleitertechnik, dickere hingegen für Feinleitertechnik und noch dickere für Standard- Leiterbahnen und Hochstromverbindungen benutzt. Für hohe Ströme gibt es mit Wirelaid auch eine Embedded-Technik, bei der Hochstromleiterbahnen zwischen die Lagen gelegt werden. Reicht die beidseitige Leiterbahnführung für die Schaltungsrealisierung nicht aus, geht man zu mehrlagigen Multilayer-Leiterplatten über. Dabei werden mehrere dünnere Epoxydharzplatten, die alle mit kaschierten Leiterbahnen ausgestattet sind, passgenau mit Prepregs aufeinander geklebt. Anstelle der Epoxydharzplatten treten bei weiter steigender Komplexität kupferkaschierte Polyimid- oder Polyesterfolien, die nur 50 µm dünn sein können. Dadurch kann eine Leiterplatte aus mehreren Leiterbahnebenen bestehen, das können durchaus 10 bis 20 sein. Die Grenze der Multilayer-Technik liegt bei etwa 48 Lagen. Bei dieser Lagenzahl werden das Trägermaterial und die Prepregs äußerst dünn, was bei höheren Temperaturen für bleifreies Löten zu Problemen führen kann. Für die Kontakte zwischen den verschiedenen Leiterbahnen von Multilayer-Leiterplatten sorgen Durchkontaktierungen und Vias. Zur Erhöhung der Komponenten- und Leiterbahndichte von Standard-Leiterplatten bietet sich mit der HDI-Leiterplatte ein Lagenaufbau mit kleineren Leiterbahnbreiten und -abständen an. Inzwischen gibt es auch embedded Techniken, bei denen passive Bauelemente auf den Innenlagen von Multilayer-Leiterplatten eingebettet werden und so auf den Platinenoberflächen Platz für aktive Bauelemente schaffen. 11
12 Die Leiterbahnen selber sind aus gut leitendem Material wie Kupfer oder Silber und zur Einschränkung der Korrosion teilweise auch in Gold kontaktiert. Die Leiterbahnabstände sind bei modernen gedruckten Schaltungen durch die Kontaktabstände der Sockel bestimmt und liegen bis hin zu 0,5 mm. Technisch können bereits Leiterbahnbreiten und -abstände von 20 Mikrometer erzeugt werden. Durch den hohen Feinheitsgrad lasen sich Chip on Boards (CoB) und Multi-Chip-Module (MCM) problemlos in eine Schaltung integrieren. Mit den Leiterbahnen selbst können Kapazitäten und hochfrequente Leitungen nachgebildet werden. Beispiele hierfür sind Striplines und Microstrips. Die elektronischen Bauteile, Sockel, Buchsen- und Steckerleisten werden in Durchstecktechnik (THT) in die Leiterplatte eingelassen und durchkontaktiert, sie können aber auch mittels SMT- Technik auf der Oberfläche der Leiterplatte verlötet, leitgeklebt oder gebondet werden. Für Leiterplatten gibt es standardisierte Größen. Die am häufigsten verwendeten Formate für Einschubplatinen für Gestelleinbau sind die Europakarte und die Doppel-Europakarte. Microvia Als Microvias werden kleine Löcher bezeichnet, die auf HDI-Leiterplatten in Mikrofeinleitertechnik (MFT) für die Verbindung zwischen zwei oder mehreren Layern sorgen. Solche Mikrolöcher werden mit Lasern, durch Plasmaätzen oder mechanischen Mikrobohrern hergestellt und haben einen Durchmesser von 50 µm oder 100 µm. Ein Microvia ist durch einen Lochdurchmesser von <200 µm und/oder einer Lochdichte von >1.000 Vias/qdm definiert. Nach der Association Connecting Electronics Industries, IPC 6016 ist der Lochdurchmesser sogar <150 µm. Microvias dienen ausschließlich zur Kontaktierung von Leiterbahnen in Mikrofein- und Mikrofeinstleitertechnik und werden mit leitenden Materialien beschichtet. 12
13 Herstellung eines Microvias Bedingt durch die zunehmende Miniaturisierung von Bauteilen müssen auf den Leiterplatten kleinste Verbindungsstellen zwischen einer äußeren Schicht und anderen Schichten einer Multilayer-Leiterplatte geschaffen werden. Mit solchen Vias können Chipbausteine mit kleinsten Kontaktabständen wie BGA-Packages, QFP-Packages oder CSP-Packages entflochten werden. Darüber hinaus können Microvias für die Kontaktierung von Striplines und Microstrips benutzt werden, da sie die Impedanz der Übertragungsleitungen nicht beeinträchtigen. Multilayer-Leiterplatte MLB, multi layer board Bedingt durch die vielen Kontakte, die Mikroprozessoren und andere elektronische Bauteile haben, reichen ein- und doppelseitig beschichtete Leiterplatten nicht aus, um die geforderte Packungsdichte zu realisieren. Die resultierenden gedruckten Schaltungen haben zu viele Kreuzungspunkte. Aus diesem Grund wurde bereits in den 70er Jahren mehrlagige Leiterplatten hergestellt, bei denen die Leitungsführung auf mehreren kreuzungsfreien Lagen erfolgt. 13
14 Beispiel für eine vierlagige Multilayer-Leiterplatte Diese mehrlagigen Leiterplatten sind Multilayer-Leiterplatten (MLB). Sie sind lagenweise aufgebaut und bestehen aus Kupferfolien, Prepregs und Trägermaterial. Der Lagenaufbau von Multilayer-Leiterplatten ist symmetrisch in Bezug auf die Innenlagen, die Prepregs und die Kupferlagen. Die Innenlagen bestehen aus Trägermaterialien und haben standardmäßige Materialstärken zwischen 0,10 mm und 1,20 mm. Zwischen den einzelnen Lagen befinden sich meistens zwei Prepregs. Dickere Prepregs sorgen für eine höhere Stabilität, was die Kupferschichten auf den Innenlagen betrifft, so wird bei dickerem Kupfer mehr harzreiches Prepreg zum Verfüllen der weggeätzten Kupferflächen benötigt. Multilayer-Leiterplatten sind in HDI-Technik und für Surface Mounted Technology (SMT) und können aus 4 bis 10 Einzellagen bestehen. Realisierbar sind bis zu 48 Lagen. Die Verbindung 14
15 zwischen den einzelnen Lagen wird mit Vias resp. Microvias gemacht. Solche Microvias können die äußeren Lagen miteinander verbinden, als Plated Through Hole (PTH), sie können aber auch innenliegende Lagen miteinander oder mit den äußeren Lagen verbinden. Prepreg preimpregnated Beispiel für eine Multi-Layer-Schaltung. Die einzelnen Layer sind farblich kenntlich gemacht. Prepeg ist die Abkürzung für Preimpregnated und bedeutet vorimprägniert. Die Bezeichnung Prepeg wird in der Leiterplattentechnik für vorgetränkte Zwischenlagen von Multilayer- Leiterplatten und HDI-Leiterplatten benutzt. Prepregs sind flexible Laminate, die aus Harz und Glasfaser bestehen und zwischen 50 µm und 175 µm dünn sind und quasi als Kleber zwischen den festen Kernlagen fungieren. Nach dem Laminierprozess härtet der Kleber aus. Dickere Prepregs haben eine höhere Typenbezeichnung und sorgen bei mehrlagigen Leiterplatten für eine höhere Stabilität. Der Harzanteil von Prepregs ist abhängig vom Prepreg-Typ und liegt zwischen 75 % und ca. 50 %. Damit die charakteristischen HF- Eigenschaften der Leiterplatten nicht beeinträchtigt werden, müssen Prepregs die gleiche Flammwidrigkeit haben, wie die Kernplatten. 15
16 PTH, plated through hole DK, Durchkontaktierung Bei zwei- und mehrlagigen Leiterplatten müssen zwischen der oberen und der unteren kupferbeschichteten Leiterplatte Durchkontaktierungen hergestellt werden. Diese Durchkontaktierungen oder Durchsteiger sind Plated Through Holes (PTH). Es sind kleine Bohrungen mit Durchmessern von 0,3 mm bis 1,0 mm, die innenwandig mit Kupfer oder Metallschichten versehen sind. Die obere Plated Through Hole (PTH), Foto: lpkf.com und untere Kontaktstelle der Plated Through Holes sind umgebörtelt und bilden einen elektrischen Kontakt mit den Leiterbahnen. Durchkontaktierungen können durch einen chemischen Abscheideverfahren mit einer dünnen Kupferschicht beschichtet werden. Beim Abscheidevorgang lagert sich das Kupfer auch in den Lochwandungen der Vias ab. Die Kupferschichtdicke liegt nach der chemischen Abscheidung bei etwa 3 mm, bei einer galvanischen Behandlung bei etwa 5 µm. Ein anderes Verfahren für Durchkontaktierungen ist die Metallisierung. Dabei werden die Wandungen der Bohrlöcher mit einer dünnen Graphitschicht belegt. Sackloch blind vias In der Fertigung von Multilayer-Leiterplatten gibt es verschiedene Techniken um die obere oder untere Löt- oder Bestückungsseite miteinander oder mit einer dazwischen liegenden Leiterplattenlage zu kontaktieren. Diese Kontaktierungen nennt man Vias. Bei den Vias unterscheidet man zwischen solchen, die die beiden äußeren Leiterplattenlagen miteinander 16
17 verbinden, das sind durchkontaktierte Vias oder Plated Through Holes (PTH), solchen, die eine äußere Lage mit einer inneren verbinden, das sind Sacklöcher oder Blind Vias und den innenliegenden Durchkontaktierungen, den Buried Vias. Sacklöcher, Blind Vias, sind Kontaktierungen, die von der Bestückungsseite oder der Lötseite bis zu einer inneren Leiterplattenlage reichen und von später aufgebrachten Verschiedene Via-Ausführungen Leiterplattenlagen abgedeckt werden. Der Lochdurchmesser der Sacklöcher liegt zwischen 0,2 mm und 0,5 mm, die maximale Bohrtiefe ist abhängig vom Lochdurchmesser und entspricht dem Lochdurchmesser. Eine Sonderform der Sacklöcher bilden solche, die zwei innenliegende Leiterplattenlagen miteinander verbinden. Sie heißen Buried Vias und werden beidseitig von später aufgebrachten Leiterplattenlagen abgedeckt. SMT, surface mounted technology SMT-Technik Die SMT-Technik (Surface Mounted Technology) ist eine Oberflächenmontage mit der die Bestückung von gedruckten Schaltungen von Platinen und Leiterplatten vereinfacht wird. Die für die Bestückung notwendigen SMD-Bauteile zeichnen sich durch ihre extrem kleine Bauform aus und werden bei der Bestückung direkt auf die kupferkaschierte Oberfläche der Platine gelötet. Sie benötigen keine Bohrlöcher wie die bedrahteten Bauelemente für die 17
18 Durchstecktechnik (THT), wesentlich weniger Platz und können ein- oder beidseitig auf dünneren Platinen montiert werden. Die SMT-Platinen können vollautomatisch bestückt werden. Die Bestückungsleistung kann bis zu SMD-Bauteile pro Stunde und sogar darüber betragen. Da die SMD-Bauteile extrem klein sind erfolgt die Beschriftung nur über einen Code, der auf die Platine gedruckt wird. Die Löttechnik bei der SMT-Technik Lötverbindung der SMD-Bauteile mit den Leiterbahnen erfolgt mittels Lötverbindung in einem Schwalllötbad. THT, through hole technology Durchstecktechnik Bei Leiterplatten unterscheidet man zwischen solchen bei denen die elektronischen Bauteile mit Anschlussdrähten versehen sind, die in vorgebohrte Löcher eingesteckt werden, der Through-Hole-Technik (THT), und der SMT-Technik, bei denen die Bauteile nur Anschlusskontakte haben, die auf der Leiterplattenoberfläche aufgebracht und verlötet werden. Die klassische Leiterplatten-Bestückungstechnik ist die Durchstecktechnik. Bei dieser Technik werden die Einstecklöcher berechnet, gebohrt und kontaktiert. Die einzelnen Bohrungen haben eine Lötfläche und bei durchkontaktierten Löchern ist die Bohrung mit einer Kupferhülse belegt. Die Bohrungen stellen die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Leiterplatte und Bauteil her. Das elektronische Bauteil wird mit dem Anschlussdraht oder -stift 18
19 durch die Bohrung gesteckt, die Anschlussdrähte werden abgeschnitten und mittels Lötverbindung im Schwalllötbad mit der Leiterbahn verlötet. Dabei fließt das Lot auch zwischen Kupferhülse und Anschlussdraht. Bei dieser Leiterplattentechnik werden Durchkontaktierungen Lötauge (Pad) bei einer THT-Verbindung zwischen den einzelnen Lagen der mehrlagigen Leiterplatte mit Vias realisiert. Bei Leiterplatten unterscheidet man zwischen solchen bei denen die elektronischen Bauteile mit Anschlussdrähten versehen sind, die in vorgebohrte Löcher eingesteckt werden, der Through-Hole-Technik (THT), und der SMT- Technik, bei denen die Bauteile nur Anschlusskontakte haben, die auf der Leiterplattenoberfläche aufgebracht und verlötet werden. Die klassische Leiterplatten-Bestückungstechnik ist die Durchstecktechnik. Bei dieser Technik werden die Einstecklöcher berechnet, gebohrt und kontaktiert. Die einzelnen Bohrungen haben eine Lötfläche und bei durchkontaktierten Löchern ist die Bohrung mit einer Kupferhülse belegt. Die Bohrungen stellen die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Leiterplatte und Bauteil her. Das elektronische Bauteil wird mit dem Anschlussdraht oder -stift durch die Bohrung gesteckt, die Anschlussdrähte werden abgeschnitten und mittels Lötverbindung im Schwalllötbad mit der Leiterbahn verlötet. Dabei fließt das Lot auch zwischen Kupferhülse und Anschlussdraht. 19
20 Bei dieser Leiterplattentechnik werden Durchkontaktierungen zwischen den einzelnen Lagen der mehrlagigen Leiterplatte mit Vias realisiert. Via, vertical interconnect access Die Abkürzung Via steht für Vertical Interconnect Access, einer vertikalen elektrisch leitenden Verbindung. Vias sind durchkontaktierte Löcher einer Leiterplatte, sie werden auch als Lagenwechsler bezeichnet. Solche Vias dienen ausschließlich der Durchkontaktierung zwischen mehreren Lagen einer Leiterplatte, über die eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird. Sie sind nicht für Bauteile geeignet, die in Durchstecktechnik (THT) verarbeitet werden. Vias haben einen geringen Lochdurchmesser und verbinden verschiedene Lagen von Leiterplatte miteinander. Der Lochdurchmesser hängt von der Leiterbahnstruktur ab und liegt bei Standard-Leiterbahnen bei 0,60 mm, bei Leiterbahnen in Feinleitertechnik reduziert sich der Via-Durchmesser auf 0,40 mm und bei Feinstleitern bis auf 0,20 mm. Die noch kleineren Microvias liegen bei 0,20 mm und 0,15 mm. Werden von den Vias die beiden äußeren Lagen der Leiterplatte miteinander kontaktiert, so handelt es sich um Durchkontaktierungen, Durchgangs-Vias, Durchsteiger oder Plated Through Holes (PTH). Werden Verschiedene Via-Ausführungen die Leiterbahnen von zwei 20
21 innenliegenden Lagen miteinander verbunden, spricht man von Buried Vias oder vergrabenen Vias. Diese Vias sind nicht von der Platinenoberfläche aus zugänglich. Verbinden die Vias die oberste oder unterste kupferbeschichtete Lage mit einer Innenlage, so sind es Blind Vias oder Sacklöcher. Die Sacklochvias beginnen in der Leiterplattenoberfläche und reichen bis zu der gewünschten inneren Leiterplattenschacht. Und Plugged Vias sind verschlossene Vias. Plugged Vias können unter den kugelförmigen Lötpunkten, den Balls, von BGA-Packages und deren Varianten platziert werden, was die Entflechtung vereinfacht. Bei geringen Leiterbahnabständen werden die Vias zunehmend kleiner, man spricht dann von Microvias. Zudem gibt es eine Durchkontaktierungstechnik auf Silizium-Basis: die Through- Silicon Vias (TSV), die in der Halbleitertechnik, in Komponenten der Optoelektronik und in der Mikrosystemtechnik (MEMS) eingesetzt wird. Die Löcher für die Vias können mit Mikrobohrern gebohrt, von Lasern gebrannt oder wie bei der LTCC-Technik gestanzt werden. Wirelaid Die Wortschöpfung Wirelaid setzt sich zusammen aus Wire und Laid, wobei Wire für Draht steht und Laid für einlegen. Bei Wirelaid handelt es sich um eine Kupfereinlagetechnik bei der Leiterbahnen durch Kupfereinleger oder eingelegte Drähte verstärkt werden. Dadurch werden aus normalen Leiterbahnen, die nur geringe Stromstärken vertragen, Hochstromleiterbahnen. Die ständig steigenden Anforderungen an die Leistungselektronik führen dazu, dass deutlich höhere Ströme über die Leiterplatten und Verbindungselemente geführt werden müssen. Da normale Leiterbahnen extrem dünn sind, sind sie für Hochströme nicht geeignet, sie würden die maximale Erwärmung überschreiten und müssen dafür im Leiterquerschnitt vergrößert werden. Dies erfolgt mit Drähten, die in das Basismaterial der Leiterplatten eingebettet werden. 21
22 Der Leiterquerschnitt und der spezifische Widerstand des Leiterbahnmaterials bestimmen in Abhängigkeit vom Stromfluss die Erwärmung der Leiterbahn. Diese Zusammenhänge sind in der IPC-Richtlinie 2152 beschrieben. Die Zusammenhänge zeigen, dass Wirelaid-Technik mit in die Leiterplatte eingebetteten Leitungen die Leiterbahnen bei normaler Kupferkaschierung sehr breit werden und 10 mm und mehr betragen können. Da solche breiten Leiterbahnen nicht praktikabel sind und die Leiterplatten verteuern, bieten sich einige Alternativen an wie das parallele Verlegen mehrerer Leiterbahnen auf den einzelnen Schichten einer Multilayer-Leiterplatte, eine dickere Kupferkaschierung oder eben Wirelaid. Für die Leiterbahnverstärkung kann jede Schicht einer Multilayer-Leiterplatte benutzt werden. Außerdem kann bei der Wirelaid-Technik die Leiterbahnverstärkung durch eine dickere Leiterbahn oder durch einen runden Draht erfolgen. 22
23 Impressum Leiterplatten Urheber Klaus Lipinski Datacom-Buchverlag GmbH Dietersburg ISBN: Leiterplatten, V2.1 E-Book, Copyright 2013 Trotz sorgfältiger Recherche wird für die angegebenen Informationen keine Haftung übernommen. Dieses Werk ist unter einem Creative Commons Namensnennung-Keine kommerzielle Nutzung-Keine Bearbeitung 3.0 Deutschland Lizenzvertrag lizenziert. Erlaubt ist die nichtkommerzielle Verbreitung und Vervielfältigung ohne das Werk zu verändern und unter Nennung des Herausgebers. Sie dürfen dieses E-Book auf Ihrer Website einbinden, wenn ein Backlink auf gesetzt ist. Layout & Gestaltung: Sebastian Schreiber Titel: 1. Viktor Kuryan - Fotolia.com Produktion: Weitere Informationen unter 23
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