Gedruckte Leiterplatte (PCB, aus dem Englischen Printed Circuit Board) – was ist das und wie wird sie in der Elektronik eingesetzt?

Tatsache ist, dass wir von elektronischen Geräten umgeben sind. Wir wissen oft nicht, wie viele davon unseren Alltag bestimmen, wie viele Geräte wir regelmäßig nutzen, auf wie viele wir uns verlassen, ohne deren Funktion oder Präsenz in unserem Leben in Frage zu stellen. Dieses Phänomen ist nicht überraschend. Elektronische Geräte sind der Hintergrund fast aller unserer Aktivitäten. Wir müssen nicht in sie hineinschauen und fragen, woraus sie bestehen und wie sie funktionieren. Wenn wir es jedoch getan haben, dann ist die gedruckte Leiterplatte das wesentliche Element unter vielen anderen, das unsere Aufmerksamkeit erregen könnten, auch bekannt als: gedruckte Schaltung, Flachbaugruppe, Platine. Sie ist das „Herz“ jedes elektronischen Geräts, ohne die dessen Betrieb nicht möglich wäre.

Was ist PCB?

Definition

PCB - eine gedruckte Leiterplatte ist eine Platte aus isolierendem Material mit einem Netz von elektrischen Verbindungen (sog. Bahnen / Leiterbahnen) aus Kupferfolie (Abb. 1). Die Bahnen haben Lötpunkte, die für die Montage elektronischer Komponenten (z. B. Transistoren, Widerstände, integrierte Schaltkreise usw.) bestimmt sind. Die Leiterplatte erfüllt viele Funktionen: sie stellt ein permanentes Netzwerk von Verbindungen zwischen den Knoten des elektronischen Systems her, sie ist eine Halterung für elektronische Bauteile. Gleichzeitig kann sie auch als Ableitung von in den Bauteilen entstehender Wärme dienen. Meistens werden gedruckte Leiterplatten in Form von Platten auf der Basis von mit Harz gebundenen Glas-Epoxid-Fasern hergestellt, die mit Kupfer bedeckt sind.

Das Erreichen einer richtigen Anordnung der Verbindungen auf dem so hergestellten Basislaminat wird durch eine subtraktive Methode im fotochemischen Verfahren erreicht, bei dem unnötige Kupferoberflächen geätzt werden.

Abb. 1. Querschnitt einer gedruckten Leiterplatte

Anfänge des Einsatzes von Leiterplatten in der Elektronik

Die ersten Leiterplatten wurden von Hand gefertigt, die Elemente wurden mit Kabeln oder einem Stück Draht verbunden, das dann auf einem zuvor vorbereiteten Untergrund montiert wurde. Die Anschlussdrähte, die die Bauteile mit der Platine verbinden, wurden durch die Löcher gefädelt und dann an die Oberfläche von elektrisch leitfähigen Bahnen gelötet. Eine solche Montage wird Fädeltechnik genannt. Diese Lösung war ineffektiv und sehr fehlerhaft.

Die Massenproduktion von Leiterplatten begann in den 1950er Jahren. des 20. Jahrhunderts. Dies war dank der Arbeit von Ingenieuren der amerikanischen Armee möglich, die die automatische Montage von Teilen erfanden. Es war ein echter Technologiesprung, der die Serienfertigung von Elektronik beschleunigte.

Arten von gedruckten Leiterplatten

Gedruckte Leiterplatten werden einseitig, zweiseitig und mehrlagig gebaut.

Einseitige Leiterplatten

Die billigste und einfachste Leiterplattenart, die für einfache Systeme und Geräte entwickelt wurde. Bei der Herstellung von Alltagsgeräten werden am häufigsten ein- und zweiseitige Leiterplatten verwendet.

Zweiseitige Leiterplatten

Diese Art von Schaltkreisen unterscheidet sich von der vorherigen durch die Anordnung von Bahnen auf beiden Seiten, die mithilfe von sog. Vias verbunden sind. Aufgrund der Anwendungen und höheren Anforderungen an die Haltbarkeit werden bei der Herstellung FR4-Materialien verwendet.

Universelle Leiterplatten

Sofort kaufbare Leiterplatten, keine Projektierung und Herstellung erforderlich. Ihre beliebteste Anwendung ist die nichtfachmännische Montage von mehr oder weniger komplexen elektronischen Geräten. Sie wird auch professionell verwendet, insbesondere wenn es darum geht, schnell einen Teil eines größeren Geräts zu prüfen.

Mehrlagige Leiterplatten

Im Gegensatz zu den zweiseitigen Leiterplatten ist der Aufbau der Mehrschichtlaminate viel komplexer und hat die Form eines Stapels (Englisch: stack-up, build-up) mit einer geordneten Lagenstruktur, die normalerweise symmetrisch im Verhältnis zur Mitte ist. Im Querschnitt solcher Laminate gibt es drei Elemente: Kupferfolien sowie Kerne und Prepregs, die am häufigsten aus FR4-Laminat bestehen.

Abb. 2. Beispielhafter Aufbau einer 4-Lagen-Leiterplatte

Wo werden Leiterplatten verwendet?

Die ersten Leiterplatten wurden in den USA gebaut. Ursprünglich wurden sie in der Kosmonautik und Militärindustrie eingesetzt. Derzeit sind Leiterplatten weit verbreitet, sowohl in Geräten des täglichen Gebrauchs wie z. B.: Unterhaltungselektronik / Haushaltsgeräte, Tablets, Telefone, Computer, Spielzeug; sowie verschiedene Industriebereiche: Energie, Eisenbahn, Automobil, Luftfahrt, Telekommunikation, Medizin, Militär. Die Massenproduktion von gedruckten Leiterplatten vervielfachte die Produktionskapazität der Anbieter von Navigationssystemen, Überwachungs-, Beleuchtungs-, Steuerungs- und Messgeräten sowie Automatik. Unter den gegenwärtigen Bedingungen ist die Verfügbarkeit von gedruckten Leiterplatten eines der Schlüsselelemente, die die Entwicklung vieler Sektoren der globalen Industrie ermöglichen.