Alles, was Sie über Leiterplattendesign und -fertigung wissen müssen

Schlüsselwörter: Leiterplattenhersteller

Leiterplatten sind moderne Materialien, die in elektronischen Geräten verwendet werden, da sie eine Möglichkeit bieten, die elektronischen Bauteile miteinander zu verbinden. Diese Platten haben Metallbahnen und Pads sowie andere formgebende Elemente, die durch Fotolithografieprozesse aus Kupferfolien hergestellt werden, die auf nichtleitende Materialien wie FR-4-Epoxidharz-Glasfaser laminiert sind. Leiterplatten von Leiterplattenherstellern werden in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt, einschließlich Haushaltsgeräten, Industrieanlagen und Geräten der Luft- und Raumfahrt. Die einseitigen, doppelseitigen und mehrlagigen Leiterplatten erfüllen spezifische Designparameter und Einschränkungen einer Schaltung.

Es gibt andere Subtypen von Leiterplattentechnologien, die auf dem Markt eingeführt wurden, um den Komplexitäten bei der Entwicklung fortschrittlicher und miniaturisierter elektronischer Geräte gerecht zu werden, darunter flexible, starr-flexible und Leiterplatten mit hoher Verdrahtungsdichte. Bei der Auswahl ist es grundlegend, welche Art von Leiterplatten in einer bestimmten Anwendung verwendet werden soll, und dies kann mit einer klareren Perspektive in Abhängigkeit von der Art und den Eigenschaften der Leiterplatten erfolgen.

Hauptrohstoffe für Leiterplatten

Die wesentlichen Schichten einer Leiterplatte sind ein nichtleitendes Basismaterial, normalerweise aus Glasfaser namens FR-4, Polyimid oder PTFE. Solide Kupferbahnen, Verbindungen und andere Muster werden auf der Oberfläche des Substrats entwickelt, um die erforderlichen elektrischen Pfade zu schaffen.

Um die elektrische Verbindung verschiedener Teile der Leiterplatte, auf denen diese Komponenten platziert sind, herzustellen, werden Kupferleiterbahnen verwendet. Diese Bahnen hängen von der Stromtragfähigkeit und der gewünschten Impedanz der Schaltung ab, sodass Breiten und Dicken bestimmt werden müssen.

Vias sind die kleinen Löcher durch die Leiterplatte und mit Kupferschichten gefüllt, wodurch die Verbindung der Lagen der Platine ermöglicht wird. Einige der gängigen Arten von Vias sind Durchgangslöcher, blinde und vergrabene Vias mit unterschiedlicher Verwendung im Leiterplattendesign.

Lötstopplacke, normalerweise ein Polymer, werden auf die Leiterplattenoberfläche aufgebracht, hauptsächlich um die Kupferbahnen vor Oxidation zu schützen und insbesondere während des Lötens, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Es hilft auch, die elektrische Isolierung zwischen der nächsten Bahn und dem benachbarten Pad sicherzustellen.

Kupferfolie: Die Kupferfolie kommt in unterschiedlichen Gewichten für die Herstellung leitfähiger Bahnen, Pads und Ebenen.

Substratmaterialien: FR-4 ist das typische Basismaterial aufgrund seiner guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften, jedoch werden Polyamid und PTFE bei hohen Frequenzen und hohen Temperaturen verwendet.

Lötstopplack: LPI-Lötstopplacke sind aufgrund der Fähigkeit, große Maßgenauigkeit und erhebliche Flexibilität zu bieten, sehr beliebt.

Bestückungsdruck: Eine Schicht aus Tinte auf der äußeren Kupferschicht, die Text, Logos und Bauteilreferenzen enthält, was die Montage von Komponenten und die Fehlersuche erleichtert.

Oberflächenveredelungen: Substratoptionen, die Heißluftlötverzinnung (HASL) sowie chemische Beschichtungsverfahren wie chemisch vernickeltes Immersionsgold (ENIG) oder organischen Lötbarkeitsschutz (OSP) umfassen, die das freiliegende Kupfer bedecken und die Lötbarkeit verbessern.

Leiterplatten bestehen heutzutage aus verschiedenen Materialien, aber die Eigenschaften jedes einzelnen sind wichtig zu kennen.

FR-4, was für glasfaserverstärkten Epoxidharz-Laminat steht, ist bei Leiterplattenherstellern aufgrund seiner elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften beliebt, gekennzeichnet durch eine Dielektrizitätskonstante von 4,5 bei 1 MHz mit einem Verlustfaktor von 0,02, was für den allgemeinen Gebrauch anwendbar ist. Es hat eine Tg von 130°C bis 180°C; und eine Wärmeleitfähigkeit von 0,3 W/mK.

Polyimid, ein Hochleistungspolymer, zeichnet sich durch hohe Hitzebeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und mechanische Festigkeit aus. Bei 1MHz machen eine Dielektrizitätskonstante von 3,2 bis 3,6 und ein Verlustfaktor von 0,002 es ideal für Hochfrequenzanwendungen. Polyimid gehört zu den duroplastischen Kunststoffen und hat eine Glasübergangstemperatur zwischen 260 und 400 Grad Celsius; das Material besitzt eine Wärmeableitfähigkeit von 0,2 Watt pro Meter Kelvin.

Hier sind die wichtigsten Leiterplatten-Design-Überlegungen:

Bauteilplatzierung: Man sollte auf die richtige Platzierung der Komponenten abzielen, um Emissionen zu reduzieren und gleichzeitig die Signal- und thermische Integrität zu verbessern sowie die Fertigbarkeit der Leiterplatte zu erhöhen. Bei der Bauteilplatzierung müssen einige spezifische Maßnahmen beachtet werden: Größe, Form, Ausrichtung der Komponenten und ihre Nähe zu Störfaktoren sollten angemessen berücksichtigt werden und müssen den notwendigen Bedingungen entsprechen, um den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Signalintegrität: Sicherstellen, dass Signalqualität und Timing über die gesamte Leiterplatte hinweg aufrechterhalten werden, durch geeignete Leiterbahnführung und Routing, Impedanzanpassung sowie Minimierung von Übersprechen und EMI. Maßnahmen wie Masseflächen, keine scharfen Biegungen und gute Abschlüsse sollten angewendet werden, um Signalverzerrungen zu vermeiden. Daher sollten TDR & Augendiagramme oder andere Simulationswerkzeuge und Analysetechniken zur Leistungsverbesserung eingesetzt werden.

Thermisches Management: Die Wärmeregulierung erfolgte, um Bauteilausfälle aufgrund übermäßiger Wärmeentwicklung im Strömungsgerät zu vermeiden. Den Leistungsverlust des elektrischen Bauteils, die Umgebungstemperatur und die Methoden zur Kühlung des Systems berücksichtigen. Zur Wärmeableitung dann thermische Durchkontaktierungen, Kupferflächen und Kühlkörper verwenden. Alle thermischen Simulationswerkzeuge nutzen, um das thermische Management insbesondere bei hohem Leistungseinsatz zu untersuchen und zu verbessern.

Stromversorgung: Ein ordnungsgemäßes PDN entwerfen, damit die Systemkomponenten eine unterbrechungsfreie Versorgung mit sauberer Leistung erhalten. Strom- und Masseebenen entkoppeln, ungenutzte Kupferflächen auf Leiterplatten vermeiden und das Überschwingen der Stromversorgung reduzieren. Entkopplungskondensatoren müssen eingesetzt werden, während die Platzierung von Durchkontaktierungen optimiert werden muss, um die Situation mit der Stromverteilung zu verbessern. Innerhalb solcher Grenzen entwickeln, um eine beachtliche Fertigungszuverlässigkeit bei erheblich niedrigen Kosten zu erreichen.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Das bedeutet, dass jeder sicherstellen muss, dass die Leiterplatte keine hohe EMI erzeugt und hoher EMI von außen widersteht. Maßnahmen wie Wechselstromerdung, Abschirmung und Filterung anwenden. EMV-Konformität und Standards zur EMV-Gesetzgebung, insbesondere im Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Medizinsektor.

Arten von Leiterplatten

Es ist ebenso wichtig, einige Einblicke in die Haupttypen von Leiterplatten zu haben, damit eine bessere Wahl bei ihrer Verwendung getroffen werden kann. Die drei Klassifikationen von Leiterplatten umfassen einseitige, doppelseitige und mehrlagige, die jeweils ihre Merkmale, Stärken und Schwächen haben.

Eine einseitige Leiterplatte hat leitende Bahnen und Komponenten nur auf einer Seite des Substrats, wobei das Substratmaterial meist FR-4 ist. Diese Platinen sind die einfachsten und kostengünstigsten, die Designern zur Verfügung stehen; empfohlen für einfache Schaltungen, wie man sie in einfachen Geräten und ersten Modellen findet. Einseitige Leiterplatten haben jedoch zwei Nachteile: a) begrenzte Routing-Optionen und b) geringere Bauteildichte, was ihre Verwendung in anspruchsvolleren Anwendungen einschränkt.

Doppelseitige Leiterplatten sind solche mit leitenden Spuren und Komponenten auf beiden Seiten des Substrats unter Verwendung von Durchkontaktierungen. Diese Durchkontaktierungen sind tatsächlich gebohrte Durchgangslöcher, die auf höheren Lagen platziert werden und den Signalfluss zwischen zwei Lagen erleichtern. Jede Komplexität des Routings und hohe Bauteildichte ist in doppelseitigen Leiterplatten möglich und die Anwendungsbereiche reichen von Unterhaltungselektronik, Computerausrüstung, industrieller Steuerung und Automatisierung.

Mehrschichtige Leiterplatten sind Schaltungen mit drei oder mehr leitenden Schichten; und Leiterplatten werden aus gewebtem oder gestepptem Isoliermaterial oder Schichten von Prepreg hergestellt. Diese Platten bieten das komplexeste Design und geschichtete Komponenten, was ihren Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-Digitalgeräten, elektronischen RF-Geräten und Luft- und Raumfahrtgeräten ermöglicht.

Deshalb bietet die mehrschichtige Leiterplatte vom Leiterplattenhersteller die Fähigkeit zu komplexer Verdrahtung, besserer Signalintegrität und besserer Wärmeableitung, da alle inneren Schichten als Strom- und Masseebenen genutzt werden können. Es bedeutet auch, dass mehr Schichten die Nutzung verbesserter Techniken wie blinde und vergrabene Durchkontaktierungen ermöglichen, was wiederum die Gesamtleistung von mehrschichtigen Leiterplatten erhöht.