Leiterplatten gehören zu fast allen modernen elektronischen Geräten und daher zu Electronics Manufacturing Service (Industrieelektronik) wie selbstverständlich dazu. Aus Computern, Druckgeräten, Funkweckern und ähnlichem sind sie nicht mehr wegzudenken. Doch was sind Leiterplatten genau, wie funktioniert die Leiterplattenbestückung und wie werden sie hergestellt?
Leiterplatten, auch Platinen, Leiterkarten oder gedruckte Schaltungen genannt, sind der Teil eines elektronischen Geräts, an dem die elektronischen Bauteile befestigt werden. Es handelt sich also um ein Trägerelement, ohne welches die verschiedensten elektronischen Geräte gar nicht funktionieren würden.
Die Platinen oder Leiterplatten werden aus einem nicht leitenden Material hergestellt. Sie dienen dazu, die Bauteile einer elektronischen Schaltung mechanisch zu fixieren und die elektrischen Signale weiterzuleiten. Zu den verschiedenen Bauteilen einer elektronischen Schaltung, die an die Leiterplatte im Rahmen der Leiterplattenbestückung angeschlossen werden, gehören Transistoren, Schaltkreise, Widerstände, Kondensatoren und Spulen.
Unbehandelte Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material, auf dem sich meist auf der Unterseite eine Kupferschicht befindet. Je nach Art der Leiterplatte befindet sich die Kupferschicht auch auf der Oberseite. Die Bauelemente werden auf Lotflächen oder in sogenannte Lötaugen gelötet und damit gleichzeitig mechanisch und elektrisch mit der Leiterplatte verbunden.
Meist steckt man die Bauteile nur von einer Seite in die Löcher in der Platine. Bei manchen modernen Platinen ist aber auch eine beidseitige Leiterplattenbestückung möglich. Handelt es sich um größere Komponenten, werden diese teilweise auch mit Klebstoff, Kabelbindern oder Verschraubungen befestigt. Als isolierendes Material für die Platine dient häufig faserverstärkter Kunststoff, bei günstigeren Geräten greift man dagegen oft zu Hartpapier.
Ein Layout oder Leiterplattenentwurf gibt vor, wie die Leiterplattenbestückung zu erfolgen hat, also welche Bauelemente wo eingesteckt werden sollen, um sie mit den Kupferleitbahnen elektrisch zu verbinden. Das bedeutet, beim Design wird festgelegt, welche Schaltkreise, Dioden oder Widerstände an welchen Platz kommen, damit das Gerät letztlich funktioniert.
Egal, ob Haushaltsgerät oder Entertainment-System – entscheidend für die Funktion der jeweiligen Geräte ist ihre Elektronik. Deren Herzstück wiederum ist in jedem Fall eine Leiterplatte. So kommen Leiterplatten in mobilen Endgeräten – beispielsweise Tablets und Notebooks, Smartphones und Smart Watches -, in der Industrieelektronik – zum Beispiel der Prozesssteuerung und der Sensortechnik – sowie im Automobilbereich – beispielsweise der Getriebesteuerung und in Kamera- und Sicherheitssystemen – zum Einsatz. Dort spielen Leiterplatten auch als Industrieersatzteile eine große Rolle. Anwendungen finden sie aber auch in der Gesundheitsbranche und Medizintechnik, zum Beispiel in Herzschrittmachern oder Hörgeräten.
Je nach Komplexität der Anforderung, steigen auch die Ansprüche an die elektronischen Schaltkreise und die Leiterplattenbestückung. Das heißt, dass die Bauteile immer kleiner und feiner werden müssen, um leistungsstarke, kompakte Geräte antreiben zu können.
Unter THT-Leiterplatten (Through hole technology, zu Deutsch Durchsteckmontage) versteht man Platinen in elektronischen Geräten, die aus einseitig kaschiertem Material und bedrahteten Bauteilen bestehen. Als Durchsteckbauelemente können diese Leiterplatten nur oben bestückt werden.
Als moderner gelten die sogenannten SMD-Leiterplatten (Surface Mounted Device). Diese kamen mit der fortschreitenden Miniaturisierung auf und verfügen über eine bestückbare Ober- und Unterseite. Außerdem können die Bauteile von SMD-Leiterplatten zusätzlich geklebt sein, wodurch sie beim Leiterplatten löten nicht abfallen.
Wichtigster Teil der Leiterplatte sind neben dem isolierenden Material die daran haftenden, leitenden Verbindungen. Diese sogenannten Leiterbahnen werden zumeist aus einer dünnen Kupferschicht Kupfer von meist 35 Mikrometer geätzt. Anschließend werden die verwendeten Bauelemente mit kleinen Lötpunkten des Leitplatten-Materials zusammengefügt. Dabei nutzt man die Technik des THR-Lötens (Through-Hole-Reflow). Dieses stellt eine Kombination aus den besonders stabilen Lötverbindungen der Durchstecktechnik mit den automatisierbaren Fertigungsabläufen der Oberflächenmontage dar.
Für die Herstellung werden hauptsächlich zwei Techniken angewendet. Beim wirtschaftlich sehr attraktiven Siebdruck legt man eine Schablone auf die Basisplatte, die diese an den jeweiligen Stellen verdeckt. Durch das Pressen während der Siebdrucktechnik gelangt die Druckfarbe nur an die Stellen, wo sich keine Folie befindet. Im Anschluss ätzt man die Platte und erhält so das gewünschte Design.
Eine andere Variante, Leiterplatten herzustellen, ist die Fototechnik. Dabei überzieht man die Leiterplatten mit einer dünnen Schicht aus Kupfer und trägt danach einen UV-lichtempfindlichen Lack auf. Anschließend projiziert man das Fotonegativ des angestrebten Designs mit Hilfe von UV-Licht (im Maßstab 1:1) auf die Leiterplatte. Dadurch wird das Design auf der Kupferschicht sichtbar. Durch das anschließende Ätzbad bleiben nach Vorlage des Fotos nur die beleuchteten Linien erhalten.
Smarte Haushaltsgeräte, faltbare Laptops und automatisierte Fahrzeuge – Leiterplatten sind das Herzstück moderner elektronischen Geräte. Angesichts der endlosen Reihe an Elektrogeräten, die wir jeden Tag nutzen, sind sie auch Teil des täglichen Lebens. Allein um telefonieren und im Internet surfen zu können, müssen elektrische Signale im Smartphone oder Laptop weitergeleitet werden. Viele Unternehmen haben sich auf die Herstellung und Weiterentwicklung der kleinen Basiselemente fokussiert und sind daher am technischen Fortschritt in Industrie und Alltag beteiligt. So gelingt es bereits heute, sehr kleine, leistungsfähige Bauteile zu erzeugen und Visionen zu ermöglichen, die vor wenigen Jahren noch unerreichbar schienen. In Zukunft werden Leiterplatten weiter optimiert werden, um neuen, innovativen Technologien zu dienen. So sind beispielsweise die Künstliche Intelligenz und die Automatisierungstechnik auf immer komplexere Schaltkreise angewiesen. In den nächsten Jahren wird es also darum gehen, Leiterplatten zu verwirklichen, die nur wenige Millimeter breit sind und komplexe elektronische Verbindungen ermöglichen.
Heinen Elektronik: Serienfertigung elektronischer Baugruppen – Leiterplattenbestückung & Gerätemontage
