Leiterplatten sind überall um uns herum in jedem Gadget, das wir verwenden. Leiterplatten gemacht werden, Sei es das Smartphone oder ein einfacher Taschenrechner, deren Funktion hängt von der Leistung ihrer Leiterplatten ab.
Wissen Sie, woraus die Leiterplatten gemacht werden? PCB vs. PCBA-Was sind die Unterschiede? Haben Sie jemals Ihr Smartphone geöffnet, um zu sehen, was da drinnen ist? Sie würden lediglich ein paar Dinge finden. Vom Digitalisierer, der Batterie bis zur Verlötung und natürlich die Leiterplatte. Die Logikplatine ist es, die Ihr iPhone am Laufen hält und jeglicher daran entstehende Schaden führt dazu, dass Sie nicht in der Lage sein werden, es wieder einzuschalten. Das kompakte Leiterplattendesign des iPhone X zum Beispiel hat viele Analytiker und Technikfreaks begeistert. Es ist eine Leistung des Ingenieurwesens, welche nicht viele Unternehmen übertreffen konnten.
Also was ist es, das Leiterplatten so einzigartig macht? Was macht die eine Leiterplatte besser als die andere? Woraus besteht eine Leiterplatte?
Wir haben diesen hilfreichen ratgeber erstellt, in dem Sie etwas über die Materialien erfahren, welche für die Herstellung von Leiterplatten verwendet werden. Sie können sich außerdem ein Bild davon verschaffen, wie ein Hersteller diese produziert. Lassen Sie uns damit beginnen, woraus Leiterplatten gemacht sind. Dann werden wir uns anschauen, wie Sie Ihre Leiterplatten fertigen können.
1、Woraus sind Leiterplatten gemacht?
Leiterplatten sind ebenfalls bekannt als Platinen oder PCBs. Sie betreiben die unterschiedlichen elektronischen und elektrischen Equipments und Werkzeuge, welche wir tagtäglich verwenden. Die meisten Leiterplatten werden durch die Kombination von zwei oder mehr Schichten geformt, abhängig von der Komplexität und der Art des Geräts in welchem diese verwendet werden.
Leiterplatten verwenden eine Vielzahl an Materialien für deren Herstellung. Eine Schicht kann aus Glasfasern oder aus von Papier abgeleitetem Harz gemacht sein. Andere Materialien wie Kupfer, Lötmaske und Siebdruck-Schichten werden ebenfalls verwendet.
Im nächsten Kapitel werden wir erfahren, aus welchen Materialien Leiterplatten gemacht werden.
Abbildung 1: Leiterplatte
2、Aus welchen Materialien werden Leiterplatten gefertigt?
Eine Leiterplatte wird für gewöhnlich aus vier Schichten gefertigt, die durch Hitze, Druck oder andere Methoden miteinander verbunden werden. Vier Schichten der Leiterplatte werden aus dem Substrat, Kupfer, der Lötmaske und dem Siebdruck gefertigt.
Das Substart besteht für gewöhnlich aus Glasfaser, welches ebenfalls als FR4 bekannt ist. FR bezieht sich auf das feuerhemmende Mittel und stellt die Grundlage der Leiterplatte dar. Die Substratschicht ist die dickste bei jeder Leiterplatte, wobei Sie deren Dicke variieren sehen werden. Es ist die Schicht, welche der Leiterplatte ihre Starrheit verleiht.
Sie kann ebenfalls aus flexiblen Materialien gefertigt werden, die manchmal auch gedehnt werden können. Seit neuestem werden viele innovative Materialien zur Erstellung des Substrats verwendet, von denen einige sogar auf Pflanzenbasis sind.
Einige andere Materialien werden ebenso für die Fertigung des Substrats verwendet, so wie Harz oder Phenole. Diese aus Epoxidharz gefertigten Platten leiden an thermaler Empfindlichkeit und die Laminierung kann in einigen Fällen schnell verblassen. Diese kostengünstigen Platten können Sie leicht auf dem Markt finden und an dem Geruch erkennen, den diese absondern. Die Komponenten müssen ebenfalls auf das Material gelötet werden.
Abbildung 2: Leiterplattenmaterial
Sie können solche Substratmaterialien in billigen Geräten und bei Low-End Verbraucherelektroniken vorfinden.
Aus minderwertigen Materialien gefertigte Substrate wie Phenole besitzen eine geringe thermische Zersetzung, welche zu deren Delaminierung führt. Ebenso können diese zu Rauchentstehung und Verkohlung führen, sollten Sie das Löteisen lange Zeit auf diese darauf halten.
Die nächste aufzutragende Schicht ist Kupfer, welches durch industriellen Kleber oder Hitze verbunden wird. Die Kupferschicht kann auf einer Seite der Leiterplatte vorkommen oder auf beiden Seiten des Substrats. Einfache elektronische Geräte verwenden Leiterplatten, die nur auf einer Seite mit Kupfer beschichtet sind. Kupferschichten sind wesentlich dünner und empfindlicher als das Substrat.
Das in Leiterplatten verwendeter Kupfer wird bei seinem Gewicht benannt und in Unze pro Quadratfuß dargestellt. Die gewöhnlichsten Leiterplatten haben einen Kupferinhalt von 1 Unze Kupfer pro Quadratfuß.
Menge des in der Leiterplatte vorkommenden Kupfers bestimmt die Menge des Stroms, den diese austauschen wird.
Die obere grüne Schicht der Leiterplatte ist bekannt als die Lötmaske und wird über die Kupferschicht aufgetragen, um mit anderen elektrischen Teilen in Kontakt zu kommen. Auf der Lötmaske wird ein Siebdruck zur Verfügung gestellt, um Markierungen und Label für die Platzierung verschiedenster Komponenten zu kreieren.
Lassen Sie uns als nächstes schauen, wie Sie eine benutzerspezifische Leiterplatte durch die Verwendung eines Computerprogramms entwickeln können.
3、Maßgeschneiderte Leiterplatten
Wir wissen, dass Leiterplatten komplexe Elemente sind und es kann ein wenig schwierig für Hobbybastler werden, einen funktionierende Schaltung für sich zu fertigen. Das Erste, was Sie benötigen werden, ist eine zuverlässige Software, um die Blaupause Ihrer Leiterplatte zu erschaffen.
Anschließend können Sie viele Entwurfslösungen für Leiterplatten verwenden, so wie Eagle von Cadsoft Computer, welches eine exzellente Arbeit bei der Fertigung Ihrer Leiterplatte verrichtet.
Schematische Ansicht vorbereiten
Zur Fertigung Ihrer maßgeschneiderten Leiterplatte müssen Sie eine schematische Ansicht vorbereiten. Betreten Sie die Komponenten-Bibliothek, die sich in Ihrer Entwurf-Software befindet und platzieren Sie diese auf Ihre Leinwand. Nun müssen Sie die Stifte zusammen mit den Linien verbinden, die elektrische Verbindungen in der Software darstellen.
Die selbe Teilenummer würde Sie vielleicht etwas verwirren, da Sie mehrere Optionen finden werden, aus denen Sie wählen können. Die verschiedenen Pakete können den oberflächenmontierten Chip oder eine Dual-in-line-box (DIP) beinhalten. Wenn Sie ein Hobbybastler sind oder an einem Do it Yourself-Projekt arbeiten, macht es Sinn, sich für signifikante und auffällige System-in-Pakete (SIPs) oder DIPs zu entscheiden.
Sie können diese schnell finden und Hobbyläden sind weitaus freundlicher, wenn es um das Löten dieser geht, im Vergleich zu für kommerzielle Anwendungen vorbehaltene oberflächenverbundenen Geräten.
Die unterschiedlichen Verpackungsmöglichkeiten können auf der schematischen Übersicht gleich erscheinen.
Die Dinge werden jedoch anfangen, anders zu erscheinen, sobald Sie zur Layout-Ansicht wechseln, um mit Ihrem Entwurf zu beginnen.
Sie werden, neben der Platzierung Ihrer Verbindungen und Komponenten, die notwendigen Erdungs- und Stromsignale angeben müssen. Sie können Features wie GND, VDD und VCC verwenden, welche Sie für diese Aufgabe in der Eagle Bibliothek finden können.
Außerdem würde es Ihnen helfen, würden Sie nicht vergessen, die Anschlüsse auf der Platte zu integrieren, sodass die Erdung und der Strom eingesetzt werden können. Zu diesem Zeitpunkt wollen Sie ebenfalls jedes externe Gerät dabei haben, welches Sie wollen, so wie ein Potentiometer oder LEDs.
Ihr Entwurf muss nun eine elektrische Regelprüfung unterlaufen oder einen ERC, nachdem alles angebracht wurde. Der Test ist wichtig um sicherzustellen, dass kein Fehler vorhanden ist, der die Funktionalität Ihrer Leiterplatte behindert.
Einige der häufigsten Fehler, die Sie begehen können, ist, dass Sie Drähte die verbunden scheine, dies aber in der Realität nicht sind. Sie können nach kleinen Punkten in Ihrer Eagle Software schauen, welche die Anschlussknotenpunkte repräsentieren.
Andere Probleme beinhalten womöglich Strom- und Erdungssignale, die Sie vergessen haben zu verbinden. Was Sie sich merken sollten, ist, dass die automatisierten Tests Ihnen nicht verraten werden, ob Ihre Platte die gewünschte Funktion ausführen wird, jedoch kann es jederzeit die elektrischen Eigenschaften Ihres Entwurfs validieren.
Abbildung 3: Schematisches Diagramm und Layoutansicht
Zugriff auf die Ansicht des Plattenlayouts
Nachdem Sie alles Notwendige in der schematischen Ansicht getan haben, müssen Sie darüber gehen, um die Plattenlayout Übersicht zu aktivieren. Dann müssen Sie den Wechsel durchführen und werden die Komponenten zufällig verteilt auf Ihrer Eagle Software vorfinden. Sie werden außerdem sehen, dass die Drähte direkt mit den Stiften verhakt sind.
Um die Ansicht ein bisschen weniger unordentlich zu machen, bewegen Sie die Komponenten, bis diese Sinn ergeben. Zum Beispiel können Sie die Anschlüsse an die Ränder verschieben, sodass es wieder sinnig ist. Sie haben noch immer viel Arbeit vor sich, um Ihre Leiterplatte zu produzieren. Also müssen Sie Signale zu den Schichten zuordnen, müssen jedoch daran denken, dass verschiedene in einer Schicht vorhandene Schichten sich nicht berühren sollten.
Die professionell Version der Eagle-Lösung besitzt ein Auto-Layout-Feature, welche die Signale mit nur einem Klick verbinden kann. Als Benutzer der Standardversion jedoch müssen Sie die Dinge selbst in die Hand nehmen. Möglicherweise finden Sie auch eine Entwurfslösung von Ihrem Leiterplattenhersteller, um diesen Schritt durchzuführen.
Nachdem Sie die Signale festgelegt haben, ist es an der Zeit, die DRC oder die Entwurfskontrolle durchzuführen. Die Kontrolle stellt sicher, dass Löcher nicht zu nahe an Signallinien gebohrt werden. Es benachrichtigt Sie ebenfalls, wenn Spuren nicht in optimaler Distanz zueinander oder zu den Rändern liegen.
Sie können die Regeln anpassen und manchmal bietet Ihr Leiterplattenverkäufer eine Datei an, welche dann mit der Eagle Lösung mit spezifizierten DRC-Werten integriert werden kann. Anschließend können Sie fortfahren und Ihre Entwurfsdateien hochladen, sollte Ihr Projekt das DRC bestanden haben.
Sie sollten eine bestimmte Schicht anwenden, um Siebdruck-Beschriftung oben hinzuzufügen.
Die Bedruckung wird Ihnen dabei helfen zu wissen, welche Komponente passt, wobei sie Teilenummern und Skizzen repräsentieren. Dadurch sind Sie in der Lage, Fehler zu vermeiden, wie das Platzieren eines 100K-Widerstands anstelle eines 1K-Widerstands.
Eine Gerber-Datei enthüllt die Sprache des Leiterplattenentwurfs und die 3. Jede Platte kann viele mit ihr assoziierte Dateien besitzen. Sie werden eine getrennte Datei für Spezifikationen der Lötflächen und für verschiedene Dateien für jede Schicht haben. Die Bohrdateien beinhalten auch die Spezifikationen fürs Bohren.
Anschließend können Sie dann den Entwurf für Ihren Hersteller hochladen, der dann ein anderes Programm benutzen kann, um das finale Aussehen der Schichten darzustellen. Außerdem können Sie ferner auch herausfinden, ob die Komponenten die richtige Größe besitzen, um in die Löcher zu passen.
Damit sind Sie am Ende davon angelangt, wie man eine maßgeschneiderte Leiterplatte durch Benutzung einer Entwurfssoftware anfertigt. Im nächsten Kapitel werden wir entdecken, wie ein Hersteller Leiterplatten produziert.
Abbildung 4: Layoutansicht
4、Wie werden Leiterplatten gefertigt
Nun wissen Sie, durchs Lesen des vorherigen Kapitels, wie Sie ihre Leiterplatte maßgeschneidert fertigen. Die Technologie der Leiterplatte ist kompliziert und muss einen mehrstufigen Herstellungsprozess durchlaufen. Sie müssen außerdem einen Hersteller auswählen, der all das hochpräzise Equipment besitzt, um Ihr Projekt ins Leben zu rufen. Wir werden den Herstellungsprozess der Leiterplatten in Kürze für Sie besprechen.
1. Fertigung des Substrats
Sie können sich Leiterplatten als Sandwiches mit mehreren Schichten vorstellen. Das Grundmaterial, welches sich in der Mitte befindet, ist als das Substrat bekannt. Dieses Substratmaterial verleiht der Leiterplatte ihre Breite. Sie können die Leiterplatte aus einem seitlichen Winkel betrachten und feststellen, dass die dickste Schicht das Substrat darstellt.
Traditionell werden Leiterplatten aus Glasfasersubstrat hergestellt, welches starr ist. Heutzutage können Sie flexible Substartmaterialien finden. Viele Materialien können es sein, eine Standardoption jedoch stellt der Gebrauch von speziellem Plastik fürs Substrat dar, welches eine Toleranz gegenüber hohen Temperaturen aufweist.
Das zur Fertigung des Substrats verwendete Material ist für gewöhnlich ausgebreitet. Der Hersteller taucht es dann oder besprüht es mit Epoxidharz. Als nächstes wird das Material aufgerollt, um die gewünschte Dicke zu erreichen, sowie beim Ausrollen Ihres Kuchenteigs mit einem Nudelholz.
Die Roller hören auf, zu rollen, wenn das Substrat die gewünschte Dicke erreicht und zum nächsten Schritt übergeht. Jetzt wird das Substrat dem Ofen zugeführt, sodass es erhärtet und fest wird durch das Aushärten. Nach Beendigung dieses Schrittes haben Sie die erste Schicht Ihrer Leiterplatte erschaffen.
2. Die Kupferschichten
Die Kupferschichten sind erforderlich, um die Elektrizität durch die Leiterplatte zu leiten. Abhängig vom Zweck, besitzen Leiterplatten ein einfaches oder komplexes Design. Abgesehen von der Grundschicht des Substrats stellen Kupferschichten eine weitere bedeutsame Komponente dar.
Ihre Leiterplatten-Nocke hat eine einzige Schicht Kupfer, welche oben aufgetragen wird, oder zwei Schichten auf beiden Seiten des Substrats. Die Leiterplatte kann ebenso zahlreiche Schichten Kupfers oder des Substrats haben. Einige in fortgeschrittenen Geräten oder Smartphones verwendeten Leiterplatten besitzen mehr als 12 oder 16 Kupferschichten.
Kupferschichten sind weitaus dünner als die Substratschichten und es würde keine Elektrizität durch Ihren Schaltkreis fließen, wären diese nicht vorhanden.
Der Hersteller kann eine Kombination aus verschiedenen Methoden benutzen, um das Kupfer an die Oberfläche des Substrats zu binden. Alle Standardmethodenbeinhalten Methoden, die Hitze, Druck und Klebstoff verwenden, so dass die Kupferschichten fest auf dem Substrat fixiert werden. Sie könne Ihre Leiterplatte zum Bohren nehmen, nachdem das Kupfer mit dem Substrat verbunden wurde.
Damit Ihr Gerät funktioniert, muss die Leiterplatte die Spannung auf die richtigen Punkte von einer Schicht der Platte zur anderen übertragen. Sie werden als Vias bezeichnete Löcher erstellen müssen, damit die Kosten durchfließen können. Dem Hersteller stehen einige Optionen zur Verfügung, um Löcher in die Leiterplatte zu bohren und verwendet zum Beispiel einen CO2 Laser, einen UV Laser oder andere Gerätschaften.
Die Genauigkeit und Effizienz der Bohrmaschine bestimmt die Genauigkeit und Komplexität der Leiterplatte.
Sie müssen die Löcher von allen Verunreinigungen oder jeglichem Material befreien, welches möglicherweise nach dem Bohrvorgang zurückgeblieben ist. Sie können ebenfalls entgratet werden, um jegliches zusätzliches Material an der Leiterplatte haften zu lassen. Im Anschluss werden die Innenseiten der Vias mit Kupfer beschichtet, um die Ladungen von einer Schicht der Leiterplatte zur anderen zu transportieren.
Als nächstes müssen sie das Muster des Schaltkreises auf die Leiterplatte drucken. Der Hersteller kann das Kupfer genauestens nach Angaben des Entwurfs auf der Platte anbringen. Anderenfalls tragen sie womöglich Kupfer auf die gesamte Platte auf und entfernen anschließend das Kupfer, um das Schaltkreismuster aus zu ätzen.
Die Leiterplatte wird möglicherweise einem Laugenbad ausgesetzt, um jegliches zusätzliches unnötiges Kupfer zu entfernen.
Was Sie jetzt hinzufügen müssen, sind die anderen Komponenten wie Transistoren, Kondensatoren oder LEDs auf der Leiterplatte. Sie können die Teile auf die Leiterplatte löten, indem Sie einen Lötkolben verwenden. Bevor Sie die Teile hinzufügen, muss die Leiterplatte durch eine Reihe von elektrischen Tests, bei denen ein Netzprüfer oder eine Drohne verwendet wird, um sicherzustellen, dass es keine Kurzschlüsse oder offene Schaltkreise gibt.
Ihr Hersteller verwendet möglicherweise auch eine Maschine, um die Teile auf Ihre Leiterplatte zu pumpen.
Abbildung 5: Kupfermuster
3. Die finale Lötmaske
Bei den Metallen, welche auf der Leiterplatte ausgesetzt bleiben, besteht die Chance, dass diese beschädigt werden. Die Natur des Kupfers ist, dass es rostet, was Ihre Leiterplatte unbrauchbar macht. Sie können die Kupferschicht und andere Komponenten der Leiterplatte adäquat schützen, indem sie eine zusätzliche Schutzschicht obendrauf anbringen.
Grundsätzlich verwenden Hersteller Gold, Nickel oder Bleizinn, um spezifische empfindliche Teile der Leiterplatte abzudecken. Um dem ganzen noch die Krone aufzusetzen, bringt der Hersteller eine weitere Schicht auf, die Lötmaske genannt wird.
Die grüne Farbe, die Sie bei Leiterplatten sehen, stammt von dem Auftragen der Lötmaskenschicht. Lötmaske hat abgesehen vom Abdecken und Schutz der Metallteile, die keine Verbindung mit irgendetwas herstellen müssen, außerdem weitere Funktionen. Die Lötmaskenschicht stellt auch sicher, dass der Strom zu den richtigen Stellen fließt, indem er absoluten Pfaden folgt.
Manchmal finden Sie außerdem eine Siebdruckschicht oben auf der Lötmaske, die dazu verwendet wird, Labels auf notwendige Teile zu ritzen.
Nachdem alles erledigt wurde, wird der Hersteller alles zusätzliche Material oder unnötige Teile abschneiden und abhauen, welche nicht auf Ihrer Leiterplatte benötigt werden.
Abbildung 6: Grüne Lötmaske
5、Fazit
Leiterplatten können in Ihrer Herstellung herausfordernd sein, besonders, da viele Faktoren involviert sind. Zum Einen müssen Sie sicherstellen, dass Sie Kupfer verwenden und das richtige Kupferlöten anwenden. Zu wissen, woraus Leiterplatten bestehen, könnte Ihnen dbei helfen, zu erkennen, welche Leiterplatte Sie für Ihr Unternehmen benötigen.
Das Erschaffen von Leiterplatten erfordert Expertenwissen und präzises Equipment. Es würde weiterhin helfen, wenn Sie einen zuverlässigen und erfahrenen Hersteller haben würden, welcher Leiterplatten akkurat nach Ihren Spezifikationen fertigen kann. Kontaktieren Sie uns für eine maßgeschneiderte Herstellung von Leiterplatten, um Ihr Projekt ins Leben zu rufen!
