Was ist eine starre Leiterplatte?
Eine starre Leiterplatte ist eine Art von Leiterplatte, bei der nur die Verdrahtung auf der Oberfläche oder innerhalb des Isoliermaterials angebracht ist.
Sie ist die Grundkomponente, auf der elektronische Bauteile montiert werden, um elektronische Schaltungen herzustellen. Zu den Leiterplatten gehören starre Leiterplatten aus starren Materialien und flexible Leiterplatten aus dünnen, flexiblen Materialien.
Es gibt verschiedene Arten von starren Leiterplatten, z. B. einseitige Leiterplatten mit Trägern auf nur einer Seite, doppelseitige Leiterplatten mit Trägern auf beiden Seiten, mehrlagige Leiterplatten mit mehreren übereinander gestapelten Trägerschichten und Aufbausubstrate, die eine Verdrahtung mit hoher Dichte ermöglichen.
Anwendungen von starren Leiterplatten
Starre Leiterplatten werden aus starren Materialien hergestellt und sind daher sehr stabil. Sie haben außerdem hervorragende elektrische Eigenschaften. Durch die Verwendung doppelseitiger oder mehrlagiger Leiterplatten kann eine große Anzahl von Bauteilen auf einer kleinen Montagefläche integriert und montiert werden.
Diese Eigenschaften werden in vielen Bereichen elektronischer Geräte und Produkte genutzt, z. B. in medizinischen Geräten, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, Industrieanlagen, Personalcomputern, Unterhaltungselektronik, Büroautomationsgeräten, IT-Geräten, IC-Karten, Digitalkameras und Motherboards.
Funktionsweise starrer Leiterplatten
Eine starre Leiterplatte ist eine gedruckte Platte, die aus einem mit Harz (Epoxid, Phenol, Teflon, BT) usw. imprägnierten Substrat (Glasgewebe oder Papier) und einem halb ausgehärteten Prepreg besteht, auf das mit Hilfe einer Presse bei hoher Temperatur und hohem Druck eine Kupferfolie laminiert wird. Gedruckte Leiterplatten werden aus kupferkaschierten Laminaten (CCL: Copper Clad Laminate) hergestellt, bei denen das Schaltungsmuster mit Hilfe von Kupferfolie und Tinte zum Schutz der Plattenoberfläche (Lötstoppfarbe) gebildet wird.
Arten von starren Substraten
1. Klassifizierung nach Spezifikation
Durchkontaktierte mehrschichtige Leiterplatte
Hierbei handelt es sich um ein starres Substrat, das dem Problem einer großen Anzahl von zu montierenden Bauteilen und einer unzureichenden Fläche auf dem Substrat selbst durch Hinzufügen mehrerer Schichten begegnet. Sie besteht aus sich überlappenden Isolier- und Leiterschichten, und die Leiterverbindungen werden mit Hilfe von Durchgangslöchern hergestellt, die durch die Schichten gebohrt werden.
Mit zunehmender Anzahl der zu montierenden Bauteile kann eine hohe Dichte erreicht werden, und sie werden in multifunktionalen elektronischen Geräten verwendet.
Aufbauplatte
Wie die durchlöcherten Multilayer-Platten bestehen auch diese aus einer Isolierschicht und einer Leiterschicht. Der Unterschied besteht darin, dass die Durchgangslöcher nicht gebohrt, sondern mit einem Laser hergestellt werden. Die Größe der gebohrten Löcher ist begrenzt, und es ist schwierig, ihren Durchmesser zu verringern.
Da die Löcher gleichmäßig durchgebohrt werden, sind die Einstellungen für die Verdrahtung nicht sehr flexibel. Dieses Substrat löst dieses Problem durch den Einsatz eines Lasers, der nur an Schlüsselstellen eindringt.
IVH-Mehrlagenleiterplatten
Hierbei handelt es sich um eine mehrlagige Leiterplatte, bei der die Lagen nicht nur durch Durchgangslöcher, sondern auch durch Vias miteinander verbunden sind. Sie hat Blind Vias, die die inneren und äußeren Lagen verbinden, und Vias, die die inneren Lagen miteinander verbinden.
2. Klassifizierung nach Material
Zu den Leiterplattentypen gehören Papier-Phenol-, Papier-Epoxid-, Glasverbund-, Glas-Epoxid-, Silizium- und BT-Substrate, je nach dem Basismaterial und dem Harz, aus denen das kupferkaschierte Laminat besteht. Zu den starren Leiterplatten gehören auch Substrate auf Metallbasis und Keramiksubstrate, die ausschließlich aus Aluminium und Keramik ohne Harz bestehen.
Die Flamm- und Hitzebeständigkeit von Leiterplatten wird im Allgemeinen nach der FR-Norm (Flame Retardant) der NEMA (National Electrical Manufacturers Association, USA) eingestuft.
Phenolische Papiersubstrate
Papierphenolsubstrate sind die ältesten in Gebrauch befindlichen Substrate und werden durch Imprägnieren von Papier mit einem wärmehärtenden Phenolharz namens Bakelit hergestellt. Es ist preiswert, hat aber den Nachteil, dass es nur eine geringe Wärmebeständigkeit beim Löten und eine geringe Flammwidrigkeit aufweist und anfällig für Wasseraufnahme ist, was die Beschichtung erschwert.
Es wird nach seinen Isolationseigenschaften in FR-1, das niedrige Isolationseigenschaften aufweist, und FR-2, das hohe Isolationseigenschaften aufweist, eingeteilt. Bei der Verarbeitung mit Durchgangslöchern kann Silberpaste in die Durchgangslöcher gegossen werden, um eine Kontinuität zwischen Vorder- und Rückseite herzustellen.
Papier-Epoxid-Substrate
Papier-Epoxid-Substrate werden durch Imprägnieren von Papier mit wärmehärtendem Epoxidharz hergestellt und sind als FR-3 klassifiziert. Im Vergleich zu Papier-Phenol-Substraten ist es weniger anfällig für Wasserabsorption und hat eine bessere Hitzebeständigkeit beim Löten und bessere elektrische Eigenschaften.
Epoxidharz-Substrate aus Glas
Glas-Epoxid-Substrate, die am häufigsten verwendete Art von Leiterplatten, werden durch Imprägnieren von Epoxidharz in Glasgewebe aus gewebten Glasfasern hergestellt, um die Flammenbeständigkeit zu verbessern.
Der allgemein hitzebeständige Typ wird als FR-4 eingestuft, während der hoch hitzebeständige Typ als FR-5 eingestuft wird. Er weist eine hohe chemische Beständigkeit auf, und durch Durchgangsbohrungen können Schaltkreise auf der Vorder- und Rückseite gebildet werden.
Glasverbundsubstrate
Glasverbundsubstrate bestehen aus einer Kombination von gepresstem Glasfaservlies und mit Epoxid imprägniertem Glasgewebe. Sie fallen nicht unter die FR-Klassifizierung und werden häufig als preiswertere Alternative zu Epoxid-Glassubstraten verwendet.
Substrate auf Metallbasis
Substrate auf Metallbasis bestehen aus einem Basismetall mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. Kupfer oder Aluminium, das mit Epoxidharz usw. beschichtet und dann durch Pressen mit Kupferfolie laminiert wird, um die Wärme auf dem Substrat abzuleiten. Je dicker das Grundmetall ist, desto besser ist die Wärmeableitung, aber desto teurer ist es auch.
Keramische Substrate
Keramische Substrate sind wie metallische Substrate für die Wärmeableitung ausgelegt. Als Trägermaterial wird Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid verwendet. Im Vergleich zu Substraten auf Metallbasis haben sie einen besseren Wärmeausdehnungskoeffizienten.