Was ist eine PCB - Leiterplatte?

Eine PCB - Leiterplatte leitet sich von dem englischen Begriff "Printed Circuit Board" ab und ist ein elektrischer Schaltkreis, dessen Bauteile und Leiter innerhalb einer mechanischen Struktur verbaut sind. Zu den leitenden Teilen gehören Kupferleiterbahnen, Pads, Kühlkörper oder leitende Flächen. Die mechanische Struktur besteht aus isolierenden Materialien, die sich zwischen den Lagen aus leitendem Material befinden. Die gesamte Struktur ist plattiert und mit nichtleitender Lötstopplack und Siebdruck bedeckt, um die Lage elektronischer Bauteile zu kennzeichnen.

Im Deutschen sind dafür auch die Begriffe Platine, Leiterkarte oder gedruckte Schaltung gebräuchlich. Eine mit Bauteilen bestückte Leiterplatte bezeichnet man als elektronische Baugruppe bzw. PCBA (Printed Circuit Board Assembly).

Arten von Leiterplatten

Leiterplatten lassen sich nach zwei Kriterien einteilen: nach der Anzahl ihrer leitenden Lagen und nach ihrer mechanischen Bauform.

Nach dem Lagenaufbau reicht das Spektrum von einlagigen (einseitigen) Leiterplatten mit Kupfer auf nur einer Seite über zweilagige (doppelseitige) Platinen bis hin zu mehrlagigen Leiterplatten (Multilayer), bei denen mehrere Kupferlagen durch Isoliermaterial getrennt und über Durchkontaktierungen (Vias) verbunden sind. Je höher die Lagenzahl, desto mehr Verbindungen lassen sich auf engem Raum unterbringen — mehrlagige Aufbauten sind in moderner, kompakter Elektronik längst Standard.

Nach der Bauform unterscheidet man starre, flexible und starrflexible (Rigid-Flex) Leiterplatten. Starre Leiterplatten sind die klassische Variante; flexible Leiterplatten lassen sich biegen und eignen sich für beengte oder bewegliche Einbausituationen, während Starrflex-Leiterplatten beide Eigenschaften vereinen.

Aufbau und Materialien

Das Basismaterial (Substrat), ein nichtleitendes, gut isolierendes Laminat, ist das tragende Element jeder Leiterplatte. Mit Abstand am gebräuchlichsten ist FR-4, ein mit Glasfasergewebe verstärktes Epoxidharz-Laminat, das ein ausgewogenes Verhältnis aus Stabilität, Isolationsverhalten und Kosten bietet. Für einfache, kostengünstige Anwendungen kommen Hartpapier- oder Verbundmaterialien wie FR-2, FR-3 oder CEM zum Einsatz, für anspruchsvolle Hochfrequenzanwendungen dagegen PTFE- bzw. spezielle HF-Laminate mit definierten dielektrischen Eigenschaften.

Auf das Substrat wird eine Kupferfolie aufgebracht, aus der durch Ätzen die Leiterbahnen entstehen. Übliche Kupferstärken liegen bei etwa 18 µm oder 35 µm; für höhere Ströme werden auch deutlich dickere Kupferlagen verwendet. Den Abschluss bilden der Lötstopplack, der die Kupferflächen schützt und das Verlöten erleichtert, sowie der Bestückungsdruck zur Kennzeichnung der Bauteile.

Herstellung von Leiterplatten

Leiterplatten werden hergestellt, in dem Lagen aus leitendem Kupfer mit Lagen aus nichtleitendem Isoliermaterial abgewechselt werden. Während der Herstellung werden die inneren Kupferlagen geätzt, wobei nur noch die gewollten Kupferverbindungen übrig bleiben, um die Bauelemente des Schaltkreises miteinander zu verbinden. Nach dem Ätzen wird ein Isoliermaterial auf die Kupferlagen aufgebracht. Dies wird so lange wiederholt, bis die Leiterplatte fertig ist.

Wenn alle Lagen geätzt und miteinander verbunden sind, werden Bauteile auf die Außenlagen der Leiterplatte gesetzt. Solche oberflächenmontierten Bauteile werden automatisch von Robotern aufgebracht, während Durchsteckbauteile manuell bestückt werden. Anschließend werden alle Teile per Reflow-Lötung oder Schwalllötung mit der Leiterplatte verlötet. Die finale Bestückung wird plattiert, bevor eine Lötstopplack aufgebracht und per Siebdruck die Beschriftung vorgenommen wird.

Leiterplatten historisch betrachtet

Es war ein langer Weg von der einfachen Leiterplatte zu den heutigen HDI-Designs mit hunderten Bohrungen. Mittlerweile werden Leiterplatten bzw. PCBs mit ihren elektrischen Verbindungen praktisch überall eingesetzt – vom Smartphone über die Fahrzeugelektronik und Industrie-4.0-Steuerungen bis hin zur Medizintechnik.

In Deutschland ist die Leiterplatte das Rückgrat einer der wirtschaftlich bedeutendsten Branchen — der Elektro- und Digitalindustrie. Die hiesige Leiterplatten- und Baugruppenfertigung wird im ZVEI-Fachverband PCB and Electronic Systems organisiert, der auch die Marktzahlen der Branche erhebt.

Als es noch keine Leiterplatten gab, wurden elektrische Schaltkreise durch das Anbringen einzelner Drähte an Bauteilen hergestellt. Leitende Verbindungen wurden durch das Verlöten von Metallbauteilen mit Draht gelegt. Größere Schaltkreise mit vielen Bauteilen enthielten dementsprechend viele Drähte.

Tatsächlich war die Zahl der Drähte so groß, dass sie sich verhedderten und einen Großteil des Platzes in einem Design einnehmen konnten. Die Fehlersuche war schwierig, worunter wiederum die Zuverlässigkeit litt. Die Herstellung gestaltete sich langwierig, da mehrere Bauteile von Hand mit ihren Drahtverbindungen verlötet werden mussten.

Heute kommen wir ohne Drähte aus, indem kupferne Leiterbahnen auf den PCB-Lagen angeordnet werden. Ausgehend vom Schaltplan können Bauteile platziert und Anschlüsse mithilfe klug verlegter Leiterbahnen verbunden werden. Routing funktioniert häufig automatisiert, lediglich bei wichtigen Netzen wird manuell geroutet. Altium Designer bietet mit Autorouting Hilfestellung beim Routing mehrerer Netze.

Vorgehensweise beim Schaltungsdesign

• Prüfen Sie als erstes Ihren Schaltplan, um die Anforderungen an den Lagenaufbau zu prüfen.
• Beginnen Sie mit dem Routing, sobald Ihre Bauteile platziert sind.
• Nachdem das Autorouting die Hauptlast der Arbeit für Sie gemacht hat, prüfen Sie wichtige Netze manuell.
• Nun denken Sie über Designregeln und Beschränkungen nach.

Die Rolle von Schaltplänen

PCB-Designer arbeiten auf der Grundlage von Schaltplänen und organisieren Bauteile auf einer virtuellen Leiterplatte, deren Abmessungen vom Mechanikentwickler des Designteams festgelegt werden. Das Platzieren der Bauteile und das Routing erfolgen nach Designregeln, die darauf abzielen, etwaiges Rauschen mithilfe sorgfältig geplanter Masseflächen und Impedanzplanung zu minimieren.

Elektronische Produkte von heute stellen verschiedenste Anforderungen – von flexiblen Leiterplatten und oberflächenmontierten Bauteilen bis hin zu einer kniffligen PCB-Bestückung. Der Herstellungsprozess lässt sich entscheidend verbessern, wenn die verwendete Software präzise, sicher und organisiert Auskunft über Bohrungen, Leiterbahnen und Materialien geben kann. Auch der Entwurf elektronischer Geräte wird einfacher, wenn die Schaltplanerfassung die Datendateien während des Designprozesses problemlos konvertieren kann.

PCB-Software von heute bietet Schaltplanerfassung zur Definition von Schaltungen und ihren Bauteilen für das Design von Leiterplatten.

Die Differenzialpaar-Parameter für das Routing werden im Properties Panel festgelegt

Arbeit mit EDA-Software

PCB-Designer arbeiten mit Schaltplandesignern zusammen, um die besten Vorgehensweisen für Bauteilplatzierung, Lagenaufbau, Netzeigenschaften und Basismaterialauswahl zu finden. Beschaffung und Lieferkette kommen bei der Materialsuche ins Spiel.

Bauteilbibliotheken innerhalb von EDA-Software verbinden Bezugs- und Preisinformationen mit elektrischen Parametern. Zulieferer werden einbezogen, damit die Materialdefinition für den Lagenaufbau mit dem praktischen Herstellungsprozess übereinstimmt.

So gehen Sie bei der Arbeit mit Softwaretools vor:

• Erfassen Sie Schaltkreise in Ihrem Schaltplan-Tool.
• Die beste Schaltplan-Software vereinfacht die Synchronisierung zwischen Schaltplan und PCB.
• Nutzen Sie EDA-Software mit gemeinsam genutzten Bibliotheken.
• PCB-Bibliotheksverwaltung ermöglicht eine bessere Zusammenarbeit durch Vereinheitlichung einer umfassenden Sammlung.
• Integrieren Sie die räumlichen und elektrischen Restriktionen für das Produkt.
• Vereinheitlichen und individualisieren Sie Designs mit konsequenten und flexiblen, individuellen Regeln und Abfragen.

Nur so haben Sie die Gewissheit, dass Ihre Footprints und Größenbeschränkungen die durchgängige Umgebung von Altium nutzen, um sich ins Layout zu integrieren.

Altium als PCB-Designsoftware

PCB-Leiterplatten werden in den nächsten Jahren immer technologieintensiver werden. Zum Glück wird auch unsere Designsoftware ständig besser, um Ihnen das Design zu erleichtern. Die geringste Ihrer Sorgen beim PCB-Design sollte sein, wie Sie den Herstellern präzise vermitteln, wie viele Bohrungen Ihre Leiterplatte haben soll, wo die Kupferfolie hingehört oder an welchen Stellen Lötpaste aufgebracht werden soll. Je mehr Lagen Ihre Leiterplatte hat, umso dringender brauchen Sie eine erstklassige CAD-Software für Ihre Kupferstandards.

Altium Designer bietet für das Design und die Herstellung Ihres PCB alle notwendigen Werkzeuge in einer durchgängigen Plattform. Von der Schaltplanerfassung über die Freigabe bis hin zur Produktion, zur mechanischen Dimensionierung und Umrisszeichnung zum Leiterplattenlayout und den Bauteil-Footprints steht Altium Ihnen zur Seite. Während der Schaltplanerstellung lassen sich Regeln festlegen, um High-Speed-Leiterbahnen zum Erreichen vorgegebener Impedanzen zu definieren. Bauteile lassen sich aus einer gemeinsam genutzten Bibliothek auswählen, sodass physische und elektrische Überlegungen Einfluss auf die Auswahl nehmen und den späteren Erfolg sichern können.

Schaltungsdesign mit Altium Designer

Mit Altium müssen Sie sich keine Sorgen mehr darüber machen, ob die Schaltungsdetails, die Sie in Ihrem Schaltplan erfasst haben, auch in das Layout übernommen werden. Das Design eines PCB mit allem, was dazugehört, wie etwa Substrat, Kupfer, Bohrlöcher, Lagen und Leiterbahnen, läuft am Ende auf die Fertigung hinaus. Wenn Ihre Software genaue und leicht lesbare Ausgaben generiert, brauchen Sie sich darüber keine Sorgen machen.

Die durchgängige Umgebung von Altium enthält PCB-Layoutwerkzeuge, mit denen Designer die in ihrem Schaltplan festgelegten Netze nachverfolgen können. Arbeiten Sie bei der Schaltplanerfassung mit Direktiven, um Designvorgaben an Ihren Layout-Designer zu übermitteln. Die Leiterplattenumrisse, die zusammen mit Ihrem Mechanik-Team erstellt wurden, können problemlos in das PCB-Layoutwerkzeug von Altium importiert werden. Die Bauteilbibliotheken werden verknüpft und sind damit für die gesamte durchgängige Entwurfsumgebung konsistent. Die Impedanzrechner folgen den im Schaltplan festgelegten Spezifikationen.

Beachten Sie beim Arbeiten mit Altium-Werkzeugen folgende Hinweise:

• Beginnen Sie damit, Schaltplan-Designregeln festzulegen.
• Erstellen Sie Footprints für die Bauteile zur Platzierung auf Ihrem PCB.
• Legen Sie die Bauteilplatzierung mit dem Assistenten „IPC Compliant Footprint“ fest.
• Verbinden Sie die Bauteile mithilfe von Routing-Funktionen.
• Verfolgen Sie Netze, um Bauteile mit Routing-Modi zu vernetzen.
• Überprüfen Sie die Passgenauigkeit der PCB mit Ihrem Mechanik-Team.
• Validieren Sie Passgenauigkeit und Funktion durch MCAD-Integration.

Die durchgängige Umgebung von Altium Designer bietet alle notwendigen Werkzeuge unter einem Dach. Ausgehend vom Schaltplan im Projektverzeichnis werden Ihre Schaltkreise erfasst und Ihre Netze festgelegt. Hier können Regeln und Vorgaben festgelegt werden, die zur PCB-Layoutumgebung weitergeleitet werden, um den Layout-Designer auf dem Laufenden zu halten.

Technische Zeichnungen können einfach in die durchgängige Umgebung importiert werden, sodass die Leiterplattenumrisse auf ihnen basieren. Bauteilbibliotheken werden geteilt, anstatt für die verschiedenen EDA-Werkzeuge jeweils separate Bibliotheken für dieselbe Leiterplatte vorzuhalten. Durch Bauteilbibliotheken, die im gesamten Unternehmen zugänglich sind, können Ihre Schaltungsentwickler leicht verfügbare Bauteile schon früh im Designzyklus auswählen, wodurch das PCB-Layout bis zu seiner Freigabe für die Fertigung gültig bleibt.

Das Routing von Netzen erfolgt dank durchgängiger Impedanzberechnungs-Werkzeuge auf hohem Niveau. Flächen werden frühzeitig mit dem Lagenaufbau-Manager organisiert, sodass High-Speed-Signale über eine nahe Massefläche verlaufende Streifenleitung geführt werden können.

Lassen Sie Ihre PCBs nicht in die Zeit der Printed Wiring Boards zurückfallen. Überlassen Sie leistungsfähiger PCB-Designsoftware die mühsame Arbeit an Ihrem PCB. Altium Designer ist das beste Werkzeug auf dem Markt, mit dem Sie Ihre Leiterplatte für den modernen Elektronik-Markt entwerfen und herstellen können.