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Quiz zum Thema Leiterplatten & PCB Designer

Die Leiterplatte gehört zu den wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Dabei handelt sich um einen Träger, auf den elektronische Bauteile angebracht und mittels leitender Kupferbahnen miteinander verbunden werden. Leiterplatten stecken in Fernsehern, Computern, Waschmaschinen, Smartphones und praktisch allen anderen elektronischen Geräten, die für uns so selbstverständlich und heute nicht mehr wegzudenken sind. Ihre Entwicklung war ein echter Gamechanger für die Elektronikfertigung!

Bevor die Leiterplatte verwendet wurde, wurden elektrische Schaltkreise hergestellt, indem Drähte an die einzelnen Bauteile angebracht wurden. Die leitenden Verbindungen mussten per Hand gelötet werden. Je größer der Schaltkreis sein sollte, beziehungsweise je mehr Bauteile verbunden werden sollten, desto mehr Drähte wurden benötigt. Das benötigte nicht nur viel Platz, sondern wurde auch schnell unübersichtlich. Deshalb wurde diese Art der Schaltung auch oft als „Vogelnest“ bezeichnet. Es war sehr schwierig Fehlerquellen ausfindig zu machen und die Herstellung war langwierig. Erst durch die Einführung der Leiterplatte wurde die moderne Massenfertigung elektronischer Geräte möglich. Es gibt viele Namen für Leiterplatten. Sie werden unter anderem auch als Leiterkarten, Platinen oder gedruckte Schaltungen bezeichnet. Auch das aus dem Englischen stammende Kürzel PCB wird im deutschsprachigen Raum immer öfter verwendet. Es steht für „Printed Circuit Board“, was gedruckte Schaltung bedeutet.

Berufe, die sich mit Leiterplatten beschäftigen

Berufe, die sich mit Leiterplatten befassen, sind in der Regel Teil des Elektronik- und Ingenieurwesens sowie der Fertigungstechnik. Auf die Gestaltung und Optimierung von Leiterplatten sind sogenannte PCB-Layouter beziehungsweise PCB-Designer spezialisiert. Bisher gibt es keine spezifische Ausbildung für diesen Beruf, meist wird deshalb von Unternehmen ein abgeschlossenes Studium der Elektrotechnik oder einer vergleichbaren Ingenieurwissenschaft verlangt. Außerdem sollten Bewerber über Kenntnisse im Elektronikdesign, technischen Zeichnen und dergleichen verfügen. Auch nach einer Ausbildung zum Oberflächenbeschichter kann man zur Herstellung von Leiterplatten beitragen, indem man diese fachgerecht beschichtet. Wer sich weiter spezialisieren möchte kann die Fachschule für Leiterplattentechnik besuchen und mehr über Leiterplattentechnik, Prozesstechnik und Layoutgestaltung lernen. Nach erfolgreich absolvierter Prüfung ist man dann „staatlich geprüfter Techniker – Fachrichtung Leiterplattentechnik“ und qualifiziert, Führungstätigkeiten zum Beispiel in Betrieben der Oberflächenveredlung und Wärmebehandlung, des Maschinen- oder Anlagenbaus zu übernehmen. Ein weiterer Beruf, der sich mit Leiterplatten befassen kann, ist der des Mikrotechnikers. Mikrotechniker entwickeln und produzieren kleinste Geräten und Komponenten, die auch bei Leiterplatten Anwendung finden können.

Der Erfinder der Leiterplatte

Als geistiger Vater der Leiterplatte gilt Paul Eisler. Der gebürtige Österreicher entwickelte bereits in den 1930er Jahren den Vorläufer der heutigen Leiterplatte. Inspiriert wurde er durch den Job, den er während seines Ingenieurstudiums ausübte: Eisler arbeitete als Redakteur bei einer Zeitung und sah das Potenzial des Druckverfahrens. Er suchte einen Weg, wie dieses nicht nur für das Bedrucken von Papier genutzt werden könnte, sondern auch um flache, sauber strukturierte Schaltungen zu drucken. Das Interesse an seinem ersten Patent 1936 war jedoch gering. Er entwickelte seine Erfindung in den nächsten Jahren weiter und meldete in den 1940ern weitere Patente an. Darauf wurden die USA aufmerksam und nutzen die neue Technologie ohne Eislers Einverständnis für die Rüstungsindustrie. Ende der 1940er wurden die Leiterplatten massenweise gefertigt und sorgten für beeindruckende Technologiesprünge. Eisler hatte jedoch Schwierigkeiten, seine Patentansprüche geltend zu machen und kämpfte viele Jahre um die Anerkennung, die ihm zustand.

Der Aufbau einer Leiterplatte

Leiterplatten bestehen zunächst einmal aus einem nichtleitenden Material, das die Basis darstellt. Früher wurde meist Pertinax verwendet, das auch als Hartpapier bekannt ist. Dabei handelt es sich um Phenolharz mit Papierfasern. Heutzutage besteht die Basis einer Leiterplatte in der Regel aus Epoxidharz mit Glasfasern. Für besondere Anforderungen gibt es außerdem Leiterplatten aus Keramik, Teflon oder Aluminium. Mitunter werden auch flexible Leiterplatten benötigt, dann wird Polyesterfolie genutzt. Die rohe Leiterplatte wird anschließend mit einer durchgehenden Kupferschicht überzogen. Das meiste Kupfer wird anschließend jedoch entfernt, sodass nur die gewünschten Leiterbahnen übrigbleiben.

Die simpelste Form der Leiterplatte wird nur auf einer Seite strukturiert und bestückt. Sie wird meist als Single-sided PCB bezeichnet. Es ist aber auch möglich, beide Seiten der Leiterplatte zu nutzen. Dann spricht man von einer Double-sided PCB. Darüber hinaus gibt es sogenannte Multilayer-PCBs, die aus ganz vielen Schichten bestehen können. Üblicherweise liegt die Anzahl der Schichten dieser Leiterplatten zwischen 4 und 24. Bei den komplexen Anforderungen der heutigen Schaltungen, bieten sie oft die einzige Möglichkeit zur Umsetzung. Leitende Bahnen können hier in mehreren Schichten übereinanderliegen und müssen durch nichtleitende Schichten getrennt werden. Die einzelnen Ebenen werden dann mittels Durchkontaktierungen gezielt miteinander verbunden.

Herstellung einer Leiterplatte

Weil viele Produkte heutzutage immer kleiner und kompakter werden, müssen auch die Leiterplatten entsprechend angepasst werden. Bei der Herstellung von Leiterplatten wird daher in der Regel eine möglichst hohe Bestückungsdichte angestrebt, kein Millimeter soll verschenkt werden. Das setzt eine sehr präzise Planung und Montage voraus. Möchte man Platinen herstellen lassen wird deshalb sowohl spezielle Software zur bestmöglichen Planung und Ausnutzung der Fläche als auch automatische Bestückung mittels Robotern bei der Montage zur Unterstützung eingesetzt. Auf diese Weise können auch besonders knifflige Herausforderungen beim Leiterplattenbau gemeistert werden.

Leiterplatten-Layout mittels CAD-Programm

CAD steht für „Computer Aided Design“, also computergestützte Gestaltung. Entsprechende Programme werden verwendet, um Schaltskizzen in Leiterplattenlayouts umzuwandeln. Sie können elektronische Funktionen simulieren, Stücklisten und Druckvorlagen erstellen sowie viele weitere Informationen darstellen. CAM-Software verarbeitet die CAD-Daten, um die erforderlichen Werkzeugpfade für die Herstellung der Leiterplatte zu generieren. Dies umfasst unter anderem das Erzeugen von Bohr- und Fräskoordinaten für die mechanische Bearbeitung sowie das Erstellen von Belichtungsdaten für die Herstellung der Leiterbahnen. CAM steht für „Computer Aided Manufacturing“, also computergestützte Herstellung. Die Daten können in verschiedenen Formaten vorliegen. Etabliert hat sich das sogenannte Gerber-Format. Insgesamt dienen CAD- und CAM-Daten bei der Leiterplattenherstellung dazu, den gesamten Prozess von der Designphase bis zur Fertigung zu automatisieren und zu optimieren. Durch die Verwendung dieser Daten können Fehler reduziert, die Qualität verbessert und die Effizienz gesteigert werden, was letztendlich zu einer kostengünstigeren und zuverlässigeren Produktion von Leiterplatten führt.

Quizfragen zum Thema Leiterplatten

1. Wie werden die Leiterbahnen auf die Platine gebracht?

   Um die geplanten Leiterbahnen auf die Platine zu bringen, können verschiedene Verfahren genutzt werden. Besonders bekannt ist das photochemische Verfahren. Mittlerweile werden dafür zunächst die Bohrungen vorgenommen, die beispielsweise für die Montage von Bauteilen oder die Verbindung verschiedener Ebenen benötigt werden. Dabei wird die Leiterplatte mit Fotolack überzogen und mit einer Maske mit dem gewünschten Layout bedeckt. Je nach verwendetem Lack werden die gewünschten Leiterbahnen entweder bedeckt oder frei gelassen. Dann erfolgt die Belichtung. Abhängig vom Lack werden anschließend die belichteten oder unbelichteten Flächen in einer passenden Entwicklerlösung löslich. Im nächsten Schritt wird die Leiterplatte in eine Ätzlösung gegeben. Da wo der Fotolack gelöst wurde, wird das Kupfer weggeätzt. Es gibt aber auch andere Möglichkeiten, Leiterplatten herzustellen. Bei Prototypen wird häufig ein Fräsverfahren genutzt, bei dem leitende Flächen durch nichtleitende Frässpuren voneinander getrennt werden. Heutzutage können außerdem Lasersysteme verwendet werden, um Leiterplatten mit Leiterbahnen zu versehen. Typischerweise wird im Rahmen der Herstellung einer Leiterplatte ein Lötstopplack aufgetragen, um die Leiterbahnen zu schützen und Bereiche für Lötstellen freizugeben. Dieser sorgt für die charakteristische grüne Farbe, die wir von Leiterplatten kennen.

2. Wie werden Leiterplatten bestückt?

   Die Bestückung von Leiterplatten bezieht sich auf den Prozess, bei dem elektronische Komponenten auf die Leiterplatte gelötet oder anderweitig angebracht werden. Dieser Prozess kann manuell oder automatisiert erfolgen, abhängig von der Art der Leiterplatte, der Komplexität der Schaltung und den Produktionsanforderungen. Es wird zwischen zwei Hauptverfahren unterschieden. Früher war die THT-Bestückung üblich. THT steht für "Through-Hole Technology", also etwa „Durchsteckmontagetechnik“. Die Bauteile wurden durch Bohrlöcher gesteckt und auf der Rückseite der Leiterplatte verlötet. Diese Art der Bestückung ist besonders robust und wird deshalb heute noch manchmal verwendet. Viel verbreiteter ist heutzutage jedoch die SMT-Bestückung, was für „Surface Mount Technology“ steht. Die Bauteile werden dabei direkt auf der Leiterplatte verlötet und werden als SMD bezeichnet („Suface Mounted Device). SMD-Schablonen erleichtern die SMT-Bestückung. SMD-Schablonen sind normalerweise aus einem dünnen, aber robusten Material wie Edelstahl gefertigt und verfügen über präzise gefertigte Öffnungen oder Aussparungen, die den Positionen der Bauteile auf der Leiterplatte entsprechen. Die Funktion der SMD-Schablone besteht darin, Lötpaste genau auf die erforderlichen Stellen der Leiterplatte aufzutragen. Dies geschieht durch Ausstreichen oder Rakeln der Lötpaste über die Schablone, wobei die Öffnungen die genaue Menge und Platzierung der Lötpaste steuern. Der Prozess mit der SMD-Schablone erfolgt typischerweise in einer automatisierten Bestückungsanlage.

3. Wie werden Leiterplatten noch genannt?

   Man nennt sie auch Leiterkarten, Platinen, gedruckte Schaltungen oder Printed Circuit Board.

4. Wer erfand wann die Leiterplatte?

   Als geistiger Vater der Leiterplatte gilt der Österreicher Paul Eisler. Den Vorläufer der heutigen Leiterplatte entwickelte er bereits in den 1930er Jahren. Ende der 1940er wurden die Leiterplatten bereits massenweise gefertigt.

5. Woraus bestehen Leiterplatten?

   Als Basis der Leiterplatten dient ein nichtleitendes Material, heutzutage meist aus Aluminium, Epoxidharz mit Glasfasern oder Teflon. Flexible Leiterplatten werden aus Polyesterfolie hergestellt. Die rohe Leiterplatte wird anschließend mit einer durchgehenden Kupferschicht überzogen. Die gewünschten Leiterbahnen bestehen aus Kupfer.

6. Wie viele Schichten hat eine Leiterplatte?

   Eine Leiterplatte kann auf nur einer Seite strukturiert und bestückt werden (Single-sided PCB) oder es können beide Seiten der Leiterplatte genutzt werden (Double-sided PCB). Außerdem gibt es Multilayer-PCBs, die aus vielen Schichten bestehen können, meist sind es zwischen 4 und 24.

7. Wie werden Leiterplatten hergestellt?

   Etwa mittels photochemischem Verfahren. Die Leiterplatte wird mit Fotolack überzogen. Die gewünschten Leiterbahnen werden entweder bedeckt oder frei gelassen. Dann erfolgt die Belichtung. Abhängig vom Lack werden anschließend die gewünschten Flächen in einer passenden Entwicklerlösung löslich. Im nächsten Schritt das Kupfer an den Stellen weggeätzt, an denen es nicht benötigt wird. Heutzutage werden auch Lasersysteme verwendet, um Leiterplatten mit Leiterbahnen zu versehen. Auf die Leiterplatten wird ein Lötstopplack aufgetragen, um nur die Bereiche für Lötstellen freizugeben.

8. Was bedeutet THT-Bestückung?

   THT steht für „Through-Hole Technology“, was „Durchsteckmontagetechnik“ bedeutet. Hierbei werden Bauteile durch Bohrlöcher gesteckt und auf der Rückseite der Leiterplatte verlötet. Die THT-Bestückung ist heutzutage ein eher altes Verfahren, wird aber wegen seiner Robustheit bei bestimmten Anwendungen noch immer bevorzugt.

9. Was bedeutet SMT-Bestückung?

   SMT steht für „Surface Mount Technology“. Die SMT-Bestückung ist weit verbreitet, da dabei die Bauteile direkt auf der Leiterplatte verlötet werden (SMD). SMD-Schablonen aus robustem Material erleichtern diesen Prozess, indem sie präzise Lötpasten auf die entsprechenden Stellen der Leiterplatte auftragen. Dies geschieht in automatisierten Bestückungsanlagen.

10. Für was steht das Kürzel „PCB“?

    Dieses Kürzel kommt aus dem englischen und steht für „Printed Circuit Board“ und bedeutet übersetzt „gedruckte Schaltung“.

11. Wie nennt man die Personen, die Platinen herstellen bzw. designen?

    Im Allgemeinen werden diese Personen als „PCB-Layouter“ beziehungsweise „PCB-Designer“ genannt. Es gibt zwar keine spezifische Ausbildung für diesen Beruf, aber Kenntnisse in Elektrotechnik, Prozesstechnik, Oberflächenbeschichtungen sind schon mal gute Einstiegsmöglichkeiten. Noch mehr Spezialwissen kann über eine Fachschule zur Leiterplattentechnik erworben werden.

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