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26. April 2024

Was ist eine einlagige Leiterplatte?

Einführung

Leiterplatten (PCBs) bilden das Herzstück moderner elektronischer Fortschritte. Sie integrieren komplexe Komponenten nahtlos in funktionale Geräte, die unseren Alltag mit Energie versorgen. Seit ihrer Einführung hat die PCB-Technologie eine transformative Entwicklung durchlaufen und sich kontinuierlich an die Anforderungen immer anspruchsvollerer elektronischer Anwendungen angepasst.

Einschichtige Leiterplatten sind in der Elektronikindustrie von grundlegender Bedeutung und bieten einen zugänglichen Einstiegspunkt für viele Anwendungen. Von Unterhaltungselektronik wie Radiosystemen und Taschenrechnern bis hin zu einfacheren Komponenten in umfangreicheren Geräten ermöglichen diese Leiterplatten elektrische Verbindungen und Funktionalität mit minimaler Komplexität.

Lassen Sie uns genauer untersuchen, wie diese einfachen, aber leistungsstarken Komponenten in das Gesamtbild der elektronischen Konstruktion und Fertigung passen.

Einschichtige Leiterplatten verstehen

Die Grundlagen des einschichtigen PCB-Designs

Im Kern ist eine einlagige Leiterplatte, auch einseitige Leiterplatte genannt, eine der einfachsten Formen von Leiterplatten. Sie wurde mit Blick auf Effizienz und Einfachheit entwickelt und besteht aus einer einzigen Schicht aus leitfähigem Material, die auf einer Seite eines nichtleitenden Substrats angebracht ist.

Aufgrund dieser Grundstruktur ist es ideal für verschiedene Anwendungen mit geringer Dichte.

Definition und Struktur

Eine einschichtige Leiterplatte besteht aus einem Substrat, dem Basismaterial der Platine, auf dem eine leitfähige Metallschicht aufgebracht ist. Die leitfähige Schicht, normalerweise Kupfer, wird geätzt, um das Schaltungsmuster zu bilden, das die verschiedenen Platinenkomponenten verbindet.

Auf der anderen Seite des Substrats werden verschiedene elektronische Komponenten montiert und durch Löcher, die das Substrat durchdringen, an die geätzten Schaltkreise auf der leitfähigen Seite gelötet.

Gängige Materialien

  • Untergrund: Das am häufigsten verwendete Substrat in einschichtigen Leiterplatten ist FR-4, ein Verbundwerkstoff aus gewebtem Glasfasergewebe mit einem Epoxidharzbinder, der von Natur aus flammhemmend ist. FR-4 wird aufgrund seiner Haltbarkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und hervorragenden elektrischen Isoliereigenschaften bevorzugt. Es bietet eine stabile und robuste Basis für die leitfähige Schicht und die Komponenten.
  • Leitfähige Schicht: Kupfer ist aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit das Material der Wahl für die leitfähige Schicht. Die Dicke der Kupferschicht kann je nach Anwendung variieren, liegt aber normalerweise zwischen 1 und 3 Unzen pro Quadratfuß.
  • Lötmaske: Über der Kupferschicht wird normalerweise eine Lötmaske aufgetragen, die einen versehentlichen Kontakt zwischen dem Kupfer und anderen Metallen, Lötmitteln oder leitfähigen Teilen verhindert. Diese Schicht ist entscheidend, um Kurzschlüsse zu verhindern und das Risiko von Lötbrücken zwischen eng beieinander liegenden Pads zu verringern.
  • Siebdruck: Abschließend kann eine Siebdruckschicht hinzugefügt werden, um Komponentenpositionen, Testpunkte und andere wichtige Informationen auf der Leiterplatte zu markieren. Diese Schicht wird normalerweise auf der Komponentenseite aufgetragen und kann den Montageprozess erheblich erleichtern, insbesondere bei manueller Montage.

Herstellungsprozess

So werden einlagige Leiterplatten hergestellt

Der Herstellungsprozess einschichtiger Leiterplatten ist im Vergleich zur Komplexität der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten unkompliziert. Diese Einfachheit beschleunigt die Produktion und senkt die Kosten, sodass einschichtige Leiterplatten für viele Anwendungen eine wirtschaftliche Wahl sind.

Hier ist eine schrittweise Aufschlüsselung, wie diese Leiterplatten typischerweise hergestellt werden:

Untergrundvorbereitung

Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung des Substrats, das normalerweise aus FR-4 besteht. Dieses Substrat bildet die strukturelle Basis, auf die die leitfähige Kupferschicht aufgetragen wird. Das Substrat wird gereinigt und vorbereitet, um sicherzustellen, dass es frei von Verunreinigungen ist, die die Haftung des Kupfers und die Wirksamkeit des Ätzprozesses beeinträchtigen könnten.

Aufbringen der Leitschicht

Anschließend wird eine dünne Kupferschicht auf eine Seite des Substrats laminiert, wobei Hitze und Klebstoff zum Verbinden verwendet werden. Die Dicke der Kupferschicht kann variieren, liegt aber normalerweise zwischen 1 und 3 Unzen pro Quadratfuß, abhängig von den Strombelastbarkeitsanforderungen der Leiterplatte.

Schaltungsmustererstellung

Sobald die Kupferschicht angebracht ist, wird im nächsten Schritt eine temporäre Maske aufgetragen, die das Schaltungsmuster umreißt. Dies geschieht normalerweise mithilfe eines Fotolackverfahrens, bei dem eine lichtempfindliche Chemikalie auf das Kupfer aufgetragen wird. Die Platine wird dann durch eine gemusterte Maske dem Licht ausgesetzt, wodurch der Fotolack dort aushärtet, wo das Kupfer verbleiben soll. Unbelichtete Bereiche werden dann wegentwickelt, um das blanke Kupfer freizulegen.

Radierung

Das freiliegende Kupfer, das nicht durch den gehärteten Fotolack geschützt ist, wird dann chemisch weggeätzt, wodurch das Schaltungsmuster zurückbleibt. Die üblicherweise verwendete Ätzlösung ist Eisenchlorid, das das unerwünschte Kupfer effektiv entfernt.

Fertigstellung

Nach dem Ätzen wird der verbleibende Fotolack entfernt, wodurch die Kupferschaltkreise freigelegt werden. Auf die gesamte Platine wird eine Lötmaske aufgetragen, mit Ausnahme der Stellen, an denen Lötkomponenten angebracht werden. Diese Maske schützt das Kupfer vor Oxidation und verhindert die Bildung von Lötbrücken während des Lötens der Komponenten.

Abschließend kann eine Siebdruckschicht für Etiketten und Komponentenkennungen hinzugefügt werden, was die Montage und Fehlerbehebung erleichtert.

Vergleich mit der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten

Im Vergleich zu einlagigen Leiterplatten sind bei mehrlagigen Leiterplatten zusätzliche komplexe Prozesse erforderlich. Mehrlagige Leiterplatten erfordern:

  • Ausrichtung mehrerer Ebenen: Jede leitfähige und isolierende Schicht muss präzise ausgerichtet und laminiert werden, was moderne Ausrüstung und eine sorgfältige Qualitätskontrolle erfordert.
  • Umfangreichere Ätz- und Beschichtungsverfahren: Die inneren Schichten werden einzeln verarbeitet und dann zusammen laminiert. Dabei sind häufig zusätzliche Bohrungen und Durchkontaktierungen erforderlich, um die Schichten elektrisch zu verbinden.
  • Erhöhte Material- und Verarbeitungskosten: Die Komplexität des Ausrichtens und Laminierens mehrerer Schichten sowie der erhöhte Materialverbrauch erhöhen die Produktionskosten erheblich.

Die einfache Herstellung einlagiger Leiterplatten macht ihre Produktion nicht nur schneller, sondern auch deutlich kostengünstiger. Sie eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen die elektrischen Eigenschaften mehrlagiger Designs nicht erforderlich sind. 

Diese Kosteneffizienz, gepaart mit schnelleren Durchlaufzeiten, macht einlagige Leiterplatten ideal für die Prototypenentwicklung und Massenproduktion elektronischer Geräte.

Anwendungen und Anwendungsfälle

Einschichtige Leiterplatten sind nicht nur ein Grundbestandteil der Basiselektronik; sie sind aufgrund ihrer Einfachheit, Kosteneffizienz und Zuverlässigkeit in vielen Branchen unverzichtbar. Hier finden Sie einige wichtige Branchen, in denen einschichtige Leiterplatten besonders nützlich sind, sowie die Gerätetypen, in denen sie zum Einsatz kommen.

Unterhaltungselektronik

In der Unterhaltungselektronik werden einschichtige Leiterplatten häufig in einfacheren oder kleineren Geräten verwendet, bei denen keine komplexen Schaltkreise erforderlich sind. Aufgrund ihrer einfachen Herstellung und niedrigeren Kosten sind sie ideal für die Massenproduktion von Geräten.

  • Rechner: Diese Geräte verwenden einschichtige Leiterplatten für grundlegende Rechenfunktionen, die keine mehrschichtige Komplexität erfordern.
  • LED-Beleuchtung: Einschichtige Leiterplatten eignen sich perfekt für LED-Anwendungen, da sie mehrere LEDs bei minimaler Schaltungskomplexität effizient verbinden und mit Strom versorgen können.
  • Funkgeräte: Viele wichtige Radioprodukte für den Privatgebrauch verwenden einschichtige Leiterplatten für einfache elektronische Zwecke.

Automobilindustrie

Der Automobilsektor profitiert von einlagigen Leiterplatten vor allem in Anwendungen, bei denen es vor allem auf Haltbarkeit und Zuverlässigkeit ankommt, die elektronischen Anforderungen jedoch relativ einfach sind.

  • Armaturenbrett-Instrumente: Messgeräte und Anzeigen wie Tankanzeigen und einfache Displays verwenden einschichtige Leiterplatten, um wichtige Anzeigefunktionen zuverlässig auszuführen.
  • Kontroll systeme: Weniger komplexe Fahrzeugsteuerungssysteme, wie sie in älteren oder Einstiegsmodellen verwendet werden, enthalten aus Kostengründen und mit ausreichender Funktionalität häufig einschichtige Leiterplatten.

Industrielle Anwendungen

Einschichtige Leiterplatten werden häufig in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt, bei denen die elektronischen Anforderungen mit einer einzigen leitfähigen Schicht erfüllt werden können, insbesondere zur Steuerung von Maschinen oder Prozessen.

  • Relaiskarten: Diese werden zur Verwaltung der Stromverteilung und von Steuerungsmechanismen in industriellen Umgebungen verwendet und basieren aufgrund ihrer Einfachheit oft auf einschichtigen Leiterplatten.
  • Zeitschaltkreise: Aufgrund der unkomplizierten Anforderungen an das Schaltungsdesign werden viele Industrie-Zeitgeber mit einschichtigen Leiterplatten gebaut.

Medizinische Geräte

Im medizinischen Bereich, insbesondere in Geräten, die nicht lebenserhaltend oder kritisch sind, findet man einschichtige Leiterplatten.

  • Hörgeräte: Diese Geräte verwenden einschichtige Leiterplatten für grundlegende Tonverstärkungsschaltungen und vereinen Funktionalität mit kompaktem und leichtem Design.
  • Grundlegende Monitore: Bei Geräten zur Überwachung weniger kritischer Patientendaten, wie z. B. einfachen Patientenmonitoren in nicht-kritischen Pflegeeinrichtungen, könnten aus Kostengründen und aus Gründen der Einfachheit einschichtige Leiterplatten verwendet werden.

Vorteile von Single-Layer-Leiterplatten

Obwohl sie scheinbar einfach sind, bieten einlagige Leiterplatten eine Reihe von Vorteilen, die sie in vielen Szenarien des elektronischen Designs zu einer unverzichtbaren Option machen. Lassen Sie uns ihre Hauptvorteile näher betrachten und erfahren Sie, warum sie für verschiedene elektronische Produkte und Projekte weiterhin eine beliebte Wahl sind.

Kosteneffektivität

Einer der größten Vorteile einschichtiger Leiterplatten ist ihre Kosteneffizienz. Da sie im Vergleich zu mehrschichtigen Leiterplatten einen unkomplizierten Herstellungsprozess mit weniger Material und weniger Arbeitsaufwand erfordern, sind sie in der Regel kostengünstiger in der Herstellung. Diese Kostensenkung ist insbesondere bei der Produktion großer Stückzahlen von Vorteil, wo sich die Einsparungen pro Einheit erheblich summieren können.

  • Materialien und Herstellung: Eine einzelne Schicht aus leitfähigem Material, normalerweise Kupfer, die auf eine Seite eines Primärsubstrats wie FR-4 aufgetragen wird, minimiert die Materialkosten. Darüber hinaus erfordert der Herstellungsprozess weniger Schritte – hauptsächlich Ätzen und Schutzbeschichtung –, was die Produktionszeit und die Arbeitskosten reduziert.

Einfache Produktion

Der Herstellungsprozess für einlagige Leiterplatten ist günstiger, unkomplizierter und schneller. Diese einfache Produktion macht sie ideal für Projekte mit kurzer Bearbeitungszeit und Prototypen, bei denen die Geschwindigkeit oft ebenso entscheidend ist wie die Kosten.

  • Optimierte Fertigung: Da nur eine Schicht gedruckt und geätzt werden muss, wird der Produktionsprozess erheblich rationalisiert. Diese Einfachheit verringert auch das Potenzial für Herstellungsfehler, was zu weiteren Kosteneinsparungen bei Tests und Qualitätssicherung führt.

Einfache Fehlerbehebung

Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil einschichtiger Leiterplatten ist die einfache Fehlersuche und Reparatur. Da alle Komponenten und Anschlüsse auf einer Seite der Platine sichtbar sind, können Fehler leichter diagnostiziert und behoben werden.

  • Barrierefreiheit: Da sich alle Leiterbahnen auf einer Seite befinden, können Techniker Problembereiche schnell identifizieren und erreichen, ohne sich durch mehrere Schichten bewegen zu müssen. Diese Zugänglichkeit beschleunigt und vereinfacht Reparaturen, was entscheidend zur Reduzierung von Ausfallzeiten in industriellen Umgebungen beitragen kann.

Eignung für bestimmte Arten elektronischer Produkte

Einschichtige Leiterplatten eignen sich besonders gut für den Einsatz in bestimmten elektronischen Produkten und Projekten. Dazu gehören in der Regel einfachere Geräte, bei denen keine hochdichten Verbindungen erforderlich sind und der Schwerpunkt auf Zuverlässigkeit und Kostenminimierung liegt.

  • Ideale Anwendungen: Sie eignen sich perfekt für Elektronik wie Spielzeug, LED-Beleuchtung und einfache Haushaltsgeräte. Darüber hinaus werden sie häufig in Stromversorgungen, Sensoren und anderen Industriekomponenten verwendet, bei denen die Komplexität minimal ist.
  • Designprojekte: Für Bastler, Pädagogen und Studenten bieten einlagige Leiterplatten aufgrund ihrer Einfachheit und einfachen Handhabung eine hervorragende Plattform für Heimwerkerprojekte und Lehrbausätze.

Einschränkungen und Überlegungen

Die Einschränkungen verstehen

Einschichtige Leiterplatten bieten zwar zahlreiche Vorteile, weisen jedoch auch inhärente Einschränkungen auf, die ihre Eignung für bestimmte Anwendungen beeinträchtigen können. Das Verständnis dieser Herausforderungen ist entscheidend für die Optimierung des Designs und die fundierte Entscheidung darüber, wann einschichtige Leiterplatten verwendet werden sollen.

Begrenzte Schaltungskomplexität

Eine der Haupteinschränkungen einschichtiger Leiterplatten ist ihre Unfähigkeit, komplexe Schaltkreise zu unterstützen. Da nur eine leitfähige Schicht verfügbar ist, ist der Platz zum Verlegen elektrischer Pfade stark eingeschränkt.

  • Auswirkungen: Diese Einschränkung erschwert die Verwendung einschichtiger Leiterplatten in hochentwickelten elektronischen Geräten wie modernen Computern oder Smartphones, die umfangreiche Schaltkreise und eine hochdichte Komponentenplatzierung erfordern.

Mögliche Rauschstörungen

Einschichtige Leiterplatten sind ohne mehrere Schichten zur Abschirmung und Trennung kritischer Signalwege anfälliger für elektromagnetische Störungen (EMI) und Rauschen.

  • Folgen: Dies kann zu Problemen mit der Signalintegrität führen, insbesondere in Umgebungen, in denen elektronische Geräte nahe beieinander betrieben werden oder in denen Hochfrequenzsignale vorhanden sind.

Best Practices zur Optimierung des einschichtigen PCB-Designs

Trotz dieser Einschränkungen können mehrere Strategien dazu beitragen, die Nachteile zu mildern und die Leistung einschichtiger Leiterplatten zu verbessern.

Strategische Komponentenplatzierung

Durch sorgfältige Platzierung der Komponenten können die Pfadlängen für kritische Signale minimiert und das Risiko von Störungen und Übersprechen verringert werden.

  • Technik: Ordnen Sie Komponenten so an, dass ähnliche Funktionen zusammengefasst sind, und halten Sie Hochfrequenzkomponenten von empfindlichen analogen Teilen isoliert.

Verwendung von Bodenauffüllungen

Eine Erdungsfüllung kann zur Rauschreduzierung beitragen, indem sie eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen bietet und das Erdungspotenzial auf der gesamten Leiterplatte stabilisiert.

  • Implementierung: Füllen Sie ungenutzte Bereiche der Kupferschicht mit einer festen Massefläche. Diese Vorgehensweise trägt nicht nur zur Rauschreduzierung bei, sondern verbessert auch die Wärmeableitung.

Bewährte Methoden für das Routing

Um das Potenzial einer einlagigen Leiterplatte zu maximieren und gleichzeitig die Nachteile zu minimieren, sind effektive Routing-Techniken unerlässlich.

  • Richtlinien: Verwenden Sie breitere Leitungen für Stromleitungen, um Widerstand und Spannungsabfälle zu verringern. Stellen Sie sicher, dass die Signalwege so direkt und kurz wie möglich sind, um die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen zu verringern. Vermeiden Sie scharfe Biegungen in den Leitungen, da diese den Widerstand und die elektromagnetischen Emissionen erhöhen können.

Verbesserung des PCB-Layouts

Mithilfe fortschrittlicher Layouttechniken können auch einige Einschränkungen einschichtiger Leiterplatten überwunden werden.

  • Ansatz: Implementieren Sie Techniken wie „Überbrückungsdrähte“, um Leiterbahnen zu überkreuzen, ohne dass eine zusätzliche Schicht erforderlich ist. Dies kann insbesondere bei etwas komplexeren Designs nützlich sein, bei denen eine zweite Schicht nicht gerechtfertigt ist.

Abschluss

Einschichtige Leiterplatten sind ein Eckpfeiler der Elektronikfertigung und werden wegen ihrer Einfachheit und Kosteneffizienz geschätzt. Sie bilden eine zuverlässige Grundlage für eine breite Palette elektronischer Geräte, von der Unterhaltungselektronik bis hin zu Industriekomponenten, und sind daher für zahlreiche Anwendungen unverzichtbar.

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Artikel geschrieben von Alice Lee

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