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Einführung von Leiterplatten und ihr Anwendungsgebiet

2021-07-06

Leiterplatte:
Eine Leiterplatte (PCB) ist eine physische Basis oder Plattform, auf der elektronische Komponenten geschweißt werden können. Kupferleiterbahnen verbinden diese Komponenten miteinander und ermöglichen der Leiterplatte, so zu funktionieren, wie sie entworfen wurde.

Die Leiterplatte ist das Herzstück des elektronischen Geräts, sie kann je nach Anwendung des elektronischen Geräts jede beliebige Form und Größe haben. Das gängigste Substrat/Substratmaterial für PCB ist FR-4. PCBs auf FR-4-Basis sind häufig in vielen elektronischen Geräten zu finden, und ihre Herstellung ist üblich. Im Vergleich zu Multilayer-Leiterplatten sind einseitige und doppelseitige Leiterplatten einfacher herzustellen.

FR-4 PCB besteht aus Glasfaser und Epoxidharz in Kombination mit einer laminierten Kupferverkleidung. Einige der besten Beispiele für komplexe Multilayer-PCBs (bis zu 12 Layer) sind Computergrafikkarten, Motherboards, Mikroprozessorplatinen, FPGAs, CPLDs, Festplatten, RF-LNA, Antennen-Feeds für Satellitenkommunikation, Schaltnetzteile, Android-Telefone und mehr . Es gibt auch viele Beispiele, bei denen einfache Single-Layer- und Double-Layer-Leiterplatten verwendet werden, wie z. B. CRT-Fernseher, analoge Oszilloskope, Taschenrechner, Computermäuse, FM-Radioschaltungen.

Anwendung von PCB:
1. Medizinische Ausrüstung:
Die heutigen Fortschritte in der Medizin sind ausschließlich auf das schnelle Wachstum der Elektronikindustrie zurückzuführen. Die meisten medizinischen Geräte wie pH-Meter, Herzschlagsensoren, Temperaturmessungen, EKG/EEG-Geräte, MRT-Geräte, Röntgen, CT-Scans, Blutdruckgeräte, Glukosemessgeräte, Inkubatoren, mikrobiologische Geräte und viele andere Geräte basieren separat auf elektronische Leiterplatten. Diese PCBs sind normalerweise kompakt und haben einen kleinen Formfaktor. Dichte bedeutet, dass kleinere SMT-Komponenten in kleineren PCB-Größen platziert werden. Diese medizinischen Geräte sind kleiner, tragbar, leicht und einfach zu bedienen.

2. Industrielle Ausrüstung.
PCBs werden auch häufig in der Fertigung, in Fabriken und in bevorstehenden Fabriken verwendet. Diese Industrien verfügen über leistungsstarke mechanische Geräte, die von Schaltkreisen angetrieben werden, die mit hoher Leistung arbeiten und einen hohen Strom benötigen. Dazu wird eine dicke Kupferschicht auf die Leiterplatte gepresst, anders als bei den anspruchsvollen elektronischen Leiterplatten, bei denen der Strom dieser Hochleistungsleiterplatten bis zu 100 Ampere beträgt. Dies ist besonders wichtig beim Lichtbogenschweißen, großen Servomotortreibern, Blei-Säure-Batterieladegeräten, der Militärindustrie, Baumwollwebstühlen und anderen Anwendungen.

3. Beleuchtung.
Wenn es um Beleuchtung geht, bewegt sich die Welt in Richtung energieeffizienter Lösungen. Diese Halogenbirnen sind jetzt selten zu finden, aber jetzt sehen wir LED-Leuchten und LEDs mit hoher Intensität. Diese kleinen LEDs bieten Licht mit hoher Helligkeit und sind auf einer Leiterplatte auf Basis eines Aluminiumsubstrats montiert. Aluminium hat die Eigenschaft, Wärme aufzunehmen und an die Luft abzugeben. Aufgrund der hohen Leistung werden diese Aluminium-Leiterplatten daher häufig in LED-Lampenschaltungen für LED-Schaltungen mittlerer und hoher Leistung verwendet.

4. Die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie.
Eine weitere Anwendung für Leiterplatten ist die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Ein gemeinsamer Faktor ist hier der Hall, der durch die Bewegung eines Flugzeugs oder eines Autos erzeugt wird. Daher wird die PCB flexibel, um diesen Vibrationen hoher Kraft standzuhalten. Es wird also ein PCB namens Flex PCB verwendet. Flexible Leiterplatten können hohen Vibrationen standhalten und sind leicht, was das Gesamtgewicht des Raumfahrzeugs reduzieren kann. Diese flexiblen Leiterplatten lassen sich auch auf engstem Raum verstellen, was ein weiterer großer Vorteil ist. Diese flexiblen Leiterplatten dienen als Steckverbinder, Schnittstellen und können in kompakten Räumen wie hinter Verkleidungen, unter Armaturenbrettern usw. montiert werden. Eine Kombination aus starrer und flexibler Leiterplatte wird ebenfalls verwendet.
Leiterplattentyp:

Gedruckte Leiterplatten (PCBs) fallen in 8 Hauptkategorien. Sie sind

Einseitige Leiterplatte:
Die Komponenten der einseitigen Leiterplatte werden nur auf einer Seite montiert, während die andere Seite für Kupferdraht verwendet wird. Eine dünne Kupferfolienschicht wird auf eine Seite des RF-4-Substrats aufgebracht und dann wird eine Lötmaske aufgebracht, um eine Isolierung bereitzustellen. Schließlich wird der Siebdruck verwendet, um die Markierungsinformationen von C1, R1 und anderen Komponenten auf der Leiterplatte bereitzustellen. Diese Single-Layer-Leiterplatten sind einfach zu entwerfen und in großem Maßstab herzustellen, werden stark nachgefragt und sind günstig in der Anschaffung. Sehr häufig verwendet in Haushaltsprodukten wie Entsafter/Mixer, Ladelüfter, Taschenrechner, kleine Batterieladegeräte, Spielzeug, TV-Fernbedienungen usw.

Doppelplatine:
Auf beiden Seiten der Platine wird eine doppelseitige Leiterplatte auf die Kupferschicht-Leiterplatte aufgebracht. Löcher bohren, in die THT-Elemente mit Leitungen eingebaut werden. Diese Löcher verbinden ein Teil mit dem anderen über Kupferschienen. Komponentenanschlüsse führen durch das Loch, die überschüssigen Anschlüsse werden mit einem Cutter abgeschnitten und die Anschlüsse werden an das Loch geschweißt. Dies geschieht alles manuell. Sie können auch SMT-Komponenten und THT-Komponenten mit 2 PCB-Lagen haben. Für die SMT-Komponenten sind keine Löcher erforderlich, aber die Pads werden auf der Leiterplatte hergestellt und die SMT-Komponenten werden durch Reflow-Löten auf der Leiterplatte befestigt. SMT-Komponenten nehmen auf der Leiterplatte nur sehr wenig Platz ein, sodass sie mehr freien Platz auf der Platine nutzen können, um mehr Funktionen zu erreichen. Die doppelseitige Leiterplatte wird für Stromversorgung, Verstärker, Gleichstrommotortreiber, Instrumentenkreis usw. verwendet.

Mehrschichtige Leiterplatte:
Die Multilayer-Leiterplatte besteht aus einer 2-Lagen-Multilayer-Leiterplatte, die zwischen dielektrischen Isolationsschichten eingebettet ist, um sicherzustellen, dass die Platine und die Komponenten nicht durch Überhitzung beschädigt werden. Multilayer-Leiterplatten sind in einer Vielzahl von Formen und Schichten erhältlich, von 4-Lagen- bis 12-Lagen-Leiterplatten. Je mehr Schichten, desto komplexer die Schaltung, desto komplexer das PCB-Layout-Design.
Mehrschichtige PCBs haben normalerweise separate Erdungsschichten, Leistungsschichten, Hochgeschwindigkeits-Signalschichten, Überlegungen zur Signalintegrität und Wärmemanagement. Häufige Anwendungen sind militärische Anforderungen, Luft- und Raumfahrtelektronik, Satellitenkommunikation, Navigationselektronik, GPS-Tracking, Radar, digitale Signalverarbeitung und Bildverarbeitung.

Starre Leiterplatte:
Alle oben diskutierten PCB-Typen gehören zur Kategorie der starren PCBs. Starre Leiterplatten haben feste Substrate wie FR-4, Rogers, Phenol- und Epoxidharze. Diese Boards verbiegen und verdrehen sich nicht, können aber viele Jahre bis zu 10 oder 20 Jahren in Form bleiben. Aus diesem Grund haben viele elektronische Geräte aufgrund der Steifigkeit, Robustheit und Steifigkeit einer starren Leiterplatte eine lange Lebensdauer. Leiterplatten für Computer und Laptops sind starr, und viele Heimfernseher, LCD- und LED-Fernseher bestehen aus starren Leiterplatten. Alle oben genannten einseitigen, doppelseitigen und mehrlagigen PCB-Anwendungen gelten auch für starre PCBs.

Eine flexible Leiterplatte oder flexible Leiterplatte ist nicht starr, aber sie ist flexibel und lässt sich leicht biegen. Sie zeichnen sich durch Elastizität, hohe Hitzebeständigkeit und hervorragende elektrische Eigenschaften aus. Das Substratmaterial für Flex PCB hängt von Leistung und Kosten ab. Übliche Substratmaterialien für Flex PCB sind Polyamid (PI)-Folie, Polyester (PET)-Folie, PEN und PTFE.
Die Herstellungskosten von Flex PCB sind nicht nur starre PCB. Sie können gefaltet oder um Ecken gewickelt werden. Sie benötigen weniger Platz als ihre starren Pendants. Sie haben ein geringes Gewicht, aber eine sehr geringe Reißfestigkeit.

Die Kombination von starren und flexiblen Leiterplatten ist in vielen platz- und gewichtsbeschränkten Anwendungen wichtig. In einer Kamera beispielsweise sind die Schaltungen komplex, aber die Kombination von starren und flexiblen Leiterplatten reduziert die Anzahl der Teile und reduziert die Leiterplattengröße. Die Verdrahtung von zwei Leiterplatten kann auch auf einer einzigen Leiterplatte kombiniert werden. Häufige Anwendungen sind Digitalkameras, Mobiltelefone, Autos, Laptops und Geräte mit beweglichen Teilen

Hochgeschwindigkeitsplatine:
Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenz-PCBs sind PCBs, die für Anwendungen verwendet werden, die eine Signalkommunikation mit Frequenzen von mehr als 1 GHz beinhalten. In diesem Fall kommen Probleme mit der Signalintegrität ins Spiel. Das Material des HF-Leiterplattensubstrats sollte sorgfältig ausgewählt werden, um die Designanforderungen zu erfüllen.
Häufig verwendete Materialien sind Polyphenylen (PPO) und Polytetrafluorethylen. Es hat eine stabile Dielektrizitätskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust. Sie nehmen weniger Wasser auf, kosten aber mehr.
Viele andere dielektrische Materialien haben variable Dielektrizitätskonstanten, die Impedanzänderungen verursachen, was zu Verzerrungen von harmonischen und digitalen Signalen und zum Verlust der Signalintegrität führt

PCBS-Substratmaterial auf Aluminiumbasis hat die Eigenschaften einer effektiven Wärmeableitung. Aufgrund des geringen thermischen Widerstands ist eine PCB-Kühlung auf Aluminiumbasis effizienter als ihr Gegenstück auf Kupferbasis. Es strahlt Wärme in die Luft und in den Hot-Junction-Bereich der Leiterplatte ab.

Viele LED-Lampenschaltungen, LEDs mit hoher Helligkeit, bestehen aus einer aluminiumbeschichteten Leiterplatte.

Aluminium ist ein reichlich vorhandenes Metall und ist billig in der Gewinnung, daher sind die PCB-Kosten niedrig. Aluminium ist recycelbar und ungiftig, was es umweltfreundlich macht. Aluminium ist robust und langlebig und reduziert so Schäden während der Herstellung, des Transports und der Montage
All diese Eigenschaften machen Leiterplatten auf Aluminiumbasis von Vorteil für Hochstromanwendungen wie Motorsteuerungen, Hochleistungsbatterieladegeräte und LED-Leuchten mit hoher Helligkeit.

Abschluss:
In den letzten Jahren haben sich Leiterplatten aus einfachen Single-Layer-Versionen entwickelt, die für komplexere Systeme geeignet sind, wie z. B. Hochfrequenz-Teflon-Leiterplatten.
PCB durchdringt mittlerweile fast jeden Bereich der modernen Technologie und sich entwickelnden Wissenschaft. Mikrobiologie, Mikroelektronik, Nanowissenschaft und -technologie, Luft- und Raumfahrtindustrie, Militär, Avionik, Robotik, künstliche Intelligenz und andere Bereiche basieren alle auf verschiedenen Formen von Leiterplatten (PCB)-Bausteinen.