Gedruckte Schaltungen (PCBs) bilden das Kernskelett elektronischer Produkte, das nicht nur die Komponenten trägt, sondern auch die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte bestimmt. Dieser Artikel befasst sich mit Schlüsselelementen wie den Grundsätzen des PCB-Designs, der Materialauswahl und der Qualitätskontrolle.
Was ist eine Leiterplatte?
Leiterplatten stellen elektrische Verbindungen über Kupferfolienbahnen auf einem isolierenden Substrat her, ersetzen komplexe Verdrahtungen und ermöglichen die Signalübertragung und Stromverteilung zwischen Komponenten. Die als "Mutter der elektronischen Produkte" bekannten Leiterplatten haben sich von frühen einlagigen Strukturen zu komplexen Formen wie High-Density-Verbindung (HDI) und Flexible SchaltungenDie Anforderungen reichen von der Unterhaltungselektronik bis zur Luft- und Raumfahrt.
Entwicklung der Schlüsselmetrik
| Epoche | Mainstream-Schichten | Linienbreite Präzision | Materialentwicklung |
|---|
| 1950s | Einseitig | >1mm | Papiergestützte CCL |
| 1980s | 2-4 Lagen | 0,2-0,5 mm | FR-4 Standardisierung |
| 2000s | 6-8 Lagen | 0,1 mm | Hochfrequenz-Materialien |
| Gegenwart | 10-20+ Lagen | <0,05mm | Starr-Flex-Kombination |
Kernfunktionen von PCB
- Elektrische Zusammenschaltung - Ermöglicht vollständige Signalübertragung durch präzises Routing; Hochfrequenzschaltungen erfordern kontrollierte Wellenwiderstand.
- Mechanische Unterstützung - Bietet eine stabile Montagefläche für Gehäuse wie BGA, QFN.
- Thermisches Management - Leitet Wärme durch thermische Durchkontaktierungen, Metallkernsubstrate (z. B. LED-Beleuchtungsplatinen) ab.
- Elektromagnetische Verträglichkeit - Reduziert das Übersprechen von Signalen durch mehrlagige Stapelplanung von Stromversorgungs- und Erdungslagen.
Ein Fall aus der Praxis: Smartphone-Motherboards verwenden Beliebige HDI-Schicht Technologie, die ein BGA-Routing mit 0,3 mm Pitch in einem 10-Lagen-Stapel ermöglicht und gleichzeitig Antennen-HF-Schaltungen integriert.
Vollständiger Überblick über die PCB-Klassifizierung
Klassifizierung nach Anzahl der Schichten
- Einseitig - Geringste Kosten, geeignet für einfache Schaltungen (z. B. Leistungsmodule)
- Doppelseitige - Optimale Kosten-Leistung, Verbindungen über Durchkontaktierungen
- Mehrschichtige - 4-30+ Schichten, unterstützt komplexe IC-Verbindungen (z. B. Server-Motherboards)
Klassifizierung nach Substraten
| Typ | Merkmale | Anwendungsszenarien |
|---|
| Starre Leiterplatte | Formbeständigkeit, hohe Festigkeit | Computer, industrielle Steuerungen |
| Flexible Leiterplatte | Biegsam, ermüdungsbeständig | Wearable Devices, Kameramodule |
| Starr-Flex | Gleichgewicht zwischen Stabilität und 3D-Routing | Medizinische Ausrüstung, Luft- und Raumfahrt |
Leitfaden zur Auswahl von PCB-Materialien
Gemeinsame Substrate im Vergleich
FR-4 Epoxid-Glasgewebe
├── Vorteile: Niedrige Kosten (¥80-200/㎡), ausgereifte Verarbeitung
├── Beschränkungen: Hoher Hochfrequenzverlust, mäßige Hitzebeständigkeit
└── Anwendungen: Unterhaltungselektronik, Leistungsgeräte
Rogers Hochfrequenz-Serie
├── Vorteile: Stabile Dielektrizitätskonstante, niedriger Verlusttangens
├── Beschränkungen: Hohe Kosten (5-8x FR-4)
└── Anwendungen: 5G-Basisstationen, Radarsysteme
Metallkern-Leiterplatte (MCPCB)
├── Vorteile: Ausgezeichnete Wärmeableitung (1-3W/m-K)
├── Einschränkungen: Schwierig bei der Herstellung von mehreren Schichten
└── Anwendungen: Hochleistungs-LEDs, Automobilelektronik
Flexible Polyimid-Platten
├── Vorteile: Hält >100k Biegungen stand
├── Beschränkungen: Hohe Feuchtigkeitsaufnahme, erfordert Vorbacken
└── Anwendungen: Faltbare Telefone, dynamische Geräte
Auswahlentscheidungsprozess
- Definieren Sie den elektrischen Bedarf - Für hohe Frequenzen >1GHz sind verlustarme Materialien zu bevorzugen.
- Bewertung der Umweltbedingungen - Für Umgebungen mit hohen Temperaturen sind Materialien mit hohem Tg-Wert (>170℃) zu wählen.
- Mechanische Anforderungen - Für vibrierende Umgebungen sollten Sie eine starr-flexible Konstruktion in Betracht ziehen.
- Optimierung der Kosten - Verwendung von FR-4 als Hauptmaterial für Unterhaltungselektronik, gemischte Materialien vor Ort
Layout-Prinzipien
- Blockbasiertes Layout - Unterteilung nach Funktion (RF, Digital, Analog Trennung)
- Wärmemanagement priorisieren - Platzieren Sie Geräte mit hoher Leistung in der Nähe der Leiterplattenkante oder des Wärmeabfuhrpfades
- Orientierung des Signalflusses - Minimierung der Leiterbahnlänge bei hochfrequenten Signalen
Routing-Spezifikationen
Leiterbahnbreite vs. Stromkapazität (1oz Kupfer)
┌────────────┬──────────────────┐
│ Strom │ Empfohlene Breite│
├────────────┼──────────────────┤
│ 1A │ 0,5 mm │
│ 3A │ 1.5mm │
│ 5A │ 2.5mm │
└────────────┴──────────────────┘
- Streng kontrollierte Längenanpassung für Hochgeschwindigkeits-Differentialpaare (±5mil)
- Vermeiden Sie 90°-Winkel, verwenden Sie 45°- oder Bogenlinien
Qualitätskontrolle: Vollständiger Prozess vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt
Häufige Mängel und Gegenmaßnahmen
| Defekt Typ | Ursache | Lösung |
|---|
| Kupferfolie schälen | Unzureichende Materialhaftung | Optimieren Sie die Laminierungsparameter |
| Signalverzerrung | Abweichung der Impedanzregelung | Verbesserung der Ätzkompensation |
| Schlechte Lötbarkeit | Falsches Pad-Design | Lötstoppmaske hinzufügen |
| EMI | Unangemessene Stapelstruktur | Anpassen des Erdungsplans |
Inspektionsverfahren
Rohmaterialinspektion → Inner Layer Imaging → AOI-Inspektion → Lamination
→ Bohren & Beschichten → Outer Layer Imaging → Lötmaske & Siebdruck → Elektrische Prüfung & Verpackung
Moderne PCB-Fabriken kombinieren Automatisierte optische Inspektion (AOI) mit Flying Probe Test um eine Produktausbeute von >98% zu gewährleisten.
Panorama der PCB-Industriekette
Vorgelagert: Glasfaser/Kupferfolie/Harz → Midstream: CCL/Prepreg → PCB-Herstellung → Downstream: Elektronische Montage
China ist mit einem Anteil von 56% am weltweiten Produktionswert zur größten Leiterplattenproduktionsstätte der Welt geworden, wobei der Anteil von Produkten mit hohem Mehrwert wie HDI und flexiblen Leiterplatten kontinuierlich steigt.