Printed Circuit Board（PCB）

Was ist PCB?

Eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) ist die Grundkomponente moderner elektronischer Geräte, wie das Skelett des menschlichen Körpers, das alle elektronischen Komponenten trägt. Sie besteht aus einem isolierten Substrat, Kupferfolienleitungen und verschiedenen Schutzschichten, die im Druck- und Ätzverfahren hergestellt werden. Sie trägt nicht nur die verschiedenen elektronischen Bauteile, sondern ist auch für die Signalübertragung zwischen ihnen zuständig.
Von unserem täglichen Gebrauch von Mobiltelefonen, Computern, Haushaltsgeräten bis hin zu Autos, medizinischen Geräten und sogar Weltraumsatelliten können fast alle elektrisch geladenen Produkte nicht von der Leiterplatte getrennt werden.Stellen Sie sich vor, wenn es keine Leiterplatte gäbe, müssten unsere elektronischen Geräte mit einer Menge unordentlicher Kabelverbindungen versehen werden. Das Volumen ist nicht nur riesig, sondern auch die Zuverlässigkeit ist extrem gering, und unsere Smartphones benötigen möglicherweise einen Koffer, der so groß ist, dass alle Verbindungskabel hineinpassen.

Die Entwicklung von PCB

Zeitleiste zur Entwicklung der PCB-Technologie

1925

• Konzept gekeimt: Der Amerikaner Charles Ducas druckt zum ersten Mal Schaltkreismuster auf isolierte Substrate.

1936

• Erste praktische Anwendung: Der Österreicher Paul Eisler verwendet Leiterplatten in Radios.

1940s–1950s

• Militär & Kommerzialisierung: Der Zweite Weltkrieg beschleunigte die Entwicklung von Leiterplatten für militärische Zwecke.
• Mainstream-Technologie: Einseitige Leiterplatten wurden dominant.

1960s

• Schub für das Weltraumrennen: Das Apollo-Programm hat die Entwicklung der Leiterplatten vorangetrieben.
• Massenproduktion: Doppelseitige Platten werden in großen Mengen produziert.

1970s

• Der Aufstieg der Mehrlagenleiterplatten: Komplexere Designs ermöglichten eine höhere Schaltungsdichte.

1980s

• Oberflächenmontagetechnik (SMT)Ersetzt die traditionelle Durchsteckmontage.
• PC-Revolution: Steigende Nachfrage nach Leiterplatten aufgrund von Personalcomputern.

1990s

• Fortschrittliche VerpackungDie Ball Grid Array (BGA)-Technologie kommt auf.

21. Jahrhundert

• Hohe Dichte und Flexibilität:
• HDI (High-Density Interconnect): Aktiviert feinere Schaltungen.
• Flexible PCBsErweiterte Anwendungen in Wearables und kompakten Geräten.

Today’s Precision

• LinienbreiteSo fein wie 0,05 mm (half a human hair’s diameter).
• Mehrschichtige Boards: Bis zu 30+ Schichten.
• Mikro-Vias: Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von nur 0,1 mm.

Gängige Arten von PCB

1. Unterscheidet sich durch die Struktur

Starre PCB
Eigenschaften: stark und dauerhaft, so solide wie das Fundament des Gebäudes
Der Vorteil: Erschwingliche, ausgereifte Produktionstechnologie
Wird für feststehende elektronische Produkte verwendet, die nicht gebogen werden müssen, wie z. B. Hauptplatinen von Desktop-Computern, TV-Steuerplatinen und Klimaanlagen.
Flexible Leiterplatte
Eigenschaften: dünn und flexibel, kann gebogen und gefaltet werden
Vorteil: platzsparend, anpassungsfähig an Sonderformen
Angewandt auf Produkte, die gebogen werden müssen oder bei denen der Platz begrenzt ist, wie z. B. interne Anschlüsse von Smartphones, Smartwatch-Schaltungen und tragbare Geräte.
Starr-elastische Platte
Merkmale: sowohl die Festigkeit des starren Bereichs als auch die Flexibilität des flexiblen Bereichs
Vorteil: Integriertes Design für höhere Zuverlässigkeit
Angewandt auf Produkte mit hohen Anforderungen an Platzbedarf und Zuverlässigkeit, wie z. B. High-End-Kameramodule, UAV-Flugsteuerungssysteme und medizinische Endoskope.

2.Unterscheiden Sie nach Schichten

Einzelne Platte
Merkmale: nur eine Seite hat Linien, und die einfachste Struktur.
Vorteil: niedrigste Kosten, schnellste Produktion
Geeignet für einfache elektronische Produkte der unteren Preisklasse, wie z. B. einfaches elektronisches Spielzeug, LED-Lichtsteuerungsplatine, einfache elektronische Uhren und Armbanduhren.
Doppelseitige Platte
Merkmale: Verkabelung auf der Vorder- und Rückseite, verbunden durch kleine Löcher
Vorteil: erschwinglich und funktional genug
Angewandt auf die meisten gängigen elektronischen Produkte, wie z. B.: Smart Home Controller, gängige Haushaltsgeräteschaltung und elektronisches Basismodul für Automobile.
Mehrschichtige Platte
Merkmale: wie ein Sandwich mit mehreren Schichten von Schaltkreisen
Vorteil: großer Verdrahtungsraum, starke Anti-Interferenz
Angewandt auf komplexe Funktionen professioneller Geräte, wie z. B. Computer-Motherboards, industrielle Steuergeräte und Kommunikationsbasisstationen.
HDI-Platine
Merkmale: extrem feine Linien, hohe Dichte
Vorteil: geringe Größe, starke Leistung
Wird bei der Herstellung von dünnen und leichten High-End-Elektronikprodukten wie Smartphone-Motherboards, ultradünnen Notebooks und High-End-Digitalkameras verwendet.

3.Wie wählt man die richtige Art von Leiterplatten aus?

1. Einseitige/doppelseitige Tafeln für begrenzte Budgets.
2. Notwendigkeit, die Auswahl der flexiblen Platten zu biegen
3. Komplexe Funktion wählt eine Mehrschichtplatte
4. Das Streben nach einer dünnen und leichten HDI-Platine

Die Grundbestandteile einer Leiterplatte

Eine komplette Leiterplatte ist wie ein gut gestalteter mehrschichtiger Kuchen:
1. die Grundschicht
Üblicherweise verwendete Materialien: FR4 Glasfaserplatte (ähnlich wie verstärkter Kunststoff), gewöhnliche elektronische Produkte wählen FR4 ist genug, besondere Bedürfnisse können als Metall-Substrat oder Keramik-Substrat werden.
Funktion: solide Unterstützung, Isolierung, nicht leitend, um Kurzschlüsse zu verhindern, Schweißen bei hohen Temperaturen ohne Verformung.
2. leitende Schicht (Kupferfolienleitung)
Produktionsprozess: Herstellung von Präzisionsschaltkreisen durch chemisches Ätzen, je breiter die Linie, desto größer der Strom, der durchfließen kann.
Rolle: hervorragende Leitfähigkeit (nach Silber), die Dicke beträgt in der Regel nur 1/3 des Durchmessers des Haaransatzes, und die Linienbreite kann bis zu 0,1 mm betragen.
3. die Lötstoppmaske
Gängige Farben: Grün (90 %), auch Blau/Rot/Schwarz usw. Grün hat sich durchgesetzt, weil das Militär zunächst die Standardfarbe vorgab.
Funktion: Verhinderung von Kurzschlüssen beim Löten, Schutz von Kupferdrähten vor Korrosion, Schutzschicht für die Isolierung.
4. die Zeichenebene
Anweisungen für die Leiterplatte: Bauteilnummer (z. B. R1, C2), Polaritätskennzeichnung (+ / – Pol), Herstellerlogo und Produktionsinformationen.
Aufgabe: Erleichterung der Montage und Wartung, Sicherheitshinweise und Aufzeichnung von Produktinformationen.
Oberflächenbehandlung
Gängige Verfahren: Zinnspritzen (am wirtschaftlichsten), Goldtauchen (hohe Zuverlässigkeit), Vergolden (hochwertige Produkte).
Funktion: Verhindert die Oxidation der Kupferfolie, verbessert die Lötleistung und verlängert die Lebensdauer der Platine.

Die Rolle der PCB

1.Mechanische Unterstützung
PCB für alle Arten von elektronischen Komponenten, um eine solide Montage-Plattform bieten, kann fest fixieren Chips, Widerstände, Kondensatoren und andere Komponenten, um die genaue relative Position zwischen den Komponenten zu halten, sowie die Vibrationen und Auswirkungen des täglichen Gebrauchs zu widerstehen.
Typisches Beispiel: Smartphone-Hauptplatinen müssen Hunderten von Falltests standhalten.
2. elektrische Anschlüsse
Die kupferummantelten Leitungen auf der Leiterplatte sind wie ein städtisches Straßennetz, das Hunderte von Komponenten miteinander verbindet, um eine effiziente Signalübertragung zu gewährleisten, wobei eine klare Arbeitsteilung zwischen den verschiedenen Leitungen (Stromübertragung, Datenkommunikation usw.) besteht. Die Verdrahtung einer modernen Handy-Leiterplatte kann mehrere Kilometer lang sein, wenn sie aufgefaltet wird.
3. der Schutz der Isolierung
PCB, durch sorgfältiges Design, können Sie verhindern, dass Schaltung Verwirrung, die vernünftige Layout kann verhindern, dass das Signal von Interferenzen mit einander (Übersprechen), und Lötmaske kann effektiv isolieren benachbarten Linien zu vermeiden Kurzschlüsse. Für Hochspannung gefährlichen Bereichen, sondern müssen auch eine besondere ist auch erforderlich.
Typischer Fall: Steuerplatinen für Haushaltsgeräte zur Gewährleistung der sicheren Nutzung für mehr als zehn Jahre

Vorteile von PCBs gegenüber manueller Verdrahtung

1. volumen- und gewichtsmäßige Vorteile
Sehr platzsparend, moderne Leiterplatten können ursprünglich brauchen die Größe eines Schuhkartons der manuellen Verdrahtung kondensiert auf die Größe einer Kreditkarte, PCB-Linien anstelle von Hunderten von unabhängigen Drähten, stark reduziert das Gewicht. Auf dieser Grundlage kann es das Design von dünneren und modischeren elektronischen Produkten unterstützen.
2. die Vorteile der Zuverlässigkeit und Konsistenz
PCB Ausfallrate auf nur 1/100 der manuellen Verdrahtung reduziert, die Maschine das Programm, die Massenproduktion, jede Leiterplatte ist so genau wie eine Replik, und die Haltbarkeit ist extrem stark, auch wenn es mehr als 1.000 Mal von Einfügen und Entfernen Test unterzogen wird, gibt es nicht zu viel Einfluss, so dass die elektronischen Produkte sind langlebig, die Wartungsrate ist drastisch gesunken, und Kosteneinsparungen.
3. die Vorteile der Produktionseffizienz
In Bezug auf die Produktionsgeschwindigkeit, 1 Satz von automatischen Mounter kann die genaue Installation von mehr als 50.000 Komponenten pro Stunde, und die Kosten sind nur 1/10 der handgefertigten, oder sogar weniger, nach dem Abschluss eines jeden Prozesses, wird es durch eine Vielzahl von Geräten automatisiert werden Tests, um sicherzustellen, dass jedes Stück der Leiterplatte ist einwandfrei.

Kern-Herstellungsprozess

1.Grafiken übertragen
The essence of the process: the circuit diagram designed by the engineer is precisely “copied” onto the copper foil.
Technologie-Highlights: ähnlich wie Fotodruck, aber hundertmal feiner, die Verwendung von Fotolithographie-Technologie, die Genauigkeit kann die Mikron-Ebene zu erreichen, die Bestimmung der Präzision der endgültigen Schaltung.
2. das Ätzverfahren
Arbeitsprinzip: Lösen Sie unerwünschtes Kupfer mit einem speziellen Trank auf.
Punkte verarbeiten:Entfernen Sie die überschüssige Kupferfolie mit einem speziellen Trank und behalten Sie die entworfene Schaltung.
3. die Laminiertechnik
Prozessmerkmale: Sicherstellen, dass die Schichten perfekt ausgerichtet sind, und dann Verbinden der Mehrschichtmaterialien unter hoher Temperatur und Druck.
Anwendungswert:Realisierung komplexer Mehrschichtschaltungen und Verbesserung der Produktzuverlässigkeit.
4. die Bohrtechnik
Technologieentwicklung: mechanisches Bohren (0,2 mm), Laserbohren (0,02 mm)
Prozessdurchbruch: extrem hohe Positioniergenauigkeit, Hunderte von Löchern können auf einer Fläche von der Größe eines Fingernagels gebohrt werden, und es wird sichergestellt, dass die Lochwand glatt und gratfrei ist.
5. die Oberflächenbehandlung
Gängige Verfahren: Sprühverzinnung (am wirtschaftlichsten), Tauchvergoldung (hohe Leistung), Vergoldung (High-End-Produkte).
Hauptaufgabe: Gewährleistung einer guten Schweißbarkeit, Schutz der Kupferschicht vor Rost, Verlängerung der Lebensdauer des Produkts.

Anwendungsbereiche

Unterhaltungselektronik
Leiterplatten in Smartphones sind Kunstwerke, bei denen die HDI-Technologie und das Design beliebiger Lagenverbindungen eingesetzt werden, um komplexe Funktionen auf einer Fläche so groß wie eine Fingernagelkappe zu realisieren. Bei Smart-Home-Geräten wird mehr Wert auf Kostenkontrolle und Zuverlässigkeit der Leiterplatten gelegt.
Anwendungen der Automobilelektronik
Motorsteuergerät (ECU), Infotainmentsysteme im Fahrzeug, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS), Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge, usw.
Industrietaugliche PCB
Hohe Temperaturbeständigkeit, lange Lebensdauer (vibrations- und korrosionsbeständig), langfristige Lieferstabilität (mehr als 10 Jahre).
Medizinische Geräte PCB
Höchste Zuverlässigkeit (lebenserhaltende Geräte), geräuscharmes Design (Präzisionsprüfgeräte), usw.

Zukünftiger Entwicklungstrend bei PCB

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung und Intelligenz elektronischer Produkte entwickelt sich auch die Leiterplattentechnologie weiter: feinere Linien zur Anpassung an Mikrokomponenten, höhere Dichte pro Flächeneinheit für mehr Funktionalität, Einhaltung von Umweltstandards wie RoHS, intelligenteres Design, integrierte Sensoren und andere neue Funktionen.
Von den ersten einlagigen Leiterplatten bis hin zu den heutigen High-Density-Leiterplatten hat die Leiterplattentechnologie die Entwicklung der Elektronikindustrie stets vorangetrieben. Die Leiterplatte wird auch im Zeitalter der Intelligenz eine unersetzliche Rolle spielen. Ganz gleich, ob Sie ein normaler Verbraucher oder ein Ingenieur sind - wenn Sie die Grundlagen der Leiterplatten verstehen, können Sie elektronische Geräte besser nutzen und warten.