Platinen: So viel Verantwortung, so wenig Respekt

Leiterplatten sind buchstäblich die Grundlage für elektronische Produkte und Systeme. Sie verbinden und „verdrahten“ die zehn, hunderte, ja sogar tausende von aktiven und passiven Komponenten über winzige Lötflächen (Pads) und haarfeine Leiterbahnen und bieten gleichzeitig physische Unterstützung, Befestigungslaschen, Steckverbinderanordnungen und mehr. Sie werden oft als PC-Boards oder Platinen bezeichnet, und vor einigen Jahren versuchte das IPC, eine wichtige Organisation, die Industriestandards setzt und früher als „Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits“ bezeichnet wurde, sie in „bedruckte Verdrahtungsplatten“ oder PWBs umzubenennen; aber diese Namensänderung hat sich nie durchgesetzt.

Sicherlich ist es nicht nötig, diesem Publikum die unverzichtbare Rolle von Platinen sowie deren Vielseitigkeit und Fähigkeiten zu erläutern. Doch in vielen Diskussionen werden sie beiläufig als eine einfache, wenn auch wesentliche, nicht besonders nennenswerte passive Komponente betrachtet. Doch das ist eine irreführende Vereinfachung.

Die interessante Geschichte der Platine

Diese Platinen (oder Boards) haben eine interessante Reise durch die Zeit hinter sich. Als sie vor etwa 50 Jahren entwickelt wurden, hielten viele Entwickler sie sowohl für notwendig als auch für problematisch. Sie wurden benötigt, um die Verwendung von Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung und das Löten von Hand zu ersetzen, eine manuelle Technik, die die für Produkte wie Farbfernseher mit ihren über 100 Vakuumröhren erforderliche Dichte und Herstellungszeit nicht mehr unterstützen konnte. Tatsächlich prahlte ein führender Fernsehverkäufer jener Zeit damit, dass seine Fernseher von Hand gefertigt wurden, anstatt eine anonyme Platine zu verwenden. Wir wissen, wie diese Marketing-Geschichte endet.

Die ersten Platinen waren einseitig und bestanden aus Phenol- oder Bakelit anstelle unseres modernen Glas-Epoxid-Verbundwerkstoffs; sie hatten gestanzte statt gebohrte Löcher für die durchgehenden Komponenten- und Sockelanschlüsse und wurden noch von Hand verlötet (Abbildung 1). Die Stärken der Leiterbahnen lagen in der Größenordnung von 3 bis 6 Millimeter (mm).

Abbildung 1: Einfache einseitige, durchkontaktierbare Phenolplatinen, ähnlich wie diese, waren die ersten weit verbreiteten Iterationen des Leiterplattenkonzepts. (Bildquelle: TheEngineeringProjects.com)

Die Zuverlässigkeit dieser frühen Platinen war aufgrund der Delaminierung der Beschichtung, der Toleranzprobleme und der Inkonsistenzen beim Löten nur marginal. Aber wie gesagt wurde, war ein Scheitern keine Option, da die Platine der einzig gangbare Weg war, um mit höheren Komponentenzahlen, IC-Gehäusen, kleineren Komponenten, höheren Pinzahlen und schließlich mit oberflächenmontierten Komponenten umzugehen. Die heutigen Platinen wurden gegenüber den damaligen Platinen in Bezug auf alle Leistungs- und Fähigkeitsparameter um viele Größenordnungen weiterentwickelt.

Interessanterweise werden einseitige Phenolplatten in einigen Verbrauchergeräten immer noch zur Aufnahme fast aller ihrer Komponenten verwendet; auf der Oberseite werden Drahtbrücken eingesetzt, so dass eine sehr kostengünstige, einseitige Platine verwendet werden kann (Abbildung 2).

Bild 2: Diese Phenol-Platine aus einem Mikrowellenofen von 2010 enthält die Stromversorgung (Nieder- und Hochspannung), den Transformator, die Leistungsbauteile und einen Großteil der übrigen Schaltungen; beachten Sie die Verwendung von Brücken auf der Oberseite, um die Verwendung einer kostengünstigen einseitigen Platine zu ermöglichen. (Bildquelle: Low Price Mart)

Die multifunktionale Präzision einer Leiterplatte

Trotz der beiläufigen Art und Weise, in der wir oft über sie sprechen, sind die heutigen Platinen hochtechnisierte Präzisionskomponenten. Von ihnen wird sehr viel erwartet, viel mehr als nur die Funktion eines Komponententrägers und einer Verbindungsplattform. Zu ihren Aufgaben gehören:

1. Wenn es sich um eine einfache zweiseitige Platine handelt, befinden sich die Leiterbahnen für Stromversorgung und Masse auf ihre exponierten Schichten.
2. Bei mehrschichtigen Platinen, wie z.B. der üblichen Vier-Schicht-Version, stellt eine innere Schicht die Stromverteilung für eine oder mehrere Schienen und die andere innere Schicht die Erdungsfunktion bereit; leitende Vias (kurz für vertikaler Verbindungszugang) verbinden diese Schichten je nach Bedarf.
3. Das Kupfer um oder in der Nähe einer heißen Komponente fungiert als Wärmesenke oder als Wärmeleitung, um die Wärme zu einer diskreten Senke abzuführen.
4. Das Kupfer der Platine kann so konfiguriert werden, dass es als HF-Übertragungsleitung, Filter, Isolator oder Zirkulator unter Verwendung von Streifenleitungs- oder Mikrostreifentopologien fungiert.
5. Die Platine kann auch als Antenne ausgelegt werden, oft als Multiband-Antenne, statt als Einband-Antenne.
6. Passive HF-Vorrichtungen (Kondensatoren und Induktivitäten) können ebenfalls mit geeigneten Kupferstrukturen hergestellt werden.
7. Präzise dimensionierte Leiterbahnen können als niederwertige Widerstände (mehrere Milliohm) zur Messung des Stromflusses durch den IR-Abfall über die Leiterbahn dienen.
8. Desweiteren kann das Kupfer einen Schutzring um empfindliche, analoge Sensoreingänge zu Operationsverstärkern bilden.
9. Das Kupfer der Platine kann eine EMV-Abschirmung bieten, um die Abstrahlungen von der Platine zu dämpfen oder um zu verhindern, dass eintreffende Hochfrequenzstörungen die Schaltkreise beeinträchtigen.
10. Die Platine kann als Steckvorrichtung für sowohl steife als auch flexible Stifte dienen, die einzelne Drähte eines Kabelbaums abschließen.

Und als ob das noch nicht ausreicht, gibt es eine neue Rolle, die der Liste hinzugefügt wurde: die Rolle des Gegensteckers für einen Flachbandkabel-IDC (Schneidklemmverbinder) von Würth Elektronik. Anstelle des Standard-Steckverbinderpaares von IDCs, einer als Stecker mit Stiftkontakten (Pins) und der andere als Buchse mit Sockeln, verwendet der Würth-Ansatz die Platine als Gegenstück für den IDC-Stecker.

Beachten Sie, dass dies nicht das erste Mal ist, dass Drähte direkt in eine Platine gesteckt werden. Viele Jahre lang wurden einzelne massive oder flexible Stifte in die beschichteten Löcher einer Platine gesteckt. Aber diese Stifte können nicht entfernt werden, ohne die Stifte und die Platine zu beschädigen, so dass sie nur einmal eingesteckt werden können. Im Gegensatz dazu kann die Steckverbinderfamilie REDFIT IDC SKEDD von Würth bis zu zehnmal unter Verwendung der spezifizierten Platinenlochgröße und Plattierung eingesteckt und herausgezogen werden, und sogar bis zu 25 Mal mit etwas gelockerten Toleranzen.

Abbildung 3: Die Steckverbinderfamilie REDFIT IDC SKEDD von Würth macht eine IDC-Buchse für die Verbindung mit dem IDC-Stecker (Pin) und dem Flachbandkabel überflüssig, wodurch Kosten gespart, die Stückliste vereinfacht und Übergänge von Kabel zu Steckverbinder und damit potenzielle Problemquellen reduziert werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Wie geht es weiter mit der bescheidenen und unterschätzten Platine? Es sieht so aus, als ob das weit verbreitete FR-4-Epoxy-Glas-Substrat nicht mehr so dominant sein wird, wie es jetzt ist. Seine inhärenten Eigenschaften bleiben hinter den strengen Anforderungen von Multi-Gigahertz(GHz)-Designs zurück, bei denen subtile elektrische und materielle Faktoren wie Dielektrizitätskonstante (ɛ_r), Verlustfaktor (tδ), Feuchtigkeitsabsorption und andere entscheidend sind. Außerdem müssen diese Werte nicht nur den Anforderungen von GHz-Designs entsprechen, sondern sie müssen auch sehr niedrige Temperaturkoeffizienten haben, die FR-4 nicht aufweisen kann. Sogar die mechanischen und dimensionalen Temperaturkonstanten erhalten eine zusätzliche Bedeutung, da selbst kleinste Verschiebungen die elektronische Leistung bei diesen Frequenzen beeinflussen.

Wenn das nächste Mal jemand eine Diskussion über die Platine als „nebensächlich“ ablehnt, fallen Sie nicht auf diese Haltung oder diesen Irrtum herein. Der Erfolg eines Projekts hängt von dieser Platine genauso ab wie von jeder anderen Komponente. Die Fähigkeit, seine Funktionalität zu maximieren, eine mehrschichtige Platine mit unglaublich engen Spezifikationen zu produzieren, sie zu bestücken und richtig zu löten, wirkt sich direkt auf die grundlegende Leistung, die Ausschussrate und die Zuverlässigkeit vor Ort aus.

Referenzen:

1 – Wikipedia, „FR-4“ https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, „Printed circuit board“ https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, „Via (electronics)“ https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, „Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison“ https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., „PCB Vias - Everything You Need To Know“ https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, „A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz“ https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., „Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies“ https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., „Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size“ https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size