Messung von Leiterplatten (PCBs)
Elektrische Geräte, wie Smartphones und Tablets, sind in den letzten Jahren beständig kleiner, dünner und funktionaler geworden. Aus diesem Grund werden auch die verwendeten Leiterplatten und Komponenten kleiner, dichter und mit mehr Schichten konzipiert. Dies hat zu einer erhöhten Nachfrage nach detailgenauen Produktprüfungen und -analysen geführt. Das neueste Modell der Modellreihe VK-X von KEYENCE ermöglicht wiederholgenaue, automatische Messungen an mehreren Stellen desselben Messobjekts und die Erstellung von OK/n.i.O.-Analysevorlagen. In diesem Abschnitt werden technische Informationen zu Leiterplatten sowie beispielhafte Überprüfungen mit 3D Laserscanning-Mikroskopen vorgestellt.
- Leiterplatte
- Arten von Leiterplatten
- Anwendungsbeispiele für die Überprüfung von Leiterplatten
- Leiterplattenbestückung
- Komponenten von Leiterplatten
- Anwendungsbeispiele für die Überprüfung von Leiterplatten
- Grundlagen des Lötens
- Lotarten
- Lötverfahren
- Anwendungsbeispiele für die Überprüfung von auf der Leiterplatte montierten Komponenten
Leiterplatte
Als Leiterplatte wird ein Träger elektronischer Komponenten bezeichnet. Platinen, auf die keine Komponenten montiert wurden, werden PWB (Printed Wired Board) genannt.
Arten von Leiterplatten
- Einseitige Leiterplatte (Leiterplatten mit einer Lage)
-
Auf einer Seite der Platine ist eine Schicht Kupferfolie angebracht.
Diese Art von Leiterplatte hat keine elektroplattierten Durchkontaktierungen, die durch Bohren oder Stanzen hergestellt werden. Aus Kostengründen werden sie hauptsächlich für die Serienproduktion von Elektrogeräten für den privaten Anwender genutzt.
- A
- Keine Durchkontaktierung
- B
- Kupferfolie
- C
- Leiterplatte
- Zweiseitige Leiterplatten (Leiterplatten mit zwei Lagen)
-
Auf jeder Seite einer Leiterplatte ist eine Kupferfolie angebracht.
Die Kosten sind etwas höher als bei einer einseitigen Leiterplatte, aber der Platz für Verdrahtung und Montage ist doppelt so groß und die Platine kann kleiner sein. Aus diesem Grund werden sie häufig für elektronische Geräte verwendet.
- A
- Durchkontaktierung
- B
- Kupferfolie
- C
- Leiterplatte
- Multilayer-Leiterplatten
-
Eine Multilayer-Leiterplatte enthält Kupferfolien und Isolierschichten, die als „Prepreg“ bezeichnet werden. Es gibt 4-, 6- und 8-lagige Platten. Je mehr Lagen eine Leiterplatte hat, desto komplizierter ist ihr Aufbau und desto höher sind die Herstellungskosten. Der Platz für die Befestigung kann erhöht werden, da die Stromversorgung und die typischen Leiterbahnen innerhalb der Platine platziert werden können, sodass der verfügbare Platz auf der Oberfläche vergrößert wird.
- A
- Durchkontaktierung
- B
- Kupferfolie
- C
- Leiterplatte
- D
- Prepreg
- Flexible Leiterplatte
-
Platten mit einer flexiblen Struktur werden häufig für bewegliche Komponenten oder Gehäuse verwendet, die gefaltet oder verdreht werden müssen. Für diese Platinen werden Folienmaterialien wie Polyimid verwendet. Die Platinen sind dünn und weisen eine flexible Struktur auf.
Anwendungsbeispiele für die Überprüfung von Leiterplatten
Die Oberflächenmessfunktion kann zudem automatisch die maximalen und minimalen Oberflächenpunkte messen.
Leiterplattenbestückung
Bei der Leiterplattenbestückung werden elektronische Komponenten auf eine Leiterplatte gebondet, um elektronische Schaltungen herzustellen.
Das Bonden der Komponenten erfolgt durch Weichlöten. Es gibt zwei Bonding-Methoden: Durchsteckmontagetechnik (IMT) und Oberflächenmontagetechnik (SMT).
IMT: Durchsteckmontagetechnik
Die Drahtanschlüsse (Elektroden) werden durch Durchkontaktierungen in eine Leiterplatte gesteckt und anschließend durch Löten mit der Leiterbahn verbunden. Die Anordnung der bedrahteten Komponenten auf einer Platine erfordert eine größere Leiterplattenoberfläche, eine Verkleinerung ist schwierig. Elektronische Komponenten, deren Gehäuse zur Durchsteckmontage nach unten gerichtete Drahtanschlüsse haben, werden als DIP-Bauteil bezeichnet.
SMT: Oberflächenmontagetechnik
Die derzeitige Bestückungsmethode für Hauptplatinen ist die Oberflächenmontagetechnik (SMT). Die Elektroden von elektronischen Komponenten werden ohne Nutzung der Durchkontaktierungen auf Pads von Leiterplattenoberflächen gelötet. Während die Drahtanschlüsse (Elektroden) bei der Durchsteckmontage durch vorher in die Leiterplatten gebohrte Löcher geführt werden müssen, entfällt dies bei der Oberflächenmontagetechnik. Dadurch wird eine Verkleinerung durch eine beidseitige Bestückung der Leiterplatte möglich. Elektronische Komponente, die keine Drahtanschlüsse haben und somit eine kompakte und hochdichte Bestückung ermöglichen, werden als oberflächenmontierte Komponente (SMD) bezeichnet.
Komponenten von Leiterplatten
Die Löcher, die verschiedene Schaltungsebenen verbinden, werden als Vias bezeichnet. Kontaktflächen (Pads) sind Bereiche, die Durchkontaktierungen umgeben, an die Drahtanschlüsse von elektronischen Komponenten gelötet werden.
- A
- Kontaktfläche (Pad)
- B
- Isolatorschicht (Prepreg)
- C
- Durchkontaktierung
- D
- Leiterbahn (Raster)
- E
- Plan-Schicht oder Drahtschicht
- F
- Via
Anwendungsbeispiele für die Überprüfung von Leiterplatten
Grundlagen des Lötens
Was ist Löten?
Beim Löten wird eine Metallbindung durch Schmelzen eines Lotes unter 450°C gebildet. Aus dem geschmolzenen Lot und dem Kupfer der Leiterplatte entsteht an der Verbindungsstelle eine Zinnlegierung.
Was bedeutet „bleifrei“?
Konventionelle Lote (eutektische Lote und bleihaltige Lote) enthalten einen Bleianteil von ca. 40% (63% Zinn und 37% Blei). Der Schmelzpunkt liegt bei 183°C. In der Regel wird das Lot auf ca. 250°C erhitzt. Blei hat jedoch ernsthafte Auswirkungen auf die Umwelt, wenn es als Industrieabfall entsorgt wird, weshalb in letzter Zeit bleifreies Lot populär geworden ist. Bleifreies Lot erfordert um 30°C höhere Temperaturen und die Benetzbarkeit ist schlechter, weshalb das bleifreie Weichlöten schwieriger durchzuführen ist.
Welche Funktion hat das Flussmittel?
Flussmittel erhöht die Permeabilität und Benetzbarkeit beim Löten. Flussmittel, für die pflanzliches Harz (inkl. Kolophonium) verwendet wird, dient der Antioxidation beim Erhitzen und der chemischen Entfernung von Oxidschichten und Flecken.
Lotarten
Lötdraht
Es dient zum Löten von elektronischen Komponenten mit einem Lötkolben. Das Flussmittel ist im röhrenförmigen Lot eingearbeitet.
Lötpaste
Wird für SMT verwendet, indem Lot auf die Kontaktflächen von Leiterplatten aufgebracht wird.
Lotbarren
Wird für IMT verwendet, indem der Anschluss der Komponente und eine Kontaktfläche einer Leiterplatte durch Schmelzen eines Lotbarrens in einem Löttopf gelötet werden.
Lötverfahren
Lötkolben
Der Lötkolben wird zur Erwärmung der Löt- und Verbindungsstellen verwendet. Viele Lötkolben sind elektrische Heizgeräte, die Nichrom-Draht oder Keramikheizungen verwenden. Die Verwendung von Lötkolben mit Temperaturkontrolle ermöglicht eine stabilere Lötung.
Wellenlöten
Die Unterseite der Leiterplatte wird in einen mit geschmolzenem Lot gefüllten Löttopf getaucht. Dies wird hauptsächlich bei der Bestückung von DIP-Komponenten verwendet. Es gibt zwei Arten von Löttöpfen: statische Löttöpfe, bei denen die geschmolzene Lötoberfläche ruhig ist, und Wellenlöttöpfe, bei denen sich die Oberfläche bewegt.
Reflow-Löten
Die Lötpaste wird vor der Bestückung auf die Leiterplatte aufgetragen. Dieses Verfahren wird in der Oberflächenmontagetechnik zur Bestückung mit SMD-Komponenten eingesetzt.
- A
- Erhitzung
Anwendungsbeispiele für die Überprüfung von auf der Leiterplatte montierten Komponenten
