PCBs erschaffen: das Herz und das Gehirn aller elektronischen Geräte

Eine grüne Platte. Kupferleitungen. Schwarze Kästchen. Irgendwie sieht es aus wie eine Miniaturstadt: Wiesen, Straßen und Gebäude. Es ist Teil von jedem elektrischen Gerät und dabei sowohl deren Herz als auch das Gehirn in einem: Das Printed Circuit Board (PCB), zu Deutsch Leiterplatte. Einige PCBs sind extrem komplex und werden in vielen Wochen von einem ganzen Entwicklerteam designt, andere sind schnell und simpel zu entwickelt. Doch eines haben sie gemeinsam: Sie alle werden in der Zukunft komplizierter. Demnach wird auch der Entwicklungs- und Designprozess immer anspruchsvoller und es müssen neue Lösungen für die Elektronikindustrie gefunden werden. Die Schritte des Designprozesses bis hin zur Fertigung, werden in diesem Artikel aufgezeigt.

Das PCB Design

Zuallererst muss entschieden werden, welche Elemente in der PCB-Stadt gebraucht werden. Für die Stadtplanung ist der erste Schritt ein Schaltplan, der die Anforderungen an das PCB erfüllt. Dafür braucht es einige Berechnungen und Simulationen. Der zweite Schritt ist quasi ein zweidimensionaler Stadtplan, ein Schaltkreis. Drittens beginnt nun der eigentliche Designprozess, bei dem die Struktur und Vernetzung einer voll-funktionierenden PCB-Stadt festgelegt wird. Die elektronischen Komponenten, die auf dem Printed Ciruit Board verwendet werden, müssen dafür mit großer Sorgfalt ausgewählt werden, was sehr anspruchsvoll ist. Dabei müssen viele Eigenschaften beachtet werden, beispielsweise die Umwelt, in der das Gerät mit dem entsprechenden PCB genutzt wird. Das kann in die Klassen A, B und C unterteilt werden: In Klasse A wird das Board für Konsumelektronik verwendet, Klasse B bedeutet, es wird für industrielle Zwecke entworfen und PCBs der Klasse C werden in High-End-Geräten verbaut, wie im Militär- oder Medizinsektor. Das muss ebenfalls bei der Gebäudeplanung in der PCB-Stadt bedacht werden: Die passenden Komponenten müssen mithilfe von fundiertem Fachwissen ausgewählt werden. Hohe Expertise hilft dabei, die Spezifikationen all der Komponenten von vielen verschiedenen Herstellern nicht nur lesen, sondern auch zu interpretieren zu können. Sind die Komponenten, aka Häuser, ausgewählt, ist der erste Schritt in der PCB Erstellung beendet.

Vereinfachte Zeichnung eines PCB: Leitungsbahnen und Lötpunkte

Weiß man einmal, was gebraucht wird, beginnt die eigentliche (Stadt-)Planung. Der/die Ingenieur*in muss nun entscheiden, wie er die Elektronikkomponenten sinnvoll auf der Platte anordnet. Er oder sie muss nun die Anordnung finden, die den wenigsten Platz benötigt. Währenddessen muss aber auch noch bedacht werden, dass all diese Komponenten durch Leitungen miteinander verbunden werden müssen – wie Straßen, die alle Gebäude in einer Stadt verbinden. Diese Kupferleitungen dürfen sich innerhalb einer Schicht nicht überlappen, sonst verursachen sie einen Kurzschluss. Außerdem sollte das sogenannte „Routing“ möglichst ordentlich und logisch sein, damit das Board am Ende klar und nachvollziehbar strukturiert ist. Wie man sich vorstellen kann, ist das ein sehr aufwendiger Teil des Designprozesses. Ist er vollendet, beginnt die Fehlersuche. Im schlimmsten Fall muss dann der ganze Prozess noch einmal von vorne durchgearbeitet werden, denn wenn eine Komponente ausgetauscht werden muss, könnte das auch andere Komponenten beeinflussen, was wiederum das Routing beeinflusst. Dann müsste die komplette Anordnung der Komponenten noch einmal überdacht werden. Das bedeutet auch: Ist ein Fehler im Schaltkreis, muss dieser gefunden und behoben werden und zwar so oft, bis das Schaltplandesign fertigungsreif ist.

Der Stadtbau beginnt

Selbstverständlich besteht ein PCB nicht aus Wiesen, Häusern und Straßen. Das Basismaterial des Boards ist Glasfaser („fiber glass“). Darauf wird dann eine Lage Kupferfolie („copper foil“) aufgetragen, die als unterste Schicht auf das Trägermaterial laminiert wird. Das Netzwerk an Leitungen, das im vorherigen Schritt bestimmt wurde, wird nun auf das Board aufgebracht. Dafür wird eine Folie verwendet, die das Kupfer an den Stellen schützt, an denen die Kupferleitungen entstehen sollen. Dann wird mit einer Chemikalie das überschüssige Kupfer zwischen den Leitungen abgelöst.

Es ist wichtig, die Kupferleitungen nun noch voneinander zu isolieren, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Dafür wird eine Lötschutzmaske („solder mask“) auf das Kupfer laminiert. Diese typischerweise grüne Schutzschicht dient der Isolation des Schaltkreises – wie eine grüne Wiese, die die versiegelten städtischen Flächen aufbricht. Um das Board fertigzustellen, werden nun noch weiße Markierungen („silk screen“) aufgebracht, um das Design klarer zu strukturieren.

Schichten eines einlagigen PCBs

Dieser ganze Prozess kann auf beiden Seiten des Boards ausgeführt werden – ist ein Printed Circuit Board mehrlagig, müssen die Lagen voneinander isoliert werden. Auf mehrlagigen PCBs können mehr elektronische Bauteile untergebracht werden. Solche werden meist von einem professionellen Hersteller gefertigt, es gibt aber auch viele Hobbyingenieure, die einlagige PCBs bei sich zu Hause selbst herstellen.

Befestigung der Komponenten

Nun hat das Board das typisch grüne Aussehen mit Kupferleitungen und weißen Markierungen. Was jetzt noch fehlt sind die Häuser aka elektronische Komponenten. Erfunden in den 1960er Jahren, werden Komponenten häufig mit einer Methode befestigt, die sich Durchsteckmontage nennt. Dabei werden die Komponenten mit Kabeln an Löchern im Board befestigt. Diese Methode wird auch heutzutage noch verwendet, weil sie so einfach und effektiv ist.

Derzeit ist jedoch die am meisten genutzte Methode für den letzten Schritt der PCB Produktion die Oberflächenmontage. Wie der Name schon sagt, werden dabei die Komponenten direkt auf das die Oberfläche der Leiterplatte geschweißt. Dafür haben die Elemente kleine Metallstücke, mit denen sie auf das Board, oder vielmehr auf die Kupferleitungen, aufgebracht werden. Die Methoden der Durchsteck- und Oberflächenmontage können auch gleichzeitig auf demselben PCB verwendet werden, abhängig davon, welche für die jeweilige Komponente besser funktioniert. Für mehrlagige Boards ist die Oberflächenmontage häufig die bessere Option. Zwar müssen dafür im Design zusätzlich noch Schweißpunkte eingeplant werden, doch benötigen Löcher im Board trotzdem wesentlich mehr Platz. Eine fertige Leiterplatte mit allen Komponenten wird letztendlich Leiterplattenbestückung genannt.

Veränderungen bis heute

Früher wurde im gesamten PCB Designprozess manuell gezeichnet und skizziert. Heutzutage wird dafür spezielle PCB Design Software genutzt: CAD tools. Diese helfen Elektronikentwicklern PCB Designs wesentlich schneller zu erstellen. Insbesondere Änderungen einzupflegen ist einfacher, denn die Softwares haben Fehleranalyseprogramme integriert. Diese bewahren Elektronikentwickler vor Fehlern, die neue Änderungen nach sich gezogen hätten und dann doppelten Arbeitsaufwand bedeutet hätten. Erhält der Ingenieur trotz dieser Unterstützung einen Prototyp, der Kurzschlüsse verursacht oder andere Fehler enthält, muss er oder sie einige Schritte des Designprozesses erneut durchlaufen, was Zeit kostet. Das macht das  PCB Design sehr arbeitsintensiv. Deshalb ist hat Celus es sich zum Ziel gemacht, den Prozess des PCB Designs zu automatisieren und damit zu revolutionieren. Die Celus Software erledigt die Komponentenauswahl, das Routing und die Anordnung auf dem Board mit nur einem Klick. Das Ergebnis ist eine Leiterplatte, die fertig für die Prototypenproduktion ist. Die freigewordene Arbeitskraft kann dann für anspruchsvollere, kreativere Aufgaben genutzt werden – statt einem Arbeitsalltag, der aus seitenweise Listen mit Spezifikationen wälzen besteht, um die Komponenten dann nach dem try-and-error Prinzip anzuordnen und zu verbinden.