Ohne Leiterplatten geht in der Industrie heute fast gar nichts mehr. Doch wie werden diese eigentlich hergestellt und worauf kommt es dabei an? (Bild: Pixabay)
Wie läuft die Leiterplattenherstellung ab?
Meist wird eine Leiterplatte von EMS-Dienstleistern (Electronic Manufacturing Services) hergestellt. Die Rohleiterplatte wird zunächst mit Leiterbahnen und Kontakten versehen und anschließend mit Bauelementen wie Widerständen, Microcontrollern oder Kondensatoren bestückt. Die Bestückung erfolgt entweder nach dem SMD- (surface-mount device) oder dem THT-Verfahren (Through-hole Technology). Das Verlöten der so angebrachten Bauelemente erfolgt per Hand oder per Reflow-Löten.
Neuer, schneller und effizienter – diese Devise lässt sich heute oft nur durch zunehmende Automatisierung erreichen. Das Ergebnis ist der Einsatz von Maschinen, die nicht nur vollautomatisch Werkstücke herstellen, sondern auch innerhalb eines Netzwerks kommunizieren. Damit Werkzeugmaschinen diese Aufgaben erfüllen, ist spezielle Hardware eine Grundvoraussetzung. Leiterplatten sind daher heute in so gut wie allen elektrischen Geräten im Einsatz. Durch auf die Platte aufgebrachte Leiterbahnen können elektrische Bauteile, die mit der Platine verlötet oder anderweitig verbunden werden, direkt kommunizieren.
Die Bauteile – von den Komponenten zur Platine
Computergestütztes Arbeiten ist ohne Leiterplatten nicht denkbar. Bevor eine Platine verbaut beziehungsweise ihrem Zweck zugeführt werden kann, muss sie hergestellt werden – zum Beispiel durch sogenannte EMS Dienstleister (Electronic Manufacturing Services).
Der Grundaufbau einer funktionsfähigen Platine besteht aus:
- Rohleiterplatte
- Leiterbahnen & Kontakten
- Bauelementen.
Die Bestückung der Leiterplatte besteht heute aus einer breiten Palette verschiedener Bauelemente, zu denen unter anderem:
- Widerstände
- Kondensatoren
- Mikrocontroller und so weiter
gehören. Entsprechend den Erfordernissen kann eine Leiterplatte ganz unterschiedliche Dimensionen annehmen. Gleiches gilt natürlich für den Leiterplattenentwurf, mit welchem die Platten-Topographie (Verlauf der Leiterbahnen, Kontakte usw.) festgelegt wird. EMS-Dienstleister benötigen für die Fertigung den Leiterplattenentwurf und den Bestückungsplan.
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Bestückung – SMD oder THT
Leiterplatten werden heute im SMD-Verfahren oder im THT-Verfahren bestückt. Dahinter verbergen sich die Begriffe:
- surface-mount device (SMD)
- through-hole technology. (THT)
Beide beziehen sich auf die Art und Weise, wie eine Platine mit den erforderlichen Komponenten bestückt wird.
Hinter einer Bestückung nach dem SMD Prinzip steckt das Aufbringen der Bauteile direkt auf die Platine. Die Leiterplatte wird mit den Komponenten bestückt, welche direkt an den Kontakten mit der Platte verlötet werden. Welchen Vorteil hat dieses Verfahren? Ein wesentlicher Pluspunkt ist die mögliche Miniaturisierung. Parallel entfällt der Aufwand für Bohrungen und das Gewicht des Gesamtbauteils lässt sich reduzieren. Anbieter wie GF-Elektronik bieten zur vorherigen Kostenkalkulation einen Kalkulator für die SMD-Bestückung an.
Das THT-Verfahren beruht auf einem etwas anderen Bestückungsverfahren. Hier werden die einzelnen Bauteile nicht auf die Platinenoberfläche aufgelötet, sondern durch Kontaktlöcher gesteckt und mittels Verlöten der Kontakt zur Leiterbahn hergestellt. Um im THT-Verfahren verbaut zu werden, müssen Komponenten Drahtanschlüsse aufweisen.
Löten – Hand- oder Reflow-Löten
Bei der Herstellung von Leiterplatten konzentriert sich alles vordergründig auf den Platinenentwurf und die Bestückung. Das Lötverfahren spielt eine nicht minder wichtige Rolle. Gerade das SMD- und das THT-Verfahren unterscheiden sich an diesem Punkt sehr deutlich.
Für das THT-Verfahren sind heute Wellenlöten oder Handlöten im Einsatz. Gerade das letztgenannte Lötverfahren ist zeitaufwendig, lässt sich aber nicht immer vermeiden. Speziell für die SMD Bestückung kommt ein anderes Verfahren – das Reflow-Löten – zum Einsatz. Hier wird zuerst die Lötpaste auf die Platine aufgebracht. Da diese von Haus aus klebrig ist, halten die Bauteile ohne separate Fixierung.
Im Lötofen werden Lot und Flussmittel geschmolzen bzw. aktiviert – es entsteht die Verbindung zwischen Kontakt und Leiterbahn. Das Reflow-Löten hat den Vorteil, dass die Baukomponenten – selbst wenn nicht punktgenau auf die Pads gesetzt – präzise nachpositioniert (durch die Oberflächenspannung des Lots) werden. Gleichzeitig erhitzen sich alle Komponenten gleichmäßig, was Hitzespannungen vermeidet.
Platinen-Rework – Fehlbestückung korrigieren
Aufgrund der teilweise sehr ausgedehnten Laufzeiten diverse Fertigungsanlagen – auch in Bezug auf die AfA - ist die Ersatzteilversorgung ein regelmäßig auftretender Engpass. Probleme treten dann besonders in den Vordergrund, wenn Fehlbestückungen der Platine Prozesse aufhalten. Hier bieten EMS Dienstleister wie GF Elektronik spezielle Serviceleistungen – den sogenannten Platinen-Rework.
Dabei geht es nicht um das Recycling einer Platine. Aufgrund von fehlenden Bauteilen kann die Neufertigung kostbare Zeit in Anspruch nehmen. Das Auslöten schadhafter beziehungsweise fehlerhafter Bauteile und deren fachgerechter Ersatz können an dieser Stelle zeitsparender und kostengünstiger sein.
Fazit: Leiterplatten schnell und individuell herstellen
Ohne Leiterplatte keine Computer und keine automatisierten Fertigungsprozesse. Die Herstellung der Platinen übernehmen EMS Dienstleister, die anhand der Leiterplattenentwürfe und Stücklisten ein Produkt herstellen, das individuellen Ansprüchen genügt – und sich nahtlos in die IT einfügt. Dabei bedienen sich die Unternehmen moderner Techniken – vom Bestückungsautomaten bis hin zum leistungsfähigen Lötofen.
Neben der Fertigung bietet sich heute noch ein anderer Bereich an, wenn es um das Thema Leiterplatte geht – der Rework. Die Aufarbeitung schadhafter Bauteile ist schnell günstiger als die komplette Neufertigung einer Platine, für die vielleicht einzelne Komponenten fehlen.
