Einführung in die Elektronik für Einsteiger | Leiterplatten aus der Vogelperspektive

Sam Sattel Sam Sattel Mai 27, 2023

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Wenn Sie auch nur ein bisschen Interesse daran haben, etwas über Elektronik zu lernen, dann müssen Sie unbedingt etwas über die Leiterplatte oder PCB wissen. Und warum? Diese Platinen befinden sich in allen elektronischen Geräten, die der Menschheit bekannt sind, ohne Ausnahme! Wenn Sie Ihren Computer, Ihr Smartphone oder sogar eine USB-Gabel öffnen, werden Sie eine Leiterplatte finden. 

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Anfängern in Sachen Elektronik können diese grünen Gebilde zunächst etwas rätselhaft erscheinen. Es gibt zig unterschiedlich aussehende Komponenten, und man muss viel lernen, um zu wissen, wie das alles zusammen funktioniert. Aber aus der Vogelperspektive ist es ganz einfach zu verstehen, was eine Leiterplatte ist und wie sie funktioniert. Betrachten Sie eine Leiterplatte aus der Vogelperspektive, und Sie werden feststellen, dass sie wie eine Stadt aussieht!

Nehmen Sie den Fensterplatz

Auch wenn es in den letzten Jahren weniger häufig der Fall war, sind Sie wahrscheinlich mindestens einmal in Ihrem Leben mit einem Flugzeug geflogen. Am liebsten mag ich den Moment, wenn das Flugzeug von der Startbahn abhebt. Während man immer höher steigt, bekommt man eine neue Perspektive auf die Stadt, die man sonst nur aus großer Höhe sieht. Und je höher man kommt, desto mehr sieht man, wie organisiert und sorgfältig geplant die Stadt ist. Es gibt Straßen, Gebäude, Autos und Menschen, die alle in einem kompletten System miteinander verbunden sind.

Genau wie unsere Städte bilden Leiterplatten ein komplettes System, eine Grundlage für all die elektronischen Komponenten, die unsere Alltagsgeräte zum Leben erwecken. In der Tat kann man viele Aspekte einer Stadt mit einer Leiterplatte vergleichen.

Leiterbahnen = Die Straßen

On The Road Again – Willie Nelson

Auf einer Leiterplatte sehen Sie eine Reihe von Leitungen, die überall verlaufen und die verschiedenen Komponenten miteinander verbinden. Diese Leitungen sind genau wie die Straßen in unseren Städten, nur dass hier keine Autos herumflitzen, sondern Elektronen über Straßen aus Kupfer, um ein Bauteil nach dem anderen zu versorgen! Diese Kupferstraßen werden in unserer PCB-Stadt Leiterbahnen genannt.

Eine Leiterplatte ohne Bauteile, man sieht die Leiterbahnen, die alles verbinden.

Integrierte Schaltkreise = Die Innenstadt

Downtown – Petula Clark…

Die Innenstadt ist der Ort, an dem sich die ganze Arbeit in einer Stadt abspielt. Hier gibt es große Firmenbüros, lokale Geschäfte an jeder Ecke und vielleicht sogar einige offene Märkte. Dieser zentrale Knotenpunkt menschlicher Aktivitäten ist genau wie diese quadratischen schwarzen Formen, die Sie auf einer Leiterplatte finden und die als integrierte Schaltkreise (IC) bezeichnet werden. Auf diesen ICs laufen alle wichtigen Verarbeitungsvorgänge auf einer Leiterplatte ab, die in Windeseile berechnet werden.

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Passive Komponenten = Die Vorstädte 

Arcade Fire – The Suburbs

In den Vorstädten sind Häuser, Parks und Schulen ein alltäglicher Anblick. Aus dem Flugzeug betrachtet, sehen die Häuserzeilen in einem Vorort oft aus wie die kleinen Widerstände oder Kondensatoren, die überall auf einer Leiterplatte zu finden sind. Diese Widerstände sind da draußen und widerstehen dem Stromfluss entsprechend ihrem Wert.  

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Pads = Die Konstruktion

Sam Cooke – The Hammer Song… 

Keine Stadt ist frei von Bauarbeiten! Ob ein neuer Wolkenkratzer oder ein neuer Wohnkomplex gebaut wird, überall werden neue Fundamente gelegt. Diese Fundamente sind wie die leeren Pads, die Sie auf einer Leiterplatte finden, auf der sich keine Bauteile befinden. Auch wenn sie jetzt noch leer sind, wird bald ein Bauteil draufgelötet werden.

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Siebdruck = Adressen und Straßennamen 

U2 – Where the streets have no name 

Ohne eine Adresse oder einen Straßennamen werden Sie sich in einer Stadt nicht zurechtfinden. Und so wie diese beiden Ihnen helfen, sich im Straßenlabyrinth zurechtzufinden, so tun auch alle weißen Schriftzüge, die Sie auf einer Leiterplatte finden, dasselbe. Diese Beschriftung, Silkscreen genannt, hilft Menschen, die Leiterplatten zusammenbauen oder reparieren, genau zu wissen, was ein Teil ist und wo es sich befindet.

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Vias = Das Kanalisationssystem 

Thom York – Take it away

All das Wasser, das wir beim Geschirrspülen oder Autowaschen verbrauchen, muss irgendwo hin, und in der Kanalisation findet es eine neue Bestimmung. Das Abwassersystem ist vergleichbar mit den Löchern auf einer Leiterplatte, den sogenannten Vias. Diese schachtähnlichen Formen helfen dabei, Strom von einer Seite der Leiterplatte zur anderen zu leiten, so wie das Wasser von der Spüle zur örtlichen Kläranlage fließt – es ist eine Schnellstraße! 

Kondensatoren = Das Kraftwerk

MGMT – Electric Feel

Kraftwerke sorgen dafür, dass unsere Lichter anbleiben. Können Sie sich vorstellen, wie eine Stadt ohne Kraftwerke aussehen würde? Hoffentlich nicht mit Zombies verseucht! Genau wie die Kraftwerke in einer Stadt haben auch wir so genannte Kondensatoren auf einer Leiterplatte, die Strom speichern. Sie können eine Ladung speichern und sie bei Bedarf wieder abgeben, um den Strom dorthin zu leiten, wo er gebraucht wird. 

LEDS = Straßenbeleuchtungen und Schilder

Journey – Don’t stop believing

Straßenlaternen und Schilder sorgen für Ordnung in einer Welt voller verrückter Autofahrer und regeln den Verkehrsfluss in unserem Labyrinth aus Straßen und Autobahnen. Auf einer Leiterplatte sind Straßenlaternen und Schilder genau wie Dioden und ihre Cousine, die LED. Die Diode steuert den Stromfluss auf einer Leiterplatte und lässt ihn nur in eine Richtung fließen. Und Sie haben bestimmt schon einmal eine LED gesehen. Sie ist genau wie eine Diode, nur dass sie leuchtet, wenn Strom durch sie fließt. 

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Jetzt, wo Sie alle Einzelteile im Kopf haben, sehen Sie sich das Bild unten an und versuchen Sie, einige der Orientierungspunkte auf dieser Platine zu finden. Integrierte Schaltkreise sind am einfachsten zu finden; suchen Sie einfach nach den schwarzen Kästen. Aber vielleicht musst du die Augen zusammenkneifen, um all die winzigen Widerstandsuntergruppen zu sehen, die überall verteilt sind. Natürlich sind die oben aufgelisteten Teile nur ein Bruchteil der Dinge, die Sie auf einer Leiterplatte finden, aber Sie haben jetzt genug Wissen, um die Leiterplatte aus einem beliebigen Stück Elektronik herauszureißen und die Dinge zu benennen! 

Wie kann ich eine Leiterplatte herstellen?

Von der Seite betrachtet kann man sich eine Leiterplatte als eine Art köstlichen, mehrschichtigen Vanille- und Erdbeerkuchen vorstellen. Sie besteht aus mehreren sich wiederholenden Schichten aus Kupfer, Lötstoppmaske, Siebdruck und Glasfasern. Um diese Schichten zu verstehen, müssen wir von innen nach außen vorgehen.

Ein Querschnitt durch eine doppelseitige Leiterplatte mit Siebdruck, Lötmaske, Kupfer und FR4.

Glasfaser. Dieses Material befindet sich in der Mitte einer Leiterplatte und wird gemeinhin als Substrat oder FR4 bezeichnet. Das Glasfasergewebe ist die stärkste Schicht von allen und verleiht der Leiterplatte ihre starre und dicke Struktur. Bei der Herstellung einer Leiterplatte beginnt der gesamte Prozess mit dem Glasfasergewebe, und alle anderen Schichten werden darüber gelegt.

Kupfer. Ohne eine Kupferschicht wäre eine Leiterplatte nicht in der Lage, Strom zu leiten. Kupfer befindet sich in der Regel sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite einer Leiterplatte und enthält alle Leiterbahnen, die Ihre Bauteile verbinden.

Lötstoppmaske. Dieses Material verleiht einer Leiterplatte ihre traditionelle grüne Farbe und wird über den Kupferschichten angebracht. Es gibt aber auch rote oder blaue Leiterplatten; das ist die Entscheidung des Designers! Die Lötstoppmaske sorgt dafür, dass alle Kupferbahnen voneinander isoliert sind, damit keine Unfälle wie Kurzschlüsse passieren können.

Siebdruck. Dieser weiße Text ist überall auf einer Leiterplatte zu finden und kennzeichnet die Namen von Widerständen, Kondensatoren, LEDs usw. …. Siebdruck ist bei der Herstellung einer Leiterplatte sehr nützlich, da er einem anderen Menschen oder Computer sagen kann, wo ein bestimmtes Teil hingehört. 

Der eigentliche Prozess der Herstellung einer Leiterplatte kann kompliziert sein und erfordert die Inanspruchnahme eines Herstellers, von manchen auch Fab House genannt. Diese Fertigungsbetriebe nehmen alle fertigen Designdateien, die ein Ingenieur abgibt, um eine Leiterplatte in ihrer physischen Form zu erstellen. Obwohl der gesamte Prozess einen eigenen Blog-Beitrag verdient, wollen wir uns mit einem kurzen Überblick darüber begnügen, wie eine Leiterplatte entsteht:

  1. Schritt 1 – Herstellung eines Glasfaserfundaments. Der Hersteller stellt zunächst die innere Glasfaserschicht (Kern) her, auf die alle anderen Schichten aus Kupfer, Lötmaske usw. aufgebracht werden.
  2. Schritt 2 – Hinzufügen von Kupferschichten. Nach der Herstellung der Glasfaserbasis bringt der Hersteller Kupferfolie auf beiden Seiten der Glasfaser an.
  3. Schritt 3 – Hinzufügen von Kupfermustern. Als Nächstes wird ein laminiertes Blatt des Leiterplattenentwurfs auf das Kupfer gelegt, das zeigt, wo alle Kupferbahnen verlaufen müssen.
  4. Schritt 4 – Festlegen der Kupfermuster. Die laminierte Folie und das Kupfer werden dann unter einer UV-Lampe belichtet und mit einem Photoresist-Film bedeckt, der die Leiterbahnen in die Kupferfolie ätzt.
  5. Schritt 5 – Baden der Leiterplatte. Nachdem die Kupferbahnen angebracht sind, wird die Leiterplatte einem chemischen Bad unterzogen, bei dem das gesamte unerwünschte Kupfer entfernt wird, so dass nur die von einem Ingenieur entworfenen Kupferbahnen übrig bleiben.
  6. Schritt 6 – Schutz mit Lötstoppmaske. Eine Schutzschicht aus Lötstopplack wird aufgetragen, die der Leiterplatte ihre traditionelle grüne Farbe verleiht und sie gleichzeitig vor Kurzschlüssen schützt.
  7. Schritt 7 – Hinzufügen von Siebdruck. Zum Schluss wird ein weißer Siebdruck aufgebracht, mit dessen Hilfe man genau weiß, wo die Bauteile auf der Leiterplatte platziert werden müssen. In diesem Stadium wird die Leiterplatte als “nackte Platine” betrachtet, d. h. es sind noch keine Teile angebracht.
  8. Schritt 8 – Hinzufügen von Bauteilen. Die nackte Leiterplatte wird dann einem Montageprozess unterzogen, bei dem verschiedene Komponenten wie Widerstände, integrierte Schaltkreise, Kondensatoren usw. angebracht werden. Nach der Fertigstellung ist dies die Leiterplatte in ihrer endgültigen Form, die Sie in Ihrer gesamten Elektronik zu Hause sehen werden.

Der Bestückungsprozess hat eine ganze Reihe von Details, die wir ausgelassen haben, und ist eine Welt für sich. Wenn Sie mehr über den Herstellungsprozess erfahren möchten, sehen Sie sich das Video unten an, um ihn bei Eurocircuits in Aktion zu erleben!

Waren PCBs schon immer so komplex?

Die grünen Leiterplatten, die wir in unserer gesamten Elektronik kennengelernt haben, waren nicht immer so. Vor etwas mehr als 60 Jahren wurden Leiterplatten noch aus Materialien wie Masonit, Pappe und sogar Holzbrettern hergestellt. Bei diesen alten Leiterplatten wurden flache Messingdrähte auf die Platine geschraubt, und eine Reihe von Bauteilen war über den ganzen Platz verstreut. Hier ist ein altes Fernsehgerät mit einer der ersten Leiterplatten im Inneren – was für ein Chaos! 

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Diese Monstrosität einer Leiterplatte änderte sich jedoch bald, und 1943 schuf der österreichische Wissenschaftler Dr. Paul Eisler die erste moderne Leiterplatte für ein Radio. Bald darauf löste Kupfer das Messing als Metall der Wahl für Leiterplatten ab, da es den Stromfluss effizienter gestattete und zudem viel billiger in der Herstellung war.

Der Ruhm der Leiterplatte kam schließlich 1956, als das US-Patentamt einer Gruppe von Wissenschaftlern der US-Armee ein Patent für das “Processing of Assembling Electrical Circuits” erteilte. Dem Militär sind viele der Fortschritte zu verdanken, die wir bei den Leiterplatten gesehen haben. Dank ihres Bedarfs an neuen Waffen und Kommunikationssystemen haben wir die klobige Masse der Leiterplatten von gestern auf etwas geschrumpft, das in unsere Taschen passt!

Die heutigen wilden und verrückten Verwendungen von PCBs

Heute sind Leiterplatten überall im Einsatz und versorgen einige der wildesten und verrücktesten Geräte und Dienste, die wir uns jemals hätten vorstellen können. Haben Sie schon von diesen gehört?

Lieferdrohnen

Amazon stellte 2017 seinen neuen Lieferdienst Prime Air vor, der durch Drohnen ermöglicht wird! Wir sprechen davon, dass Sie etwas bei Amazon bestellen können und es in wenigen Minuten, nicht in Tagen, zu Ihnen nach Hause geliefert bekommen, und zwar dank der Leistung von PCBs.

Die Leiterplatten in diesen Drohnen bieten die gesamte Komplexität, die für die Erledigung der Aufgabe erforderlich ist, einschließlich GPS und Bluetooth, die eine präzise Zustellung des Pakets ermöglichen, sowie Gyroskope und Beschleunigungsmesser, die für einen geraden Flug sorgen. Sehen Sie sich das Video unten an, um Amazon Prime Now in Aktion zu erleben.

Prothetische Gliedmaßen

Vorbei sind die Zeiten einfacher mechanischer Gliedmaßen, die keinerlei Rückmeldung geben. Die heutigen Prothesen sind mit Mikroprozessoren ausgestattet, die ein ganz neues, natürliches Gefühl vermitteln. In Beinprothesen können Kniewinkelsensoren einem Mikroprozessor Informationen über Druckveränderungen in der Ferse oder im vorderen Teil des Fußes liefern. Dies alles führt zu einem viel natürlicheren Gehgefühl dank PCBs und ihrer Mikroprozessor-Pendants.

Hörimplantate

Cochlea-Implantate ermöglichen es Gehörlosen oder Schwerhörigen, wieder zu hören – dank der Leistungsfähigkeit von PCB und Elektronik. Diese Implantate werden chirurgisch unter die Haut gesetzt und enthalten eine Menge Elektronik, darunter:

Dies sind nur einige der außergewöhnlichen Anwendungen, die Leiterplatten und Elektronik als Ganzes der Menschheit ermöglicht haben. Es gibt noch viel mehr, wie zum Beispiel den Computer oder das Smartphone, auf dem Sie gerade diesen Blogbeitrag lesen. Ohne eine Leiterplatte wären Sie nicht hier! Nochmals: Hut ab, PCB.

Es steht Ihnen frei, auf Ihren Leiterplatten zu gehen

Die Leiterplatte ist die Grundlage für unsere Zukunft. Sie ermöglicht es uns, die menschliche Erfahrung auf eine Weise zu erschaffen, zu entdecken und zu verbessern, die wir nie für möglich gehalten hätten. Aber heute stehen wir erst am Anfang unserer Reise mit PCBs. In Zukunft werden wir vielleicht biologisch abbaubare Leiterplatten verwenden, um Elektronikmüll zu vermeiden. Oder vielleicht werden Sie in der Lage sein, Ihre eigene Leiterplatte bequem von zu Hause aus in 3D zu drucken!

Es gibt so viele Anwendungsmöglichkeiten für Elektronik und Leiterplatten, und alles beginnt mit Ihnen! Ihr kluger technischer Verstand hat wahrscheinlich schon einige Ideen, die Sie loswerden wollen. Warum nutzen Sie nicht ein Werkzeug, auf das Millionen anderer Ingenieure täglich vertrauen, um diese Ideen zum Leben zu erwecken? Testen Sie Autodesk Fusion 360 noch heute!

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Elektrotechnik

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