Eine doppelseitige leiterplatten (Double-Sided PCB) ist eine Leiterplatte, bei der beide Seiten des Trägermaterials mit einer leitfähigen Kupferfolie beschichtet sind und auf der auf beiden Seiten Leiterbahnen aufgebracht werden können.Ihr Aufbau besteht aus einem isolierenden Trägermaterial in der Mitte sowie den Kupferfolienschichten auf beiden Seiten; die elektrische Verbindung zwischen den beiden Seiten der Leiterplatte wird durch metallisierte Durchkontaktierungen (Plated Through Hole, kurz PTH) hergestellt.
Der Herstellungsprozess für metallisierte Durchkontaktierungen sieht wie folgt aus: Zunächst werden die Löcher gebohrt, anschließend wird durch chemische Kupferabscheidung und galvanische Verkupferung eine leitfähige Schicht auf den Lochwänden gebildet, wodurch eine zuverlässige und stabile Verbindung zwischen den Schichten hergestellt wird.Im Vergleich zu einseitigen Leiterplatten zeichnen sich doppelseitige leiterplatten vor allem dadurch aus,dass die Leiterbahnen auf beiden Seiten des Substrats angeordnet und über Durchkontaktierungen miteinander verbunden werden können.In Bezug auf den Herstellungsprozess umfasst die Fertigung doppelseitiger Leiterplatten einen zusätzlichen, entscheidenden Schritt:die Kupferbeschichtung (d. h. die Metallisierung der Durchkontaktierungen).
Ausführliche Erläuterung des Herstellungsprozesses von doppelseitige leiterplatten (PCBs) unter Berücksichtigung der wichtigsten Arbeitsschritte:
1.Konstruktion und Vorbereitung der Dateien
Schaltplanerstellung: Erstellung des Schaltplans mithilfe von EDA-Software (Electronic Design Automation) wie Altium, KiCad usw.
Layout und Leiterbahnführung: Die Bauteile werden sinnvoll auf beiden Seiten der doppelseitigen Leiterplatte angeordnet und über Leiterbahnen (jeweils auf der Top- und Bottom-Schicht) verbunden.
Erstellung der Fertigungsdateien:
Gerber-Dateien: Enthalten die grafischen Informationen für jede Schicht (Kupferfolie, Siebdruck, Lötstoppmaske).
Bohrdateien: Dienen zur Festlegung der Bohrpositionen und Bohrdurchmesser im Excellon-Format.
IPC-Netzliste: Dient zur Überprüfung der elektrischen Verbindungen.
2.Vorbereitung des Substrats
Auswahl des Substrats: In der Regel wird FR4 (Epoxid-Glasfaserplatte) verwendet, wobei beide Seiten mit Kupferfolie beschichtet sind.
Zuschneiden: Das Substrat wird gemäß den im Entwurf festgelegten Abmessungen zugeschnitten.
3.Übertragung der Innenleiterbilder (beidseitig gleichzeitig)
Reinigung der Kupferoberfläche: Entfernen der Oxidschicht sowie von Verunreinigungen wie Ölrückständen von der Kupferoberfläche.
Auftragen des Fotolacks: Gleichmäßiges Aufsprühen oder Aufrollen des lichtempfindlichen Lacks (es gibt Trocken- und Nasslacktypen) auf beide Seiten.
Belichtungsprozess:
Die vorbereitete Negativfolie (Film) wird auf die beidseitige Kupferfolie gelegt und anschließend mit UV-Licht bestrahlt.
Beim Negativverfahren härtet der Fotolack in den belichteten Bereichen aus.
Entwicklungsvorgang: Die nicht ausgehärtete Fotolackschicht wird mit einer alkalischen Lösung aufgelöst, wodurch die zu ätzenden Kupferbereiche freigelegt werden.
4.Ätzprozess
Säureätzung: Das freiliegende Kupfer wird durch Besprühen mit Eisenchlorid- oder Kupferammoniak-Ätzlösung aufgelöst.
Fotolackentfernung: Der ausgehärtete Fotolack wird entfernt, wobei die entworfenen Kupferleiterbahnen erhalten bleiben.
5.Laminier- und Bohrprozess
Oxidationsbehandlung (dieser Schritt ist optional): Verstärkung der Haftkraft zwischen der Kupferoberfläche und dem Harz.
Mechanisches Bohren:
Bohren von Durchgangslöchern und Befestigungslöchern mit einer computergesteuerten (CNC) Bohrmaschine.
Kontrolle der Schlüsselparameter: Angemessene Einstellung der Bohrerdrehzahl und des Vorschubs, um Gratbildung zu verhindern.
Kupferplattierung (PTH):
Chemische Kupferbeschichtung: Aufbringen einer mikrometerdicken leitfähigen Schicht auf die Lochwände zur Metallisierung der Löcher.
Verdickung der Kupferbeschichtung:Verdickung der Kupferschicht an den Lochwänden auf 20–25 μm, um eine reibungslose elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten.
6.Übertragung des äußeren Leiterbildes und Galvanisierung
Belichtung und Entwicklung der Fotomaske:Wiederholung der Schritte aus Schritt 3 zur Herstellung des äußeren Leiterbildes.
Galvanisierung der Leiterbahnen:
Kupfergalvanisierung: Die Kupferschicht auf den Leiterbahnen und an den Lochwänden wird ein zweites Mal verdickt, bis eine Dicke von mindestens 35 μm erreicht ist.
Zinnbeschichtung: Aufbringen einer Zinnschicht als Ätzschutzschicht.
7.Ätzen der äußeren Schicht und Entzinnung
Alkalisches Ätzen: Entfernen der ungeschützten Kupferfolie außerhalb der Leiterbahnen.
Entzinnung: Die Zinnschicht wird entfernt, um die darunterliegenden Kupferleiterbahnen freizulegen.
8.Lötstopplack-Behandlung
Auftragen des Lötstopplacks:Der flüssige, lichtempfindliche Lötstopplack (üblicherweise grün) wird mittels Siebdruck oder Sprühen auf die Leiterplatte aufgetragen.
Belichtung und Entwicklung:Anhand der Fotomaske werden die freizublendenden Bereiche festgelegt (um Lötpads und Testpunkte freizulegen).
Aushärtung:Die Tinte wird durch Hochtemperatur-Einbrennen ausgehärtet.
9.Oberflächenbehandlung
Mögliche Verfahren:
Zinnspritzen (HASL): Die Lötpads werden mit einer Zinn-Blei-Legierung beschichtet, um die Lötbarkeit zu verbessern.
Elektrolytisches Nickel-Gold-Plattieren (ENIG):Zunächst wird eine Nickelgrundierung aufgebracht, anschließend eine Goldschicht. Dieses Verfahren ist oxidationsbeständig und eignet sich für feine Anschlüsse.
OSP: Aufbringen einer organischen Lötstoppmaske; kostengünstig, erfordert jedoch eine rasche Lötung.
10.Siebdruck-Kennzeichnung
Textdruck: Aufbringen von Bauteilnummern,Logos und anderen Informationen mit weißer Tinte auf die Ober- und Unterseite mittels Siebdruck.
Aushärtung: Aushärten der Textschicht durch UV Bestrahlung oder Wärmebehandlung.
11.Formung und Testphase
V-Cut oder Fräsen: Die Platte wird in einzelne Leiterplatten geschnitten.
Elektrische Prüfung (E-Test):
Fly-Probe-Test: Mit beweglichen Sonden wird geprüft, ob Unterbrechungen oder Kurzschlüsse vorliegen (geeignet für Kleinserien).
Test auf Teststeckern: Serienprüfung mit maßgeschneiderten Halterungen (hohe Abdeckung).
AOI-Prüfung: Mit automatischer optischer Inspektion wird die Leiterbahn auf Fehler geprüft.
12.Endkontrolle und Verpackung
Sichtprüfung/Stichprobenprüfung nach IPC-Standard: Überprüfung der Abmessungen, des Aussehens und der Funktionalität des Produkts.
Vakuum-Antistatikverpackung: Schutz vor Beschädigungen und Oxidation während des Transports.
Wichtige Hinweise
Anforderungen an die Passgenauigkeit: Die beidseitigen Leiterbahnen müssen exakt aufeinander ausgerichtet sein, was mithilfe von Passbohrungen oder Passmarken erreicht wird.
Sicherung der Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen: Die Qualität des Durchkontaktierungsprozesses hat einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer der Verbindungen zwischen den Schichten.
Wichtige Punkte zur Impedanzkontrolle: Bei Hochfrequenz-Signalleitungen müssen die Leiterbahnbreite und die Dicke der Dielektrikumsschicht genau berechnet werden.
Empfehlungen zur DFM-Optimierung: Der Fertigungsprozess muss bereits in der Entwurfsphase umfassend berücksichtigt werden, beispielsweise durch die Vermeidung von Leiterbahnen mit scharfen Winkeln.
Die wichtigsten Anwendungsbereiche von doppelseitige leiterplatten
Unterhaltungselektronik: Der unangefochtene „Riese“ der Nachfrage
Unter den zahlreichen Anwendungsbereichen ist die Nachfrage in der Unterhaltungselektronik unübertroffen.
Smartphones und Tablets
Obwohl für die Hauptplatinen meist Mehrschichtplatinen verwendet werden, kommen in den zahlreichen internen Zusatzmodulen und Verbindungsplatinen – wie Kameramodulplatinen, Fingerabdruckleserplatinen, verschiedene Sensorplatinen,Tastenplatinen, Batterie management platinen, Kopfhöreranschlussplatinen sowie in einigen Ladegeräten häufig doppelseitige leiterplatten zum Einsatz.
Bereich Computer und Peripheriegeräte
Im Inneren von Desktop-Computern und Laptops sind doppelseitige leiterplatten eine gängige Wahl, beispielsweise für Erweiterungskarten, Soundkarten, bestimmte Netzwerkkarten, Netzteilplatinen (Sekundärseite), Tastatur- und Mausplatinen, Monitor-Treiberplatinen sowie Steuerplatinen für Drucker und Scanner.
Bereich Haushaltsgeräte
Doppelseitenplatinen spielen eine wichtige Rolle bei bestimmten Funktionsmodulen der Logikplatinen von Fernsehern sowie bei Netzteilplatinen, Steuerplatinen für Klimaanlagen, Waschmaschinen, Mikrowellen, Reiskochern, Induktionsherden, Ventilatoren und bei Treiberplatinen für intelligente Leuchten.
Bereich Audio- und Videogeräte
Auch in Audio-Verstärkerplatinen, Hauptplatinen von Bluetooth-Lautsprechern, Set-Top-Boxen, Platinen bestimmter DVD-Player sowie in Controller-Platinen für Spielkonsolen sind doppelseitige leiterplatten weit verbreitet.
Bereich Smart-Home-Geräte
Bei verschiedenen Sensoren wie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, Magnetkontakten für Türen und Fenster, Bewegungssensoren sowie bei intelligenten Schaltern, intelligenten Steckdosen und Submodulen von Gateways sind doppelseitige leiterplatten aufgrund ihrer Vorteile die ideale Wahl für zahlreiche Produkte.
Bereich industrielle Steuerung und Automatisierung
Steuerplatinen für Fabrikautomatisierungsanlagen, Sensor-Schnittstellenplatinen, bestimmte Motorantriebsplatinen, Mensch-Maschine-Schnittstellen, interne Platinen für Messgeräte (wie Multimeter, Oszilloskop-Sonden, Stromversorgungsmessgeräte usw.) sowie E/A-Module für SPS: In industriellen Anwendungen werden hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Kosten gestellt, und doppelseitige leiterplatten sind in vielen Fällen die kostengünstige Wahl, die Leistung und Kosten in Einklang bringt.
Bereich Automobilelektronik
Zwar werden für die zentralen elektronischen Steuergeräte (ECUs) in Fahrzeugen üblicherweise Mehrschichtplatinen verwendet, doch gibt es im Fahrzeuginneren eine Vielzahl von Karosseriesteuerungsmodulen, wie z. B. Platinen für die Beleuchtungssteuerung, die Fensterheber, die Türverriegelung, die Scheibenwischer, die Klimaanlage und die Sitzverstellung sowie einfache Sensor-Schnittstellenplatinen (z. B. interne Platinen in Reifendruckkontrollsystemen) und Zusatzplatinen für Unterhaltungssysteme. Mit dem stetig zunehmenden Elektronikanteil in Fahrzeugen ist der Einsatz von doppelseitige leiterplatten im Bereich der Automobilelektronik enorm.
Bereich LED-Beleuchtung
Im Bereich der LED-Beleuchtung, sei es bei Glühbirnen, Leuchtstoffröhren, Flächenleuchten oder Straßenlaternen, werden für die Treiberplatinen fast ausnahmslos doppelseitige leiterplatten verwendet. Dies ist mittlerweile zum Mainstream und zur Standardkonfiguration in diesem Bereich geworden, und die Nachfrage ist enorm.
Bereich Kommunikationsgeräte
In Netzwerkgeräten wie Routern, Switches und Modems werden nicht nur für die leistungsstarken Hauptchips mehrschichtige Leiterplatten benötigt, um die Anforderungen zu erfüllen, sondern auch für Peripheriemodule wie Stromversorgungsmodule, Schnittstellenadapterplatinen, Anzeigeleuchtenplatinen und Lüftersteuerungsplatinen werden häufig doppelseitige leiterplatten verwendet.
Bereich der medizinischen Elektronik (Geräte mit mittlerer bis geringer Komplexität)
Auch bei Blutdruckmessgeräten, Blutzuckermessgeräten, Physiotherapiegeräten sowie bestimmten Funktionsmodulen von Überwachungsgeräten, wie Sensorplatinen, Display-Treiberplatinen, Tastenplatinen und Netzteilen, sind doppelseitige leiterplatten eine gängige Wahl.
Warum sind doppelseitige leiterplatten auf dem Markt so beliebt?
Hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis
Im Vergleich zu einseitigen Leiterplatten bieten doppelseitige leiterplatten leistungsstärkere Funktionen. Sie ermöglichen eine beidseitige Verdrahtung, was den Platz für die Verdrahtung und die Flexibilität erheblich verbessert. Im Vergleich zu mehrschichtigen Leiterplatten mit vier oder mehr Schichten bieten sie zudem einen deutlichen Kostenvorteil, was auf den relativ einfachen Herstellungsprozess zurückzuführen ist, der die Herstellungskosten effektiv senkt.
Ausgereift, stabil und zuverlässig
Der Herstellungsprozess für doppelseitige leiterplatten wurde über lange Zeit entwickelt und perfektioniert und ist mittlerweile äußerst ausgereift. Während der Produktion kann eine hohe Ausbeute an einwandfreien Produkten gewährleistet werden, und ihre Zuverlässigkeit hat sich im Markt langfristig bewährt. Sie zeigen in der praktischen Anwendung hervorragende Leistungen und bieten eine solide Garantie für den stabilen Betrieb der Produkte.
Geeignet für ein breites Spektrum an Anwendungsszenarien
Unter den zahlreichen elektronischen Produkten gibt es eine große Anzahl, deren Funktionskomplexität auf einem mittleren Niveau liegt, die keine extrem hohen Anforderungen an die Signalgeschwindigkeit stellen, aber dennoch einen gewissen Integrationsgrad erfordern. Für diese Art von Produkten bieten doppelseitige leiterplatten genau das ideale Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten: Sie erfüllen die funktionalen Anforderungen des Produkts, ohne übermäßigen Kostendruck zu verursachen.
Hohe Gestaltungsfreiheit
Durch sorgfältige Planung des Layouts und der Verdrahtung sowie den sinnvollen Einsatz von Durchkontaktierungstechniken können doppelseitige leiterplatten die Verbindungsprobleme der meisten Schaltungen mittlerer Dichte problemlos lösen. Sie bieten große Gestaltungsfreiheit beim Schaltungsdesign und ermöglichen es den Entwicklern, verschiedene Schaltungsfunktionen flexibler zu realisieren.
