Einseitige Leiterplatten (Single-sided PCB), auch kurz als einseitige PCB oder einseitige Platine bezeichnet, sind Leiterplatten, bei denen die leitfähigen Kupferbahnen und Lötpads nur auf einer Seite des isolierenden Trägermaterials aufgebracht sind. Innerhalb der großen Familie der Leiterplatten weisen einseitige PCB den einfachsten Aufbau auf. In der Regel werden elektronische Bauteile auf der Seite ohne Kupferfolie montiert, während sich die Leiterbahnen und Lötpads auf der anderen Seite befinden.
Bei einseitige leiterplatten ist nur eine Seite des Substrats mit Kupferfolie bedeckt, sodass die gesamte Verdrahtung auf derselben Seite erfolgen muss. Da sich die Leiterbahnen nicht kreuzen dürfen, unterliegt das Layout erheblichen Einschränkungen, sodass Verbindungen häufig mithilfe von Jumpern oder Umgehungsleitungen realisiert werden müssen.
Der typische Herstellungsprozess umfasst Schritte wie die Übertragung des Leiterbildes, das Ätzen sowie das Wellenlöten. Diese Art von Leiterplatten zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und niedrige Kosten aus und findet breite Anwendung in Bereichen wie Netzteilen, LED-Beleuchtung, Steuerplatinen für Haushaltsgeräte und Unterhaltungselektronik.
Bei einseitige leiterplatten ist nur eine Seite des Substrats mit Kupferfolie beschichtet, wodurch das Leiterbild entsteht. Alle Bauteile werden auf dieser Seite montiert, die Leiterbahnen befinden sich auf derselben Seite, während die andere Seite kein Leiterbild aufweist.
Am Beispiel einer gängigen einseitige leiterplatten mit einer Dicke von 1,6 mm umfasst der typische Aufbau eine obere Leiterbahnschicht aus Kupferfolie, ein FR-4-Epoxid-Glasfaser-Substrat, eine Schutzschicht aus Lötstopplack sowie eine Siebdruckbeschriftung.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung einseitige leiterplatten dient eine kupferbeschichtete Laminatplatte. Gängige Typen und deren Zusammensetzung sind wie folgt:
FR-4 (Glasfaser-Epoxidharz-Platte)
Mit Glasfasergewebe als Verstärkungsmaterial, Epoxidharz als isolierendem Bindemittel und einer einseitigen Kupferfolie als leitfähiger Schicht auf der Oberfläche. Sie zeichnet sich durch niedrige Kosten, hohe mechanische Festigkeit und gute Hitzebeständigkeit aus und ist der am weitesten verbreitete Typ, der häufig in Haushaltsgeräten und grundlegenden elektronischen Geräten verwendet wird.
Phenolharz-Papier-Substrat (FR-1 / FR-2)
Als isolierendes Trägermaterial dient Zellulosepapier, als Bindemittel Phenolharz, und die Leiterplatte ist einseitig mit Kupferfolie beschichtet. Ihr größter Vorteil sind die extrem niedrigen Kosten, allerdings sind die Wärmebeständigkeit und die mechanische Festigkeit relativ gering. Sie werden hauptsächlich in Low-End-Unterhaltungselektronikprodukten wie Spielzeug und einfachen Fernbedienungen verwendet.
Aluminium-Leiterplatten (Metall-Leiterplatten)
Strukturell bestehen sie nacheinander aus einer Aluminium platte (Wärmeableitungsschicht), einer isolierenden Schicht und einseitiger Kupferfolie. Sie zeichnen sich durch hervorragende Wärmeableitungseigenschaften aus und eignen sich für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung, wie z. B. LED-Beleuchtung und Stromversorgungsmodule.
Darüber hinaus enthalten einlagige Leiterplatten folgende wesentliche Bestandteile:
Kupferfolie: Dient als leitfähige Schicht und hat in der Regel eine Dicke von 18 μm bis 35 μm.
Lötstopplack (grüner Lack): Bedeckt die nicht zu lötenden Bereiche und dient dem Schutz vor Oxidation sowie der Isolierung.
Siebdruck: Dient zur Kennzeichnung der Bauteilpositionen und zur Angabe von Parameterinformationen.
Herstellungsprozess einseitige leiterplatten:
Einseitige Leiterplatten werden hauptsächlich im Subtraktionsverfahren hergestellt. Konkret wird zunächst die Oberfläche des kupferkaschierten Substrats mit einer Fotolackschicht überzogen; mithilfe von Belichtung und Entwicklung wird das Schaltmuster präzise auf die Kupferoberfläche übertragen. Anschließend wird die nicht durch den Fotolack geschützte Kupferfolie mit einer chemischen Ätzlösung abgetragen, und schließlich wird der Fotolack entfernt, wodurch die gewünschten Leiterbahnen entstehen.
Der Produktionsprozess für einseitige Leiterplatten ist relativ einfach und umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte:
Zunächst wird die kupferbeschichtete Platte entsprechend den Designvorgaben in passende kleine Plattenstücke zugeschnitten. Anschließend erfolgt der Musterübertragungsschritt: Auf die Kupferfolie wird gleichmäßig ein lichtempfindlicher Trocken- oder Nassfilm aufgetragen, und mittels Negativfilm oder Direktbelichtungstechnik (LDI) wird die Belichtung durchgeführt. Die nicht belichteten Bereiche lösen sich im Entwickler auf, wodurch die Kupferoberfläche freigelegt wird.
Anschließend folgt der Ätzprozess: Die Leiterplatte wird in eine saure Ätzlösung getaucht, wodurch die nicht mit Resist bedeckte Kupferfolie abgetragen wird und so das Schaltmuster entsteht. Nach Abschluss des Ätzens werden die Resistreste entfernt. In der Regel erfolgt das Bohren nach dem Ätzen, wobei die Befestigungs- und Positionierungslöcher für die Bauteile gebohrt werden. Aufgrund der Eigenschaften einseitige leiterplatten ist nach dem Bohren keine Metallisierung erforderlich.
Anschließend erfolgen die Lötstopplackierung und der Siebdruck: Zunächst wird der Lötstopplack aufgetragen, dann werden die Lötpads durch Belichtung und Entwicklung freigelegt, und schließlich werden die Bauteilnummern sowie die Polaritätskennzeichnungen aufgedruckt. Nach der Oberflächenbehandlung und dem Formschneiden ist eine einseitige Leiterplatte fertiggestellt.
Was die Oberflächenbehandlung betrifft, so müssen einseitige Leiterplatten in der Regel einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, um eine Oxidation der Kupferpads während der Lagerung und Montage zu verhindern und deren Lötbarkeit zu verbessern. Das Heißluftglätten (HASL) ist ein eher traditionelles Verfahren, bei dem die Leiterplatte in geschmolzenes Lot getaucht und anschließend mit Heißluft geglättet wird, wodurch sich auf der Oberfläche eine gleichmäßige Schicht aus einer Zinn-Blei-Legierung bildet.
Dieses Verfahren zeichnet sich durch niedrige Kosten und gute Lötbarkeit aus und eignet sich für hohe Stromstärken und Steckbauteile, weist jedoch eine mäßige Oberflächenebenheit auf. Beim Organic Solder Paste (OSP)-Verfahren wird auf der Kupferoberfläche eine organische Schutzschicht gebildet. Das Verfahren ist einfach, kostengünstig und sorgt für eine ebene Oberfläche, wodurch es sich für oberflächenmontierte Bauteile eignet, weist jedoch eine relativ geringe Kratzfestigkeit auf. Für feine Bauteile, bei denen höchste Anforderungen an die Ebenheit gestellt werden, kann das ENIG-Verfahren (Electrolytic Nickel-Gold) eingesetzt werden, bei dem zunächst eine Nickelschicht und anschließend eine Goldschicht auf die Kupferoberfläche aufgebracht wird. Dieses Verfahren weist eine sehr hohe Oxidationsbeständigkeit auf, ist jedoch mit relativ hohen Kosten verbunden.
Wichtige Punkte beim Design einseitige leiterplatten
Beim Design einseitige leiterplatten ist eine sinnvolle Anordnung der Schlüssel zum Erfolg. Es sollte die Reihenfolge „zuerst Anordnung, dann Verdrahtung“ befolgt werden. Die Bauteile sind entsprechend dem Signalfluss im Schaltplan zu platzieren, und durch Anpassung der Position, Ausrichtung und Gehäuseform der Bauteile sind Leiterbahnkreuzungen so weit wie möglich zu minimieren. Gleichzeitig muss die Position der Steckverbinder berücksichtigt werden, um eine funktionale Modularisierung zu erreichen. Unter Gewährleistung der Sicherheitsabstände sind die Bauteile kompakt anzuordnen, um ausreichend Platz für die spätere Verdrahtung zu lassen.
Die grundlegende Anforderung beim Design einseitige leiterplatten ist, dass alle Leiterbahnen innerhalb derselben Kupferschicht verlaufen und sich nicht kreuzen dürfen. Bei unvermeidbaren Kreuzungen müssen Jumper verwendet werden, deren Anzahl jedoch so gering wie möglich gehalten und die übersichtlich angeordnet werden sollten; zudem sind sie auf der Siebdruckebene deutlich zu kennzeichnen. Bei der Verlegung sollten Signalbahnen in einem Winkel von 45° oder mit Rundungen verlaufen, um scharfe Winkel und rechtwinklige Leitungen zu vermeiden, wobei das Prinzip des kürzesten Weges zu befolgen ist.
Strom- und Masseleitungen sollten entsprechend verbreitert werden, um höhere Ströme zu führen und die Leitungsimpedanz zu senken. Es wird empfohlen, das Masseleitungsnetz vorrangig zu verlegen und möglichst großflächige Kupferflächen zu verwenden, um Störgeräusche zu reduzieren und eine Abschirmwirkung zu erzielen. Bei empfindlichen Schaltungen kann eine Stern- oder Einpunkt-Erdung verwendet werden.
Die Größe der Lötpads muss größer sein als der Durchmesser der Bauteilanschlüsse, um eine gute Lötbarkeit zu gewährleisten. Die Leiterbahnen sollten glatt in die Mitte oder an die Seite des Lötpads münden. Bei der Konstruktion sind die Prozessspezifikationen des Herstellers strikt einzuhalten, es sind klare Siebdruckmarkierungen anzubringen und an den Verbindungsstellen zwischen Leiterbahn und Lötpad sind Tropfenformen einzufügen, um die mechanische Festigkeit zu erhöhen.
Bei der einseitige leiterplatten konstruktion mit Software wie Altium Designer sollten alle Leiterbahnen auf eine Ebene beschränkt und die andere Ebene deaktiviert werden. Der empfohlene Designablauf ist wie folgt: Nach der Erstellung der Bauteilbibliothek erfolgt zunächst eine sorgfältige Anordnung; anschließend werden zuerst die kritischen Signalleitungen und dann die normalen Signalleitungen verlegt; nach der Bearbeitung der Jumper wird die Leiterbahnführung optimiert und die Kupferfläche verlegt; zum Schluss wird die Siebdruckebene hinzugefügt und eine Designregelprüfung (DRC) durchgeführt.
Vor- und Nachteile von einseitige leiterplatten
Vorteile von einseitige leiterplatten:
Für einseitige Leiterplatten wird weniger Material benötigt, wodurch sie kostengünstiger sind;
Der Fertigungsprozess ist weniger aufwendig, sodass die Gesamtproduktionszeit kürzer ist;
Das Design und der Aufbau der Leiterbahnen sind relativ einfach, sodass für die Konstruktion keine besonders umfangreiche Fachkenntnis erforderlich ist;
Aufgrund des einfachen Herstellungsverfahrens gelten bei Großaufträgen Preisvorteile, je größer die Bestellmenge ist.
Andererseits schränken die Nachteile von einseitige leiterplatten im Vergleich zu gleich großen doppel- oder mehrschichtigen Leiterplatten deren Entwicklung ein:
Die begrenzte Fläche der einseitige leiterplatten reicht nicht aus, um die Anforderungen an die Montage einer großen Anzahl von Bauteilen und einer höheren Leiterdichte zu erfüllen; außerdem kann es bei einer zu hohen Bauteilbelegung zu langsamen Verbindungsgeschwindigkeiten und Stromverlusten kommen, wodurch der Anwendungsbereich dieser Leiterplatten sehr begrenzt ist.
