Wie werden elektronische Schaltungen aufgebaut?
Mit dem Fortschritt der Technologie haben sich verschiedene Methoden zur Verbindung elektronischer Bauteile zu Schaltungen entwickelt. Die gebräuchlichste davon sind Leiterplatten (PCB). Dies ist eine äußerst vielseitige Methode zur Herstellung elektronischer Schaltungen, die uns seit Jahrzehnten begleitet. Heute sind diese Leiterplatten das grundlegende konstruktive und funktionale Element nahezu aller elektronischen Geräte. In diesem Artikel behandeln wir die Methoden zur Montage elektronischer Bauteile auf PCB-Leiterplatten. Nachfolgend finden Sie eine Beschreibung und Charakteristik der gängigsten Technologien in diesem Bereich.
Durchsteckmontage (THT)
THT (through-hole technology), also die Durchsteckmontage, ist eine der ältesten Technologien zur Montage von Leiterplatten. Dabei werden die Anschlussdrähte der Bauteile in galvanisierte Durchgangsbohrungen eingeführt und anschließend auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte verlötet. Obwohl es modernere Methoden gibt, bietet THT nach wie vor einige wichtige Vorteile. Einer davon ist die mechanisch stabile Verbindung zwischen Bauteil und Leiterplatte. Die mechanische Stabilität ist sowohl bei größeren Bauteilen als auch bei verschiedenen Buchsen und Steckverbindern wichtig. Ein weiterer Vorteil von durchsteckbaren Bauteilen ist ihre einfache manuelle Montage. Sie erfordern keine große Erfahrung oder spezielle Ausrüstung außer einem gewöhnlichen Lötkolben mit Spitze. Sie können leicht auf Steckbrettern oder Prototypenplatinen befestigt werden, was sie zu einer hervorragenden Wahl bei der Erstellung von Prototypen von Schaltungen und verschiedenen Hobbyprojekten macht. Durchsteckkontakte haben jedoch auch einige Nachteile. Obwohl es automatisierte Montagemethoden und Wellenlöttechnologie gibt, erfolgt die Montage von durchsteckbaren Bauteilen nach wie vor oft manuell. Außerdem erlaubt die große Bauteilgröße keine effiziente Nutzung des Platzes auf der Leiterplatte oder die Herstellung von Geräten mit kleinen Abmessungen.
Oberflächenmontage (SMT)
Die SMT-Technologie (surface-mount technology) ist heute die am weitesten verbreitete Montagemethode. Die Verwendung von oberflächenmontierten Bauteilen, also SMD (surface-mount device), bringt viele Vorteile mit sich. Die weitreichende Miniaturisierung der Bauteile erlaubt den Aufbau kompakter Schaltungen mit hoher Packungsdichte. Darüber hinaus erfolgt der Montageprozess vollständig automatisch, was eine effiziente, schnelle und kostengünstige Produktion von Leiterplatten in großen Stückzahlen ermöglicht. Die am häufigsten verwendete Methode zur Montage von SMD-Bauteilen ist das Reflow-Löten. Die PCB verfügt über entsprechend angeordnete freigelegte Kupferflächen (so genannte Pads), auf die Lötpaste aufgetragen wird. SMD-Bauteile werden anschließend an den entsprechenden Stellen auf der Platine platziert. Das Löten erfolgt in speziellen Öfen, in denen das Lot schmilzt und dauerhafte Verbindungen entstehen. Die manuelle Montage von SMD-Bauteilen ist zwar möglich, erfordert jedoch enorme Erfahrung und Präzision. Zudem stellt das Fehlen von Markierungen auf einigen Gehäusen eine große Herausforderung dar, was das Unterscheiden erschwert.
Chip on Board und WLCSP
Wenn man einen typischen integrierten Schaltkreis betrachtet, ist man sich oft nicht bewusst, dass der Großteil seines Gehäuses dünne Drähte sind, die den Chip mit den Anschlüssen verbinden. Die Siliziumplatte in der Mitte der Schaltung ist deutlich kleiner. Wenn man auf das Gehäuse samt Anschlussdrähten verzichtet, kann man viel Platz und Kosten sparen, insbesondere bei großen Serienproduktionen. Das ermöglichen die Technologien WLCSP und COB. WLCSP (wafer-level chip scale package) besteht darin, Verbindungen und das Gehäuse der Schaltungen bereits auf der Siliziumscheibe (Wafer) herzustellen, die anschließend geschnitten wird. So entstandene integrierte Schaltkreise haben exakt die gleichen Maße wie die sie bildenden Siliziumchips. Dies ermöglicht bisher unerreichte Miniaturisierungsgrade von Geräten. Die Technologie COB (chip on board) besteht darin, den nackten Siliziumchip direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte zu montieren. Anschließend werden elektrische Verbindungen zwischen ihnen hergestellt, beispielsweise mittels dünner Drähte oder Reflow-Löten (Flip-Chip-Methode). Die COB-Technologie wird auch für die Herstellung leistungsstarker LEDs verwendet, die in Beleuchtungsprodukten eingesetzt werden. Schaltungen ohne Gehäuse sind jedoch anfällig für Beschädigungen. Zudem können die daran beteiligten Halbleiterverbindungen unter Lichteinfluss wie Fotodioden wirken. Die dadurch induzierten Fotoströme können bewirken, dass die Schaltung nicht richtig funktioniert. Deshalb müssen die gehäuselosen integrierten Schaltkreise entsprechend geschützt werden. Dazu verwendet man spezielle Schutzvergüsse, sogenannte "Glob-Tops". Diese bilden eine Schicht, die die Siliziumplatte zusammen mit den Verbindungsstellen vor Licht und mechanischen Schäden schützt.
Abb. 1. Integrierter Schaltkreis in Chip-on-Board-Technologie in schwarzem Schutzverguss
Welche Technologie soll man wählen?
Die Auswahl der Bauteile ist ein wichtiger Aspekt eines jeden Elektronikprojekts. Häufig stehen wir vor der Situation, dass wir einen von vielen verfügbaren Gehäusetypen und Montagetechnologien für ein Bauteil auswählen müssen. Die Wahl beeinflusst, wie gut das Bauteil seine Funktion erfüllt. Diese Entscheidung ist nicht einfach, daher helfen unsere Experten bei InterElcom gerne weiter. Wir bieten ein breites Spektrum an Dienstleistungen und professionelle Beratung in den Bereichen Entwurf elektronischer Schaltungen, Auswahl von Bauteilen und PCB-Montage an. Wir laden Sie ein, unser Dienstleistungsportfolio kennenzulernen, und bei Fragen steht Ihnen unser Kontaktformular auf unserer Webseite zur Verfügung.
