Was ist eine einseitige Leiterplatte?

Eine einseitige Leiterplatte ist die einfachste Form der Leiterplatte. Alle Teile befinden sich auf einer Seite. Alle Leiterbahnen befinden sich auf der anderen Seite. Weil nur eine Seite Leiterbahnen hat, nennen wir sie einseitige Leiterplatte. Sie ist einfach zu fertigen und kostet weniger. Aus diesem Grund werden für einfache elektronische Produkte oft einseitige Leiterplatten verwendet.

Wann wird eine doppelseitige Leiterplatte verwendet?

Eine doppelseitige Leiterplatte ist ein Fortschritt gegenüber einer einseitigen Leiterplatte. Wenn die Anforderungen eines Produkts mit einer Leiterbahnschicht nicht erfüllt werden können, verwenden die Designer eine doppelseitige Leiterplatte. Beide Seiten sind mit Kupfer und Leiterbahnen versehen. Die beiden Seiten können durch plattierte Löcher, so genannte Vias, miteinander verbunden werden. Durchkontaktierungen ermöglichen die Übertragung von Signalen von einer Lage zur anderen. Auf diese Weise kann die Leiterplatte das benötigte Schaltungsnetz bilden.

Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen einseitigen und doppelseitigen Leiterplatten

Materialien und Grundverfahren

Einseitige und doppelseitige Leiterplatten haben das gleiche Grundmaterial. Die meisten modernen Leiterplatten verwenden fr4. fr4 ist eine Mischung aus Glasfaser und Epoxid. Bei der modernen Herstellung wird die Leiterplatte normalerweise mit Kupfer beschichtet, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten. Dann fügen wir eine Lötmaske hinzu, die für ein sauberes Aussehen und zum Schutz sorgt. Ein Siebdruck fügt Beschriftungen und Markierungen hinzu. Maschinen drucken die Markierungen in einem Verfahren, das Siebdruck genannt wird.

Alte Fertigung und Grenzen

Die moderne Leiterplattenherstellung war nicht immer so. In der Vergangenheit belichteten Ingenieure und Bastler Designs auf Platinen und ätzten sie dann von Hand mit chemischen Bädern. Es gab viele Methoden. Die meisten hatten die gleichen Grenzen. Man konnte nicht ohne weiteres viele Schichten auf eine Platine ätzen. Das zwang dazu, dass die Layouts größer waren und stark optimiert werden mussten.

In den 1960er Jahren war das in Ordnung. Große Teile mit Durchgangslöchern waren die Norm. Große rechteckige Chips hatten breite Stifte. Dies waren DIP-Gehäuse. Diskrete durchkontaktierte Bauteile wie Widerstände und Kondensatoren waren ebenfalls groß. Die Teile lagen dicht beieinander, so dass kurze Leiterbahnen einfach waren. Das machte einseitige Layouts einfach und übersichtlich.

Der Aufstieg der oberflächenmontierten Bauteile (SMD)

Die 1980er Jahre veränderten das Feld. Oberflächenmontierte Bauteile (SMD) wurden zu den bevorzugten Bauteilen der Ingenieure. Quadratische flache Gehäuse wurden üblich. Die diskreten SMD-Bauteile erschwerten die Verlegung unter den Bauteilen. Die Leiterplatten mussten kleiner werden. Einseitige Leiterplatten wurden schwieriger zu verwenden. Dies förderte das Wachstum der doppelseitigen Leiterplattentechniken. Mit Durchkontaktierungen musste nicht mehr alles Kupfer auf einer Seite liegen. Man konnte auf beiden Seiten mit plattierten Löchern verlegen, die die Schichten miteinander verbinden.

Beidseitig bedruckte Leiterplatten

Ingenieure sind hauptsächlich aus Gründen der Einfachheit zu doppelseitigen Leiterplatten übergegangen. Wenn das Design die Teile auf einen bestimmten Bereich beschränkt, sind doppelseitige Layouts einfacher als einseitige. Doppelseitige Leiterplatten ermöglichen auch die Herstellung großer Masse- oder Stromversorgungsebenen. Wenn Sie sich eine Leiterplatte genau ansehen, können Sie große Kupferabschnitte anstelle vieler dünner Leiterbahnen erkennen. Diese großen Kupferzonen helfen bei der EMI, der Wärmeentwicklung und der Herstellbarkeit, und vor allem verringern sie den Entflechtungsaufwand.

Warum es immer noch einseitige Platten gibt

Obwohl doppelseitige Platten eindeutige Vorteile haben, werden auch heute noch viele Produkte einseitig gestaltet. Der Hauptgrund sind die Kosten. Einseitige Leiterplatten sind in der Regel etwas günstiger in der Anschaffung und haben manchmal kürzere Vorlaufzeiten. Für ein einfaches Design ist das ein klares Plus. Bei der Massenproduktion einfacher Produkte kann die Einsparung von ein paar Cent pro Leiterplatte sehr wichtig sein. Auch für Hochstrom-Leiterbahnen, die breite Kupferflächen benötigen, können einseitige Layouts eine gute Lösung sein. Sie ermöglichen die Verwendung großer Kupferflächen und ein einfaches Routing für Hochstrompfade.

Vor- und Nachteile von einseitigen Leiterplatten

Profis

• Geringere Kosten.

• Einfachere Konstruktion und Herstellung.

• Kürzere Vorlaufzeit in vielen Fällen.

Nachteile

• Nicht geeignet für komplexe Konstruktionen mit vielen Teilen.

• Es ist schwierig, den Bedürfnissen kleinerer Unternehmen gerecht zu werden.

• Geringere Routing-Kapazität.

• Es könnte schwerer und größer sein, um die gleiche Funktion zu erfüllen.

Typische Anwendungen von einseitigen Leiterplatten

Einseitige Platinen sind in vielen preisgünstigen Produkten üblich. Sie kommen in Geräten mit einfachen Funktionen vor, die keinen großen Speicher oder Netzwerkverbindungen benötigen. Beispiele sind kleine Haushaltsgeräte wie Kaffeemaschinen. Sie sind auch in vielen Taschenrechnern, einfachen Radios, Druckern und LED-Lampen zu finden. Einfache Speichergeräte wie einfache Solid-State-Laufwerke können einseitige Platinen verwenden. Auch für Netzteile und viele Arten von Sensoren werden oft einseitige Leiterplatten verwendet.

Wie man einseitige, doppelseitige und mehrlagige Platten unterscheidet

1. Halten Sie die Platte gegen ein Licht. Wenn der innere Kern völlig undurchsichtig ist und Sie kein Licht durch die inneren Schichten sehen können, handelt es sich um eine mehrlagige Leiterplatte. Wenn Sie nur eine Kupferschicht sehen können, handelt es sich um eine einseitige Leiterplatte.

2. Achten Sie auf die Löcher. Einseitige Leiterplatten haben nicht beschichtete Löcher. Sie haben keine Beschichtung an den Lochwänden und überspringen den Galvanisierungsprozess. Doppelseitige Leiterplatten haben durchkontaktierte Löcher oder Durchkontaktierungen. Das bedeutet, dass Sie Kupfer im Inneren der Bohrung sehen.

3. Der grundlegende Unterschied liegt in der Anzahl der Kupferschichten: Einzelne haben eine Kupferschicht, doppelte haben zwei Kupferschichten, und mehrschichtige haben drei oder mehr Schichten. Bei der Herstellung von Multilayern werden die inneren Lagen hinzugefügt und der Stapel dann laminiert. Sie können bei Bedarf einen Querschnitt schneiden, um die Schichten zu überprüfen.

Wie man EMI auf ein- oder doppelseitigen Leiterplatten reduziert

Aus Kostengründen werden für viele Verbrauchergeräte ein- oder doppelseitige Leiterplatten verwendet. Mit der zunehmenden Verbreitung digitaler Impulsschaltungen steigen auch die EMI-Probleme. Die Hauptursache ist ein großer Signalschleifenbereich. Große Schleifenbereiche strahlen nicht nur stärker ab, sondern machen die Schaltung auch empfindlicher gegenüber äußeren Störungen. Der einfachste Ansatz zur Verbesserung der EMV besteht darin, den Schleifenbereich kritischer Signale zu reduzieren.

Erkennen von Schlüsselsignalen

Aus EMV-Sicht gehören zu den wichtigsten Signalen solche, die stark abstrahlen, und solche, die empfindlich auf Fremdgeräusche reagieren. Starke Abstrahlungen sind oft periodische Signale wie Taktgeber und Adressleitungen niedriger Ordnung. Empfindliche Signale sind oft analoge Leitungen mit niedrigem Pegel.

Methoden zur Reduzierung der Schleifenfläche

Eine einfache Methode besteht darin, eine Masseleitung neben der Signalleitung zu verlegen. Bringen Sie die Masse so nah wie möglich an. So entsteht ein sehr kleiner Schleifenbereich, der die Differenzstrahlung und die Empfindlichkeit verringert. Wenn Sie eine Massebahn neben dem Signal hinzufügen, fließt der Signalstrom hauptsächlich in dieser kleinen Schleife und nicht in anderen Massepfaden.

Wenn Sie eine doppelseitige Platine verwenden, legen Sie auf der anderen Seite eine Massebahn direkt unter die Signalleitung. Machen Sie diese Massebahn so breit wie möglich. Der Schleifenbereich entspricht dann der Plattendicke mal der Länge der Signalleitung. Dieser Bereich ist viel kleiner als eine lange offene Schleife und trägt zur Verringerung der Strahlung bei.

Verwenden Sie außerdem bei doppelseitigen Leiterplatten immer ein Erdungsnetz aus Kupfer. Ein Erdungsnetz senkt die Erdungsimpedanz. Mit einem Erdungsnetz hat eine Signalleitung fast immer eine Erdungsleitung in der Nähe und bildet einen kleineren Schleifenbereich. Halten Sie beim Routing wichtige Leitungen in der Nähe der Masse. Nur die kritischsten Leitungen brauchen eine Erdung in unmittelbarer Nähe.

Weitere grundlegende Tipps:

• Verwenden Sie kurze Leitungen für Hochgeschwindigkeitssignale.

• Verwenden Sie geeignete Entkopplungskondensatoren in der Nähe der Stromanschlüsse.

• Halten Sie analoge und digitale Masse getrennt und verbinden Sie sie bei Bedarf an einem einzigen Punkt.

• Vermeiden Sie lange Schleifen. Führen Sie Rückwege in der Nähe des Signalwegs.

Kleine praktische Beispiele

• Bei einer Taktleitung auf einer doppelseitigen Leiterplatte legen Sie auf der anderen Seite eine breite Massebahn darunter. Bei einer Plattendicke von 1,6 mm und einer Länge der Leiterbahn von 50 mm beträgt die Schleifenfläche etwa 1,6 mm × 50 mm. Wenn Sie die Leiterbahn auf 20 mm kürzen können, verringert sich die Fläche erheblich.

• Bei einem empfindlichen analogen Signal sollten Sie eine Masseleitung direkt daneben auf derselben Seite verlegen. Dann bildet das Paar eine enge Schleife und senkt den Tonabnehmer.

Zusammenfassung

Einseitige Leiterplatten sind einfach und billig. Bei ihnen befinden sich alle Bauteile auf einer Seite und alle Leiterbahnen auf der anderen. Doppelseitige Leiterplatten fügen eine zweite Schicht hinzu und verwenden Durchkontaktierungen, um beide Seiten zu verbinden. fr4 ist das gemeinsame Material für beide. Der Übergang von durchkontaktierten Bauteilen zu oberflächenmontierten Bauteilen hat den Bedarf an doppelseitigen und mehrlagigen Leiterplatten erhöht. Dennoch sind einseitige Leiterplatten für viele einfache Produkte aus Kostengründen und wegen der Einfachheit immer noch sinnvoll. Um die EMI auf ein- oder doppelseitigen Leiterplatten zu verringern, sollten Sie den Schleifenbereich verkleinern, nahe gelegene Erdungsbahnen hinzufügen, ein Erdungsnetz verwenden und die Leiterbahnen kurz halten.