Die Leiterplatte im Wandel der Zeit

Flexible Leiterplatten haben sich in den letzten Jahren zunehmend als Schaltungsträger etabliert: Mit ihnen lassen sich kompakte, komplexe, raum- und gewichtsminimierende Aufbauten realisieren, zudem erlaubeen sie eine hohe dynamische und mechanische Bieg (Bild: Contag)

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Die ständig fortschreitende Miniaturisierung bringt die klassische Multilayer-Platine näher an ihre physikalischen Grenzen: Starrflexible Aufbauten ermöglichen eine hohe Packungsdichte und große Designfreiheit. (Bild: Häusermann)

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Längst hat sich die klassische Leiterplatte vom reinen Systemträger hin zu einer Systemlösung entwickelt wie etwa hier beim miniaturisiertes modularen Kameramodul, das verschiedene Bauelemente integriert. (Bild: Fraunhofer IZM Berlin)

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Im Schnitt hat jeder Bundesbürger 3,4 portable Geräte oder Handhelds im Einsatz: Neben Tablets und Notebooks avanciert das Smartphone zum digitalen Alleskönner im Alltag und ersetzt dabei eine Vielzahl von Geräten, die zuvor notwendig waren, wie etwa die Digicam oder den Wecker. Künftig wird man auch mit dem Smartphone bezahlen, sich ausweisen oder auf seine elektronische Gesundheitsakte zugreifen. Der Trend geht zu kleineren Geräten und dies bei stark wachsender Funktionalität – hochkomplexe Leiterplatten machen dies möglich.

Technologiesprünge von einst und heute

Hätte er für jedes gefertigte Exemplar seiner Erfindung nur ein paar Eurocent bekommen, er hätte ein größeres Vermögen angehäuft, als Bill Gates: Dem gebürtigen Österreicher Paul Eisler kam zwar die zündende Idee zur wohl wichtigsten Erfindung dieses Jahrhunderts, doch hatte er wenig Anteil am Erfolg. Der Erfinder der Leiterplatte experimentierte mit gedruckten Schaltungen und meldete dazu im Jahr 1936 sein erstes Patent in London an. Allerdings gelang es Eisler nicht, einen industriellen Anwender für seine Technik zu finden. Als in den frühen 1940er Jahren in den USA ein Annäherungszünder für Luftabwehrgeschosse entwickelt wird, greift man dort auf Eislers Erfindung zurück, und führt sie zur Serienreife. Damit begann die Leiterplatte ihren weltweiten Siegeszug von Amerika aus.

Elektronische Schaltungen wurden vor der Einführung von Leiterplatten frei verdrahtet. Potentiometer, Drehkondensatoren, Schalter mit ihren Lötösen und Fassungen von Elektronenröhren dienten dabei als mechanische Stützpunkte. Je nach Hersteller bemühte man sich um übersichtlich rechtwinklige Anordnung der Bauelemente oder wählte immer die direkte, schräge Verbindung. Da die Bauelemente wie Kondensatoren oder Widerstände damals auch noch sehr groß und lang waren, konnten sie Distanzen von einigen Zentimetern überbrücken. Geräte dieser Art waren nur von Hand und mit Kenntnis des Verdrahtungsplanes zu fertigen. Das heillose Drahtgewirr war Fritz Stahl ein Dorn im Auge. Der Radioreparateur war genervt vom Kabelgewirr in den Geräten und sann auf Abhilfe: Dem Gründer und Inhaber der Rundfunk-Werkstätten und Labor (Ruwel) gelang es, im Jahr 1956 in Geldern die erste Leiterplatte in Serie für die damaligen Metz-Radio-Werke zu produzieren. Dies war zugleich die Geburtsstunde der Leiterplatte in Deutschland und auch Europa.

Mit dem Entstehen der deutschen Leiterplattenindustrie ab dem Jahr 1956 konnten die Hersteller ein stetiges, teils stürmisches Wachstum, mitunter mit zweistelligen Zuwachsraten verbuchen. Großen Schwung in die Platinenwelt brachten in den 1960er und 1970er Jahren die Weiterentwicklungen in der Computerbranche. Die immer größer werdenden Anforderungen der Computer an die darin integrierten Leiterplatten sorgten für zahlreiche Innovationen auf diesem Gebiet. Durch die Erfindung der Multilayer-Leiterplatte, auf der sich Verdrahtungen und I/O-Positionen auf mehreren Lagen unterbringen lassen, wurde das Platz- und damit Leistungsproblem auf der Leiterplatte zumindest vorerst gelöst.

Multifunktionale Boards für höhere Packungsdichte

Zwar war die Multilayer-Leiterplatte ein wichtiger Schritt hinsichtlich der Entwicklung von tragbaren Geräten, doch die Lasertechnik war der nächste, richtungsweisende Schritt. Um 1999 hat es die Einführung der HDI-Technologie (lasergebohrte Leiterplatten) erstmals ermöglicht, Einzellagen zu verdrahten. Mit der Filled-Via-Technik war es möglich, diesen Designvorteil in weitere Leiterlagen unterzubringen. Ein weiterer Sprung war die Einführung der Any-Layer-Technologie, die es ermöglichte, auch über die zentrale Lage hinaus Chips zu entflechten und in weiterer Folge eine direkte Verbindung zwischen zwei komplexen Chips zu generieren. Parallel dazu gab es einige markante Fortschritte, beispielsweise durch wesentliche Fortschritte hinsichtlich flexibler und starrflexibler Leiterplatten.

Die fortschreitende Miniaturisierung bei Bauelementen, Chips und Systemen bedeutet für die Leiterplattenfertigung auch weiterhin einschneidende Technologiesprünge zu absolvieren. Eine Antwort darauf könnten multifunktionale Boards mit so genannten Embedded-Components sein, die gewissermaßen gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Nicht nur, dass sich passive und auch aktive Bauelemente in die Leiterplatte integrieren lassen und sich dadurch eine hohe Integrationsdichte der Platine erreichen lässt. In Kombination mit flexiblen Materialien ist es möglich, die Funktionalität des Boards noch weiter zu steigern, da diese Materialien verschiedene elektrische, mechanische, thermische, optische, fluidische, induktive und in der Weiterführung sensorische und auch aktorische Aufgaben übernehmen können.