Die Geschichte der Leiterplatte

Mit dem 19. Jahrhundert begann ein Zeitalter unglaublicher Erfindungen. Um nur einige wenige Beispiele zu nennen: Die Erfindung der Telegrafie ermöglichte es, Informationen schnell über die ganze Welt zu verbreiten. Elektromotoren ersetzten Dampfmaschinen. Ganze Regionen wurden mit Strom versorgt. Die Unterhaltung wurde bereichert durch Radiogeräte, Filme und Kino. Auch entstanden Nähmaschinen, der Verbrennungsmotor und die ersten Autos. 1880 wurde die Glühbirne von Tomas Alva Edison populär, und Städte und Dörfer wurden erleuchtet.

Mit Beginn des 20. Jahrhunderts begann ein enormer Wachstumsschub in der Kommunikationstechnik. Die Telefonnetze und Teilnehmerzahlen wuchsen. Sie benötigten eine Vielzahl elektrischer Verbindungen. Die Funk- und Radiogeräte wurden immer komplexer und erforderten eine manuelle Einzelverdrahtung der Bauteile. Viele Fehler entstanden beim Aufbau und der Verdrahtung. Die Bauteile konnten damals nur von Hand gelötet werden. Eine Massenproduktion war nur schwer möglich.

Die schnell wachsende Elektronik-Industrie suchte nach einer Vereinfachung der Verdrahtungsarbeit. Bereits 1903 wurden die ersten Patente eingereicht, die eine Automatisierung der Verdrahtung möglich machten. Die Verbesserung wurde aber nicht nur mit einem Patent erreicht – es waren viele Jahre der Entwicklung nötig.

Ein erstes Patent von 1903 zählt aber zu den bedeutendsten Erfindungen und stellte eine Schlüsseltechnologie der möglichen Automatisierung dar, auf das weitere Patente schließlich zur heutigen Leiterplatte führten. Damals reichte der Berliner Ingenieur Albert Parker Hanson das Patent mit der Nummer 157882 ein[1]. Es beschreibt eine neue Verdrahtungstechnik, die eine Erleichterung bei der Herstellung der Vermittlungseinrichtungen von Telefonsystemen mit sich bringt. Ausgestanzte oder ausgeschnittene Kupfer- oder Messingstreifen werden auf paraffingetränktes Papier geklebt. Zwischen den einzelnen Schichten wird eine Isolationsschicht aufgebracht, die an den Verbindungsstellen Öffnungen hat. An diesen Öffnungen konnten dann Längs- und Querleitungen durch Löten miteinander verbunden werden. Die Anzahl der Schichten war variabel. Weitere Isolierschichten brachten mehr Lagen. Die Metallstreifen wurden in abwechselnden Lagen zu einem rechteckigen Gitter angeordnet. Mit diesem System konnte Hansen viele Verbindungen auf kleinstem Raum realisieren.

Dies war die erste öffentlich dokumentierte Erfindung im Bereich der Leiterplatte, sie führte schließlich zu den heutigen durchkontaktierten Leiterplatten und Multilayern.

Auch Tomas Alva Edison erhielt 1904 ein Patent über die Herstellung galvanischer Verbindungen mittels Auftragen von Metallpulver auf Isolatoren, das mit zur Leiterplattenentwicklung verwendet wurde.

1913 meldete Artur Berry ein Patent in Großbritannien an, bei welchem auf Metall der Leiterzug mit einem säurefesten Lack gezeichnet und dann das freiliegende Metall abgeätzt wurde. Als Lack wurde Bitumen verwendet. In diesem Patent wurde erstmalig das Ätzen einer Leiterplatte beschrieben.

Der Schweizer Max Schoop erhielt 1918 ein amerikanisches Patent auf ein Metall-Flammspritzverfahren, das flüssiges Metall durch eine Maske sprühte. Es wurden mit diesem System sehr dicke Leiterzüge aufgebracht, die für die damalige Elektronik nötig waren. Das Verfahren war sehr teuer, wurde aber serienmäßig eingesetzt. Die dicken Leiterzüge waren in der Lage, die damaligen hohen Spannungen und Stromstärken zu transportieren.

Alle bisherigen Patente brachten für die Elektronik Verbesserungen, aber kein Verfahren war für die Fertigung von hohen Stückzahlen geeignet.

Die Nachfrage nach Radios und Grammophonen war in dieser Zeit stark gewachsen. Alle Geräte wurden in den 1920er Jahren bereits mit leiterplattenähnlichen Produkten hergestellt. Bakelit, Papierschichtstoffe, Pappe, Holzfaserplatten und auch Holzbretter dienten als Grundlage, in die Löcher gebohrt wurden. In diesen Löchern befestigte man die Bauteile und Röhren mit Schrauben. Die Bauteile wurden mit Drähten verbunden.

Der Arbeitsprozess konnte nur von Hand und mit der genauen Kenntnis des Verdrahtungsplanes durchgeführt werden.

Die Industrie arbeitete weiter an Verbesserungen der Montagetechnik. Besonders in Amerika geschahen bedeutende Entwicklungen und wurden bessere Methoden zur Großserienfertigung erarbeitet.

1925 erhält der Amerikaner Charles Ducas das US-Patent 1563731, das erstmalig einen Leiterplattenentwurf und das Ätzen und Galvanisieren von Leiterbahnstrukturen beschreibt [2]. Zum Herstellen der Leiterzüge diente eine Schablone, die auf die Isolierplatte gelegt und die leitfähige Paste durch die Aussparungen gedrückt wurde (Siebdruck). Nach dem Entfernen der Schablone wurden die Leiterzüge galvanisch verstärkt. Weiter beschreibt er in seiner Patentschrift, wie Rillen in Wachs durch leitende Paste gefüllt und anschließend galvanisch verstärkt werden. Der Vorgang konnte auf beiden Seiten eines Dielektrikums durchgeführt werden.

Zu etwa der gleichen Zeit ging ein weiteres Patent beim amerikanischen Patentamt ein (US-Patent 1 582 683). Francis T. Harmon beschrieb das Erstellen von Radiospulen durch Ätztechnik. Ein Metallblech wird mit einer chemisch resistenten Schicht überzogen, die in festgelegten Bereichen freigelegt und das nun freiliegende Metall geätzt wurde.

Im März 1925 reichte in Frankreich M. Cesar Parolini das Patent mit der Nummer FR-Patent 608 161 ein. Nach diesem Verfahren wird eine Isolierplatte mit einem Leiterzugmuster bedruckt. Zum Druck wurde Druckfarbe auf Schellackbasis eingesetzt. Die Besonderheit bestand darin, dass an dem Kreuzungspunkt zweier Leiterbahnen, eine Leiterbahn dort unterbrochen wird. Im noch feuchten Zustand wurde das Leiterbild mit Kupferpuder bestäubt. Es haftete an der feuchten Haftvermittlerdruckfarbe. Der Rest wurde abgebürstet. An den Kreuzungspunkten wurde die Unterbrechung mit U-förmigen Metalldrahtbrücken in das Metallpulver gedrückt. Die Platte wurde dann mit Kupfer zur Verstärkung der Leiterbahnen galvanisiert. Ein folgender Thermoprozess verstärkte die Haftung des Kupfers.

Auch im Jahre 1925 gibt es ein Patent von einem Amerikaner namens Bassist zur Herstellung von flexiblen Druckplatten. Er arbeitete mit lichtempfindlichen Chromsalzen als Photoresist. Das Leiterbild wurde galvanisch verstärkt und geätzt.

In dieser Zeit wurden viele Patente über die Fertigung von ‚Leiterplatten' eingereicht, die sich jedoch nur auf Abweichungen oder geringfügige Änderungen früherer Patente beziehen. Der Durchbruch zur automatisierten Fertigung war noch nicht gekommen.

In Deutschland begannen 1926 Firmen erstmals ihre Kapazität und Produktionsqualität durch Verdrahtung der Bauteile mit Messingstreifen zu verbessern. Die ausgestanzten Streifen wurden auf Phenolharz genietet und an den Nieten die Bauteile befestigt. Es war dies das erste Konzept einer Leiterplatte in Deutschland.

1930 entstand bei den Hescho-Keramischen-Werken in Hermsdorf eine Besonderheit. Es wurden mittels Siebdrucktechnik Leiterzüge auf Keramiksubstrat gedruckt und danach die Farbe eingebrannt. Das Aufbringen von metallischen Leiterzügen auf Keramik ermöglichte es, Rundfunkaufbauteile wirtschaftlicher zu gestalten. Dies war die Grundlage der heutigen Dickschichttechnik. Eine Besonderheit entstand in diesem Zusammenhang, sämtliche Anschlüsse wurden durch eine gemeinsame Tauchlötung mit der Platte verbunden.

1933 stellte der Amerikaner Franz eine Siebdruckdruckpaste mit einem Kohlenstoff-Füllmittel her, welche auf Zellophan aufgedruckt wurde. Nach dem Aushärten hatte der Lack gegenüber Metall einen zu hohen elektrischen Widerstand. Dies wurde durch eine zusätzliche galvanische Verstärkung verbessert. Er beschrieb weiterhin eine flexible, faltbare Schaltung als Ersatz für die Wicklungen in Transformatoren.

Ab den 1930er Jahren wurden die Radioempfangsgeräte zum wichtigsten Unterhaltungs- und Informationsmedium. In den Radiogeräten wurde auch weiterhin zunächst die Verbindung der Widerstände, Spulen und der Elektronikröhren durch Einzelverdrahtung durchgeführt. Das Drahtgewirr konnte nur von Hand gelötet werden. Die hohe Nachfrage an Geräten war deshalb nur mit einer Vielzahl an Arbeitskräften zu ermöglichen.

1936 bahnt sich eine gewaltige Verbesserung an. Der Österreicher Ingenieur Paul Eisler, emigrierte als Jude nach London. Er arbeitete daran, elektronische Schaltungen auf eine isolierende Basis zu legen. Die erste Leiterplatte wurde entwickelt. Eine Telefongesellschaft zeigte Interesse, beschäftigte sich aber nicht weiter damit, da die manuelle Verdrahtung doch billiger war. Sein erstes Patent 1936 beschreibt die heutige gedruckte Schaltung. Ein Meilenstein. Aber auch englische Radiofirmen, mit einer Vielzahl von Löterinnen, lehnten sein Patent aus Kostengründen ab. Das britische Ministerium für die Rüstungsindustrie fand auch keinen Einsatz. Eisler arbeitete weiter an seinem Konzept und beantragte 1943 weitere Patente. Patent 63911 (dreidimensionale gedruckte Schaltungen), Patent 639178 (Folientechnik gedruckter Schaltungen) und das Patent 639179 (Pulverdruck).

Eisler schlug vor, als Ausgangsprodukt der Leiterplattenherstellung ein mit Kupferfolie kaschiertes, plattenförmiges Phenolharzpapier zu verwenden [3]. Die Kupferoberfläche wird danach mit einer den Leiterzügen entsprechende Maske bedruckt und das freiliegende Kupfer abgeätzt. An den Leiterbahnenden werden Löcher gebohrt, die zum Bauteilebestücken verwendet werden. In diesem Bereich wurden auch die Lötaugen vergrößert. In einem Tauchvorgang wurden alle Lötverbindungen gemeinsam verlötet. Eine Automatisierung war jetzt möglich. Das Herstellverfahren von Eisler entspricht auch heute noch der Siebdruck-Ätztechnik. Mit dieser Technologie der Leiterplatte baute Eisler das erste Radio, das im Londoner Museum ausgestellt ist.

Die von Eisler in England angemeldeten Patente wurden automatisch auch nach Amerika gemeldet und dort sofort aufgegriffen. 1941 entstanden hier bereits erste Produktionsanlagen für Leiterplatten. Der Einsatz erfolgte in Waffensystemen, besonders für die Herstellung von Näherungszündern.

Nach dem Krieg wurde in Amerika die Entwicklung der Leiterplattentechnologie stark beschleunigt, viele Konferenzen abgehalten und Veröffentlichungen geschrieben. 1947 fand in Washington ein riesiges Symposium statt, das über alle bestehenden Leiterplattenverfahren berichtete.

Die Amerikaner gaben 1948 alle Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten für die kommerzielle Nutzung frei, nachdem das amerikanische Patent Nr. 2.756.485 genehmigt worden war. Das beschreibt das erste Verfahren zum Herstellprozess und der automatischen Leiterplattenmontage. Zum Erstellen der Leiterplatte zeichnete der Entwickler das Leitermuster und fotografierte es auf eine Zinkplatte, mit der eine Druckplatte für eine Offsetdruckmaschine angefertigt wurde. Damit wurde das Layout auf das kupferbeschichtete Material gedruckt.

In Deutschland begann die Produktion der Leiterplatte erst 1956. Zu den Pionieren gehörten die Herren Fritz Stahl (Ruwel-Werke), Dr. Ing. Hermann Seul (Isola-Werke) und Werner Peters (Lackwerke Peters) [4].

Die ersten Serienplatten der Firma Ruwel wurden 1957 an die Firma Metz nach Fürth geliefert. Ebenfalls an Metz lieferte zur gleichen Zeit auch die Firma Dr. Johannes Heidenhain Leiterplatten.

Ab diesem Zeitpunkt wird die konventionelle Bauteileverdrahtung durch Leiterplatten ersetzt. Alle Lötstellen konnten in einer Ebene verlötet werden.

Die Handarbeit wurde durch die Erfindung des Wellenlötens stark reduziert. Am 3. Oktober 1956 meldeten 3 Mitarbeiter der Firma Fry's Metals das Patent einer Schwalllötanlage an. Die bestückte Leiterplatte konnte nun in einem Arbeitsgang gelötet werden [5].

Es entwickelte sich neben der Leiterplattenproduktion eine Vielzahl an neuen Technologien. Das Layout der Leiterplatte wurde noch von Hand entworfen und gezeichnet. Bald kamen danach Computerprogramme, die ein automatisches Layout gestalteten. Das Phenolharzpapier wurde durch Epoxidharz verbessert und Hochfrequenzmaterial entwickelt. Zugleich wurden Firmen gegründet, die Maschinen, Anlagen und chemische Produkte für die Leiterplattenproduktion lieferten.

Bisher wurden nur einseitig kupferkaschierte Leiterplatten in der Industrie verwendet. Eine höhere Packungsdichte erreichte man mit dem Wire-Wrap Verfahren, das 1959 in Produktion ging. Diese Technik entsteht durch Kombination einer Leiterplatte mit der Wire-Wrap Verbindungstechnik. In die Lochung der Leiterplatte werden Vierkantstifte eingedrückt. Ein Draht wird mit einer „Wickelmaschine“ um einen Stift gewickelt und zum nächsten ausgesuchten Stift geführt und ebenso umwickelt.

Aber bereits 1947 hatte man Verfahren, die eine Durchkontaktierung von Leiterplattenoberseite zur -Unterseite ermöglichten. In Amerika fertigte die Firma Photocircuits 1957 die ersten Serienplatten in dieser Technik. In Deutschland wurde 1960 mit der Serienfertigung begonnen.

Ein weiterer Fortschritt war 1961. In Amerika patentierte die Firma Hazeltyne das Verfahren der Mehrlagenplatte (Multilayer). Die normale, durchkontaktierte Leiterplatte hat eine Kupferseite oben und eine Kupferseite auf der Unterseite. Die Verbindung beider Seiten geschieht durch verkupferte Löcher. Beim Multilayer sind weitere Kupferlagen im Innern des Basismaterials eingepresst. Die Verbindung aller Lagen zu den Außenlagen wird auch durch verkupferte Löcher hergestellt. Der Multilayer hat gegenüber der zweiseitig durchkontaktierten Leiterplatte eine höhere Packungsdichte.

1966 erfolgte der Aufbau der Multiwire-Technologie, die geschriebene Leiterplatte. Das Grundkonzept dieser Leiterplatte besteht darin, dass Leiterzüge, die aus einem isolierten Draht bestehen, mit Hilfe eines numerisch gesteuerten Drahtlegekopfes auf eine vorbereitete Oberfläche geschrieben werden [6].

Ab 1968 arbeitete man an Verfahrens- und Produktionsverbesserungen. Eine kleine Auswahl: Die Firma Du Pont entwickelte den laminierbaren Feststoffresist. IMS-Leiterplatten gingen in Produktion. Numerisch gesteuerte Bohrmaschinen erhöhten die Kapazität. Automatische Bestückungsmaschinen ersetzten die Handbestückung. Heißverzinnungsanlagen ersetzten das galvanische Zinn-Blei-Verfahren. UV-härtbare Lötstopplacke und Lötstoppfolien verbesserten die Qualität.

Ab Mitte der 1980er Jahre fertigte man unbedrahtete Bauteile. Sie konnten direkt auf die Leiterplatte aufgelötet werden. Diese oberflächenmontierten Bauteile – Surface Mounted Devices (SMD) – ersetzten viele Steckbausteine. Das Bestücken der Leiterplatte konnte auf beiden Seiten erfolgen. Es erhöhte sich die Packungsdichte und die Leiterplatten wurden kleiner. Parallel hierzu entwickelte sich die EDA-Software, das Electronic Design Automation. Mit deren Hilfe wurde es möglich, die Leiterplatte und die Bestückung als Einheit zu bearbeiten.

Durch die Entwicklung von neuen Bauteilen änderte sich ab 1990 der Layout-Entwurf. Die Ball Grid Arry Gehäuse (BGA) wurden eingeführt. Die Micro-Via-Technologie (Durchkontaktierungen von inneren Lagen) ermöglichte die Einführung von HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect) [7]. Diese Leiterplatten können nur mit Laserbohrmaschinen gebohrt werden.

Die Technologie der Heat Sink Leiterplatten wurde 2002 von der Firma Fela entwickelt. Eine große technische Änderung der Leiterplatte trat 2003 durch das Verbot der bleihaltigen Oberfläche ein. Der Ersatz war entweder galvanisch Zinn, chemisch Zinn oder Heißluft Zinn. Durch diese umweltbedingte Maßnahme (RoHs) entstanden weltweit große Lötprobleme.

Die heutige Entwicklung der Leiterplattentechnologie wird bestimmt durch die Art der neuen Bauteile. Eine schnell fortschreitende Miniaturisierung im Bereich der Elektronik erfordert es, Bauteile mit in die Leiterplatte einzuarbeiten. Mit Hilfe der Embedding-Technologie wird die Miniaturisierung der Leiterplatte weiter vorangetrieben. Auch werden bereits Lichtleitfasern mit in die Multilayer eingebaut [8].

80 Jahre sind seit dem ersten Leiterplattenpatent von Herrn Eisler vergangen. Die Leiterplattentechnologie hat sich in dieser kurzen Zeit enorm gewandelt, und sie ist zu einer der wichtigsten Technologien geworden. Keines unserer modernen elektronischen Geräte könnten heute ohne die Leiterplatte gefertigt werden.

Literatur

[1] Albert Parker Hanson, Patentschrift Nr. 157882
[2] Charles Ducas, US-Patent 1563731
[3] Paul Eisler: Gedruckte Schaltungen, Carl Hanser Verlag, München, 1961
[4] Günther Herrmann; Karl Egerer: Handbuch der Leiterplattentechnik, Band 2, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 1991
[5] Armin Rahn: Nicht mit Erfindungen, sondern mit Verbesserungen macht man Vermögen, PLUS 8/2021
[6] Manfred Hummel: Einführung in die Leiterplatten- und Baugruppentechnologie, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2017
[7] Printed circuit board, Eintrag Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board (Abruf: 10.8.2023)
[8] Klaus Ritz: Handbuch der Leiterplattentechnik, Band 5, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2019