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Dienstag, 07 September 2021 11:59

Nicht mit Erfindungen, sondern mit Verbesserungen macht man Vermögen

von Prof. Rahn
Geschätzte Lesezeit: 4 - 7 Minuten
Abb. 1: Henry Fords erster Wagen (das Quadricycle) Abb. 1: Henry Fords erster Wagen (das Quadricycle) Bild: Wikimedia Commons

Schmökert man in einer britischen Enzyklopädie, so gewinnt man den Eindruck, dass alles von Briten erfunden wurde. Diese Meinung ändert sich, wenn man zu einer amerikanischen greift, in der dann Amerikaner die Erfinder sind. In französischen sind es Franzosen und in deutschen eben Deutsche und in russischen auch wiederum nur Russen.

Abb. 2: Eislers Radio mit LeiterplatteAbb. 2: Eislers Radio mit LeiterplatteOb nun Berthold Schwarz das Pulver in Freiburg i. Br. erfunden hat oder ein paar hundert Jahre früher die Chinesen, ist eine genauso absurde Diskussion wie jene über das Meißener Porzellan. Warum ist es denn so wichtig, welcher Nationalität der Erfinder war, wenn doch die Neanderthaler (oder Homo heidelbergensis), welche offensichtlich den Speer benutzten und somit wohl als Erfinder gelten könnten, zwar auf dem heutigen deutschen Boden lebten, aber sich wohl kaum als Deutsche verstanden?

In der elektronischen Industrie werden solche eigenartigen Ansprüche ebenfalls geltend gemacht. Einerseits soll es 1925 der Amerikaner Charles Ducas (US Patent US1563731A) gewesen sein, der die Grundidee für die Leiterplatte hatte. Dem widersprechen nun wiederum jene, die sich an den Deutschen Albert Hanson klammern, der schon 1903 in England einen flachen Folienleiter auf einer Dämmplatte mit mehreren Schichten patentieren ließ, was zwar nicht wie eine moderne Leiterplatte ausgesehen haben mag, aber doch viele der grundlegenden Eigenschaften besaß.

Wiederum in England findet man ein Patent von dem österreichischen Erfinder Paul Eisler, das der Sache schon näher kam. Eislers Patentanmeldung von 1943 wurde schließlich in drei separate Patente aufgeteilt: 639111 (dreidimensionale gedruckte Schaltungen), 639178 (Folientechnik gedruckter Schaltungen) und 639179 (Pulverdruck) und 1950 veröffentlicht. Er selbst baute ein Radio mit diesen Gedanken, aber es sollte nicht verwundern, dass die ersten Leiterplatten dann in Waffensystemen eingesetzt wurden.

Der Gedanke den Drahtsalat in elektronischen Produkten und Laboratorien zu regeln, ist vielen gekommen. So experimentierte etwa Thomas Edison bereits 1904 mit chemischen Methoden zum Beschichten von Leitern auf Leinenpapier. Relevant ist auch Arthur Berrys Patent von 1913 in Großbritannien, das ein Druck- und Ätzverfahren beschreibt, und in den USA erhielt Max Schoop ein Patent, um Metall durch eine Maske als Muster auf eine Platte zu sprühen. Wie so oft bahnte sich also der Durchbruch an weil man mit dem gegenwärtigen Zustand nicht zufrieden war.

Sicherlich war auch einer der Gründe, dass ein Drahtgewirr nur per Hand gelötet werden konnte und deswegen eine Massenproduktion nur mit vielen Arbeitern möglich war, was wegen der Unzuverlässigkeit der Handarbeit zu erhöhtem Risiko bei den Produkten führte.

Abb. 3: Schwalllöten nach Barnes und Strauss – soll ‚fehlerfrei‘ löten!Abb. 3: Schwalllöten nach Barnes und Strauss – soll ‚fehlerfrei‘ löten!

Abb. 4: Fernseher von 1948 noch ohne LP (Motorola)Abb. 4: Fernseher von 1948 noch ohne LP (Motorola)Mit der Leiterplatte wurden plötzlich alle potentiellen Lötstellen in einer Ebene angeboten, was verführerisch auf eine Automatisierung deutete. Tatsächlich meldeten am 3. Oktober 1956 Allan Barnes, Vic Elliot und Ralph Strauss (alle Fry’s Metals) ein Patent für eine neue Erfindung an, das am 23. Juli 1958 erteilt wurde. Allan Barnes, ein Wissenschaftler, und Ralph Strauss, ein Flussmittelchemiker, hatten das Schwalllöten erfunden, das dann mithalf, die elektronische Fertigung für Jahre voran zu treiben.

Aus den verschiedenen Anstrengungen erkennt man, dass man mit allen möglichen Basismaterialien experimentierte. Als frühes PCB-Material diente fast alles, von Bakelit und Masonit bis zu dünnen Holzplatten. Man bohrte Löcher, nietete Messingdrähte darauf und steckte Bauteile drauf und hinein. In alten Radios und Grammophonen findet man gelegentlich noch solche Erzeugnisse.

Zwischenzeitlich wurden die Amerikaner aus ihrer besinnlichen Ruhe gerissen, als sie aus dem All russische Pieptöne vernahmen:

  • Start des ersten Satelliten, Sputnik, im Jahr 1957
  • Start des ersten Raumfahrzeugs, Luna 2, zum Mond im Jahr 1959
  • Versand des ersten Kosmonauten, Yuri Gagarin, um die Erde im Jahr 1961

Obgleich bereits 1947 doppelseitige Leiterplatten mit Durchkontaktierungen vorhanden waren, dauerte es noch bis 1963 als die Hazeltyne Corporation [1] ein Patent für die erste Durchkontaktierung anmeldete. Jetzt wurde es möglich, Bauteile viel enger beieinander zu platzieren. Da das Schwalllötverfahren bereits vorhanden war, ging die Massenproduktion jetzt erst richtig los. Die hochgeschraubten Budgets solcher Institutionen wie der NASA halfen dabei ebenfalls. Das US-Raumfahrtbudget stieg 1960 um das Fünffache!

plus 2021 08 0040Wie man aus der Illustration des Patents 3323198 ersehen kann, waren mehrlagige Leiterplatten bereits bekannt. Schon 1960 waren Leiterplatten mit vier und mehr Lagen in Produktion gegangen. Was noch fehlte, waren Prozesse welche die Herstellung vereinfachten. Auch beim Design hinkte man noch hinterher, denn fast alles musste noch von Hand entworfen werden. Spezialprogramme mussten entwickelt werden, die dann auch bald eingeführt wurden.

Der erste Transistor sieht zwar noch etwas groß und eigenartig aus, aber bald konnte man mehrere auf einer Silikonplatte unterbringen und heutzutage schafft man schon beträchtlich mehr. Zur Zeit sind TSMC und Samsung in Südkorea die einzigen Hersteller weltweit, die erstklassige 7-Nanometer-Chips mit mehr als 10 Milliarden Transistoren herstellen können.

Der zweite Durchbruch, der dann alles änderte, war die Erfindung der integrierten Schaltung [2], die bald zum Großrechner überleitete. Computer und alles was damit zu tun hat, kann man sich nicht mehr aus der Welt wegdenken. Vom ersten handgehaltenen Telephon oder dem ersten elektronischen Taschenrechner zum heutigen Laptop oder Mobiltelephon ist es ein Weg, der in sehr kurzer Zeit durchschritten wurde.

Keine Siebenjährige, die etwas auf sich hält, wundert sich, dass ihr Smartphone sie nicht nur mit ihren Freundinnen verbindet, sondern auch alle deren Telephonnummern und Adressen speichert. Sie kann auch ihre Lieblingsspiele abrufen und Musik hören. Als Wecker und Uhr fungiert das Ding ebenfalls und notfalls auch als Taschenlampe. Sie photographiert und filmt ihre Katze und lädt all das ins Internet. Dabei hat sie noch längst nicht alle Fähigkeiten ausgereizt, die ihr Vater vielleicht nutzt.

Der Druck auf die Leiterplatte führte zu neuen Produktionsmethoden, die vom EDA (Protel [3] & EAGLE [4]) bis zur vollautomatischen Fertigung reichen. Dazwischen funkt dann die oberflächige Bestückung, die in Japan auf dem Modell der Hybridschaltungen entwickelt wurde, vergrabene Bauteile in den Zwischenlagen kamen dazu, die alles schrumpfen ließen und schließlich die drei-dimensionalen Vorgaben.

 

 Abb. 6: Erster Transistor 1947 (Bell Labs) Abb. 6: Erster Transistor 1947 (Bell Labs)

 Abb. 7: Invertierte-F-Antenne, gedruckt mit CB028 auf 3D-gedruckter, bromierter ABS-Telefonhülle – vor Anbringen der GrundplatteAbb. 7: Invertierte-F-Antenne, gedruckt mit CB028 auf 3D-gedruckter, bromierter ABS-Telefonhülle – vor Anbringen der Grundplatte

 Abb. 8: 3D-Strukturelektronik (Keck Center, University of Texas at El Paso)Abb. 8: 3D-Strukturelektronik (Keck Center, University of Texas at El Paso)

 

Nachdem einst IBM das Innere eines Schreibmaschinengehäuses als Leiterplatte nutzte, wird man in Zukunft immer mehr zu völlig neuen Herstellungsmethoden übergehen, wie etwa das gemeinsame Drucken der dreidimensionalen Leiterplatte mit den dazugehörigen Leitungen und Bauteilen.

Andererseits ist der Datenmenge wegen das Photon nicht aus dem Auge zu verlieren. Da immer mehr Daten verwendet und genutzt werden, wird der elektrische Metallleiter immer mehr durch optische Leiter ergänzt und vielleicht ist die Leiterplatte der Zukunft eine Glasscheibe?

Literatur:

K. Church et al.: Turning Printed Circuit Boards Into Printed Circuit Structures Using 3D Printing, army contract # W911NF13-1-0109, US ARMY RDECOM ACQ CTR - W911NF, Title: HBCU/MI: 3D Formable RF Mat
D. Geiger; G. Thein: 3D Assembly Processes a Look at Today and Tomorrow, IPC APEX EXPO Conference Proceedings
J. Schwietering: The Glassy Future of Circuit Boards, 30.04.2020; Fraunhofer/IZM

Referenzen

[1] en.wikipedia.org/wiki/Hazeltine_Corporation
[2] 1958 von Jack Kilby bei Texas Instruments
[3] en.wikipedia.org/wiki/Altium_Designer
[4] en.wikipedia.org/wiki/EAGLE_(program)

Zur Person

Prof. Rahn ist ein weltweit tätiger Berater in Fragen der Verbindungstechnologie. Sein neues Buch über ‚Spezielle Reflowprozesse' erschien vor Kurzem beim Leuze Verlag. Er ist erreichbar unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, wohin auch Anfragen über In-Haus Seminare gerichtet werden können.

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 8
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Prof. Rahn

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