Elektronische Bauelemente - Funktion, Grundschaltungen, Modellierung mit SPICE

5 Praktischer Schaltungsaufbau (S. 153-154)

Elektronische Bauelemente werden zu Schaltungen zusammengef¨ugt. Je nachdem wie die elektrische Verbindung zwischen den Bauelementen realisiert ist, wird unterschieden zwischen:

• Leiterplattenaufbau; hier werden die Bauelemente entweder mit Anschlußdrähten in vorgebohrte Löcher eingel¨otet (THMD = through hole mounted devices) oder aber ohne Anschlußdrähte direkt auf der Leiterplattenoberfl¨ache durch Löten mechanisch und elektrisch verbunden (SMD = surface mounted devices).

• Dick- und Dünnschicht-Hybridschaltungen; hier werden Siebdrucktechniken (Dickschicht) oder Aufdampftechniken (Dünnschicht) zur Herstellung von passiven Bauelementen und zur Verbindung diskreter Bauelemente eingesetzt.

• Integrierte Schaltungen; hier wird die gesamte elektronische Schaltung in einem Halbleiterkristall realisiert. Die hohe mit dieser Technik erreichbare Packungsdichte der Bauteile (> 106/cm2) in Verbindung mit anderen Vorzügen, wie einer hohen Schaltgeschwindigkeit und einem auf die Einzelbauteile bezogenen sehr günstigen Preis, hat dieser Technik, für Schaltungen die in größeren St¨uckzahlen ben¨otigt werden, einen bedeutenden Marktanteil beschert. Gegenüber Schaltungsaufbauten mit diskreten Bauteilen sind hier jedoch einige Besonderheiten zu beachten: Da die Abgleichmöglichkeiten begrenzt sind, werden Schaltungskonzepte benötigt, deren Funktion unabh¨angig von Streuungen der Bauteilkenngr¨oßen sichergestellt ist. Dabei macht man zumeist von der Tatsache Gebrauch, daß die Streuungen der Bauteilkenngrößen systematisch erfolgen, d. h., daß benachbarte Bauteile gewöhnlich nahezu identische Eigenschaften aufweisen. Nicht alle elektronischen Bauelemente eignen sich gleichermaßen für die Integration; Induktivitäten und große Kapazitätswerte beispielsweise sind nur mit Mühe realisierbar und werden deshalb in integrierten Schaltungen meist nicht eingesetzt oder falls unvermeidlich über Anschl¨usse extern zugeschaltet.

Die Integration verschiedener Transistortypen (Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren) ist sehr aufwendig – in der überwiegenden Mehrzahl der ICs werden deshalb lediglich MOS-Feldeffekttransistoren oder aber Bipolartransistoren eingesetzt. Weitere Einschränkungen resultieren aus der zul¨assigen Verlustleistung und den maximal zulässigen Spannungswerten; Leistungsbauteile wie Thyristoren oder Leistungstransistoren werden deshalb meist nicht integriert (vgl. Kap. 13).

Die einzelnen Techniken weisen deutliche Unterschiede auf bzgl. Entwicklungskosten, Packungsdichte, Gewicht, Abmessungen, Zuverl¨assigkeit, HF-Tauglichkeit etc. Welches die g¨unstigste Technik f¨ur die Realisierung einer elektronischen Schaltung ist, hängt z. B. ab von Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, den zu erwartenden Stückzahlen, der zur Verf¨ugung stehenden Entwicklungszeit, der Frequenz mit der die Schaltung arbeitet, den Umwelteinfl¨ussen (Temperatur, Feuchtigkeit) denen die Schaltung ausgesetzt ist und der geforderten Zuverlässigkeit. Ziel dieses Kapitels ist es dem in diesen Fragen nicht vorbelasteten Leser einen Abriß 2 über Leiterplatten- und Hybridtechnologie zu bieten; auf die Herstellung integrierter Schaltkreise wird in den Kapiteln 13, 16 und 21 eingegangen.

Weitere Abschnitte widmen sich der Eigenerwärmung und Kühlung sowie der Qualit¨at und Zuverl¨assigkeit elektronischer Bauelemente und Schaltungen.

5.1 Leiterplatten

5.1.1 Substratmaterialien

Leiterplatten bestehen aus einem isolierenden Substrat auf dessen Oberfl¨ache sich die Leiterbahnen zur Verbindung der elektronischen Bauelemente befinden. Die meistverwendeten Substratmaterialien sind Phenolharz- und Epoxidharz- Hartpapier sowie glasfaserverstärktes Epoxidharz; die Standardmaterialdicke beträgt dabei 1.6 mm. F¨ur den Aufbau von Schaltungen werden häufig Europa-Karten (160 mm × 100 mm) und Doppel-Europa-Karten eingesetzt.

Hartpapiersubstrate sind preisgünstig und lassen sich leicht bearbeiten. Sie werden vorzugsweise in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Glasfaserverst¨arktes Epoxidharz ist das Standardmaterial f¨ur Schaltungsaufbauten in der Industrielektronik und Computertechnik. Es zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit, gute Maßhaltigkeit und niedrige elektrische Verluste aus.