12 Regeln für die ordnungsgemäße Gestaltung des Leiterplatten-Lagenaufbaus

Die steigende Nachfrage nach kompakteren elektronischen Produkten erfordert Leiterplatten mit mehreren Lagen und einer dreidimensionalen Gestaltungsperspektive. Diese Gestaltungsperspektive fügt Gestaltungsstrategien neue Probleme hinzu wie SMD-Verpackung und Lagenaufbau. Der Lagenaufbau, oder die Leiterplattenlagen, haben durch die Produktion immer komplexerer Leiterplatten, die aus mehreren Lagen bestehen, in letzter Zeit viel an Bedeutung gewonnen. Die ersten Leiterplattenprototypen waren einfach und dienten nur als Verbindungsbasis für elektronische Komponenten. Für ihre Einfachheit war die Notwendigkeit, mehrere Lagen übereinanderzustapeln, minimal. Schauen wir uns ein paar Regeln für die bessere Gestaltung der Lagen an, um hoch professionelle Systeme zu erstellen.

Der Aufbau

Ein Aufbau ist eine Anordnung von Lagen aus Kupfer und Isolatoren, aus denen eine Leiterplatte besteht, bevor das endgültige Layout der Platte entworfen wird. Einen guten Aufbau zu planen ist nicht gerade einfach und Unternehmen, die Mehrschichtleiterplatten herstellen, wie Proto-Electronics – eine europäische Plattform, die sich der schnellen Prototypentwicklung von SMT-Leiterplatten und Profilkomponenten verschrieben haben – für Profis müssen führend sein.

Mehrere Schichten (siehe Abbildung 1) erhöhen die Fähigkeit der Platte, Energie zu verteilen, sie reduzieren gegenseitige Interferenzen, eliminieren elektromagnetische Störungen und unterstützen High-Speed-Signale. Während eine Aufbaulage es Ihnen ermöglicht, mehrere elektronische Schaltungen mithilfe der unterschiedlichen Lagen auf der Leiterplatte auf einer einzigen Platte unterzubringen, bietet die Struktur des Leiterplatten-Aufbaudesigns viele weitere Vorteile:

• Ein Stapel Leiterplattenschichten kann dabei helfen, die Anfälligkeit für externe Störungen zu minimieren, sowie die Strahlung zu minimieren und die Impedanz und Probleme mit Nebensignalen bei High-Speed-Signalen zu verringern;
• Ein guter Leiterplattenaufbau kann auch zur effizienten und kostengünstigen Endproduktion beitragen;
• Ein richtiger Aufbau der Leiterplattenschichten kann die elektromagnetische Kompatibilität des Projekts verbessern.

Bei einer ein- oder doppellagigen Leiterplatte wird die Plattendicke selten berücksichtigt. Mit dem Aufkommen von mehrlagigen Leiterplatten wird die Menge an Material immer entscheidender und die endgültigen Kosten sind jener Faktor, der das gesamte Projekt betrifft. Der einfachste Aufbau kann 4-lagige Leiterplatten umfassen, bis hin zu den komplexeren mit professioneller sequenzieller Laminierung. Je höher die Anzahl der Lagen, desto freier kann der Designer seine Schaltung entwirren, mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auf „unmögliche“ Lösungen zu stoßen. Die Leiterplatten-überlappenden Operationen bestehen in der Anordnung der Kupfer- und isolierenden Lagen einer Schaltung. Der von Ihnen gewählte Aufbau spielt sicherlich auf verschiedene Art und Weise eine wichtige Rolle bei der Leistung der Platte.

Eine gute Aufbauplanung ermöglicht es Ihnen, hervorragende Produkte zu erhalten.

Eine gute Lagenaufteilung kann zum Beispiel die Impedanz der Platte reduzieren und Strahlung und Nebensignale einschränken. Sie hat auch einen großen Einfluss auf die EMV-Leistung eines Produkts. Andererseits kann ein mangelhaftes Design die Schaltungsstrahlung und Störungen signifikant erhöhen. Es gilt vier wichtige Faktoren beim Plattenaufbau zu berücksichtigen:

• Anzahl der Lagen
• die Anzahl und Art der verwendeten Pläne (Strom- und Erdungsebene);
• Sortierung und Reihenfolge der Ebenen;
• Abstand zwischen den Ebenen.

Normalerweise wird diesen Faktoren wenig Beachtung geschenkt, außer jenen, welche die Anzahl der Lagen beeinflussen. Oft ist der vierte Faktor dem Leiterplattendesigner nicht einmal bekannt. Wenn Sie sich für die Anzahl der Lagen entscheiden, müssen Sie Folgendes berücksichtigen:

• Die Anzahl der zu leitenden Signale und deren Kosten;
• Betriebsfrequenz;
• ob das Produkt die Anforderungen der Klasse A oder Klasse B erfüllen wird;
• ob die Leiterplatte in einem abgeschirmten Behälter eingesetzt wird oder nicht;
• ob das Designteam die EMV-Regeln und ‑Vorschriften kennt.

Alle Faktoren sind wichtig und entscheidend und sollten gleichermaßen berücksichtigt werden. Mehrlagige Platten, die Masse und Energie verwenden, bieten eine erhebliche Verringerung der abgestrahlten Emissionen. Eine häufig verwendete Faustregel lautet, dass eine 4-lagige Platte 15 dB weniger Strahlung als eine 2-lagige Platte produzieren wird, wenn alle anderen Faktoren gleich sind.

Es gibt Hunderte Regeln und Kriterien für die Planung eines guten Aufbaus

Es gibt Hunderte Regeln und Kriterien für die Planung eines guten Aufbaus. Schauen wir uns ein paar genauer an:

1. Erdungsebenenplatten sind besser, weil sie eine Signalroute über einen Mikrostrip oder eine Leiterbahnenkonfiguration ermöglichen. Sie reduzieren auch die Erdungsimpedanz erheblich und somit die Erdungsstörungen;
2. High-Speed-Signale sollten über Zwischenlagen „geroutet“ werden, die sich zwischen den verschiedenen Ebenen befinden. Auf diese Weise können Erdungsebenen als Schild dienen und die Strahlung der High-Speed-Bahnen eindämmen;
3. Die Signallagen sollten sehr nahe beieinander liegen, auch bei angrenzenden Ebenen.
4. Eine Signallage musst immer neben einer Ebene liegen;
5. Mehrere Erdungsebenen sind sehr vorteilhaft, da sie die Erdungsimpedanz der Platte verringern und die Strahlung auf einheitliche Art und Weise reduzieren;
6. Die Energie- und Massenebenen müssen konsequent miteinander verbunden werden;

Um all diese Ziele zu erreichen, ist es notwendig, mindestens acht Lagen einzusetzen.

Außerdem:

1. Aus mechanischer Sicht ist es ratsam, ein Profil zu implementieren, um Verformungen zu vermeiden;
2. die Konfigurationen sollten symmetrisch sein. Zum Beispiel bei einer 8-lagigen Leiterplatte sollte Lage 7 auch eine Ebene sein, wenn Lage 2 eine Ebene ist;
3. wenn sich die Signalebenen neben den Ebenenlagen (Erdung oder Strom) befinden, kann der Rückstrom auf eine angrenzende Ebene fließen, was die Induktivität der Rückleitung auf ein Minimum reduziert;
4. zur weiteren Verbesserung von Störungs- und EMV-Leistung kann die Isolierung zwischen einer Signal- und ihrer angrenzenden Ebene auch dünner gestaltet werden;
5. eine wichtige Überlegung ist die Dicke jeder Signallage. Es gibt Standarddicken zusammen mit den Eigenschaften von verschiedenen Arten von Leiterplattenmaterial. Bei der Auswahl der Materialien ist es ratsam, ihre elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften zu berücksichtigen;
6. Verwenden Sie hervorragende Software, um Ihnen dabei zu helfen, Ihren Aufbau zu gestalten. All dies sollte getan werden, um das richtige Material aus der Bibliothek zu wählen und Impedanzberechnungen basierend auf den Materialien und deren Abmessungen durchzuführen.

Schlussfolgerungen

Bei den hohen Betriebsgeschwindigkeiten der heutigen Schaltungen ist eine sorgfältige Leiterplattengestaltung notwendig und entwickelt sich in jeder Hinsicht zu einer Kunst. Eine schlecht gestaltete Leiterplatte kann die elektrische Leistung der Signalübertragung, Leistungsentfaltung, Herstellbarkeit und die langfristige Zuverlässigkeit des fertigen Produkts verringern.

Das Verschicken von Gerber-Dateien an Unternehmen bestimmt die Produktionskosten, die, wie für alle anderen Waren, entsprechend den angeforderten Mengen gesenkt werden können. Das globale Wachstum des Leiterplattenmarkts wird vom verstärkten Einsatz von mehrlagigen, flexiblen Leiterplatten angetrieben. Die Plattendichte und Designkomplexität steigt stetig, da Elektrounternehmen versuchen, immer mehr Funktionen in die Geräte einzubauen. Preis, Qualität, Lieferzeit und Service sind die wichtigsten Kriterien bei der Auswahl eines Leiterplattenherstellers und die meisten Leute sollten sich zuerst Gedanken über den Preis machen.

Die Mission von Proto-Electronics ist es, Ihnen während dieser entscheidenden Prototypphase zu helfen, indem wir Ihre Lieferzeiten verringern. Onlinepreisangebote innerhalb von 10 Minuten und Lieferzeiten ab 5 Arbeitstagen verschaffen Ihnen mehr Seelenfrieden.