Wann und wie mehrlagige Leiterplatten verwendet werden sollen

Die Nachfrage nach mehrlagigen Leiterplatten wächst. Die kleine und schnelle Geräteelektronik hat die mehrlagige Leiterplatte sehr beliebt gemacht. Diese Leiterplattentypen ermöglichen eine beispiellose Miniaturisierung mit einer sehr hohen Komponentendichte. Mehrlagige Leiterplatten sind Leiterplatten, die aus mehr als zwei Lagen bestehen. Sie müssen daher mindestens drei Schichten leitfähigen Materials innerhalb des Isoliermaterials haben. Auf der anderen Seite haben doppelseitige Leiterplatten nur zwei Lagen leitfähigen Materials, die obere und die untere. Extrem komplexe Geräte wie Mobiltelefone, Smart-TVs, Computer und andere könnten heute ohne die Unterstützung exzellenter mehrlagiger Leiterplatten nicht existieren. In diesem Artikel untersuchen wir ihre Verwendungsbereiche und die Gelegenheiten, in denen sie eingesetzt werden müssen.

Übersicht über mehrlagiger Leiterplatten

Mit neuen Technologien und der hohen Integration von Komponenten sind elektronische Schaltkreise nun extrem komplex und die Kontakte zwischen den verschiedenen Teilen haben sich enorm vervielfacht. Einseitige und doppelseitige Schaltkreise reichen nicht mehr aus und für Hochfrequenzanwendungen ist es unerlässlich, extrem niedrige Montagestärken beizubehalten, um unerwünschte kapazitive Erhöhungen zu vermeiden. Mit anderen Worten, heute sind mehrlagige Leiterplatten die einzige Lösung, um die Herstellung elektrischer und elektronischer Schaltkreise zu ermöglichen. Mobiltelefone, Computer, Mainboards, eingebettete Systeme und mehr haben alle eine mehrlagige Leiterplatte, und wenn sie scheinbar nicht sichtbar sind, ist ihre Präsenz dank der extremen Kompaktheit der Geräte selbst garantiert. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine Kombination aus mehreren Lagen. Einseitige und doppelseitige Leiterplatten werden zu dieser komplexen endgültigen Leiterplatte kombiniert. Mit einer größeren Schichtanzahl haben sie einen größeren Bereich für die Montage der elektronischen Komponenten und die elektrische Leitungen. Die verschiedenen Ebenen werden mit Isoliermaterial voneinander getrennt. Jede Lage ist einer bestimmten Funktion gewidmet, wenn die Leiterplatte optimal ausgelegt ist. Die Anordnung der Lagen sollte für die anderen Lagen keine Probleme verursachen. Die Techniken zur Herstellung mehrlagiger Leiterplatten sind extrem komplex und nur sehr fortgeschrittene Unternehmen können sie erreichen.

Heute ist es einfach, Leiterplatten zu finden, die aus 32 oder mehr Lagen bestehen, und die Techniken für ihre Realisierung sind extrem fortgeschritten. Theoretisch können auch Leiterplatten mit 100 und mehr Lagen erstellt werden. Smartphones können je nach Komplexität der bereitgestellten Anwendungen bis zu 12 Ebenen haben. Die verschiedenen Wechsellagen (siehe Abbildung 1) werden bei hoher Temperatur und hohem Druck zusammengedrückt, um die verbleibende Restluft zu eliminieren. Auf diese Weise werden selbst die leitfähigen Lagen durch das Harz perfekt verkapselt, um ein sicheres und garantiertes Endergebnis zu erzielen. Erinnern Sie sich daran, dass die leitfähigen Lagen die realen Spuren sind, auf denen der elektrische Strom fließt.

Mehrlagige Leiterplatten finden heute ein extrem breites Einsatzgebiet und praktisch alle komplexen Geräte nutzen diese Kontaktierungsmethode. Sie finden sich in Computern, Telefonschaltkreisen, Handgeräten, industriellen und medizinischen Systemen. Aufgrund der Universalität des Einsatzes haben mehrlagige Leiterplatten offensichtlich große Vorteile. Sie ermöglichen die Herstellung von Schaltkreisen mit reduzierten Abmessungen, mit einer erheblichen Platz- und Gewichtseinsparung, die externe Verkabelung wird auf ein Minimum reduziert, die elektronischen Komponenten können auch durch die Einhaltung einer höheren Baugruppendichte montiert werden, Impedanzen und parasitäre Kapazitäten werden drastisch reduziert und es gibt dank der genauen Positionierung der Leistungs- und Erdlagen eine effiziente EMI-Abschirmung. Die Verwendung mehrlagiger Leiterplatten ermöglicht die Implementierung sehr komplexer elektronischer Schaltkreise auf kleinen Leiterplatten.

Abbildung 1: die Standardzusammensetzung einer mehrlagigen Leiterplatte

Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten

Mehrlagige Leiterplatten bieten zahlreiche Vorteile und ihre Verwendung nimmt exponentiell zu. Hier sind die wichtigsten Vorteile dieser Platten:

• Die aktuelle Technologie ermöglicht die Herstellung von starren oder flexiblen Leiterplatten. Es ist offensichtlich, dass die Flexibilität umso geringer ist, je größer die Anzahl der Lagen ist;
• bei Leiterplatten sind die Abmessungen der Geräte kleiner. Das Stapeln der Schichten ermöglicht in der Tat Platzeinsparungen und reduzierte Abmessungen und die Schaltkreise sind aufgrund des Fehlens von Steckverbindern auch leichter;
• dies erhöht die Fähigkeiten und die Komplexität der Schaltkreise;
• der wohl einzige negative Aspekt sind die Preise, die viel höher sind als bei herkömmlichen Leiterplatten. Dieses kleine Problem wird jedoch dank der erreichten Funktionalität und Leistung reichlich kompensiert.

Falsche Ansammlung von Lagen

Das Design einer mehrlagigen Leiterplatte ist ein extrem komplexer Vorgang, es ist fast eine Kunst. Wenn der Stromkreis, den die Leiterplatte beherbergt, mit niedriger Frequenz (oder sogar im Gleichstrom) arbeitet, gibt es keine wesentlichen Designprobleme. Wenn das System andererseits mit hohen Frequenzen arbeiten muss, müssen viele Kriterien berücksichtigt werden, die von Physik, Elektronik, Elektrostatik und Magnetismus vorgegeben werden, um den optimalen Betrieb des Schaltkreises unter allen Bedingungen zu gewährleisten. Wenn die Lagen einer mehrlagigen Leiterplatte falsch ausgelegt sind, können einige Anomalien auftreten, die für das ordnungsgemäße Funktionieren des Systems oft verheerend sind. Einige dieser Probleme sind Überschwingweite, Unterschwingung, elektromagnetisch Interferenz, falsche Signalkopplung, Nebensprech und sogar deren Verlust oder Dämpfung. Wie wir gut verstehen können, handelt es sich um unüberwindliche Probleme, die ein qualitativ hochwertiger Schaltkreis absolut nicht haben darf. Wenn er tatsächlich Anomalien und Signalfehler aufweist, wird er wahrscheinlich nicht einmal die erforderlichen Isolations-, Konformitäts- und Sicherheitszertifizierungen erhalten, um regulär vermarktet werden zu können.

Ein perfektes Leiterplattendesign ist daher ein wesentlicher Schritt für die spätere Produktion. Ein effizientes Lagendesign spart sicherlich spätere Zeitverschwendung und vermeidet das Auftreten möglicher zukünftiger Probleme, die durch eine falsche Konstruktion entstehen könnten. Die Reihenfolge der verschiedenen Leiterplattenlagen ist äußerst wichtig und die unterschiedlichen Stapelprioritäten, bei denen auch die Materialien und Stärken berücksichtigt werden, aus denen das Substrat und die leitfähigen Leiterbahnen hergestellt werden, müssen eingehalten werden. Wie aus der vorherigen Abbildung zu sehen ist, werden die verschiedenen leitfähigen Lagen wie die „normale Signallage“, die „Leistungslage“, die „Erdlage“ und die „Hochgeschwindigkeitssignallage“ in einer fachmännisch anliegenden Weise, relativ zum entsprechenden Projekt, positioniert. Daher spielt die Position der Erdlagen und der verschiedenen Arten von Signalpegeln eine wesentliche Rolle für den Erfolg des endgültigen Projekts. Wenn die Lagen falsch geplant sind, können unerwünschte elektromagnetische Störungen und schlechte Signalqualität auftreten. Für eine perfekte mehrlagige Leiterplatte ist es notwendig, eine ausreichende Schleifenrückführung des Signals sicherzustellen. Darüber hinaus sollten alle Fälle einer möglichen Überlappung oder Querverbindung zwischen den Signalen berücksichtigt und vor allem die Frequenzarten der zu verlegenden Signale sorgfältig untersucht werden.

Die Lagen der mehrstufigen Leiterplatte

Die Erdung bietet Unterstützung für die Abschirmung von Signalen und bei diesem Leiterplattentyp sollten sie nicht vermieden werden. Aufgrund der hohen Kommunikationsgeschwindigkeiten, denen ein Schaltkreis ausgesetzt werden könnte, ist es praktisch, eine Erdlage entsprechend jeder Signallage zu platzieren. Oft ist es besser, die Lagenüberlappung zu begrenzen, um im Hinblick auf die Endkosten und die Dicke des gesamten Systems zu sparen. Daher werden die Erdlagen nach jeweils zwei Signalschichten platziert, wie in der Abbildung dargestellt. Die Leistungslagen sollten ebenfalls sehr nahe an den Erdlagen platziert werden. Wenn daher nur die leitfähigen Lagen berücksichtigt werden, könnte eine mögliche Aufteilung der Schichten wie folgt aussehen:

• Kupferlage: normales Signal;
• Kupferlage: Leistungslage;
• Erdlage;
• Kupferlage: Hochgeschwindigkeitssignallage;
• Kupferlage: Hochgeschwindigkeitssignallage;
• Erdlage;
• Kupferlage: Leistungslage;
• Kupferlage: normales Signal.

Natürlich hängt die Verteilung und Positionierung der verschiedenen Lagen von Fall zu Fall ab, sodass auf dem Markt unterschiedliche Lösungen gefunden werden können. Die Reihenfolge der verschiedenen Ebenen hängt unter anderem auch von den Kosten ab, die der Kunde bereit ist, für sein Projekt auszugeben. So oder so versuchen Leiterplattendesigner die Ebenen, basierend auf ihrer logischen Funktion logisch zu trennen. In einem komplexen System, wie in einem Computer, könnten Sie beispielsweise die Stromversorgungsleitungen, Erdleitungen, allgemeine Verwaltung, Geräte, Speicher, Prozessor- und Chipsatzlinien vorfinden. Diese Leitungen können aufgrund ihrer extremen Kommunikationsgeschwindigkeit nicht auf derselben Ebene eingefügt werden, sondern müssen auf verschiedene Lagen verteilt werden, um die Qualität des Systembetriebs zu optimieren. Bei mehrlagigen Leiterplatten werden Rücklaufspuren oder Erdlagen als Abschirmlösung verwendet. Außerdem sollten Leiterbahnen mit 90° vermieden werden, um keine EMI-Probleme zu verursachen.

Wo sollten die elektronischen Komponenten montiert werden?

Mehrlagige Leiterplatten ermöglichen, wie oben erwähnt, die Erstellung sehr komplexer, kompakter und miniaturisierter Schaltungen. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften ist es möglich, die Komponenten (auch mit vielen Klemmen ausgestattet) extrem nah beieinander zu montieren. Auf diese Weise nehmen Induktivitäten und parasitäre Kapazitäten drastisch ab. Das normale Verfahren zur Bestückung elektronischer Komponenten sieht ihre Positionierung auf den äußeren Lagen, dann auf der oberen und unteren Ebene vor. Wenn die Schaltkreise jedoch sehr komplex sind, kann es notwendig sein, sie in den internen Lagen der Leiterplatte zu platzieren, insbesondere in äußerst kritischen Bereichen wie dem medizinischen, militärischen und Weltraumsektor, bei denen die Gründe für elektrische und magnetische Störungen vollständig beseitigt werden müssen. Die verschiedenen leitfähigen Lagen werden durch die Isolierlagen effektiv getrennt. Die internen Lagen der Leiterplatte sind in der Regel doppelseitige Leiterplatte, während die äußeren Schichten aus einseitigen Leiterplatten bestehen. Für die Realisierung einer mehrlagigen Leiterplatte ist es notwendig, mehrere Eigenschaften im Auge zu behalten. Die Signalintegrität ist eine der wichtigsten. Wenn sie schlecht entworfen sind, können die Kupferleiterbahnen auf der Leiterplatte einen elektrischen Widerstand aufweisen, der in einigen Fällen die Qualität des Stroms beeinflussen kann. Deshalb werden Spuren mit kontrollierter Impedanz benötigt, während gleichzeitig die Dicke des Kupfers erhöht wird.

Die Verbindung zwischen den verschiedenen Ebenen

Die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Ebenen werden mit metallisierten Bohrungen hergestellt (siehe Abbildung 2). Sie können vorübergehend oder blind sein. Eine der Lösungen, um Platz (aber auch Geld) zu sparen, besteht darin, die normalen „versteckten“ Spuren innerhalb der Lagen zu platzieren. Diese Spuren könnten tatsächlich Platz verschwenden und intelligent in der Lage selbst „versenkt“ werden, wodurch sie vollständig vergraben oder blind werden. Die Verbindungstypen können „Durchkontaktierung“, „vergrabene Durchkontaktierung“, „blinde Durchkontaktierung“, „gestapelte Durchkontaktierungen“, „gestaffelte Durchkontaktierungen“ usw. sein. Die verschiedenen Ebenen können sich auf verschiedene Ebenen beziehen wie Erdebene, Stromversorgungsebene, Signalebene usw.

Abbildung 2: Die Lagen einer Leiterplatte werden mit verschiedenen Techniken miteinander verbunden.

Software zum Erstellen von mehrlagigen Leiterplatten

Heute gibt es immer mehr Software für das Design einer mehrlagigen Leiterplatte. Sowohl Freeware als auch kommerziell, es gibt immer mehr Programme, die Entwicklern helfen, eine Leiterplatte mit vielen Ebenen zu entwerfen (siehe Abbildung 3). Derzeit gibt es ausgezeichnete Designsoftware für mehrlagige Leiterplatten, von denen einige von mehreren Hardwareingenieuren empfohlen werden. Dazu gehören unter anderem Altium design, Eagle KiCad und OrCAD. Diese und andere Software ermöglichen über einen ausgeklügelten Lagenaufbaumanager, der eine hervorragende Synchronisation mit den verschiedenen Elementen des Schaltkreises gewährleistet, eine korrekte Stapelprozedur der Ebenen.

Abbildung 3: Neue Software ermöglicht oft die Erstellung mehrlagiger Leiterplatten

Die Planung der Lagenleiterplatten-Lagenaufbaustrategie ermöglicht den Wechsel zwischen Signalen und Strom- oder Erdebenen. Jede Lage wird durch ein Dielektrikum oder ein Prepreg getrennt. Das Hauptziel besteht darin, EMI-Rauschen, Nebensprech und Nebensprech zwischen den Ebenen zu unterdrücken und so eine effiziente Weiterleitung verschiedener Signale zwischen den Ebenen zu ermöglichen. Beim Routing sollten Durchkontaktierungen sinnvoll eingesetzt werden, indem einige ziemlich wichtige Regeln befolgt werden.

Kosten

Leider zeichnen sich mehrlagige Leiterplatten durch ziemlich hohe Kosten aus, obwohl sie unersetzlich sind. Mehrlagige Leiterplatten benötigen außerdem mehr Zeit bei der Entwicklung und Herstellung, sodass Unternehmen Projektdateien viel früher erhalten müssen. Die Reparatur mehrlagiger Leiterplatten ist auch komplexer als bei normalen Leiterplattendesigns. Abbildung 4 zeigt eine allgemeine Grafik der durchschnittlichen Kosten von mehrlagigen Leiterplatten von drei Musterherstellern. Die Kostenkriterien des Diagramms lauten wie folgt:

• Bestellte Leiterplattenmenge: 100;
• Leiterplattenabmessungen: 400 mm x 200 mm;
• Anzahl der Ebenen: 2, 4, 6, 8, 10.

Die Grafik zeigt den durchschnittlichen Preis von Leiterplatten von drei verschiedenen Unternehmen, sollte aber nicht als absoluter Wert betrachtet werden, sondern um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie die Preise in Abhängigkeit von der Anzahl der Ebenen steigen. Natürlich sind die Versandkosten nicht in der Berechnung enthalten. Online gibt es gültige Rechner, die von den Herstellern selbst entwickelt wurden und dem Kunden helfen, die Kosten seiner gedruckten Schaltkreise zu schätzen, indem verschiedene Parameter wie zum Beispiel Leiterart, Abmessungen, Menge, Anzahl der Ebenen, Isolierungsmaterial, Dicke und viele mehr gewählt werden.

Abbildung 4: Die Grafik der durchschnittlichen Kosten von Leiterplatten mit unterschiedlicher Ebenenanzahl

Schlussfolgerungen

Leiterplattenhersteller haben aufgrund des Bedarfs an kleineren und komplexeren Geräten für verschiedene Branchen eine steigende Nachfrage nach mehrlagigen Leiterplatten festgestellt. Dabei handelt es sich um Leiterplatten, die nur auf industrieller Ebene hergestellt werden können, und die Produktionskosten zwingen die Kunden zum Kauf großer Mengen. Die Verwendung mehrerer Lagen innerhalb der Leiterplatte ermöglicht mehr Schaltkreise und elektrische Leitungen für komplexere Anwendungen. Hersteller bevorzugen heute eine gerade Lagenanzahl statt einer ungeraden, da das Laminieren einer ungeraden Lagenanzahl den Schaltkreis zu komplex gestalten und Probleme verursachen kann. Die mehrlagigen Platten bestehen aus zweilagigen, laminierten Platten. Das Design einer mehrlagigen Leiterplatte ist sicherlich eine der komplexesten Techniken der modernen Elektronik.

04.03.2022