Elektronische Produkte streben nach maximaler Leistung bei minimalem Platzbedarf. Ob Mobiltelefon, Auto oder Herzfrequenzüberwachung im Krankenhaus – viele dieser Anwendungen basieren auf Geräten, die mehrere Funktionen auf einer winzigen Leiterplatte integrieren. Hier kommt das Design mehrlagiger Leiterplatten ins Spiel, denn diese ermöglichen die Unterbringung komplexer Schaltungen auf engstem Raum.
Beeinflusst das Design mehrlagiger Leiterplatten die Funktion der Geräte? Warum sollten Sie für Ihr nächstes Projekt einen Designservice für mehrlagige Leiterplatten in Anspruch nehmen? Dieser Artikel beantwortet all diese Fragen.
Wir werden Ihnen die wichtigsten Aspekte der Herstellung von Multilayer-Leiterplatten, den Herstellungsprozess und die Unterschiede zwischen starren und flexiblen Multilayer-Leiterplatten detailliert erläutern. Außerdem geben wir einen kurzen Überblick über die in Hochfrequenzprodukten eingesetzte Keramik-Multilayer-Leiterplattenkonstruktion. Nach der Lektüre dieses Textes werden Sie verstehen, warum die Multilayer-Technologie eine unverzichtbare Grundlage moderner Elektronikprodukte darstellt.
Was ist eine Multilayer-Leiterplatte?
Eine Multilayer-Leiterplatte ist im Grunde eine einzige Leiterplatte. Sie besteht aus mindestens drei Kupferfolienlagen, die übereinander gestapelt und durch Isoliermaterial voneinander getrennt sind. Nach einer Hochtemperatur- und Hochdruckbehandlung entsteht daraus eine vollständige Leiterplatte. Eine doppelseitige Leiterplatte besitzt nur zwei Kupferlagen, während eine Multilayer-Leiterplatte vier, sechs oder sogar mehr als fünfzig Lagen aufweisen kann. Diese Lagen sind durch Durchkontaktierungen verbunden – darunter Durchgangslöcher, Sacklöcher und in den inneren Lagen verborgene Durchkontaktierungen.
Unabhängig von der Komplexität elektronischer Geräte ist ein solides Multilayer-PCB-Design unerlässlich. Um einen fehlerfreien Betrieb der Platine zu gewährleisten, müssen Ingenieure die Designrichtlinien für Multilayer-PCBs beachten: Leiterbahnbreite, Platzierung der Durchkontaktierungen und Impedanzkontrolle. Es gelten spezifische Regeln. Ob starres oder flexibles Multilayer-PCB-Design – das Prinzip bleibt gleich: Je mehr Lagen, desto mehr Leiterbahnen lassen sich auf kleinerer Fläche realisieren.
Wie beeinflusst das Design von mehrlagigen Leiterplatten den Betrieb?
Das Design von mehrlagigen Leiterplatten entscheidet maßgeblich über die korrekte Signalübertragung, die Stabilität der Stromversorgung und die Störfestigkeit. Bei fehlerhaftem Design kommt es zu chaotischen Signalüberlagerungen, die Stromversorgungsschicht erzeugt Rauschen, und die Wärme staut sich und kann nicht abgeführt werden. Die Leiterplatte wird dadurch unbrauchbar. Im Gegensatz dazu ermöglicht ein gut durchdachtes Design die Kontrolle der Impedanz von Hochgeschwindigkeitssignalen, verkürzt den Rückweg und führt zur Wärmeableitung über die Massefläche der inneren Lage.
Keramik-Mehrlagen-Leiterplatten (Ceran PCB Multilayer Design) zeichnen sich beispielsweise durch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aus und eignen sich daher optimal für Produkte mit Stromversorgungsanforderungen. Flexible Mehrlagen-Leiterplatten lassen sich beliebig biegen, wobei die Schaltkreise durchgehend bleiben. Sie sind unverzichtbar für die Herstellung tragbarer Geräte.
Ob man über Kenntnisse im Design von Multilayer-Leiterplatten verfügt, entscheidet direkt darüber, ob der Prototyp einwandfrei funktioniert. Daher überlassen viele Unternehmen die Entwicklung komplexer Leiterplatten professionellen Multilayer-Leiterplattenherstellern oder spezialisierten Dienstleistern.
Warum sind mehrlagige Leiterplatten in der modernen Elektronik so verbreitet?
Der Wechsel von einlagigen zu mehrlagigen Leiterplatten ist unausweichlich. Moderne Geräte erfordern höhere Geschwindigkeiten, kleinere Abmessungen und eine leistungsfähigere Funktionalität. Mehrlagige Leiterplatten erfüllen diese Anforderungen präzise, da sie mehr Schaltkreise pro Quadratzoll aufnehmen können.
Darüber hinaus hat die Verbreitung der Multilayer-Leiterplattenfertigung über die Jahre stark zugenommen, und die Kosten sind gesunken. Verschiedene Verbesserungen in der Multilayer-Leiterplattenfertigung ermöglichen nun feinere Leiterbahnen, kleinere Durchkontaktierungen und dünnere Isolierschichten. Zudem wird der Fertigungsprozess von Multilayer-Leiterplatten kontinuierlich weiterentwickelt, was eine höhere Ausbeute und größere Zuverlässigkeit gewährleistet.
Ob es sich um die Hauptplatine Ihres Mobiltelefons oder die Bildgebungsgeräte im Krankenhaus handelt, die Dichte und Leistungsfähigkeit der Mehrschichttechnologie übertreffen das, was mit ein- und zweilagigen Designs erreicht werden kann.
In Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt sowie dem Militär, wo Zuverlässigkeit höchste Priorität hat, ist die starre Leiterplatten-Mehrlagenkonstruktion Standard. Bei kompakter Unterhaltungselektronik hingegen bietet die flexible Leiterplatten-Mehrlagenkonstruktion große Gestaltungsfreiheit. Selbst bei Hochleistungs-HF-Produkten erzielt die Keramik-Leiterplatten-Mehrlagenkonstruktion aufgrund ihrer stabilen dielektrischen Eigenschaften hervorragende Ergebnisse.
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Die Vor- und Nachteile von mehrlagigen Leiterplatten
Wie in anderen Ingenieurdisziplinen haben auch mehrlagige Leiterplatten ihre Vor- und Nachteile. Bevor man sich für ein mehrlagiges oder einlagiges Leiterplattendesign entscheidet, muss man diese Vor- und Nachteile genau verstehen, um unnötige Probleme zu vermeiden.
Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten
Reduzierte Bauform – Durch das Stapeln der Schaltkreise übereinander kann eine mehrlagige Leiterplatte mehrere einlagige Platinen ersetzen. Dadurch wird das Endprodukt deutlich kleiner. Dies ist der Hauptgrund, warum Mobiltelefone und Laptops so dünn gebaut werden können.
Leichtbauweise –Durch die Reduzierung der Anzahl der Anschlüsse und der daran befestigten Drähte konnte das Gewicht verringert werden. Ein gut durchdachtes Multilayer-PCB-Design ermöglicht die Integration aller Komponenten auf einer kleinen Platine.
Hohe Qualität—Durch separate Stromversorgungs- und Masseebenen bietet die Mehrlagentechnologie von Natur aus eine Rauschunterdrückung und ermöglicht so eine sauberere Signalübertragung. Die Platinen arbeiten zuverlässiger, insbesondere bei digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen.
Langlebiger –Beim Laminieren von mehrlagigen Leiterplatten entstehen äußerst robuste Platinen. Sie sind stoßfester und weniger bruchanfällig als solche, die durch die Verbindung mehrerer Einzelplatinen mit Drähten hergestellt werden.
Weniger Lärm—Die innere Schicht selbst blockiert Störungen, und da die Versorgungs- und die Masseschicht nahe beieinander liegen, verringert sich die Schleifeninduktivität. Durch die Einhaltung der Richtlinien für das Design mehrlagiger Leiterplatten lassen sich elektromagnetische Störungen weiter reduzieren.
Bessere Wärmeableitung—Die Kupferoberfläche und die Durchkontaktierungen leiten die vom Heizelement erzeugte Wärme ab. Insbesondere bei mehrlagigen Keramik-Leiterplatten ist die Wärmeableitung sehr effektiv, wodurch sich diese Bauweise besonders für Hochleistungs-LEDs und HF-Leistungsverstärker eignet.
Einzelner Anschlusspunkt—Es ist nicht nötig, Drähte zwischen mehreren Platinen hin und her zu verbinden. Eine mehrlagige Leiterplatte verfügt über eine einheitliche Schnittstelle, was die Installation vereinfacht und die Wartung unkompliziert macht.
Nachteile von mehrlagigen Leiterplatten
Teurer—Die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten erfordert eine große Menge an Materialien, mehrere Press- und Bohrvorgänge. Daher sind die Kosten höher und wesentlich höher als bei ein- und zweilagigen Leiterplatten.
Komplexer Designprozess —Um zu lernen, wie man mehrlagige Leiterplatten entwirft, muss man verstehen, wie die Lagen gestapelt werden, wie die Impedanz gesteuert wird und wie Durchkontaktierungen gehandhabt werden.
Verlängerte Lieferzeit—Die Herstellung mehrlagiger Leiterplatten ist naturgemäß ein langsamer Prozess. Jede zusätzliche Lage erfordert eine zusätzliche Presse, einen zusätzlichen Bohrer und eine zusätzliche Beschichtung. Wer es schneller haben möchte, muss mit zusätzlichen Kosten rechnen.
Erforderliche Fachkenntnisse –Die Entwicklung einer mehrlagigen Leiterplatte sollten Sie nicht einem Berufsanfänger überlassen. Sie benötigen jemanden, der die Richtlinien für die Entwicklung mehrlagiger Leiterplatten wirklich versteht und sowohl Signal- als auch Leistungselektronik beherrscht.
Begrenzte Verfügbarkeit—Nicht jeder Hersteller von mehrlagigen Leiterplatten kann Platinen mit mehr als 20 Lagen oder solche mit verdeckten und vergrabenen Durchkontaktierungen fertigen. Für anspruchsvolle Projekte sollten Sie gezielt nach spezialisierten Anbietern für die Entwicklung mehrlagiger Leiterplatten suchen.
Wie werden die Lagen in einer ein-, zwei- und mehrlagigen Leiterplatte gestapelt?
Um die Vorteile der Mehrschichttechnologie zu verstehen, sollte man sich zunächst ansehen, wie verschiedene Leiterplatten Schicht für Schicht aufgebaut sind. Ein Vergleich verdeutlicht dies dann.
• Einschichtige LeiterplatteEs handelt sich um eine einseitige Leiterplatte mit einer Kupferschicht. Alle Bauteile und Leiterbahnen befinden sich auf derselben Seite, Durchkontaktierungen sind nicht erforderlich.
• Doppelschicht-LeiterplatteBeide Seiten der Platine sind mit Kupferblechen beschichtet. Die Bauteile können auf beiden Seiten platziert werden. Zum Verbinden der beiden Lagen muss lediglich ein Durchgangsloch gebohrt werden.
• MehrschichtleiterplatteDie Kupferbleche werden in drei oder mehr Lagen übereinander gestapelt. Die gebräuchlichste 4-Lagen-Variante sieht folgendermaßen aus: Die oberste Lage dient der Signalübertragung, die zweite ist geerdet, die dritte ist mit der Stromversorgung verbunden und die unterste Lage dient wieder der Signalübertragung. Bei einer 6-Lagen-Konstruktion werden zwei weitere Lagen in der Mitte eingefügt, entweder für die Signalübertragung, die Stromversorgung oder die Erdung.
Der Herstellungsprozess von mehrlagigen Leiterplatten beginnt mit der Kernplatine und der vorimprägnierten Folie. Zunächst werden mehrere Schaltungsschichten im Inneren gefertigt und anschließend mit der vorimprägnierten Folie Schicht für Schicht übereinandergelegt. Abschließend wird die Platine unter hohem Druck und hoher Temperatur zu einer einzigen Leiterplatte verpresst. Nach dem Pressvorgang werden Löcher gebohrt, Kupfer aufgebracht und die Lagen miteinander verbunden. Dies ist der Kernprozess der Herstellung mehrlagiger Leiterplatten.
Bei der Entwicklung flexibler Multilayer-Leiterplatten sollte Polyimid anstelle von FR4 verwendet werden. Während des Laminierungsprozesses sind Anpassungen erforderlich, um die Biegsamkeit der Leiterplatte zu gewährleisten. Für Multilayer-Leiterplatten aus Keramik wird typischerweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid verwendet. Nach dem Bedrucken der Schaltkreise wird das gesamte Bauteil eingebrannt.
Wenn Sie über die Gestaltung des Lagenaufbaus einer mehrlagigen Leiterplatte nachdenken, gibt es eine sehr praktische Regel in den Richtlinien für das Design mehrlagiger Leiterplatten: Die Lagen sollten symmetrisch sein (z. B. durch Verwendung geradzahliger Lagen), da die Leiterplatte sonst zum Verziehen neigt. Außerdem müssen die Signallagen an Masse oder Versorgungsspannung angrenzen, damit der Strom fließen kann.
Möglichkeiten zur Unterscheidung von einlagigen und mehrlagigen Leiterplatten
Wie kann man anhand des Aussehens oder der Funktionen feststellen, ob es sich bei einer Leiterplatte um eine Multilayer-Leiterplatte handelt, anstatt sie als Singlelayer- oder Doubleside-Leiterplatte zu identifizieren? Hier sind einige Tricks, die Sie ausprobieren können:
1. Kantenprüfung – Untersuchen Sie die Kante der Leiterplatte mit einer Lupe. Auf der Seite einer mehrlagigen Leiterplatte sind die einzelnen Kupferdrähte (jede Lage) sichtbar, die durch Isoliermaterial voneinander getrennt sind. Auf einer einlagigen Leiterplatte ist hingegen nur eine Kupferlage sichtbar.
2. Durchkontaktierungen – Wenn Sie Löcher sehen, die nicht vollständig von der obersten zur untersten Lage reichen (diese werden als vergrabene Löcher bezeichnet), oder Löcher, die von der obersten Lage nach unten gebohrt werden, aber auf halbem Weg stoppen und die unterste Lage nicht erreichen (diese werden als Sacklöcher bezeichnet), dann handelt es sich um eine mehrlagige Leiterplatte.
3. Bauteildichte – Wenn auf einer kleinen Leiterplatte Hunderte von Bauteilen platziert werden und die Verdrahtung dicht und kompliziert ist, handelt es sich um eine mehrlagige Leiterplatte.
4. Lichttest – Leuchten Sie mit einer leistungsstarken Taschenlampe von unten nach oben auf die Platine. Das Licht einer einlagigen Platine kann ungehindert hindurchdringen. Bei einer mehrlagigen Leiterplatte befinden sich mehrere Kupferschichten im Inneren, die das Licht blockieren.
5. Dokumentation – Am zuverlässigsten ist es, direkt auf die Konstruktionsdokumente der Platine zurückzugreifen oder sich bei der Fabrik für die Herstellung von Multilayer-Leiterplatten zu erkundigen.
Es ist für Sie von großem Vorteil, die Unterschiede zu verstehen, wenn Sie ein Produkt rückwärts entwickeln und analysieren müssen, wenn Sie zwischen starren Multilayer-PCB-Designs und anderen Technologien wählen oder wenn Sie feststellen müssen, welche Lösung besser geeignet ist.
Wo mehrlagige Leiterplatten verwendet werden
Die Mehrschichttechnologie findet in vielen Anwendungsbereichen Verwendung. Hier einige der wichtigsten:
• Consumer Elektronik——Smartphones, Tablets, Laptops, Smartwatches – all diese Geräte lassen sich auf so kleinem Raum nur durch flexible oder starre mehrlagige Leiterplatten unterbringen.
• Telekommunikation—Server-Motherboard, Netzwerk-Switch und Basisstation verwenden alle mehrlagige Leiterplatten. Darüber hinaus ist eine Impedanzkontrolle erforderlich, um die Übertragung von Hochgeschwindigkeitsdaten zu gewährleisten.
• Automobilindustrie—Das Motorsteuergerät, die ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) und das fahrzeuginterne Entertainment-System basieren alle auf einem robusten mehrlagigen Leiterplattendesign, das sowohl Vibrationen als auch hohen und niedrigen Temperaturen standhalten muss.
• Medizintechnik—Herzschrittmacher, Defibrillatoren und Bildgebungsgeräte erfordern allesamt eine hochzuverlässige Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten, um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten.
• Luft- und Raumfahrt und Verteidigung—In der Avionik, bei Radarsystemen und in der Satellitenkommunikation wird allesamt auf mehrlagige Keramik-Leiterplatten-Konstruktion gesetzt, da diese eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und geringe Signalverluste bietet.
• Industrial Control—SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen), Roboter und Energieanlagen nutzen Mehrschichttechnologie hauptsächlich zur Geräuschreduzierung.
• RF und Mikrowelle—Bei Hochfrequenzschaltungen wird bevorzugt ein mehrlagiges Design mit Keramik-Leiterplatten verwendet, da dieses eine stabile Dielektrizitätskonstante und geringe Verluste aufweist.
In diesen Bereichen ist es notwendig, zuverlässige Hersteller für die Entwicklung mehrlagiger Leiterplatten zur Zusammenarbeit zu finden oder professionelle Dienstleistungen im Bereich der Entwicklung mehrlagiger Leiterplatten in Anspruch zu nehmen, um Fehler im Produktionsprozess zu reduzieren und die erwarteten Ergebnisse zu erzielen.
Fazit
Das Design von Mehrlagen-Leiterplatten spielt eine bedeutende Rolle in modernen Elektronikprodukten. Vom Herstellungsprozess bis zur Endmontage erfordert jeder Schritt Präzision und umfassende Erfahrung.
Wir haben bereits verstanden, was mehrlagige Leiterplatten sind, wie sie die Funktion von Schaltungen beeinflussen und warum sie heutzutage so weit verbreitet sind. Darüber hinaus haben wir auch die Anwendungsbereiche dieser Leiterplatten vorgestellt – von Konsumgütern bis hin zu Luft- und Raumfahrtsystemen, die ein breites Spektrum abdecken.
Ob Sie ein mehrlagiges Leiterplattendesign für starre, flexible oder Keramik-Bauteile benötigen – der erste Schritt besteht darin, die korrekte Konstruktion einer mehrlagigen Leiterplatte zu verstehen. Befolgen Sie die bewährten Richtlinien für die Konstruktion mehrlagiger Leiterplatten, und Sie sparen Zeit und Geld.
Wenn Ihrem Team die nötige Erfahrung fehlt, ist es ratsam, einen professionellen Designservice für mehrlagige Leiterplatten oder eine zuverlässige Fertigungsstätte für diese zu beauftragen. Da elektronische Produkte immer kleiner und schneller werden, gewinnt die Mehrlagentechnologie zunehmend an Bedeutung.
