Mehrschichtige Leiterplatten (PCBs) sind in der modernen Elektronikindustrie allgegenwärtig. Ihr kompaktes Design und die Fähigkeit, Signale und Strom effizient zu leiten, ermöglichen die Unterbringung komplexerer Schaltungen in immer kleineren Formfaktoren. Analysen zeigen, dass der globale Markt für mehrschichtige Leiterplatten von 82.36 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 128.5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen könnte, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 5.68 % entspricht.
Dies ermöglicht die Entwicklung fortschrittlicher Technologien für verschiedene Anwendungen – von Verbrauchergeräten bis hin zu Industriemaschinen. Die komplexe Mehrschichtfertigung bringt jedoch auch erhebliche Herausforderungen in Bezug auf Design und Fertigung mit sich.
Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die Multilayer-Leiterplattentechnologie. Er beleuchtet die Herstellungsschritte, den Lagenaufbau und die Signalführung. Außerdem erfahren Sie mehr über die Vorteile und Einschränkungen sowie Standardanwendungen.
Was ist eine Multilayer-Leiterplatte?
Eine Multilayer-Leiterplatte besteht aus drei oder mehr leitfähigen Schichten aus Kupfer oder einem anderen Metall, die durch isolierendes Material, sogenanntes Prepreg oder Kernmaterial, getrennt sind. Während herkömmliche Leiterplatten üblicherweise doppelseitig sind und Kupferleiterbahnen auf der Ober- und Unterseite aufweisen, sind bei Multilayer-Leiterplatten mehrere innere Schichten von Schaltungen zwischen den äußeren Schichten angeordnet.
Es kann viele Schichten geben, üblicherweise 4–12. Manche Geräte, wie Smartphones, können bis zu 40 Schichten verwenden. Die aktiven und passiven Komponenten befinden sich auf den äußeren oberen und unteren Schichten, während die inneren gestapelten Schichten zum Verlegen von Leiterbahnen zwischen den Komponenten dienen.
Diese komplexe Mehrschichtstruktur ermöglicht eine wesentlich höhere Schaltkreisdichte und Interkonnektivität als herkömmliche einseitige oder doppelseitige Platinen.
Mit zusätzlichen Innenlagen können mehrschichtige Leiterplatten deutlich mehr elektrische Komponenten aufnehmen und eine komplexe Leiterbahnführung zwischen ihnen ermöglichen. Die Schichten sind über Durchkontaktierungen oder Vias, vertikale Verbindungen zwischen den gestapelten Schichten, miteinander verbunden. Verschiedene Ausführungen wie Durchkontaktierungen, vergrabene Vias oder Blindvias bieten Designern Möglichkeiten zur Optimierung der Schaltungsführung.
Durch den mehrschichtigen Aufbau eignen sich Leiterplatten hervorragend für anspruchsvolle Anwendungen wie Telekommunikationshardware, komplexe eingebettete Systeme und andere Anwendungen, bei denen Miniaturisierung und Hochgeschwindigkeitssignalübertragung im Vordergrund stehen. Der höhere Design- und Fertigungsaufwand macht Mehrschichtplatinen allerdings auch teurer als herkömmliche einschichtige oder doppelseitige Leiterplatten.
Wie werden mehrschichtige Leiterplatten hergestellt?
Mehrschichtige Leiterplatten bieten im Vergleich zu ein- und doppelseitigen Leiterplatten eine höhere Schaltungsdichte durch die Verwendung mehrerer innerer leitfähiger Schichten, die mit nichtleitendem Material laminiert sind. Diese komplexe Konstruktion erfordert einen aufwändigeren Herstellungsprozess als einfachere Leiterplattentypen.
Der Prozess beginnt mit dem sorgfältigen Stapeln der Rohmaterialschichten gemäß einer vorgegebenen Reihenfolge und durchläuft mehrere voneinander abhängige Fertigungsphasen, um die fertige Schaltung auf allen Schichten aufzubauen.
Hier finden Sie einen detaillierten Überblick über die wichtigsten Schritte bei der Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte.
Stapelbaugruppe
Der erste Schritt bei der Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte ist die Stapelmontage. Verschiedene dünne Schichten aus Prepreg- und Kupferfolien werden entsprechend der vorgegebenen Stapelreihenfolge präzise aufeinander gestapelt.
Die Stapel enthalten normalerweise eine ungerade Anzahl dielektrischer Schichten, die mit innerer Kupferfolie und manchmal massiven Kupferschichten für Strom- und Masseflächen durchsetzt sind.
Laminierung
Die gestapelten Schichten werden anschließend einem Laminierungsprozess unterzogen. Während der Laminierung wird der Stapel in eine Presse gelegt und hoher Hitze und hohem Druck ausgesetzt. Dadurch schmelzen die Prepreg-Schichten und verbinden die Kupferfolien und dielektrischen Schichten miteinander.
Außerdem werden dadurch alle zwischen den Schichten eingeschlossenen Luftblasen entfernt, wodurch eine solide Laminatplatte entsteht. Eine ordnungsgemäße Laminierung ist entscheidend, um eine optimale dielektrische Bindung zu erreichen und zukünftige Delaminationsprobleme zu vermeiden.
Panelisierung
Nach dem Stapeln und Laminieren wird die Platte zu einzelnen Leiterplattenabschnitten verarbeitet. Eine numerisch gesteuerte Maschine bearbeitet die Platte und schneidet sie gemäß der vordefinierten Datei in einzelne Plattenteile.
Über Bildung
Vias sind kleine Löcher, die verschiedene Schichten einer Mehrschichtplatine verbinden.
Es werden drei Haupttypen von Durchkontaktierungen verwendet:
● Durchgangslöcher: Durchläuft alle Schichten der Platine.
● Blind Vias: Verbindet eine äußere Schicht mit einer inneren Schicht, jedoch nicht durchgehend.
● Vergrabene Vias: Nur mit inneren Schichten verbinden, die von der Oberfläche aus nicht sichtbar sind.
Durchkontaktierte Vias werden typischerweise durch Laserbohren an den vorgesehenen Stellen hergestellt, bevor die Via-Wände mit Kupfer beschichtet werden. Bei vergrabenen und blinden Vias erfolgt das Bohren nach der Strukturierung der Innenschicht.
Musterung der inneren Schicht
Mithilfe eines lichtempfindlichen Films oder Fotolacks wird jede Innenschichtplatte selektiv durch eine Fotomaske mit dem gewünschten Schichtmuster belichtet. Das belichtete Material wird anschließend entfernt oder löslich gemacht und abgewaschen. Dadurch werden die Kupferspuren im vorgesehenen Muster für diese Schicht sichtbar.
Plattieren und Ätzen
Die Platte wird anschließend mit einer dünnen Kupferschicht galvanisiert, um kleine Lücken in den freiliegenden Kupferbahnen zu überbrücken. Anschließend wird das gesamte freiliegende Kupfer chemisch weggeätzt, wodurch das plattierte Fotolackmuster als leitfähige Schicht für die innere Platte zurückbleibt. Der Fotolack wird anschließend entfernt.
Außenschichtverarbeitung
Sobald alle inneren Schichten fertig sind, werden die Schaltkreise der äußeren Schichten durch einen ähnlichen Prozess aus Fotolackstrukturierung, Plattierung und Ätzen gebildet. In diesem Stadium werden bei Bedarf auch Durchkontaktierungen plattiert, um die inneren Schichten zu verbinden.
Abschließende Arbeiten
Die letzten Schritte umfassen Abschlussvorgänge wie Lötmasken- und Siebdruck, Komponentenmontage und elektrische Tests, bevor die fertigen mehrschichtigen Leiterplatten ausgeliefert werden.
Welche Faktoren sollten bei der Entwicklung und Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten berücksichtigt werden?
Bei der Entwicklung und Herstellung einer mehrschichtigen Leiterplatte müssen mehrere wichtige Faktoren berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das Endprodukt den Spezifikationen entspricht. Mehrere Elemente müssen von der Designphase bis zur Produktion nahtlos zusammenarbeiten.
Hier sind einige Faktoren zu berücksichtigen.
Anzahl der Schichten
Eine der ersten Entscheidungen ist die Bestimmung der Anzahl der benötigten Innenlagen in einem mehrschichtigen PCB-Design. Mehr Lagen ermöglichen zwar mehr Funktionalität, erhöhen aber auch Kosten und Komplexität. Der Lagenaufbau sollte diese Faktoren ausgleichen.
Dielektrisches Material
Das Dielektrikum spielt eine Schlüsselrolle bei der Signalintegrität und Impedanzkontrolle. Materialien wie FR-4, Polyimid und Rogers bieten unterschiedliche elektrische Eigenschaften, die das Stapeldesign beeinflussen. Eigenschaften wie die Dielektrizitätskonstante müssen der vorgesehenen Anwendung entsprechen.
Spurbreite und -abstand
Minimale Leiterbahnbreiten und -abstände optimieren das Routing und vermeiden gleichzeitig Probleme bei der Herstellung oder Zuverlässigkeit. Das gewählte Herstellungsverfahren bestimmt die Designregeln streng.
Über Design
Vias verbinden Schichten, und ihre Form, Größe und Lage beeinflussen die Herstellbarkeit entscheidend. Durchkontaktierungen, vergrabene Vias und Mikrovias beeinflussen jeweils den Stapelaufbau und die Dichte. Auch ihr Einfluss auf die Impedanz muss berücksichtigt werden.
Automatisierung und DRC-Tools
Das PCB-Layout, der Fertigungsprozess und die Designregeln sollten automatisierbar sein, um die Herstellbarkeit zu maximieren. Effektive DRC-Tools sind entscheidend, um Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben.
Veredelung und Montage
Faktoren wie die Oberflächenbeschaffenheit der Außenschicht, Löcher und Fertigungstoleranzen bestimmen zukünftige Verarbeitungsschritte wie Montage, Gehäuseintegration und Umweltversiegelung.
Vorteile von Multilayer-Leiterplatten
Mehrschichtige Leiterplatten bieten gegenüber herkömmlichen ein- und zweischichtigen Leiterplatten mehrere Vorteile. Durch die Verwendung mehrerer Innenschichten können Schaltkreise vertikal gestapelt werden, was zu enormen Platzeinsparungen führt.
Zu den wichtigsten Vorteilen mehrschichtiger Leiterplatten gehören:
● Reduzierte PCB-Größe. Durch die Verwendung mehrerer Innenlagen können Bauteile und Leiterbahnen den vertikalen statt nur den horizontalen Raum nutzen. Dadurch wird der Platzbedarf der Platine deutlich reduziert.
● Leichtgewicht. Durch die Mehrschichtkonstruktion können Platinen dünner gefertigt werden, ohne dass die komplexen Schaltkreise verloren gehen. Dadurch sind sie deutlich leichter als die vergleichbare Funktionalität von Ein-/Doppelschichtplatinen.
● Hohe Qualität und Dichte. Durch die Platzierung von Komponenten und Leiterbahnen auf inneren Lagen werden die Routing-Dichte und die Qualität der Verbindungen zwischen den Komponenten im Vergleich zu herkömmlichen geschichteten Platinen erhöht.
● Bessere Haltbarkeit und Flexibilität. Das kompakte Multilayer-Design macht die Platinen langlebiger, da die Komponenten zwischen den Lagen geschützt sind. Zudem sind sie flexibler in der Anwendung.
● Leistungsstark mit einem einzigen Verbindungspunkt. Leiterbahnen können über die Schichten geführt werden, sodass alle Ein- und Ausgänge auf einer einzigen Oberfläche enden oder durchlaufen. Dies vereinfacht die Verbindungen.
Nachteile von Multilayer-Leiterplatten
Mehrschichtige Leiterplatten bieten viele Vorteile, wie beispielsweise eine höhere Schaltungsdichte und kürzere Signalwege. Ihre Komplexität bringt jedoch auch Nachteile gegenüber einfacheren ein- oder zweischichtigen Leiterplatten mit sich.
● Höhere Herstellungs- und Produktionskosten: Die zusätzlichen Schaltungsebenen und Registrierungsprozesse bei Mehrschichtplatinen treiben die Material- und Arbeitskosten in die Höhe.
● Kompliziertes Design und Produktion: Mit internen Signalschichten, Stromversorgungsebenen und blinden/vergrabenen Durchkontaktierungen erfordern Mehrschichtplatinen wesentlich ausgefeiltere CAD-Tools und Produktionstechniken.
● Begrenzte Hersteller: Nur Leiterplattenhersteller mit umfangreichen Kapazitäten zur Mehrschichtfertigung können komplexe Mehrschichtdesigns herstellen. Dadurch konzentriert sich die Produktion auf weniger Anlagen.
● Es werden hochqualifizierte und ausgebildete Designer benötigt: Für die effektive Gestaltung der internen Schichten und des Routings innerhalb eines mehrschichtigen Stapels sind erfahrene PCB-Ingenieure erforderlich, die mit dem 3D-Schaltungsdesign vertraut sind.
● Erhöhte Produktionszeit: Die zusätzlichen Schritte der Lagenregistrierung, der Herstellung der inneren Lagen, der Laminierung und des Bohrens verlängern zwangsläufig die für die Herstellung einer Mehrschichtplatine benötigte Zeit im Vergleich zu einer einfacheren Mehrschichtplatine.
Mehrschichtige Leiterplattenanwendungen
Mehrschichtige Leiterplatten (PCBs) werden aufgrund ihrer hohen Packungsdichte häufig in der Elektronik eingesetzt. Entdecken Sie einige wichtige Anwendungen der Mehrschicht-PCB-Technologie in verschiedenen Branchen.
Computer
Mehrschichtige Leiterplatten ermöglichen die Unterbringung komplexer Schaltungsdesigns mit zahlreichen Komponenten auf einem kompakten Motherboard. Sie ermöglichen eine schnellere Datenübertragung zwischen CPU, Speicher, Grafikkarte und anderen Peripheriegeräten. Leiterplatten mit hoher Schichtanzahl und vergrabenen Durchkontaktierungen ermöglichen eine effiziente Strom- und Signalführung in Desktops, Laptops und anderen Computergeräten.
Handys
Handy-Leiterplatten nutzen dicht gepackte Mehrschicht-Designs, um eine Vielzahl von Komponenten wie Prozessoren, Speicherchips, Funkschaltungen, Touchscreen-Treiber und Kameras unterzubringen. Sie ermöglichen erweiterte Smartphone-Funktionen wie 4G/5G-Konnektivität, WLAN, Bluetooth, GPS und NFC. Kompakte Repeater-Leiterplatten mit vergrabenen Vias verstärken das Mobilfunksignal in Gebieten mit schwachem Empfang.
Industrielle Steuerungen
Mehrschichtige Steuerplatinen mit Oberflächenmontagetechnik integrieren Mikroprozessoren, Sensoren, Aktoren und E/A in speicherprogrammierbaren Steuerungen, CNC-Maschinen, Industrierobotern und Stromgeneratoren. Sie steuern zuverlässig komplexe eingebettete Prozesse in der industriellen Automatisierung.
GPS-Systeme
GPS-Empfänger nutzen mehrschichtige Leiterplattenlayouts, um hochfrequente elektronische Signale mehrerer Satellitenquellen präzise zu synchronisieren. Dies ermöglicht eine schnelle Triangulation von Positionsdaten für Navigationsanwendungen in Flugzeugen, Schiffen und Fahrzeugen.
Test- und Messgeräte
Präzisionsinstrumente für Forschung, Entwicklung und Fertigung, wie Oszilloskope, Spektrumanalysatoren und Funktionsgeneratoren, basieren auf mehrschichtigen Leiterplattenkonstruktionen zur präzisen Weiterleitung von Mikrowellen- und HF-Testsignalen. Dies gewährleistet Messgenauigkeit bei hohen Betriebsfrequenzen.
Medizintechnik
Mehrschichtige Leiterplatten werden in verschiedenen medizinischen Geräten wie Ultraschall- und Röntgengeräten, EKG-/EEG-Monitoren und Defibrillatoren eingesetzt, da sie schwache biologische Signale effizient verteilen können. Ihre Zuverlässigkeit und Miniaturisierung ermöglichen die Tragbarkeit lebensrettender Geräte.
Nukleare Anwendungen
Vergrabene Übertragungsleitungstechniken auf Mehrschichtplatinen ermöglichen die stabile Weiterleitung von Hochleistungssignalen in nuklearen Erkennungs- und Sicherheitssystemen. Sie übertragen sensible Daten von Strahlungssensoren sicher an Steuerschnittstellen.
Luft- und Raumfahrttechnik
Raumsatelliten verwenden robuste, unter Vakuum frittierte Mehrschichtkonstruktionen. Komplexe Leitungen werden durch dicht gepackte Schichten für die Befehls-/Datenverarbeitung, die Leistungssteuerung und die Instrumentierung in Satelliten, Raumstationen und Sonden erreicht.
Verkehrsregelung
Intelligente Verkehrssysteme nutzen mehrschichtige PCB-Netzwerke zur Vernetzung von Verkehrssensoren, Kameras und Hinweisschildern. Sie ermöglichen eine effiziente Verkehrskoordination in Smart-City-Infrastrukturen.
Dies umfasst einige wichtige Anwendungen der Multilayer-Leiterplattentechnologie in den Bereichen Computer, Unterhaltungselektronik, industrielle Automatisierung, Prüf- und Messtechnik, Medizintechnik, Verteidigung, Luft- und Raumfahrt sowie Transportsysteme. Ihre Möglichkeiten zur Miniaturisierung und zur kompakten Bauteilverpackung haben sie in der modernen Elektronik unverzichtbar gemacht.
Häufig gestellte Fragen zu mehrschichtigen Leiterplatten
1). Warum werden häufig mehrschichtige Leiterplatten verwendet?
Mehrschichtige Leiterplatten werden häufig verwendet, da sie eine deutlich höhere Bauteildichte und Funktionalität als herkömmliche ein- und doppelseitige Leiterplatten ermöglichen. Durch das Hinzufügen von Innenlagen ermöglichen mehrschichtige Leiterplatten die vertikale Verlegung von Leiterbahnen, was erheblich Platz auf der Leiterplatte spart. Dadurch eignen sie sich ideal für Anwendungen, die Miniaturisierung erfordern, wie Unterhaltungselektronik, Telekommunikationsgeräte und verschiedene Steuerungssysteme.
Die mit mehrschichtigen Leiterplatten erreichbare hohe Dichte bedeutet auch reduzierte Produktgrößen, verbesserte Leistung durch kürzere Signalwege und verbesserte Stromverteilung.
2). Wie viel kostet eine mehrschichtige Leiterplatte?
Die Kosten einer mehrschichtigen Leiterplatte hängen von mehreren Faktoren ab: Anzahl der Schichten, Plattengröße, Komplexität des Schaltungsdesigns, Materialauswahl usw. Im Allgemeinen sind mehrschichtige Leiterplatten aufgrund der höheren Komplexität von Design und Herstellung teurer als ein- oder doppelseitige Leiterplatten.
Eine einfache 4-6-lagige Platte kann je nach Menge zwischen 150 und 300 US-Dollar pro Quadratfuß kosten. Platten mit hoher Dichte und 8-16 Lagen kosten oft zwischen 300 und 800 US-Dollar pro Quadratfuß. Komplexe Platten mit mehr als 16 Lagen kosten über 1000 US-Dollar pro Quadratfuß. Insgesamt sinken die Kosten pro Lage tendenziell mit zunehmender Lagenanzahl und verbesserter Fertigungseffizienz.
3). Kann eine Leiterplatte drei Schichten haben?
Ja, eine Leiterplatte kann drei Lagen haben. Dreilagige Leiterplatten sind weit verbreitet und stellen nach doppelseitigen Leiterplatten die grundlegende mehrlagige Leiterplattenkonfiguration dar. Die drei Lagen ermöglichen die horizontale Platzierung von Bauteilen auf der oberen und unteren Lage, wobei die Leiterbahnen intern dazwischen verlaufen.
Dieser Grad der vertikalen Integration ermöglicht es, die Komplexitätsprobleme doppelseitiger Platinen zu bewältigen. Dreischichtige Platinen bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistungsfähigkeit und Kosten und eignen sich daher für viele Anwendungen, die grundlegende Mehrschichtfunktionen ohne hohe Dichteanforderungen benötigen.
4). Welche Materialien werden in mehrschichtigen Leiterplatten verwendet?
Zu den am häufigsten verwendeten Materialien bei der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten gehören FR-4-Glasfaser-Epoxid-Laminat, Polyimid-Laminat und verschiedene spezielle Hochfrequenz- und Hochtemperaturmaterialien.
FR-4 ist aufgrund seiner hervorragenden Kombination aus elektrischen Eigenschaften, mechanischer Festigkeit und günstigen Preisen das am häufigsten verwendete Laminat. Polyimid-Materialien bieten eine höhere Wärmebeständigkeit, Dimensionsstabilität und Mil-Spec-Konformität, was für Anwendungen in der Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrt von Vorteil ist.
Keramikgefüllte PTFE-Laminate bieten die extrem hohe Spannungsfestigkeit, die in der Leistungselektronik benötigt wird. Mehrschichtige Leiterplatten verwenden außerdem Prepreg-Dielektrika, oft aus gewebtem Glasfasergewebe mit teilweise ausgehärtetem Epoxidharz, um die einzelnen Schichten während der Laminierung zu verbinden. Durchkontaktierungen und Leiterbahnen aus Edelmetallen wie Kupfer, Gold oder anderen Metallen ermöglichen die elektrische Verbindung zwischen den gestapelten Schichten.
5). Was sind die Merkmale einer mehrschichtigen Leiterplatte?
Zu den Hauptmerkmalen mehrschichtiger Leiterplatten gehören:
● Erhöhte Lagenanzahl (üblich sind 4–16+ Lagen) für hochkomplexe 3D-Schaltkreisdesigns;
● Vertikales Routing zur Minimierung des Platzbedarfs auf der Platine und der Leiterbahnlängen;
● Sehr hohe Komponentendichte und Integrationsmöglichkeiten;
● Verbesserte elektrische Leistung durch verkürzte Leiterbahnen;
● Gleichzeitige Montage von Komponenten auf mehreren Oberflächen;
● Robuste Strom-/Masseflächen für niedrige Impedanz und EMI-Schutz;
● Kompatibilität mit einer Mischung aus oberflächenmontierten und durchkontaktierten Komponenten;
● Größere nutzbare Oberfläche auf den Innenschichten;
● Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit durch automatisierte Laminierungsprozesse;
● Breites Anwendungsspektrum in den Bereichen Elektronik, Medizin, Automobil usw.
Fazit
Mehrschichtige Leiterplatten sind zu einem wichtigen Bestandteil unserer zunehmend technisierten Welt geworden. Mehrschichtige Leiterplatten haben Innovationen wie Smartphones, fortschrittliche medizinische Geräte, autonome Fahrzeuge und vieles mehr ermöglicht, indem sie eine engere Packung von Schaltungselementen und die Erstellung komplexerer Schaltungsdesigns ermöglichen.
Da Elektronik immer kleiner wird und gleichzeitig ihre Leistungsfähigkeit zunimmt, bleiben mehrschichtige Leiterplatten eine wichtige Technologie, um immer mehr Funktionalität auf kleinerem Raum unterzubringen. Design und Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten stellen zwar eine Herausforderung dar, doch die Möglichkeit, gestapelte Schaltungen zu bauen, eröffnet neue Möglichkeiten.
Solange die Nachfrage nach fortschrittlicher Elektronik besteht, werden mehrschichtige Leiterplatten weiterhin eine zentrale Rolle bei der Steigerung von Integration und Leistung spielen. Sie sind in vielen Branchen zur Grundlage für Innovationen geworden.
