Leiterplatten (PCBs) sind integrale Bestandteile moderner Elektronik. Sie bilden die Grundlage für die Montage und Verbindung elektronischer Teile – von Mobiltelefonen bis hin zu Haushaltsgeräten.
Während frühe Leiterplatten nur eine Kupferschicht verwendeten, ermöglichen Fortschritte in der Herstellung heute Leiterplatten mit mehreren Schichten.
Dieser Artikel untersucht die verschiedenen Arten von Leiterplattenlagen, deren Einsatz und die Vorteile von Einzel-, Doppel- und Mehrschichtplatten. Das Verständnis der Leiterplattenlagen hilft bei der Erstellung effizienter, auf jede Anwendung zugeschnittener Leiterplattendesigns.
Lassen Sie uns also direkt mit dem Artikel beginnen, ohne weitere Zeit zu verschwenden.
Was ist eine PCB-Schicht?
Eine PCB-Lage ist jede dünne Schicht leitfähigen Kupfers, die in die Leiterplatte eingearbeitet ist. Die einfachsten PCBs bestehen zwar nur aus zwei Lagen (obere und untere Lage), doch können bei Bedarf zusätzliche Lagen dazwischen eingefügt werden.
Jede Schicht dient einem bestimmten Zweck und stellt Pfade für die elektrischen Verbindungen zwischen Komponenten bereit. Die Anzahl der Schichten beeinflusst die Komplexität und die Kosten der Leiterplattenherstellung.
Mehr Lagen ermöglichen mehr Flexibilität beim Layout eines Schaltplans, erhöhen aber auch die Material- und Produktionskosten. Durch die Optimierung der Lagenanzahl wird ausreichend Platz für die Verdrahtung geschaffen, ohne dass das Design überdimensioniert wird.
Eine Schicht aus isolierendem dielektrischem Material trennt die einzelnen leitfähigen Schichten. Gängige Dielektrika sind FR-4-Glasfaser, Polyimid und Keramiksubstrate. Vias, bestehend aus durchkontaktierten Löchern, verbinden die Leiterbahnen zwischen den Schichten nach Bedarf.
Durch sorgfältiges Stapeln von Kupfer und Dielektrikum entsteht eine Mehrschichtplatine, die Tausende von Spuren auf einer kompakten Fläche aufnehmen kann.
Was ist eine einschichtige Leiterplatte?
Eine einlagige Leiterplatte besteht aus einer Lage leitfähiger Kupferbahnen auf einem nichtleitenden, isolierenden Substrat. Die Bauteile sind auf einer Seite montiert, deren Anschlüsse an die freiliegenden Leiterbahnen gelötet sind. Die andere Seite kann zur Identifizierung mit grafischen Siebdruckmarkierungen versehen sein.
Einschichtige Leiterplatten entstanden schon früh in der Entwicklung der Leiterplattentechnologie. Sie boten eine kostengünstige Methode, Komponenten mithilfe geätzter Kupferbahnen anstelle von handverdrahteten Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu verbinden.
Obwohl die Routing-Kapazität einschichtiger Leiterplatten begrenzt ist, eignen sie sich für einfache Schaltungen mit geringer Dichte. Die Herstellung erfordert lediglich einen Ätz- und Bohrvorgang, was die Fertigung unkompliziert und wirtschaftlich macht.
Vorteile des Single-Layer-Board-Designs
Die inhärente Einfachheit einer einlagigen Platine bietet einige natürliche Vorteile:
● Geringe Produktionskosten durch minimalen Material- und Prozessbedarf
● Schnelle Fertigungsdurchlaufzeiten
● Einfaches Schaltungslayout ohne komplexe Mehrschichtbeschränkungen
● Geeignet für Anwendungen mit minimalem Trace-Routing-Bedarf
● Ermöglicht die Massenproduktion und schnelle Montage
● Reparaturen sind im Allgemeinen einfach, da alle Leiter von einer Seite aus zugänglich sind
Einschränkungen von einschichtigen Leiterplatten:
● Die Leistungsfähigkeit einschichtiger Leiterplatten liegt hinter der Leistungsfähigkeit mehrschichtiger Leiterplatten zurück.
● Die eingeschränkte Oberfläche begrenzt die Komponentendichte
● Fehlende Masse- und Stromversorgungsebenen können die Signalintegrität beeinträchtigen
● Hochgeschwindigkeitssignale erfordern eine Impedanzkontrolle durch Schichtstapelung
● Erhöht die Größe und das Gewicht, wenn für erweiterte Funktionen größere Platinen erforderlich sind
Typische Anwendungen von einlagigen Leiterplatten
Trotz inhärenter Einschränkungen bieten einschichtige Leiterplatten immer noch die ideale Balance zwischen Einfachheit und Leistungsfähigkeit für:
● Grundlegende Unterhaltungselektronik wie Kaffeemaschinen und Radiowecker
● Niederfrequente analoge Sensor- und Aktorschaltungen
● LED-Beleuchtungstreiber
● Stromversorgungsregler
● Pädagogische Trainer und DIY-Hobby-Boards
Während also mehrschichtige Leiterplatten die komplexe Elektronik dominieren, kommen bewährte einschichtige Platinen weiterhin in vielen kostensensiblen Anwendungen und Anwendungen mit geringer Dichte zum Einsatz.
Was sind Multilayer-Leiterplatten?
Mit zunehmender Komplexität elektronischer Geräte steigen auch die Anforderungen an Leiterplatten. Dies hat zur Verbreitung von Mehrschicht-Leiterplatten geführt, die im Vergleich zu einfachen Ein- oder Doppelschicht-Leiterplatten eine höhere Kapazität und Routing-Flexibilität bieten.
Der Aufbau einer mehrschichtigen Leiterplatte erfordert das Laminieren abwechselnder Schichten aus isolierenden und leitfähigen Materialien unter hoher Hitze und hohem Druck. Die isolierenden dielektrischen Schichten, typischerweise glasfaserverstärktes Epoxid, trennen die leitfähigen Kupferschichten und verhindern Kurzschlüsse.
Anspruchsvolle Keramik- oder Fluorpolymer-Dielektrika ermöglichen den Betrieb mehrschichtiger Leiterplatten bei höheren Frequenzen und Temperaturen. Der Laminierungsprozess gewährleistet eine gleichmäßige Verbindung zwischen den Schichten ohne Hohlräume, die Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen könnten.
Mehrschichtige Leiterplatten bilden das Rückgrat unzähliger Hightech-Systeme, darunter Computer, Telekommunikationsinfrastruktur, medizinische Diagnosegeräte und Avionik für die Luft- und Raumfahrt.
Ihr größerer Platzbedarf und ihre hohe Routing-Dichte ermöglichen die Aufnahme der komplexen Schaltkreise dieser Geräte. Beispielsweise kann die mehrschichtige Leiterplatte eines Smartphones über ein Dutzend Schichten umfassen, um die verschiedenen Subsysteme und Komponenten zu integrieren.
Vorteile von Multilayer-Leiterplatten
Der größte Vorteil mehrschichtiger Leiterplatten liegt in der Möglichkeit, komplexe, dichte Schaltkreise auf kompaktem Raum zu integrieren. Jede Schicht bietet zusätzliche Fläche für die Leiterbahnführung und die Platzierung von Bauteilen.
Dies erleichtert die Minimierung der Gesamtgröße der Leiterplatte bei gleichzeitiger Erfüllung der Verbindungsanforderungen. Der mehrschichtige Aufbau verbessert die mechanische Robustheit und Stabilität, da die laminierten dielektrischen Materialien ein Verdrehen oder Verziehen verhindern.
Einschränkungen von Multilayer-Leiterplatten
Allerdings sind mehrschichtige Leiterplatten im Vergleich zu einfacheren Versionen teurer. Der Laminierungsprozess erfordert zusätzliche Materialien, Ausrüstung und Fachwissen, was zu höheren Fertigungskosten führt.
Auch die Reparatur von Fehlern in den inneren Schichten ist schwierig. Daher müssen Ingenieure bei der Auswahl mehrschichtiger Leiterplatten für eine Anwendung die Vor- und Nachteile abwägen.
Strenge Designpraktiken und Tests tragen dazu bei, dass die fertigen Platinen über ihre geplante Lebensdauer hinweg zuverlässig funktionieren.
Wohin führt das also?
Kontinuierliche Fortschritte bei Materialien, Fertigungsmethoden und Designtools ermöglichen es Elektroingenieuren, die Grenzen mehrschichtiger Leiterplatten zu erweitern. Dies fördert die Entwicklung kleinerer, schnellerer und leistungsfähigerer elektronischer Geräte, die den technologischen Fortschritt prägen. Die Beherrschung der Feinheiten mehrschichtiger Leiterplatten bleibt eine unverzichtbare Kompetenz für Leiterplattendesigner und -ingenieure.
2-Lagen-Leiterplatte: Wirtschaftlichkeit und Einfachheit
Die zweilagige oder doppelseitige Leiterplatte bietet die kostengünstigste Option. Sie besteht aus einem isolierenden Kern, der beidseitig zwischen dünnen Kupferschichten angeordnet ist. Die Komponenten werden auf beiden Außenflächen montiert, was eine moderate Dichte ermöglicht.
Der begrenzte Platz auf der Platine stellt jedoch eine Belastung für das komplizierte Routing dichter oder schneller Schaltkreise dar. Vias durchbohren den Kern, um die oberen und unteren Schichten miteinander zu verbinden, verbrauchen jedoch selbst Platz.
Zweilagige Platinen eignen sich gut für kostensensitive Anwendungen mit geringer Komplexität. Der einfache Aufbau erleichtert zudem die Montage und Reparatur.
4-Schicht-Leiterplatte: Verbesserte Leistungsfähigkeit
Zwei zusätzliche innere Kupferebenen flankieren einen dickeren Isolierkern in vierlagigen Leiterplatten und dienen typischerweise als Stromverteilungs- und Massebezugsschichten. Die Trennung von Strom und Masse verbessert die Signalintegrität und reduziert Rauschen.
Der zusätzliche Platz für die Leiterbahnführung vereinfacht die Leiterbahnführung und ermöglicht eine höhere Bauteildichte im Vergleich zu zweilagigen Versionen. Vierlagige Aufbauten verbessern zudem die mechanische Stabilität und die Wärmeableitung.
Die Platine kann mit mehr Signallagen konfiguriert werden, indem den vier Lagen mehrere Funktionen zugewiesen werden. Der leicht erhöhte Fertigungsaufwand ist für viele Anwendungen gerechtfertigt, die eine höhere Leistung erfordern, als einfache zweilagige Platinen bieten können.
6-Lagen-Leiterplatte: Signalausgleich und Abschirmung
Bei sechslagigen Leiterplatten ergänzen zwei zusätzliche Innenlagen den vierlagigen Aufbau. Dieser Aufbau ist typischerweise als Signal-Strom-Masse-Signal-Strom-Signal-Anordnung konfiguriert und gleicht Leiterbahnen und Abschirmung aus.
Die beiden internen Masse- und Stromversorgungsebenen isolieren die mittleren Signalschichten voneinander und von externen Störungen. Dies ermöglicht ein dichteres und schnelleres Routing, als es bei vierschichtigen Versionen möglich ist.
Die äußeren Schichten übernehmen die Leiterbahnen mit niedrigerer Geschwindigkeit und die Platzierung der Komponenten. Der sechsschichtige Aufbau bietet somit ausreichend Signalisierung und Abschirmung für viele komplexe Designs.
8-Lagen-Leiterplatte: Verbindung hochdichter Schaltkreise
Für noch höhere Anforderungen verfügen achtlagige Leiterplatten über zwei zusätzliche Signallagen. Der Aufbau nutzt häufig mehrere Masseflächen, um die Abschirmung und Isolierung zwischen den Signalen zu verbessern.
Dies erleichtert das Routing hochdichter Schaltkreise mit hohen Flankenraten und strengen Anforderungen an die Signalintegrität. Die zusätzlichen Schichten ermöglichen zudem dickere Stromverteilungsleitungen mit niedrigerer Impedanz, um Komponenten ohne Spannungsabfälle mit stabilem Strom zu versorgen.
Kurz gesagt: Die erweiterte Kapazität von achtschichtigen Leiterplatten macht sie ideal für schnelle und hochkomplexe Systeme, bei denen die Leistung an erster Stelle steht.
So wählen Sie sorgfältig die geeigneten PCB-Schichtaufbauten aus
Bei der Planung von Leiterplatten-Schichtaufbauten berücksichtigen Ingenieure Faktoren wie Signalintegrität, Stromversorgung, Wärmeableitung, Herstellbarkeit und Kosten. Die optimale Wahl hängt von der Schaltungskomplexität und der Routing-Dichte ab.
Simulations- und Modellierungstools helfen bei der Optimierung von Stapelkonfigurationen. Leiterplatten mit mehreren Lagen bieten zwar viele Vorteile, doch zweilagige Versionen sind einfacher zu reparieren und bleiben die kostengünstigste Option, wenn die Design-Einfachheit es zulässt.
Die Abwägung zwischen Leistungsfähigkeit und Fertigungskosten fördert die Verwendung der Mindestanzahl an Schichten, die den Designzielen entspricht. Dieses Verständnis hilft Ingenieuren, Designs dem passenden Aufbau anzupassen.
Arten von PCB-Schichten
Leiterplatten (PCBs) bestehen aus leitfähigen Kupfer- und isolierenden dielektrischen Schichten, um Leiterbahnen zu verlegen und Signale zu isolieren. Hier sind einige der wichtigsten PCB-Schichttypen und ihre Rolle im Design:
Mechanische Schichten
Die primäre mechanische Schicht definiert die physikalischen Grenzen und Abmessungen der Leiterplatte für Fertigungs- und Montagezwecke präzise. Sie umreißt Länge, Breite, Form und Eckradien der Platine.
Zusätzliche mechanische Hilfsschichten können Details wie physische Ausschnitte, Laschen, Werkzeuglöcher, Kanten und andere nichtleitende mechanische Elemente festlegen. Die meisten PCB-Designs benötigen jedoch nur eine einzige mechanische Schicht.
Sperrschichten
Sperrschichten helfen, das Layout einzuschränken, indem sie Sperrzonen abgrenzen, in denen keine Komponenten oder Leitungen platziert werden können. Beispielsweise können Sperrschichten Platz um den Platinenrand oder interne Bereiche freihalten, die für den Montage- oder Wartungszugriff frei von Bauteilen und Leiterbahnen bleiben müssen.
Sperrbereiche dienen als visuelle Hilfsmittel beim Routing und ermöglichen eine schnelle Überprüfung auf Verstöße. Sie helfen bei der Optimierung des Bauteilabstands und der Leiterbahndichte.
Signalrouting-Ebenen
Die obere, untere und interne Signalschicht enthält die Kupferleiterbahnen, die die elektronischen Komponenten miteinander verbinden. Oberflächenmontierte und durchkontaktierte Bauteile werden an Pads auf den äußeren Schichten befestigt.
Leiterbahnen leiten Signale zwischen Pads, Vias und Komponenten auf der Leiterplatte. Sorgfältiges Leiterbahn-Routing zielt auf Impedanzanpassung, Minimierung von Übersprechen, Kontrolle elektromagnetischer Störungen und Einhaltung der Schaltungstaktanforderungen ab. Designs mit hoher Dichte können mehrere Signalführungsebenen sowohl intern als auch auf den Außenflächen erfordern.
Leistungs- und Masseebenen
Ganze Schichten, die als niederohmige Referenzebenen dienen, verteilen Strom- und Massespannungen gleichmäßig über die gesamte Leiterplatte. Dies gewährleistet eine saubere, stabile Spannungsversorgung der Komponenten und ermöglicht robuste Rückleitungen.
Ebenen dienen zudem als niederohmige AC-Referenzen und verbessern so die Signalintegrität im Vergleich zu diskreten Leiterbahnen. Große, zusammenhängende Kupferflächen leiten die Wärme ebenfalls effektiv ab. Entkopplungskondensatoren in der Nähe von IC-Lasten tragen zusätzlich zur Rauschreduzierung in der Stromverteilung bei.
Geteilte Strom- und Masseflächen
Geteilte Ebenen ermöglichen die Segmentierung von Strom- und Masseschichten in isolierte Bereiche mit unterschiedlichen Spannungen. Beispielsweise kann eine geteilte Masseebene analoge und digitale Massezonen bereitstellen, um Rauschkopplungen zu verhindern.
Geteilte Stromversorgungsebenen können mehrere Spannungspegel bereitstellen, die von verschiedenen Komponenten benötigt werden. Um geteilte Ebenen effektiv zu nutzen, ist eine sorgfältige Platzierung der Segmentierungsleitungen und Komponentenzuordnungen erforderlich.
Lötmaskenschichten
Eine Lötstoppmaske ist eine Schicht aus Isolierlack oder einem anderen Schutzpolymer, die selektiv auf die Leiterplattenoberfläche aufgetragen wird. Sie verhindert Oxidation und Kurzschlüsse durch Verunreinigungen wie Schmutz oder Kondensation.
Wichtige Bereiche wie Bauteilpads und Vias bleiben jedoch unbedeckt, um das Löten zu ermöglichen. Die Lötmaske grenzt die Leitungs- und Isolationsbereiche optisch ab. Um Spannungsdurchschläge zu vermeiden, müssen zwischen den Maskenöffnungen Mindeststegbreiten eingehalten werden.
Lötpastenschichten
Lötpastenschichten kennzeichnen die Pads und Bereiche, die vor der Platzierung von SMD-Bauteilen mit Lötpaste versehen werden müssen. Die Paste verbessert den Kapillarfluss zwischen Anschlüssen und Pads beim Reflow-Löten.
Die richtige Pastenabscheidung erleichtert die Montage und optimiert die Qualität der Lötverbindungen. Lötpastenschichten sind im Allgemeinen für Designs mit fein gekapselten Bauteilen erforderlich.
Siebdruckschichten
Im Siebdruckverfahren werden Bauteilkennungen, Referenzbezeichnungen, Platinentitel, Markierungen und andere druckbare Texte auf die Oberfläche aufgebracht. Dies erleichtert die Sichtprüfung, Fertigung, Fehlerbehebung, Bestandsverfolgung und Wartung von Leiterplattenbaugruppen.
Siebdrucke verwenden typischerweise die Lötstoppmaskenschicht als Hintergrund. Passungstoleranzen zwischen Maske und Siebdruck müssen berücksichtigt werden. Siebdrucke beschränken sich üblicherweise nur auf die äußeren Schichten.
Häufig gestellte Fragen zu PCB-Schichten
1). Ist eine 7-lagige Leiterplatte möglich?
Ja, 7-lagige Leiterplatten sind zweifellos realisierbar. Ungleiche Lagenzahlen ermöglichen symmetrische Aufbauten mit einem zentralen Kern und gleichmäßiger Lagenaufteilung auf beiden Seiten. Dies sorgt für eine gute Signalisolierung und Wärmeableitung. Die zusätzlichen Lagen bieten im Vergleich zu 6-lagigen Leiterplatten mehr Flexibilität beim Routing.
2). Wie bestimmen Sie die Anzahl der Schichten einer Leiterplatte?
Die Anzahl der Lagen hängt von der Schaltungskomplexität, der Routing-Dichte, der Komponentenanzahl und den Leistungsanforderungen ab. Mehr Lagen ermöglichen mehr Platz für das Leiterbahn-Routing und die Trennung kritischer Signale. Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns können mehr Lagen erforderlich sein, um die Signalintegrität zu gewährleisten.
3). Wie dick ist eine PCB-Schicht?
Die Standardschichtdicke von Leiterplatten beträgt 1 Unze Kupfer, was etwa 1.4 mil (35 Mikrometer) entspricht. Dickeres 2 Unzen Kupfer verbessert die Leitfähigkeit und Wärmeableitung zusätzlich. Die Dicke des dielektrischen Kerns in Mehrschichtplatten liegt typischerweise zwischen 2 und 8 mil, abhängig von der Anzahl der Schichten.
4). Was ist die maximale Schicht einer Leiterplatte?
Bei der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten gibt es keine festgelegte maximale Anzahl von Lagen. Komplexe Designs wie High-End-FPGAs und Netzwerkchips können 20 oder mehr Lagen enthalten. Extrem hohe Lagenzahlen stellen jedoch Herausforderungen und Kosten für die Fertigung dar. Die meisten kommerziellen Leiterplatten für kostensensitive Verbraucheranwendungen bestehen aus höchstens 12 Lagen.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Leiterplattenschichten die für anspruchsvolle Elektronik wichtige Routing-Dichte und Signalisolierung ermöglichen. Einschichtige Leiterplatten reichen für einfache, kostengünstige Designs aus, während mehrschichtige Leiterplatten komplexe Funktionen unterstützen.
Zwei-, vier-, sechs- und achtlagige Aufbauten bieten schrittweise Verbesserungen, da mehr Lagen eine höhere Routing-Kapazität und Signaltrennung ermöglichen. Eine sorgfältige Lagenkonfiguration erleichtert zudem die Impedanzkontrolle und die Leistungsabgabe.
Das Hinzufügen zusätzlicher Lagen erhöht zwar die Fertigungskomplexität, doch die erweiterten Möglichkeiten rechtfertigen oft den Kompromiss bei hochdichten Schaltkreisen. Die Anpassung der Lagenanzahl an die Designbeschränkungen hilft bei der Planung von PCB-Stackups, Leistung, Kosten und Herstellbarkeit in Einklang zu bringen.
