Was ist eine mehrschichtige Leiterplatte: Herstellung und Design

Im Gegensatz zu einschichtigen oder zweischichtigen Leiterplatten bestehen mehrschichtige Leiterplatten aus drei oder bis zu 60 Kupferschichten, die durch Isoliermaterialien getrennt und unter Hitze und Druck zusammenlaminiert sind. Diese zusätzlichen Schichten ermöglichen komplexere und dichtere Schaltungsdesigns und ermöglichen die Unterbringung einer größeren Anzahl von Komponenten auf einer kleineren Platine. Diese Fähigkeit ist in der modernen Elektronik von entscheidender Bedeutung, da die Geräte immer kompakter und dennoch leistungsfähiger werden. Die Entwicklung mehrschichtiger Leiterplatten wurde durch die Nachfrage nach effizienteren, zuverlässigeren und miniaturisierten elektronischen Produkten vorangetrieben.

Gängige mehrschichtige Konstruktionen

• 4–6 Schichten – geringe bis mittlere Komplexität
• 8–10 Schichten – komplexere digitale Platinen
• 12–16 Schichten – fortschrittliche HF- und Datenverarbeitung
• 20+ Schichten – extrem dichte Verbindungen
• Über 60 Schichten – modernste HDI-Technologie

Herstellungsprozess von mehrschichtigen Leiterplatten

1. Bildung der inneren Schicht

Auf kupferkaschierten Laminaten wird eine fotolithografische Strukturierung angewendet, um die Leiterbahnen zu definieren. Anschließend wird unerwünschtes Kupfer weggeätzt, Schichtregistrierungsziele und Werkzeuglöcher hinzugefügt, die Leiterbahnen elektrisch getestet und die Oberfläche für die Laminierung vorbereitet.

2. Schichtlaminierung

Mehrere Schichten werden mithilfe von Blechlaminierpressen mit einer Stapelanordnung aus Kernen, Prepregs, Kupfer und Dielektrika verbunden und unter Temperatur und Druck zu einem festen Laminat ausgehärtet.

3. Löcher bohren

Durch hochpräzises Bohren werden Werkzeug- und Durchgangslöcher mit präziser Ausrichtung für jede Schicht erstellt.

4. Lochbeschichtung

Durch die stromlose Verkupferung und anschließende elektrolytische Verkupferung wird Kupfer auf den Innenschichten und Bohrlöchern aufgebaut.

5. Verarbeitung der äußeren Schicht

Anwendung von flüssigen fotobildbaren Lötstopplack, Drucken von Identifikationsmarkierungen, Strukturierung und Ätzen der äußeren Schaltkreise sowie Verdrahtung der Platine zu einzelnen Leiterplatten.

6. Prüfung und Qualitätssicherung

Beinhaltet automatische optische Inspektion, Netzkonnektivitätsprüfung, Impedanz-, Hochspannungs- und Funktionsprüfung sowie dimensionale Qualitätskontrolle.

Überlegungen zum mehrschichtigen PCB-Design

Anzahl der Schichten:

Die Festlegung der Anzahl der Schichten ist der erste Schritt beim mehrschichtigen PCB-Design. Die Anzahl der Schichten, die zwischen vier und zehn oder mehr Schichten liegen kann, hängt von der Komplexität des Designs, der Anzahl der Komponenten und den Anforderungen an die elektrische Leistung ab.

Komponentenplatzierung

Mit PCB-Layout-Software ordnen Designer Komponenten an und definieren elektrische Verbindungen. Die Anordnung soll die Signalführung optimieren, Störungen minimieren und die Wärmeableitung gewährleisten.

Signal-Routing

Beim elektrischen Routing werden die Breite, der Abstand und die Schichtzuordnung der Verbindungen festgelegt, wobei der Schwerpunkt auf der Signalintegrität, der Reduzierung von Übersprechen und der Verhinderung von Signalreflexionen liegt.

Überlegungen zum Layer-Stacking:

Die Schichten sollten vorzugsweise in gerader Anzahl gestapelt werden, und alle Signalschichten sollten so nah wie möglich an der Grundebene liegen. Die Verdrahtungsrichtung auf derselben Signalschicht sollte konsistent sein. Die Wahl der Anzahl der Schichten hängt auch von der Art des zu übertragenden Signals ab, kategorisiert in Hochfrequenz, Niederfrequenz, Erde oder Leistung.

Komponenten- und Schnittstellenanordnung:

Idealerweise sollten die Komponenten auf einer Seite platziert werden und die Position und Ausrichtung der Schnittstellenkomponenten sollte sinnvoll angeordnet sein. Komponenten mit engen elektrischen Verbindungen werden am besten zusammen platziert.

Gerber-Dateigenerierung:

Sobald die elektrische Leitungsführung definiert ist, werden Gerber-Dateien generiert, die Informationen über den Lagenaufbau, elektrische Verbindungen, Komponentenplatzierung und andere Designinformationen enthalten.

Fertigung:

Aus den Gerber-Dateien erstellt der Hersteller Fotomasken, aus denen dann einzelne Leiterplattenschichten erstellt werden. Diese Schichten werden laminiert, um die endgültige mehrschichtige Leiterplatte zu bilden.

Überlegungen zur Signalintegrität von mehrschichtigen Leiterplatten

Lagenaufbau: Die richtige Planung des Lagenaufbaus ist von entscheidender Bedeutung. Signal- und Erdungsschichten sollten eng gekoppelt sein, um Impedanz und Signalreflexion zu minimieren.

Leiterbahnführung: Leiterbahnen sollten verlegt werden, um Übersprechen und elektromagnetische Störungen (EMI) zu vermeiden. Durch kurze und direkte Signalwege wird die Signalintegrität verbessert.

ImpedanzkontrolleDurch die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Impedanz auf der gesamten Leiterplatte werden Signalverzerrungen und Reflexionen vermieden.

Entkopplungskondensatoren: Diese sind für die Verwaltung der Stromversorgungsintegrität und die Minimierung von Rauschen auf Leistungsflugzeugen unerlässlich.

Via-Design: Das Design und die Platzierung von Vias beeinflussen die Signalpfade und sollten optimiert werden, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten.

Kostenüberlegungen für mehrschichtige Leiterplatten

Komplexität und Anzahl der Schichten: Mehr Schichten und eine komplexere Konstruktion erhöhen die Herstellungskosten.

Verwendete Materialien: Hochwertige oder spezielle Materialien können die Gesamtkosten erhöhen.

Fertigungstechniken: Fortschrittliche Fertigungstechniken für komplexe Designs können ebenfalls zu höheren Kosten führen.

Größe der Leiterplatte: Größere Leiterplatten erfordern mehr Material und Verarbeitung, was die Kosten erhöht.

Menge: Größere Produktionsläufe können aufgrund von Skaleneffekten die Kosten pro Einheit senken.