Grundlagen von Multilayer-Leiterplatten: Wie sie funktionieren und warum sie für europäische Ingenieure wichtig sind

Mehrlagige Leiterplatten (PCBs) sind das Rückgrat praktisch jedes komplexen elektronischen Systems, das heute im kommerziellen und industriellen Einsatz ist. Von den Steuereinheiten in Elektrofahrzeugen bis hin zur Kommunikationsinfrastruktur, die europäische industrielle Automatisierungsnetze untermauert, bieten mehrlagige PCBs die hochdichte Verbindungsplattform, die moderne Elektronik benötigt. Trotz ihrer Allgegenwart bleiben die Grundlagen, wie mehrlagige PCBs funktionieren und wie sie für eine bestimmte Anwendung bewertet werden, für viele Ingenieure, die sie spezifizieren oder integrieren, undurchsichtig.

Eine mehrlagige PCB ist eine PCB-Konstruktion, die aus drei oder mehr leitfähigen Kupferschichten besteht, die mit Isoliermaterial zwischen jeder Schicht laminiert sind. Die einfachste mehrlagige PCB – eine Vier-Lagen-Platine – besteht aus zwei äußeren und zwei inneren Lagen, wobei die inneren Lagen typischerweise für Strom- und Masseflächen vorgesehen sind. Sechs-, Acht- und Zehn-Lagen-Platinen sind in der kommerziellen und industriellen Elektronik üblich; Platinen mit 20 oder mehr Lagen werden in spezialisierten Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Supercomputing eingesetzt.

Der wesentliche funktionale Vorteil von mehrlagigen Platinen gegenüber ein- oder zweiseitigen PCBs ist die Möglichkeit, Strom- und Massebezüge über dedizierte Flächenschichten zu verteilen, während komplexe Signalverbindungen auf den äußeren Lagen geroutet werden. Diese Trennung der Stromversorgung vom Signalrouting ermöglicht den zuverlässigen Betrieb von Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzschaltungen.

Ein weit verbreiteter Irrtum bei der PCB-Spezifikation ist, dass eine höhere Lagenanzahl automatisch eine bessere Platine bedeutet. In der Praxis ist die Lagenanzahl ein Kompromiss.

Mehr Lagen ermöglichen eine höhere Routingdichte und ein ausgefeilteres Strom- und Masseflächen-Design – sie erhöhen jedoch auch die Herstellungskosten, die Dicke der Platine und die Komplexität des Fertigungsprozesses. Für eine bestimmte Anwendung wird die geeignete Lagenanzahl durch die Komplexität des Routings, die Anforderungen an die Stromversorgung sowie die thermischen und mechanischen Einschränkungen des Endprodukts bestimmt.

Für die meisten industriellen Steuerungsanwendungen bieten vier bis sechs Lagen die richtige Balance. Für Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgeräte und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme in Automobilanwendungen sind acht bis zehn Lagen typischer.

Die Anordnung der Lagen innerhalb einer mehrlagigen PCB – der „Stack-Up“ – ist ebenso wichtig wie die Gesamtlagenanzahl. Ein gut gestalteter Stack-Up platziert Signallagen neben Masseflächen, um eine kontrollierte Impedanz und Signalisolation zu gewährleisten. Er verteilt Strom- und Masseflächen symmetrisch, um Verzug während der Fertigung und thermische Zyklen im Feld zu minimieren. Ein schlechtes Stack-Up-Design ist eine der häufigsten Ursachen für Signalintegritätsfehler, Probleme mit elektromagnetischer Interferenz und Zuverlässigkeitsprobleme im Feld bei mehrlagigen Platinen.

Europäische Ingenieure, die mehrlagige PCBs spezifizieren, sollten frühzeitig im Designprozess mit ihrem PCB-Lieferanten zusammenarbeiten, um den Stack-Up für ihre spezifischen Anwendungsanforderungen zu optimieren.

Für europäische Industriekäufer sind die CE- und ROHS-Zertifizierungen Grundvoraussetzungen für die PCB-Lieferung. Darüber hinaus weist die ISO 9001-Zertifizierung auf einen Lieferanten mit einem dokumentierten Qualitätsmanagementsystem hin. Für Automobilanwendungen wird zunehmend der Automobilqualitätsmanagementstandard IATF 16949 in der gesamten Lieferkette gefordert.

Ein PCB-Lieferant mit einem vollständigen Produktverfolgungssystem – bei dem jede Platine auf das spezifische Produktionslos, die Rohmaterialcharge und die Fertigungsparameter zurückgeführt werden kann – liefert die Qualitätssicherungsdokumentation, die europäische Industriekäufer zunehmend benötigen.

Fazit: Die Auswahl des richtigen Lieferanten für mehrlagige PCBs erfordert die Bewertung der Fertigungskapazitäten, Qualitätszertifizierungen und der Fähigkeit, von Prototypen bis zur Massenproduktion zu skalieren. Dongguan Xingqiang Circuit Board Technology Co., Ltd. bedient seit 1995 den globalen PCB-Markt, mit zwei Produktionsstätten auf 205.000 Quadratmetern und einer monatlichen Kapazität von 200.000 Quadratmetern. Die Produkte sind nach ISO-, CE- und ROHS-Standards zertifiziert. Für technischen Support oder eine Projektberatung besuchen Sie https://www.multilayer-pcbs.com.