Fortschritte beim mehrlagigen Leiterplattendesign für Hochfrequenzanwendungen

Der Bedarf an Hochleistungsgeräten mit erweiterter Funktionalität steigt im sich ständig wandelnden Bereich der Elektronik. Der Bedarf an Leiterplattentechnologie hat zu bemerkenswerten Fortschritten geführt, insbesondere im Bereich der Hochfrequenzanwendungen. Die Verwendung von mehrlagigem Leiterplattendesign ist zu einer entscheidenden Lösung geworden, um die strengen Anforderungen dieser Anwendungen zu erfüllen.

In diesem Artikel werden die Vorteile, Herausforderungen und Machbarkeit von mehrlagigen Leiterplatten, die speziell für Hochfrequenzanwendungen entwickelt wurden.

Die Einführung von mehrlagigen Leiterplatten

In der Vergangenheit waren Leiterplatten vor allem durch ihre ein- oder zweilagige Struktur gekennzeichnet, die ihre Eignung für Hochfrequenzanwendungen aufgrund von Signalverschlechterung und elektromagnetischer Interferenz (EMI) einschränkte. Dennoch hat die Einführung mehrlagiger Leiterplatten zu bemerkenswerten Fortschritten bei der Signalintegrität, elektromagnetischen Störungen (EMI) und der Gesamtleistung geführt.

Mehrlagige Leiterplatten (Abbildung 1) bestehen aus zahlreichen leitenden Lagen, die durch isolierende Substrate getrennt sind. Dieses Design ermöglicht die Übertragung von Signalen und Leistungsträgern auf eine ausgeklügelte Art und Weise.

Abbildung 1: Interne Struktur einer mehrlagigen Leiterplatte

Mehrlagige Leiterplatten unterscheiden sich von ihren ein- oder zweischichtigen Gegenstücken durch das Vorhandensein von drei oder mehr leitenden Lagen, die durch Isoliermaterial, allgemein als dielektrische Lagen bezeichnet, getrennt sind. Die Verschaltung dieser Lagen wird durch Durchkontaktierungen erleichtert, die winzige leitende Durchgänge sind, welche die Kommunikation zwischen verschiedenen Lagen erleichtern. Das komplizierte Design von mehrlagigen Leiterplatten ermöglicht eine größere Konzentration von Komponenten und komplizierten Schaltkreisen, wodurch sie für modernste Technologie unerlässlich sind.

Mehrlagige Leiterplatten weisen aufgrund der inhärenten Herausforderung, mehrere Lagen innerhalb einer flexiblen Leiterplattenstruktur zu erreichen, in der Regel einen hohen Grad an Steifigkeit auf. Elektrische Verbindungen zwischen Lagen werden durch die Verwendung verschiedener Arten von Durchkontaktierungen hergestellt (Abbildung 2), einschließlich blinder und vergrabener Durchkontaktierungen.

Die Konfiguration beinhaltet die Platzierung von zwei Lagen auf der Oberfläche, um eine Verbindung zwischen der Leiterplatte und der externen Umgebung herzustellen. Im Allgemeinen ist die Lagendichte in Leiterplatten gleichmäßig. Dies ist in erster Linie auf die Anfälligkeit einer ungewohnten Anzahl von Problemen wie Warping zurückzuführen.
Die Lagenanzahl variiert in der Regel je nach Anwendung und liegt in der Regel im Bereich von vier bis zwölf Lagen.

In der Regel erfordern die meisten Anwendungen mindestens vier und maximal acht Lagen. Anwendungen wie Smartphones hingegen nutzen überwiegend zwölf Lagen.

Abbildung 2: Durchkontaktierungen werden verwendet, um Lagen zu verbinden (Quelle: Altium)

Hauptanwendungen

Mehrlagige Leiterplatten werden in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen eingesetzt (Abbildung 3), einschließlich:

• Unterhaltungselektronik, bei der mehrlagige Leiterplatten eine grundlegende Rolle spielen, um die erforderliche Leistung und Signale für eine Vielzahl von Produkten wie Smartphones, Tablets, Spielkonsolen und tragbare Geräte bereitzustellen. Die schlanke und tragbare Elektronik, auf die wir uns täglich verlassen, wird ihrem kompakten Design und der hohen Komponentendichte zugeschrieben.
• Im Bereich der Telekommunikation erleichtert die Verwendung von mehrlagigen Leiterplatten die reibungslose Übertragung von Sprach-, Daten- und Videosignalen über Netzwerke und gewährleistet so eine zuverlässige und effektive Kommunikation.
• Industrielle Steuerungssysteme sind aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Steuerungssysteme, Überwachungsmechanismen und Automatisierungsverfahren effektiv zu verwalten, stark von mehrlagigen Leiterplatten abhängig. Maschinensteuertafeln, Robotik und industrielle Automatisierung verlassen sich auf sie als grundlegendes Unterstützungssystem.
• Mehrlagige Leiterplatten sind auch für medizinische Geräte relevant, da sie entscheidend für Präzision, Zuverlässigkeit und Kompaktheit sind. Diagnosegeräte, Patientenüberwachungssysteme und lebensrettende medizinische Geräte werden durch ihre wichtige Rolle maßgeblich beeinflusst.
  

Abbildung 3: Eine komplexe Leiterplatte erfordert ein mehrlagiges Design (Quelle: Altium)

Nutzen und Vorteile

Mehrlagige Leiterplatten bieten mehrere Nutzen und Vorteile in Hochfrequenzanwendungen, einschließlich:

• Verbesserte Signalintegrität: Mehrlagige Leiterplatten erleichtern eine kontrollierte Impedanzführung, minimieren Signalverzerrungen und gewährleisten eine zuverlässige Übertragung von Hochfrequenzsignalen. Die geringeren Signalstörungen von mehrlagigen Leiterplatten führen zu einer verbesserten Leistung, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.
• Reduzierte elektromagnetische Störungen: Durch die Verwendung dedizierter Erd- und Leistungsebenen unterdrücken mehrlagige Leiterplatten effektiv elektromagnetische Störungen, wodurch die Systemzuverlässigkeit verbessert und Störungen mit benachbarten Stromkreisen minimiert werden.
• Kompaktes Design: Mit der Möglichkeit, mehr Komponenten und komplexe Routingschemata aufzunehmen, ermöglichen mehrlagige Leiterplatten kompakte Designs, die für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot wie mobile Geräte und Luft- und Raumfahrtsysteme von entscheidender Bedeutung sind.
• Verbessertes Wärmemanagement: Mehrlagige Leiterplatten bieten eine effiziente Wärmeableitung durch die Integration von thermischen Durchkontaktierungen und strategisch platzierten Kupferlagen, wodurch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Hochleistungskomponenten verbessert wird.
• Designflexibilität: Die Vielseitigkeit mehrlagiger Leiterplatten ermöglicht eine größere Designflexibilität und ermöglicht es Ingenieuren, Leistungsparameter wie Impedanzanpassung, Signalausbreitungsverzögerung und Stromverteilung zu optimieren.

Nachteile

Einer der Hauptnachteile, die mit mehrlagigen Leiterplatten verbunden sind, sind ihre höheren Kosten im Vergleich zu ein- und zweilagigen Leiterplatten in allen Phasen des Herstellungsprozesses. Die höheren Kosten sind hauptsächlich mit der für ihre Produktion erforderlichen Spezialausrüstung verbunden.

Auch die Herstellung ist komplexer, da die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten im Vergleich zu anderen Leiterplattenypen eine deutlich längere Entwurfsphase und sorgfältige Herstellungsverfahren erfordert. Fertigungskomplexität: Die Herstellung mehrlagiger Leiterplatten erfordert anspruchsvolle Fertigungsprozesse, einschließlich präziser Schichtausrichtung, kontrollierter Impedanzführung und strenger Qualitätskontrollmaßnahmen, was zu höheren Produktionskosten und längeren Lieferzeiten führt.

Mehrlagige Leiterplatten erfordern eine gründliche Vorentwicklung und daher sind für ihre Entwicklung kompetente Ingenieure erforderlich. Die Herstellung jeder Platte erfordert einen erheblichen Zeitaufwand, was zu höheren Arbeitskosten führt. Darüber hinaus kann es zu längeren Zeitabständen zwischen der Bestellung und dem Eingang des Produkts kommen, was in einigen Situationen eine Herausforderung darstellen kann.

Diese Bedenken untergraben jedoch nicht die Wirksamkeit von mehrlagigen Leiterplatten. Obwohl mehrlagige Leiterplatten oft teurer sind als einlagige Leiterplatten, bieten sie im Vergleich zu dieser speziellen Form von Leiterplatten zahlreiche Vorteile.

Da elektronische Geräte immer kleiner werden und die Leistungsdichte steigt, wird ein effektives Wärmemanagement bei mehrlagigen Leiterplatten von entscheidender Bedeutung. Daher sind innovative Lösungen erforderlich, um thermische Hotspots zu vermeiden und eine optimale Leistung zu gewährleisten. Darüber hinaus erfordert die Validierung der Leistung mehrlagiger Leiterplattendesigns umfassende Testmethoden, einschließlich Simulation, Prototyping und Konformitätstests, um die Einhaltung von Industriestandards und ‑spezifikationen sicherzustellen.

Tipps für mehrlagige Leiterplatten

Bei der Erstellung einer mehrlagigen Leiterplatte für Hochfrequenzanwendungen sind in der Regel mehrere nützliche Vorschläge hilfreich.

Um die Probleme beim Design von mehrlagigen Leiterplatten zu verringern, dreht sich der Hauptschwerpunkt in der Regel um den Lagenaufbau. Bei der Beurteilung des Lagenaufbaus ist es wichtig, Faktoren wie Funktionalität, Fertigung und Bereitstellung zu berücksichtigen.

Beginnen Sie mit der Optimierung der Abmessungen der Platine, da dies Entscheidungen über andere Merkmale beeinflussen wird. Bei der Bestimmung der idealen Platinengröße sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:

• die Anzahl der Komponenten, die auf der Platine untergebracht werden sollen
• die Größe dieser Komponenten
• wo die Platine installiert wird
• die Freiräume des Fertigungspartners für Abstände, Zwischenräume und Bohrungen

Sobald die Anzahl der Lagen festgelegt ist, ist die Auswahl der Durchkontaktierungen durchzuführen, die blind, durchkontaktiert oder vergraben oder Via-in-Pad sein können. Dieser Aspekt wirkt sich auf die Komplexität der Fertigung aus, also die Leiterplattenqualität.

Im Abschnitt „Mehrlagiges Leiterplattendesign“ ist die Leiterplattendesignsoftware ein wesentlicher Bestandteil des Designprozesses. Sie hilft Designern, die Struktur der mechanischen und Verdrahtungsverbindung der Leiterplatte aus der Netzliste zu generieren, diese Verbindungsstruktur auf mehreren Ebenen zu platzieren und computergestützte Designdateien zu erstellen. Dieses CAD ist für die Herstellung der Leiterplatte von entscheidender Bedeutung. Es gibt mehrere Softwareoptionen für die Leiterplattenentwicklung, mit denen Sie Ihre mehrlagige Leiterplatte entwerfen können. Einige wenige werden jedoch häufiger verwendet als andere, insbesondere und unter anderem aufgrund ihrer einfacheren Schnittstelle.

DFM, dessen Ziel es ist, Produktteile und Komponenten zu erstellen, welche die Fertigung erleichtern, ist ebenfalls zu berücksichtigen. Ziel ist es, qualitativ hochwertige Produkte zu geringeren Kosten zu erzielen. Folglich bedeutet dies eine Straffung, Verbesserung und Perfektion des Produktdesigns. DFM sollte rechtzeitig vor Beginn der Werkzeugausstattung durchgeführt werden. Es ist unerlässlich, alle Beteiligten in das DFM einzubeziehen. Die Einbeziehung mehrerer Interessenträger, darunter Designer, Ingenieure, Vertragshersteller, Materiallieferanten und Formenbauer ist von entscheidender Bedeutung. Auf diese Weise können mögliche Probleme mit dem Design minimiert werden.

Herstellbarkeit

Die Herstellung mehrlagiger Leiterplatten für Hochfrequenzanwendungen umfasst mehrere wichtige Schritte:

• Design und Layout: Ingenieure verwenden spezielle Leiterplattendesignsoftware, um das Layout zu erstellen, wobei Faktoren wie Signalintegrität, Wärmemanagement und EMI‑Minimierung berücksichtigt werden.
• Materialauswahl: Hochwertige Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante und Verlusttangente werden ausgewählt, um Signalverluste zu minimieren und die Hochfrequenzleistung beizubehalten.
• Lagenaufbauplanung: Der Lagenaufbau wird sorgfältig geplant, um die Signalführung, Impedanzanpassung und thermische Verlustleistung zu optimieren, wobei Faktoren wie Signalfrequenz, Plattendicke und Kupferdicke berücksichtigt werden.
• Fertigung und Bestückung: Fortschrittliche Fertigungstechniken wie Laserbohren, sequenzielle Laminierung und Ätzen mit kontrollierter Impedanz werden eingesetzt, um mehrlagige Leiterplatten mit Präzision und Zuverlässigkeit herzustellen.
• Prüfung und Qualitätssicherung: Strenge Prüfverfahren, einschließlich Signalintegritätsanalyse, Impedanzmessungen, Wärmebildkamera und EMI‑Tests werden durchgeführt, um die Leistung, Zuverlässigkeit und Konformität mehrlagiger Leiterplatten mit Industriestandards und ‑spezifikationen zu gewährleisten.

Fazit

Die Entwicklung des mehrlagigen Leiterplattendesigns hat den Bereich der Hochfrequenzelektronik revolutioniert und die Entwicklung anspruchsvoller Geräte mit verbesserter Leistung, Zuverlässigkeit und Funktionalität ermöglicht. Trotz der Herausforderungen in den Bereichen Signalintegrität, Fertigungskomplexität und Wärmemanagement überwiegen die Vorteile mehrlagiger Leiterplatten bei Weitem die Herausforderungen und machen sie in einer Vielzahl von Hochfrequenzanwendungen unverzichtbar, einschließlich Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt, Automobil- und Medizinelektronik. Mit den ständigen Fortschritten bei Materialien, Fertigungstechniken und Designmethoden sind mehrlagige Leiterplatten in der Lage, Innovationen in der Hochfrequenzelektronik auch in den kommenden Jahren voranzutreiben.

19.06.2024