Unsere besten Regeln für das Stapeln und die Anordnung der Schichten bei Leiterplatten

Die meisten modernen elektronischen Geräte enthalten Leiterplatten, die für ihre Leistung wichtig sind. Jede Schicht einer Leiterplatte ist physisch als Stapel angeordnet und für die allgemeine Funktionalität der Leiterplatte essenziell.

In diesem Artikel bieten wir einen Überblick über die Grundregeln für das Stapeln und die Anordnung der Schichten bei Leiterplatten, wobei zu berücksichtigen ist, dass es hier je nach den besonderen Spezifikationen des Designs zu Abweichungen kommen kann.

Die unterschiedlichen Schichten einer Leiterplatte verstehen

Beim Design einer Leiterplatte kommt es auf das Stapeln und die Anordnung der Schichten an, um Funktionalität und Leistung der Leiterplatte zu gewährleisten. Bevor wir uns jedoch ansehen, in welcher Reihenfolge die Schichten einzuplanen sind, ist es wichtig, die unterschiedlichen Arten von Schichten zu kennen, aus denen eine Leiterplatte besteht.

Im Allgemeinen gibt es drei Arten von Schichten: Signalschichten, Leistungs-/Erdungsschichten und geteilte Ebenen. Signalschichten enthalten Kondensatoren, Widerstände, integrierte Schaltungen und andere Teile, welche die Schaltung komplettieren. Leistungs-/Erdungsschichten bieten hingegen einen konsistenten Pfad für den Stromfluss durch das Gerät und geteilte Ebenen können ein Übersprechen zwischen Signalen mit unterschiedlichen Potenzialen reduzieren. Zur Festlegung der Schichtenreihenfolge ist es erforderlich, den Zweck der einzelnen Schichten zu kennen. Mit diesem Wissen können Sie sicherstellen, dass Ihre Leiterplatte im Hinblick auf optimale Leistung designt wird, und so dafür sorgen, dass Ihr Produkt den anderen um eine Nasenlänge voraus ist.

Faktoren, die vor dem Leiterplattendesign zu berücksichtigen sind

Vor dem Designen einer Leiterplatte müssen einige wichtige Faktoren berücksichtigt werden. Sie gewährleisten, dass das Design die Anforderungen der Anwendung erfüllt.

Die wichtigsten Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt, sind:

• Anzahl der Schichten – Der Designer muss festlegen, wie viele Schichten die Leiterplatte haben wird. Im Allgemeinen werden für kleine Komponenten standardmäßig zwei- und vierlagige Leiterplatten verwendet, doch komplexere Leiterplatten können auch sechs oder sogar acht Schichten erfordern.
• Substratmaterial – Das für die Leiterplatte verwendete Substratmaterial muss sorgfältig ausgewählt werden. Häufig verwendete Materialien sind FR‑4-Epoxid, Rogers 4003 und Polyimid. Jedes Material hat bestimmte Eigenschaften; es ist also wichtig, jenes auszuwählen, das die Anforderungen an Leistungsaufnahme, Budget und Frequenz erfüllt.
• Schichtenreihenfolge – Die Schichtenreihenfolge der Leiterplatte beeinflusst Signalintegrität und Leistung. Wichtige Signale sollten beispielsweise nicht auf den äußeren, sondern auf den inneren Schichten positioniert werden, um die Signalintegrität zu verbessern.
• Stapelkonfiguration – Die Stapelkonfiguration legt fest, wie viel Platz zwischen den Schichten eingeplant wird und ob einzelne Signale von anderen abgeschirmt oder isoliert werden müssen. Der Designer muss beim Designen dieses Aspektes des Leiterplattenlayouts das Kupfergewicht jeder Leiterbahn und die Größe von Ausschnitten oder Schlitzen berücksichtigen.

Wissenswertes zum Stapeln und zur Anordnung der Schichten

Um die Herausforderungen des Stapelns und der Anordnung der Schichten zu meistern, sollten Designer einige wichtige Fakten kennen.

1 – Die Designanforderungen festlegen

Die Designanforderungen müssen vor dem Beginn der Entwicklung eines Leiterplattenlagenaufbaus berücksichtigt werden. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören die Größe der Leiterplatte, die Art der Signalübertragung, die eingesetzten Frequenzen und die Anzahl der Schichten. Abhängig von den Designanforderungen sind für den Leiterplattenlagenaufbau eine bestimmte Anzahl und Art von Schichten erforderlich.

2 – Die Schichtart festlegen

Im nächsten Schritt muss entschieden werden, welche Art von Schichten die Leiterplatte benötigt. In einem Leiterplattenlagenaufbau gibt es Signal-, Leistungs- und Erdungsschichten. Erdungsschichten werden eingesetzt, um einen niederohmigen Rücklaufkanal für die Signale einzurichten, Signalschichten werden verwendet, um Signale zwischen Komponenten zu transportieren, und Leistungsschichten dienen dazu, die Komponenten mit Strom zu versorgen.

Der Designer sollte stets mit der Signalschicht beginnen; sie ist die erste Schicht im Stapel, in der die meisten Signale geroutet werden. Die Signalschicht sollte neben der Leistungs- und Erdungsschicht liegen. Die Anzahl der Schichten im Leiterplattenlagenaufbau sollte jedoch so optimiert werden, dass Kosten und Komplexität des Designs den Anforderungen an Signalintegrität und EMI entsprechen.

3 – Die Schichten in die richtige Reihenfolge bringen

Im nächsten Schritt werden die Schichten, deren Art festgelegt wurde, geordnet. Die Signalschichten werden in der üblichen Reihenfolge des Leiterplattenlagenaufbaus zwischen zwei Erdungsschichten gestapelt. Diese Konfiguration schützt die Signalschichten ordnungsgemäß und elektromagnetische Interferenzen (EMI) werden reduziert.

Laut guter Praxis werden Leistungs- und Erdungsschichten abwechselnd gestapelt; dies hilft dabei, eine konsistente Impedanz zu halten und die elektromagnetische Interferenz in der Leiterplatte zu reduzieren. Außerdem sollten sich Hochgeschwindigkeitssignale nahe an der Erdung befinden. Bei Hochgeschwindigkeitssignalen wie solchen in digitalen Schaltungen ist es wichtig, die Signalschicht so nahe wie möglich an einer Erdungsschicht zu platzieren, um das Rauschen zu reduzieren und die Signalintegrität zu erhalten.

Enthält die Leiterplatte sowohl analoge als auch digitale Signale, müssen diese auf unterschiedliche Schichten platziert werden, um die Interferenz zwischen ihnen zu reduzieren. Sind für das Design zusätzliche Leistungs- und Erdungsanschlüsse erforderlich, wird empfohlen, im Stapel spezielle Leistungs- und Erdungsschichten einzuplanen.

4 – Die Dicke und das Material der Schichten festlegen

Die Dicke und das Material der Schichten sind wichtige Faktoren, die beim Leiterplattenlagenaufbau berücksichtigt werden müssen. Die Dicke der Schichten beeinflusst die Impedanz der Leiterbahnen und das Material beeinflusst die Dielektrizitätskonstante und den Verlusttangens. Eine gute Wahl des potenziellen Substratmaterials lautet wie folgt:

• FR‑4, das bei Leiterplatten am häufigsten verwendete Material, ist ein glasfaserverstärktes Epoxidlaminat, das die gewünschten dielektrischen Eigenschaften sowie eine gute mechanische Stärke bietet und kostengünstig ist. Es weist eine Dielektrizitätskonstante von 4,3 und einen Verlusttangens von 0,02 auf.
• Hochtemperatur-FR‑4 ähnelt dem standardmäßigen FR‑4, kann jedoch höheren Temperaturen bis zu 170 °C ohne signifikanten thermischen Abbau standhalten, wodurch es sich für Hochleistungsanwendungen eignet.
• Flexibles Leiterplattenmaterial: Flexibles Leiterplattenmaterial kann gebogen, verdreht oder gefaltet werden, wodurch es sich ideal für Anwendungen eignet, für die ein kompakteres und leichtes Design erforderlich ist, wie dies bei tragbaren Geräten und Medizinprodukten der Fall ist.
• Polyimid ist ein hochstabiles und robustes Material, das hohen Temperaturen und rauen Umgebungen standhält. Es wird aufgrund seiner Eigenschaften häufig für Anwendungen in den Bereichen Luftfahrt, Militär und Medizin verwendet.
• Rogers ist ein markenrechtlich geschütztes Material, das hervorragende dielektrische Eigenschaften, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, Stabilität und einen geringen Verlusttangens aufweist. Meist wird es in Hochfrequenzanwendungen wie Telekommunikation, Luftfahrt und Verteidigung eingesetzt. Abbildung 1 zeigt eine Leiterplatte mit dem Substratmaterial Rogers RO4003C.

5 – Die Leiterbahnbreite sowie den Abstand festlegen

Leiterbahnbreite und Abstand sind wichtige Faktoren, welche Impedanz und Leistung der Leiterplatte beeinflussen. Die Leiterbahnbreite sollte so eingeplant werden, dass der erforderliche Stromfluss ohne Überhitzen passieren kann, und der Abstand sollte ausreichen, um Übersprechen und Interferenz zu vermeiden.

6 – Das Stapeldesign auf Signalintegrität prüfen

Wurde der Leiterplattenlagenaufbau geplant, muss er unbedingt auf Signalintegrität geprüft werden. Probleme mit der Signalintegrität wie Übersprechen, Reflexionen und Dämpfungen können die Leistung der Schaltung erheblich beeinträchtigen. Verwenden Sie ein Analysegerät für die Signalintegrität, um das Design zu simulieren und zu prüfen.

Abbildung 1: Leiterplatte mit Substratmaterial Rogers RO4003C

Vor- und Nachteile von mehrlagigen Leiterplatten

Ein mehrlagiger Leiterplattenlagenaufbau mit vier, sechs oder noch mehr Schichten bietet mehrere Vor- und Nachteile gegenüber ein- oder doppellagigen Leiterplatten. Ein mehrlagiger Leiterplattenlagenaufbau bietet viele Vorteile hinsichtlich Dichte, Signalintegrität und Funktionalität, doch er ist teurer und komplexer in Design und Fertigung. Die Entscheidung zum Einsatz einer mehrlagigen Leiterplatte sollte basierend auf den speziellen Anforderungen der Schaltung sowie den verfügbaren Ressourcen für Design und Fertigung der Leiterplatte getroffen werden.

Hier einige der Vor- und Nachteile des mehrlagigen Leiterplattenlagenaufbaus.

Vorteile:

• Höhere Dichte: Mehrlagige Leiterplatten erlauben die Bestückung mit mehr Komponenten und Schaltungen in einem kleineren Bereich; dies erhöht die Dichte der Schaltung und reduziert die Gesamtgröße der Leiterplatte.
• Bessere Signalintegrität: Mehrlagige Leiterplatten bieten eine bessere Signalintegrität, indem sie die Auswirkungen von Rauschen, Übersprechen und elektromagnetischer Interferenz (EMI) auf die Schaltung reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass Erdungs- und Leistungsschichten hinzugefügt werden und so mehr Schichten für das Signalrouting verfügbar sind.
• Verbesserte Funktionalität: Mehrlagige Leiterplatten können zusätzliche Funktionalitäten und Funktionen wie mehrere Leistungs- und Erdungsschichten, impedanzkontrolliertes Routing und Differenzialpaare bieten.
• Kosteneffizienz: Obwohl sie teurer sind als ein- oder doppellagige Leiterplatten, können mehrlagige Leiterplatten im Vergleich zu ihnen kosteneffizienter sein, da sie Größe und Gewicht der Leiterplatte sowie die Anzahl der erforderlichen Komponenten im Allgemeinen reduzieren.

Nachteile:

• Kosten: Mehrlagige Leiterplatten sind aufgrund der zusätzlichen Schichten und der erforderlichen Fertigungsverfahren teurer als ein- oder doppellagige Leiterplatten.
• Komplexität: Mehrlagige Leiterplatten sind in Design und Fertigung komplexer als ein- oder doppellagige Leiterplatten. Sie erfordern eine sorgfältigere Planung und mehr Kenntnisse, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit zu erreichen.
• Verfügbarkeit: Mehrlagige Leiterplatten sind möglicherweise nicht bei allen Herstellern sofort lieferbar; dies gilt besonders für hohe Schichtenzahlen und spezielle Anforderungen.
• Herausforderungen bei der Fertigung: Das Fertigungsverfahren einer mehrlagigen Leiterplatte umfasst mehrere Schritte einschließlich Bohren, Beschichten und Laminieren, die schwierig und zeitraubend sein können. Dies kann zu längeren Bearbeitungszeiten und einem größeren Risiko von Fertigungsfehlern führen.

Der vierlagige Leiterplattenlagenaufbau

Der vierlagige Leiterplattenlagenaufbau (Abbildung 2) ist ein häufiges und vielseitiges Design mit ausbalancierter Funktionalität und Kosteneffizienz, wodurch er sich für zahlreiche elektronische Anwendungen eignet. In der Regel besteht er aus vier Schichten von Kupferleiterbahnen und Ebenen zwischen isolierenden Schichten. Die Schichten sind von oben nach unten nummeriert; die Schichtenabfolge einer vierlagigen Leiterplatte lautet dabei meist wie folgt:

• Oberste Schicht: Sie ist die oberste Schicht der Leiterplatte und enthält Komponenten und Routing für die Oberseite der Leiterplatte.
• Signalschicht 1: Sie ist die erste innere Schicht und enthält Routing und Komponenten für Signale, die zwischen der oberen und den unteren Schichten durchgehen müssen.
• Erdungs- oder Leistungsebene: Sie ist die zweite innere Schicht und dient je nach Anforderung der Schaltung als Erdungs- oder Leistungsebene. Erdungsebenen dienen dazu, einen niederohmigen Rücklaufkanal für die Signale einzurichten, Leistungsschichten werden verwendet, um die Komponenten mit Strom zu versorgen.
• Unterste Schicht: Sie ist die unterste Schicht der Leiterplatte und enthält Komponenten und Routing für die Unterseite der Leiterplatte.

Die isolierenden Schichten zwischen den Kupferschichten bestehen aus einem dielektrischen Material; in der Regel ist dies FR‑4 oder ein anderes Kompositmaterial. Die Dicke von Isolierung und Kupferschichten hängt von den Anforderungen der Schaltung sowie den Designvorgaben ab.

Zusätzlich zu den Kupfer- und Isolationsschichten kann eine vierlagige Leiterplatte auch über Durchkontaktierungen verfügen; dies sind kleine Löcher, die durch die Leiterplatte gebohrt werden, um die Kupferschichten miteinander zu verbinden. Durchkontaktierungen können Plated-through-Holes-Bohrungen (PTH) sein oder nicht (NPTH) und werden auch als Verbindungen zwischen den Schichten für Signale und Stromversorgung verwendet.

Abbildung 2: Layout einer herkömmlichen vierlagigen Leiterplatte

Fazit

Das Design eines Leiterplattenlagenaufbaus ist zum Aufbau einer funktionierenden und effizienten Leiterplatte wichtig. Durch Berücksichtigung von Designanforderungen, Arten von Schichten, Anordnung der Schichten, Dicke, Material, Leiterbahnbreite, Abstand und Signalintegrität können Sie die optimale Leistung Ihrer Leiterplatte gewährleisten. Zur Unterstützung und Überprüfung des Lagenaufbaudesigns verwenden Sie ein Tool für das Leiterplattendesign.

20.09.2023