Gedruckte Schaltungen (PCBs) sind die Kernkomponenten moderner elektronischer Geräte und können je nach Anzahl der leitenden Schichten in einlagige, zweilagige und mehrlagige PCBs eingeteilt werden.Unter diesen sind einlagige und zweilagige Leiterplatten die grundlegendsten und am häufigsten verwendeten Typen. Das Verständnis ihrer Unterschiede ist für Elektronikdesigner, Beschaffungsentscheider und Bastler von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse der Unterschiede zwischen einlagigen und zweilagigen Leiterplatten in Bezug auf Materialzusammensetzung, Herstellungsverfahren, Designüberlegungen und typische Anwendungsbereiche und hilft den Lesern, je nach Projektanforderungen eine fundierte Wahl zu treffen.
Unterschiede in der Materialzusammensetzung
Materialstruktur von einlagigen Leiterplatten
Einlagige Leiterplatten (einseitige Leiterplatten) sind die einfachste Art von Leiterplatten mit einem relativ unkomplizierten Materialaufbau:
- Material des Substrats: FR-4-Glasepoxidharz, das am häufigsten verwendete Basismaterial, bietet in der Regel eine gute mechanische Festigkeit und gute Isoliereigenschaften. Für kostengünstige Anwendungen kann auch Phenolharz (FR-1 oder FR-2) verwendet werden.
- Leitende Schicht: Nur eine Seite des Substrats ist mit einer 35μm (1oz) oder 18μm (0,5oz) dicken Elektrolytkupferfolie beschichtet, die die Grundlage für das Schaltungsmuster bildet.
- Schutzschicht: Die Oberfläche der Kupferfolie ist mit einer Lötmaske (in der Regel grün) bedeckt, um Oxidation und Kurzschlüsse zu verhindern. Die oberste Schicht ist der Siebdruck, der zur Kennzeichnung der Bauteilpositionen und zur Beschriftung verwendet wird.
- OberflächeZu den gängigen Optionen gehören HASL (Hot Air Solder Leveling), OSP (Organic Solderability Preservative) oder einfacher Kolophoniumschutz.
Materialzusammensetzung von doppellagigen Leiterplatten
Doppellagige Leiterplatten (doppelseitige Leiterplatten) haben einen komplexeren Materialaufbau:
- Material des Substrats: Ebenfalls meist FR-4, aber mit höheren Anforderungen an die Maßhaltigkeit, um die Genauigkeit der Ausrichtung zwischen den beiden Seiten zu gewährleisten.
- Leitende SchichtBeide Seiten des Substrats sind mit Kupferfolie laminiert, die in der Regel 35μm oder 18μm dick ist. Bei High-End-Anwendungen kann jedoch eine dickere Kupferfolie (z. B. 2 oz) für eine höhere Strombelastbarkeit verwendet werden.
- Interlayer-Verbindung: Durchkontaktierte Löcher (PTHs) werden verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen den oberen und unteren Lagen herzustellen, was den größten Unterschied zu einlagigen Leiterplatten darstellt.
- Isolierschicht: Der Kern ist das Substrat selbst, aber es muss auf die Zuverlässigkeit der Isolierung zwischen den Durchkontaktierungen und dem Substrat geachtet werden.
- Schutz und Verarbeitung: Beide Seiten haben Lötmasken- und Siebdruckschichten. Zu den Oberflächenveredelungen können präzisere Optionen wie ENIG (Chemisch Nickel Immersion Gold) oder Immersion Silber gehören.
Vergleich der Materialkosten: Die Materialkosten für doppellagige Leiterplatten sind in der Regel 30-50 % höher als für einlagige Leiterplatten, was vor allem auf den zusätzlichen Durchkontaktierungsprozess und die doppelseitige Verarbeitung zurückzuführen ist.
Vergleich der Herstellungsprozesse
Produktionsprozess von einlagigen PCBs
Das Herstellungsverfahren für einlagige Leiterplatten ist relativ einfach:
- Vorbereitung des Substrats: Zuschneiden des kupferkaschierten Laminats auf die gewünschte Größe.
- Bohren: Es werden nur Befestigungslöcher benötigt; Durchgangslöcher sind nicht erforderlich.
- Übertragung von Mustern: Das Schaltungsmuster wird mittels Siebdruck oder Fotolithografie auf die Kupferoberfläche übertragen.
- Ätzen: Chemische Lösungen entfernen unerwünschte Kupferfolien zur Herstellung von Leiterbahnen.
- Anwendung der Lötmaske: Die Lötmaskenfarbe wird gedruckt und ausgehärtet.
- OberflächeHASL, OSP oder andere Behandlungen werden je nach Bedarf durchgeführt.
- Siebdruck Markierung: Beschriftungen der Komponentenpositionen werden hinzugefügt.
- Prüfung und Inspektion: In der Regel beschränkt sich die Prüfung auf eine Sichtprüfung und eine einfache Durchgangsprüfung.
Herstellungsprozess von doppellagigen PCBs
Das Verfahren für doppellagige Leiterplatten ist komplexer und weist unter anderem folgende Unterschiede auf:
- Doppelseitige Vorbereitung des Substrats: Gewährleistung einer einheitlichen Ausgangsqualität der Kupferfolie auf beiden Seiten.
- Bearbeitung von Ausrichtungslöchern: Präzise Ausrichtungslöcher werden gebohrt, um die Ausrichtung von Schicht zu Schicht zu gewährleisten.
- BohrenSowohl die Durchgangslöcher als auch die Befestigungslöcher werden mit potenziell kleineren Durchmessern gebohrt.
- Metallisierung von Löchern: Ein kritischer Schritt, bei dem durch chemische Abscheidung und Galvanisierung leitende Schichten auf den Lochwänden gebildet werden.
- Beidseitiger Mustertransfer: Die Muster werden gleichzeitig oder nacheinander auf beide Seiten übertragen, was eine hohe Ausrichtungsgenauigkeit erfordert (normalerweise ±0,05 mm).
- ÄtzenBeide Seiten werden gleichzeitig geätzt, was eine einheitliche Ätzkontrolle erfordert.
- Anwendung der LötmaskeBeide Seiten werden separat bearbeitet.
- Oberflächenveredelung: Es können präzisere Oberflächenbehandlungen durchgeführt werden.
- Umfassende Prüfung: Elektrische Prüfungen (z. B. mit einer fliegenden Sonde) werden in der Regel durchgeführt, um die Leitfähigkeit und die Isolationsleistung sicherzustellen.
Unterschied in der Prozesskomplexität: Doppellagige Leiterplatten erfordern zusätzliche wichtige Schritte wie die Metallisierung von Löchern und die doppelseitige Ausrichtung, was zu einem Produktionszyklus führt, der in der Regel 20-30 % länger ist als bei einlagigen Leiterplatten und eine relativ höhere Fehlerquote aufweist.
Überlegungen zur Gestaltung
Wichtige Designpunkte für einlagige PCBs
Beim Entwurf von einlagigen Leiterplatten müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:
- Routing-Strategie: Alle Leiterbahnen müssen in einer einzigen Lage verlegt werden, so dass möglicherweise Steckbrücken erforderlich sind, um Überkreuzungen aufzulösen.
- Platzierung der KomponentenDie Komponenten können nur auf einer Seite montiert werden, was eine optimierte Anordnung erfordert, um ein Überfüllen zu vermeiden.
- Erdung Design: Verwendet häufig das Konzept der "Groundplane", bei dem große Kupferflächen für Stabilität sorgen.
- Steuerung der Spurbreite: Um eine Überhitzung zu vermeiden, muss eine ausreichende Leiterbahnbreite in Abhängigkeit von der Strombelastung berechnet werden.
- Freigabe: Achten Sie auf einen ausreichenden Abstand zwischen Leiterbahnen und Pads (typischerweise ≥0,2 mm).
- Grenzwerte für die Herstellung: Informieren Sie sich über die minimalen Leiterbahnbreiten/-abstände des Herstellers (normalerweise 0,15 mm/0,15 mm).
Designrichtlinien für doppellagige Leiterplatten
Doppellagige Leiterplatten bieten eine größere Designflexibilität, führen aber auch zu neuen Überlegungen:
- Layer-Zuordnung: In der Regel wird die obere Schicht für Komponenten und Hauptsignalleitungen verwendet, während die untere Schicht für Masseflächen und die Stromverteilung genutzt wird.
- Über Verwendung: Planen Sie Standorte und Mengen vernünftig, um eine ungleichmäßige Dichte zu vermeiden.
- Signalintegrität: Achten Sie auf Rückwege für Hochgeschwindigkeitssignale, um das Übersprechen zwischen den Schichten zu reduzieren.
- Thermisches Management: Berücksichtigen Sie die Wärmeleitung zwischen den Schichten und fügen Sie ggf. Wärmeleitbleche ein.
- EMC-Entwurf: Verwenden Sie Masseflächen, um empfindliche Signale abzuschirmen und elektromagnetische Strahlung zu reduzieren.
- Anforderungen an die Fertigung: Geben Sie das Seitenverhältnis (Plattendicke: Lochdurchmesser in der Regel ≤8:1) und die Mindestanforderungen an den Ringring an.
Unterschiede zwischen den Design-Tools: Für doppellagige Leiterplatten sind in der Regel professionellere EDA-Tools wie Altium Designer oder Cadence erforderlich, während einfache einlagige Leiterplatten oft mit Eagle oder KiCad entworfen werden können.
Anwendungsbereiche
Typische Anwendungen von einlagigen PCBs
Aufgrund ihrer Kostenvorteile und ihrer grundlegenden Funktionalität werden einlagige Leiterplatten in vielen Bereichen eingesetzt:
- Unterhaltungselektronik: Einfaches Spielzeug, Taschenrechner und Fernbedienungen.
- Beleuchtungsgeräte: LED-Treiber, Steuerkarten für Energiesparlampen.
- Grundlegende Apparate: Bedienfelder für Reiskocher, Waschmaschinen usw.
- Leistungsmodule: AC/DC-Wandler mit niedrigem Stromverbrauch, Linearregler.
- Pädagogische Werkzeuge: Elektronische Lernsets, einfache Experimentierplatten.
- Kfz-ElektronikEinfache Sensorschnittstellen, Steuerung der Innenbeleuchtung.
Kriterien für die Eignung: Einlagige Leiterplatten sind in der Regel eine kosteneffiziente Wahl, wenn die Schaltung weniger als 20 Bauteile hat, keine dichte Kreuzungsführung aufweist und unter 10 MHz arbeitet.
Primäre Anwendungen von doppellagigen PCBs
Doppellagige Leiterplatten spielen eine wichtige Rolle in komplexeren elektronischen Systemen:
- Industrielle Steuerung: PLC-Module, Motortreiber.
- Kommunikationsausrüstung: Basisplatinen für Router, Switches.
- Computer-Hardware: Speichermodule, Erweiterungskarten.
- Medizinische GeräteGrundlegende Schaltungen für Patientenmonitore, Diagnosegeräte.
- Kfz-ElektronikECUs (Motorsteuergeräte), Infotainment-Systeme.
- IoT-Geräte: Sensorknoten, drahtlose Kommunikationsmodule.
- Audio-Ausrüstung: Verstärker, Mischpulte.
Überlegungen zum Upgrade: Erwägen Sie den Übergang von einlagigen zu zweilagigen Leiterplatten, wenn Sie auf die folgenden Szenarien stoßen:
- Das Single-Layer-Routing kann nicht alle Verbindungen herstellen.
- Es bedarf einer besseren Erdung und Stromverteilung.
- Die Signalfrequenz übersteigt 10 MHz.
- Die EMI/EMV-Leistung muss kontrolliert werden.
- Der Platz ist begrenzt, aber eine hohe Bauteildichte ist erforderlich.
Vergleich der wichtigsten Leistungen
Elektrische Leistungsunterschiede
- Signalintegrität: Doppellagige Leiterplatten können Rauschen durch Masseflächen reduzieren und bieten stabilere Bezugsebenen.
- Impedanzkontrolle: Doppellagige Leiterplatten erleichtern das Design mit kontrollierter Impedanz (z. B. Microstrip-Strukturen).
- Nebensprechunterdrückung: Die richtige Lagenanordnung in doppellagigen Leiterplatten kann das Risiko des Übersprechens verringern.
- Integrität der Stromversorgung: Bei doppellagigen Leiterplatten kann eine Lage für die Stromverteilungsnetze verwendet werden.
Mechanische und thermische Leistung
- Strukturelle Stärke: Doppellagige Leiterplatten haben im Allgemeinen eine bessere mechanische Festigkeit aufgrund der durchkontaktierten Löcher.
- Wärmeleitung: Doppellagige Leiterplatten ermöglichen eine Wärmeübertragung zwischen den Lagen durch Durchkontaktierungen, was die Wärmeableitung verbessert.
- Dimensionsstabilität: Doppellagige Leiterplatten stellen höhere Anforderungen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des Substrats.
Verlässlichkeit und Lebensdauer
- Anpassungsfähigkeit an die Umwelt: Bei doppellagigen Leiterplatten werden in der Regel strengere Oberflächenbehandlungen für eine bessere Korrosionsbeständigkeit verwendet.
- Vibrationsbeständigkeit: Doppelseitiges Löten und durchkontaktierte Löcher sorgen für eine sicherere Befestigung der Komponenten.
- Langfristige Verlässlichkeit: Redundantes Routing in doppellagigen PCBs verbessert die Fehlertoleranz.
Kosten-Nutzen-Analyse
Vergleich der Anfangskosten
- Materialkosten: Doppellagige Leiterplatten sind 30-50% teurer im Material.
- Herstellungskosten: Aufgrund der Komplexität des Prozesses können die Kosten für die Verarbeitung von doppellagigen Leiterplatten 1,5 bis 2 Mal höher sein als für einlagige.
- Entwurf Kosten: Doppellagige Leiterplatten erfordern in der Regel längere Designzyklen und Prüfzeiten.
Langfristige Wertüberlegungen
- Effizienz der Montage: Eine höhere Bauteildichte bei doppellagigen Leiterplatten kann die Gesamtgröße des Produkts verringern.
- Instandhaltungskosten: Doppellagige Leiterplatten sind im Allgemeinen zuverlässiger und senken die Reparaturraten nach dem Verkauf.
- Upgrade-Potenzial: Doppellagige Leiterplatten bieten mehr Raum für zukünftige Funktionserweiterungen.
Auswirkungen auf das Volumen: Bei Großserien (>1000 Stück) sinkt der relative Kostenanstieg für doppellagige Leiterplatten erheblich.
Zukünftige Entwicklungstrends
Innovationsrichtungen für einlagige Leiterplatten
- Flexible einlagige Bretter: Erweiterte Anwendungen in tragbaren Geräten.
- Höhere Dichte: Verbesserte Kapazität für einlagige Leiterplatten durch Fine-Line-Technologie (z. B. 3 mil Leiterbahnbreite).
- Umweltverträgliche Materialien: Verwendung von halogenfreien Substraten und recycelbaren Materialien.
Technologische Fortschritte bei doppellagigen PCBs
- Microvia-Technologie: Das Laserbohren ermöglicht Verbindungen mit höherer Dichte.
- Eingebettete Komponenten: Passive Komponenten sind platzsparend zwischen den Schichten eingebettet.
- Hybride Materialien: Kombination von Hochfrequenzmaterialien mit Standard-FR-4.
Schlussfolgerung und Empfehlungen für die Auswahl
Einlagige und zweilagige Leiterplatten haben jeweils einzigartige Vorteile und Anwendungsszenarien.Einlagige Leiterplatten sind in der Basiselektronik nach wie vor wichtig, da sie extrem kostengünstig sind und die Herstellung vereinfachen. In der Zwischenzeit erfüllen doppellagige Leiterplatten die Anforderungen komplexerer elektronischer Systeme, da sie zusätzliche Routing-Lagen und eine bessere elektrische Leistung bieten.
Auswahl Entscheidungsbaum:
- Bewertung der Komplexität von Schaltungen - einfache Schaltungen bevorzugen eine einzige Ebene.
- Analysieren Sie die Signalanforderungen - hochfrequente oder empfindliche Signale benötigen eine doppelte Schicht.
- Berechnen Sie die Kostenbeschränkungen - bei knappen Budgets ist eine einschichtige Ausführung sinnvoll.
- Bedenken Sie, dass Konstruktionen mit begrenztem Platzangebot von einer Doppelschicht profitieren.
- Schätzen Sie das Produktionsvolumen - große Mengen können die zusätzlichen Kosten für doppellagige Leiterplatten ausgleichen.
Mit den Fortschritten in der Elektroniktechnologie werden doppellagige Leiterplatten in vielen Bereichen zum Mainstream, aber einlagige Leiterplatten behalten bei bestimmten Anwendungen ihre Kostenvorteile. Designer sollten Leistung, Kosten und Herstellbarkeit je nach Projektanforderungen abwägen, um eine optimale Wahl zu treffen.