Wie wählt man wissenschaftlich die Anzahl der PCB-Lagen aus?

Grundlegende Konzepte und Bedeutung der PCB-Lagenzahl

Leiterplatten sind wesentliche Bestandteile moderner elektronischer Geräte, und die Wahl der Lagenzahl wirkt sich direkt auf die Produktleistung, die Zuverlässigkeit und die Kosten aus. Da elektronische Geräte immer komplexer werden, sind mehrlagige Leiterplatten (typischerweise 4-, 6-, 8- oder sogar mehrlagig) entstanden, um komplexere Designanforderungen durch das Hinzufügen zusätzlicher leitender Schichten im Inneren zu erfüllen.

Warum sind PCB-Lagen immer gerade Zahlen?

Da die Kupferfolie im Herstellungsprozess paarweise laminiert werden muss, ermöglicht die moderne High-End-Leiterplattentechnologie sogar die Einbettung von Komponenten in die inneren Lagen der Leiterplatte.Dieses innovative Design verbessert die Schaltungsintegration und die Leistung weiter.

Der Einfluss der Anzahl der PCB-Lagen auf die Produktleistung

1. Elektrische Leistung: Mehr Schichten bedeuten bessere Signalintegrität und elektromagnetische Verträglichkeit.
2. Routing-DichteKomplexe Schaltungen erfordern mehr Schichten für Verbindungen.
3. Kostenstruktur: Mit zunehmender Lagenzahl steigen die Herstellungskosten erheblich.

Von der Unterhaltungselektronik bis zur Luft- und Raumfahrt haben die verschiedenen Anwendungsbereiche sehr unterschiedliche Anforderungen an die Anzahl der Leiterplattenlagen.Ein vernünftiger Lagenaufbau kann die Leistungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig die Kosten kontrollieren, aber die falsche Wahl kann zu Produktausfällen oder Kosteneskalation führen. Ein einfacher Taschenrechner beispielsweise benötigt nur eine einlagige Leiterplatte, während Smartphones in der Regel 8-10 Lagen benötigen und Hochleistungs-Server-Motherboards sogar 16 Lagen oder mehr erreichen können.

Schlüsselfaktoren bei der Bestimmung der PCB-Lagenzahl

Die Auswahl der Anzahl der Leiterplattenlagen ist ein Entscheidungsprozess, der die umfassende Berücksichtigung mehrerer Faktoren erfordert.Wenn Kunden Leiterplatten herstellen wollen, müssen die Hersteller die Anforderungen der Benutzer genau verstehen und entsprechende Empfehlungen von Ingenieuren geben, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistungsanforderungen und Kostenbeschränkungen zu finden und so den Kunden zufriedenstellende Produkte und einen hervorragenden Service zu bieten.

Anwendungsbereich und Betriebsfrequenzanforderungen

Elektronische Geräte in verschiedenen Branchen haben sehr unterschiedliche Anforderungen an Leiterplatten. Betriebsfrequenz ist einer der wichtigsten Parameter, der die Anzahl der Lagen auf der Leiterplatte bestimmt, wobei Hochfrequenzanwendungen in der Regel mehr Lagen erfordern, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Zum Beispiel:

• Unterhaltungselektronik (z. B. Bluetooth-Headsets):In der Regel 4-6-Lagen-Platinen
• Telekommunikationsgeräte (z. B. 5G-Basisstationen):Kann 12 Schichten oder mehr erfordern
• Kfz-Elektronik (z. B. Steuergeräte):Hauptsächlich 6-8 Schichten
• Luft- und Raumfahrtsysteme:10 Schichten oder mehr, um eine extrem hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten

Für Hochfrequenzschaltungen (>120MHz) gelten strengere Anforderungen an die Anzahl der Leiterplattenlagen, da höhere Signalübertragungsgeschwindigkeiten größere Risiken für elektromagnetische Störungen (EMI) mit sich bringen.Mehrlagige Leiterplatten bieten dedizierte Stromversorgungs- und Erdungsebenen, die Signalrückwege effektiv kontrollieren und Übersprechen und Strahlung reduzieren.

Bewertung der Komplexität von Schaltungen und der Komponentendichte

Komplexität der Schaltung wirkt sich direkt auf die Anforderungen an die Anzahl der Leiterplattenlagen aus. Die Komplexität kann anhand der folgenden Dimensionen beurteilt werden:

1. Anzahl der Bauteile:Besonders hochpolige Bauteile wie BGA-Gehäuse
2. Anzahl der Signalnetze:Gesamtzahl der erforderlichen Zusammenschaltungen
3. Besondere Designanforderungen:Wie z. B. Impedanzkontrolle, differentielle Paare und Längenanpassung

Bauteildichte ist eine weitere wichtige Metrik, die über die PIN-Dichteformel berechnet werden kann:

PIN-Dichte = Leiterplattenfläche (in²)/(Gesamtzahl der Pins auf der Leiterplatte/14)

Auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse können folgende Erfahrungswerte herangezogen werden:

• Einseitige Bestückung: Bei einer PIN-Dichte >1,0 können 2 Schichten verwendet werden; 0,6-1,0 schlägt 4 Schichten vor; <0,6 erfordert 6 Schichten oder mehr
• Beidseitige Platzierung von Komponenten:Dichte-Standards können gelockert werden, müssen aber Wärmeableitung und Montagefaktoren berücksichtigen

Überlegungen zum Budget und zum Zeitplan der Herstellung

Bei der Betrachtung der Lagenzahl von Leiterplatten sind die Herstellungskosten ein nicht zu vernachlässigender Faktor.Der Kostenunterschied zwischen ein-/doppellagigen und mehrlagigen Leiterplatten liegt hauptsächlich in der Komplexität des Designs und der Herstellung. Eine höhere Kapazität ist oft mit höheren Kosten verbunden.

Außerdem besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Anzahl der Leiterplattenlagen und dem Preis - mehr Lagen bedeuten im Allgemeinen höhere Preise.Das liegt vor allem daran, dass das Design und die Herstellungsprozesse von mehrlagigen Leiterplatten komplexer sind, was natürlich die Kosten erhöht.Um die Kosten für Leiterplatten genauer einschätzen zu können, können Sie Websites mit Kostenvoranschlägen für Leiterplatten nutzen, die Ihnen helfen, die Kosten auf der Grundlage verschiedener Parameter wie Leitertyp, Größe, Menge und Lagenzahl zu schätzen. Online-Rechner können auch bei der Auswahl geeigneter Isoliermaterialien und -dicken helfen, um ein umfassenderes Verständnis der Leiterplattenkostenstrukturen zu erhalten.

Lieferfrist ist ein weiterer kritischer Faktor bei der Herstellung von Leiterplatten, insbesondere bei der Produktion von Großserien. Die Lieferzeiten variieren je nach Lagenzahl und hängen hauptsächlich von der Leiterplattenfläche ab. Höhere Investitionen können manchmal die Lieferzeiten verkürzen.

Pindichte und Anforderungen an die Signalebene

Die Auswahl der Lagenzahl auf der Leiterplatte steht auch in engem Zusammenhang mit der Stiftdichte und dem Bedarf an Signallagen.So sind bei einer Stiftdichte von 0 in der Regel 2 Signallagen erforderlich, während bei niedrigeren Stiftdichten mehr Lagen benötigt werden.Wenn die Stiftdichte 2 oder weniger erreicht, können mindestens 10 Lagen erforderlich sein.

PCB-Lagenauswahlverfahren

In der Praxis erfordert die Auswahl der Lagenzahl von Leiterplatten eine wissenschaftliche Entscheidungsfindung auf der Grundlage spezifischer Projektanforderungen und technischer Beschränkungen.Im Folgenden finden Sie praktische Methoden und Faustregeln, die Topfast auf der Grundlage von mehr als zehn Jahren Erfahrung in der Leiterplattenherstellung zusammengefasst hat.

Schätzung der Lagenzahl auf der Grundlage der Pin-Dichte

Pin-Dichte ist ein wirksames Maß für die Bewertung der Anforderungen an die Anzahl der Leiterplattenlagen, das wie folgt berechnet wird:

Pin-Dichte = Leiterplattenfläche (in²)/(Gesamtzahl der Pins auf der Leiterplatte/14)

Anhand der Ergebnisse sollten Sie die folgenden Auswahlkriterien beachten:

Tabelle: Pin-Dichte vs. Lagenzahl bei einseitiger Bestückung

Tabelle: Pin-Dichte vs. Lagenzahl bei doppelseitiger Bestückung

Faustregeln für das Verhältnis von Frequenz zu Schichtanzahl

Frequenz des Prozessors ist ein weiterer wichtiger Aspekt, da Hochfrequenzschaltungen in der Regel mehr Schichten für die Signalintegrität erfordern:

• <50MHz: In der Regel ausreichend mit 2 Schichten
• 50- 120MHz: Empfohlen werden 4 Schichten (Signal-Masse-Strom-Signal)
• 120MHz-1GHz6 Schichten (bestes Kosten-Nutzen-Verhältnis)
• >1GHz: Erfordert 8+ Schichten mit strenger SI-Analyse

Sonderfälle, in denen trotz niedrigerer Frequenzen mehr Schichten erforderlich sind:

1. Mehrere Spannungsdomänen (≥3 unabhängige Stromversorgungen)
2. Serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen (PCIe, USB3.0+)
3. Empfindliche analoge Schaltungen (hochpräziser ADC/DAC)

Strategien für Speichertyp und Lagenzahl

Speicher-Subsystem Eigenschaften beeinflussen die Anzahl der Leiterplattenlagen erheblich:

Systeme mit statischem Speicher:

• SRAM/paralleles NOR Flash: 2 Schichten können ausreichen
• Wichtigster Punkt: Stabilität der Stromversorgung gewährleisten

Dynamische Speichersysteme:

• SDRAM/DDR: Mindestens 4 Schichten
• DDR2/3: Empfohlen werden 6 Schichten (mit speziellen Bezugsebenen)
• DDR4/5: Erfordert 8+ Schichten mit strenger Längenanpassung

NAND-Flash-Systeme:

• Konventionelles NAND: 4 Schichten ausreichend
• eMMC/UFS: Bestimmt durch die Frequenz (normalerweise 6 Schichten)

BGA-Packaging und Lagenzahlanpassung

BGA-Bauteil Verpackung wirkt sich direkt auf die Anzahl der Leiterplattenlagen aus:

Pin Pitch vs. Lagenzahl:

• ≥1,0 mm Abstand: 2 Schichten können funktionieren
• 0,8 mm Abstand: Vorschlag 4 Schichten
• 0,65 mm Abstand:Empfohlen werden 6 Schichten
• ≤0,5 mm Abstand:Erfordert 8+ Schichten

Richtlinien für die Pinanzahl:

• <100 Stifte: Weniger Schichten berücksichtigen
• 100-300 Stifte:Empfohlene Standardschichten
• >300 Stifte:1-2 Schichten hinzufügen

Spezielle BGA-Typen:

• Flip-Chip-BGA: 2 Lagen hinzufügen
• BGA mit ultrafeinem Raster (≤0,4 mm): Erfordert HDI-Technologie

Branchenspezifische Überlegungen zur Lagenzahl

Verschiedene Branchen haben spezielle Anforderungen, die sich auf die Anzahl der Schichten auswirken:

Kfz-Elektronik:

• Basic: Mindestens 4 Schichten (Zuverlässigkeit)
• Antriebsstrang: 6 Schichten + Hochtemperaturmaterialien
• ADAS-Systeme: 8 Schichten + Hochfrequenzmaterialien

Medizinische Geräte:

• Diagnostische Ausrüstung: 6 Schichten (geräuscharm)
• Implantierbare Geräte:4 Schichten (Miniaturisierung)

Industrielle Kontrollen:

• Standard-SPS: 4 Schichten
• Bewegungssteuerung: 6 Schichten (EMI-Widerstand)

Unterhaltungselektronik:

• Wearables: 4 Schichten (Miniaturisierung)
• Intelligentes Zuhause:Variiert je nach Funktionalität

Kostenoptimierung und Kompromisse bei der Lagenzahl

Wenn das Budget knapp ist, sollten Sie Folgendes bedenken Strategien zur Optimierung der Lagenzahl:

• “Pseudo-multi-layer” design:

• Verwenden Sie 2 Schichten + Jumper, um eine mehrschichtige Funktionalität zu simulieren
• Geeignet für Designs mit niedrigen Frequenzen und geringer Dichte

• Hybride Laminierungstechnologie:

• Örtlich erhöhte Schichten (z. B. unter BGA-Bereichen)
• Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung

• Asymmetrische Stapelung von Schichten:

• Reduzierung der Signalebenen, aber Beibehaltung der Stromversorgungs-/Erdungsebenen
• z. B. 6-Lagen-Platte in 1-2-2-1-Konfiguration

• Substitution der HDI-Technologie:

• Verwendung von Verbindungen mit hoher Dichte, um die Anzahl der Schichten zu reduzieren
• Ideal für Entwürfe mit hoher Pin-Anzahl und kleinem Platzbedarf

Durch die umfassende Berücksichtigung aller oben genannten Faktoren zusammen mit den spezifischen Projektanforderungen und -einschränkungen können Ingenieure eine wissenschaftlich fundierte Auswahl der Leiterplattenlagen treffen, die ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten bietet.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Bei der Auswahl von Leiterplatten-Lagennummern treten häufig einige typische Probleme und Verwirrungen auf. Für diese häufigen Fragen gibt es professionelle Antworten.

Wie kann man feststellen, wann ein Design mehr PCB-Lagen benötigt?

Mehrere eindeutige Indikatoren deuten auf die Notwendigkeit hin PCB-Lagen erhöhen:

• Unzureichender Abschluss des Routings:

• Routing kann nach Erreichen von 90% nicht abgeschlossen werden
• Ausgiebige Verwendung von Jumpern zur Auflösung von Überkreuzungen

• Probleme mit der Signalintegrität:

• Kritische Signale zeigen starkes Klingeln
• Tests mit Augendiagrammen scheitern
• System-Bitfehlerrate überschreitet Grenzwerte

• Probleme mit der Stabilität der Stromversorgung:

• Spannungsschwankungen überschreiten Toleranzen
• Auffälliges gleichzeitiges Schaltgeräusch (SSN)

• EMC-Test-Ausfälle:

• Strahlungsemissionen übertreffen die Normen
• Immunitätstests erfolglos

• Schwierigkeiten beim Wärmemanagement:

• Lokale Überhitzung ist mit den derzeitigen Schichten unlösbar
• Zusätzliche thermische Schichten oder Durchkontaktierungen erforderlich

Praktische Überprüfungsmethoden:

• Design Rule Check (DRC) zeigt zahlreiche Verstöße
• 3D-Ansicht zeigt extrem überlastete Streckenführung
• Simulationsanalyse zeigt, dass kritische Parameter nicht erfüllt werden

Welche potenziellen Probleme ergeben sich aus der Erhöhung der PCB-Lagen?

Das Hinzufügen von Schichten löst zwar viele Designprobleme, kann aber auch zu folgenden Problemen führen neue Probleme:

• Kostensteigerungen:

• 30-50% Kostenanstieg pro zusätzlichen 2 Schichten
• Höhere einmalige technische Aufwendungen (NRE)

• Geringere Produktionserträge:

• Erhöhte Schwierigkeit bei der Ausrichtung von Schichten
• Höhere Fehlerraten in der Innenschicht

• Verlängerte Vorlaufzeiten:

• 3-5 weitere Tage für jede weitere 2 Schichten
• Begrenzte Optionen für dringende Eilaufträge

• Schwierigkeiten bei der Reparatur:

• Schwer zu erkennende Fehler in der inneren Schicht
• Geringere Erfolgsquoten bei der Nacharbeit

• Gewicht und Dicke nehmen zu:

• Auswirkung auf das Design tragbarer Geräte
• Kann mechanische Grenzen überschreiten

Strategien zur Schadensbegrenzung:

• Verwendung von abgestuften Layern (unterschiedliche Anzahl von Layern je nach Gebiet)
• Einführung von HDI zur Verringerung des Gesamtbedarfs an Schichten
• Optimierung von Stapeln zur Verbesserung der Erträge

Wie lassen sich Kosten und Leistung für eine optimale Lagenzahl ausgleichen?

Methoden der Kosten-Leistungs-Bilanzierung:

• Stufenweiser Verifizierungsansatz:

• Prototypen mit weniger Schichten beginnen
• Entscheiden Sie anhand der Testergebnisse, ob Sie weitere Schichten hinzufügen möchten.

• Analyse des kritischen Pfades:

• Identifizieren Sie die kritischsten Signalpfade
• Ebenen nur für diese Abschnitte hinzufügen

• Matrix zur Kosten-Nutzen-Bewertung:

4. Modularer Gestaltungsansatz:

• Kernmodule verwenden mehrschichtige
• Periphere Schaltungen verwenden eine 2-Schicht

Praktische Faustregeln:

• Konsumgüter: ≤6 Schichten
• Industrielle Ausrüstung: 4-8 Schichten ideal
• Vernetzungseinrichtungen: 6-12 Schichten üblich
• High-End-Computing: 12+ Schichten

Was sind typische Anwendungen für verschiedene PCB-Lagenzahlen?

Charakteristische Anwendungen nach Anzahl der Schichten:

2-lagig:

• Gerätekontrolltafeln
• Einfache Stromkreise
• Industrielle Grundmodule
• Elektronisches Spielzeug

4-lagig:

• Smartphones
• Router
• Kfz-ECUs
• Medizinische Monitore

6-lagig:

• High-End-Grafikkarten
• Industrielle PLCs
• Netzwerk-Switches
• Drohnen-Controller

8-lagig:

• Server-Motherboards
• 5G-Basisstationen
• Erweiterte ADAS
• Hochwertige Prüfgeräte

10+ Schicht:

• Supercomputer
• Elektronik für die Luft- und Raumfahrt
• Hochwertige Radarsysteme
• Komplexe Backplanes

Häufige Missverständnisse bei der Auswahl der Lagenzahl von Leiterplatten

• “Mehr Schichten sind immer besser”.:

• Tatsache: Übertechnisierung verschwendet Kosten
• Wahrheit: Angemessene Erfüllung der Anforderungen

• “2-Schicht kann’nicht Hochgeschwindigkeit”:

• Tatsache: Einfache Hochgeschwindigkeitsschaltungen sind möglich
• Die Wahrheit: Erfordert sorgfältige Planung

• “Energieebenen müssen solide sein.”:

• Tatsache: Geteilte Flugzeuge können besser sein
• Wahrheit: Hängt vom aktuellen Bedarf ab

• “Die Signale der inneren Schicht sind schwächer”:

• Tatsache: Innere Signale sind stabiler
• Wahrheit: Beeinflusst durch Bezugsebenen

• “Das Hinzufügen von Schichten löst immer EMC.”:

• Tatsache: Schlechte Stapelung kann EMC verschlechtern
• Die Wahrheit: Stackup-Design ist kritischer

Richtige Praktiken:

• Entscheidungen auf der Grundlage der Systemanforderungen
• Validierung durch Simulationen
• Konsultieren Sie den Rat des Leiterplattenherstellers.
• Verweis auf ähnliche erfolgreiche Entwürfe

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