Leitfaden zum Aufbau von Leiterplatten

Die Gestaltung des Leiterplattenaufbaus ist eine der wichtigsten Phasen bei der Entwicklung von Leiterplatten. Ein gut durchdachter Aufbau verbessert die Signalintegrität, die Stromverteilung, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), das Wärmemanagement und die allgemeine Fertigungszuverlässigkeit.

Viele Probleme bei Leiterplatten, die während der Prüfung auftreten, sind nicht auf Fehler im Schaltplan oder bei der Bauteilauswahl zurückzuführen, sondern auf eine schlechte Schichtaufbauplanung und eine unzureichende Stapelung.

Ganz gleich, ob Sie eine einfache vierlagige Leiterplatte oder ein komplexes Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystem entwerfen – wenn Sie die Grundsätze des Schichtaufbaus verstehen, können Sie die Leistung verbessern und Fertigungsrisiken verringern.

Was ist ein Leiterplattenaufbau?

Unter einem Leiterplattenaufbau versteht man die Anordnung von Kupferschichten und dielektrischen Materialien, aus denen eine mehrschichtige Leiterplatte besteht.

Der Aufbau definiert:

• Anordnung der Signalschicht
• Struktur eines Antriebsflugzeugs
• Konfiguration mit Grundplatte
• Dicke des Materials
• Dicke des Kupfers
• Parameter für kontrollierte Impedanz

Die Schichtstruktur wirkt sich unmittelbar auf die elektrische Leistungsfähigkeit und die Herstellbarkeit aus.

Ein Schichtaufbau sollte immer vor Beginn des Leiterbahnlayouts geplant werden, da Leiterbahnbreiten, Abstände, Impedanzwerte und Rückstrompfade von der Schichtaufteilung abhängen.

Warum das Design des Leiterplattenaufbaus wichtig ist

Ein richtig konzipierter Laminataufbau bietet mehrere wichtige Vorteile.

Verbesserte Signalintegrität

Hochgeschwindigkeitssignale erfordern stabile Referenzebenen und eine kontrollierte Impedanz.

Eine sorgfältige Schichtplanung trägt dazu bei, Folgendes zu reduzieren:

• Signalreflexionen
• Nebensprechen
• Zeitliche Fehler
• Datenbeschädigung

Bessere EMI-Leistung

Elektromagnetische Störungen spielen bei modernen elektronischen Produkten eine immer größere Rolle.

Ein ausgewogenes Stapelbild hilft:

• Strahlung minimieren
• Die Anfälligkeit für Außengeräusche verringern
• Verbesserung der EMV-Konformität

Stabile Stromverteilung

Die Stromversorgungsintegrität wird beim Leiterplattenentwurf oft übersehen.

Eine geeignete Flugzeugkonstruktion trägt dazu bei:

• Spannungsschwankungen reduzieren
• Geringeres Stromrauschen
• Verbesserung der Systemstabilität

Einfachere Fertigung

Ein ausgewogener Aufbau verbessert:

• Stabilität der Kaschierung
• Genauigkeit der Registrierung
• Renditen
• Gleichmäßigkeit der Gesamtproduktion

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Grundlegende Komponenten eines Leiterplattenaufbaus

Signalschichten

Signalleiterplatten führen digitale, analoge, HF- und Stromversorgungsleitungen.

Diese Ebenen sollten nach Möglichkeit nahe an festen Referenzebenen positioniert werden.

Grundplatten

Masseflächen dienen als Rückstrompfade und zur Abschirmung.

Durchgehende Masseflächen gehören zu den wirksamsten Methoden zur Verbesserung der Signalintegrität.

Die Vorteile umfassen:

• Geringere elektromagnetische Störungen
• Rückwege mit niedrigerer Impedanz
• Bessere Lärmschutzmaßnahmen

Motorflugzeuge

Stromversorgungsleitungen verteilen die Spannung auf der Leiterplatte.

Spezielle Stromversorgungsschichten tragen dazu bei, Spannungsabfälle zu verringern und die Stromversorgung zu verbessern.

Dielektrische Schichten

Dielektrische Materialien trennen die Kupferschichten voneinander.

Ihre Eigenschaften beeinflussen:

• Impedanz
• Signalausbreitungsgeschwindigkeit
• Elektrische Isolierung
• Leiterplattenstärke

Die Materialauswahl ist besonders bei Hochgeschwindigkeits- und HF-Anwendungen von großer Bedeutung.

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Gängige Konfigurationen für Leiterplatten-Schichtaufbauten

2-lagiger Leiterplattenaufbau

Typischer Aufbau:

• Top-Signal
• Boden-Signal

Häufige Anwendungsbereiche:

• Unterhaltungselektronik
• LED-Produkte
• Einfache Steuerkreise

Vorteile:

• Geringe Kosten
• Einfache Herstellung

Beschränkungen:

• Mangelhafte EMI-Kontrolle
• Begrenzter Platz für die Verlegung

4-lagiger Leiterplattenaufbau

Eine gängige Konfiguration:

Vorteile:

• Verbesserte Signalintegrität
• Bessere EMI-Leistung
• Einfachere Impedanzsteuerung

Dies ist häufig der bevorzugte Ausgangspunkt für die Industrieelektronik.

6-Lagen-Leiterplatten-Stapel

Ein typisches Beispiel:

Die Vorteile umfassen:

• Höhere Routing-Dichte
• Bessere Isolierung
• Verbesserte EMV-Eigenschaften

8-lagige und mehrlagige Schaltungsaufbauten

Fortgeschrittene Anwendungen nutzen häufig:

• 8-Lagen-PCBs
• 10-lagige Leiterplatten
• 12-Lagen-PCBs
• Leiterplatten mit 16 und mehr Schichten

Diese Strukturen unterstützen:

• Hochgeschwindigkeits-Prozessoren
• Ausrüstung für die Vernetzung
• KI-Hardware
• Kommunikationssysteme
• Elektronik für die Luft- und Raumfahrt

Grundsätze für den Aufbau von Leiterplatten

Masseflächen durchgehend halten

Unterbrechungen der Massefläche zwingen die Rückströme dazu, alternative Wege zu suchen.

Dies kann dazu führen, dass:

• EMI
• Signalverzerrung
• Nebensprechen

Im Allgemeinen werden durchgehende Bezugsebenen bevorzugt.

Signalebenen neben Referenzebenen platzieren

Jedes Hochgeschwindigkeitssignal sollte über eine nahegelegene Referenzebene verfügen.

Die Vorteile umfassen:

• Konstante Impedanz
• Geringere Emissionen
• Bessere Signalqualität

Symmetrie des Lagenaufbaus beibehalten

Symmetrische Schichtaufbauten tragen dazu bei, das Verziehen der Leiterplatte während der Fertigung zu verringern.

Eine ausgewogene Kupferverteilung verbessert zudem die Laminatstabilität.

Trennen Sie Hochgeschwindigkeits- und rauschbehaftete Signale

Empfindliche Schaltungen sollten von folgenden Komponenten isoliert werden:

• Schaltnetzteile
• Autofahrer
• Hochstrombahnen
• HF-Sender

Eine korrekte Kanalzuordnung trägt dazu bei, Interferenzen zu verringern.

Design mit kontrollierter Impedanz und Laminataufbau

Moderne Kommunikationsschnittstellen erfordern häufig eine Leitungsführung mit kontrollierter Impedanz.

Zu den gängigen Zielen gehören:

Die Impedanz hängt ab von:

• Leiterbahnbreite
• Dicke des Kupfers
• Dielektrische Dicke
• Dielektrizitätskonstante des Materials
• Schichtanordnung

Die Hersteller berechnen die Impedanzwerte in der Regel vor Produktionsbeginn auf der Grundlage des genehmigten Laminataufbaus.

Schichtaufbau für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten

Mit steigenden Datenraten gewinnt die Qualität der Laminierung zunehmend an Bedeutung.

Zu den gestalterischen Aspekten gehören:

Rückstrompfade

Hochgeschwindigkeitssignale erfordern stets Rückwege mit niedriger Impedanz.

Eine mangelhafte Gestaltung der Rückleitung führt häufig zu Problemen mit der Signalintegrität.

Verwaltung von Ebenenübergängen

Jede Durchkontaktierung führt zu elektrischen Unterbrechungen.

Designer sollten unnötige Ebenenübergänge nach Möglichkeit vermeiden.

Differential-Paar-Routing

Differenzsignale erfordern:

• Gleichmäßige Abstände
• Anpassung der Länge
• Stabile Bezugsebenen

Diese Faktoren sollten bei der Planung des Laminatsaufbaus berücksichtigt werden.

Materialauswahl für Leiterplatten-Schichtstapel

Standard FR4

Geeignet für:

• Industrielle Elektronik
• Konsumgüter
• Allgemeine Ausführungen

Vorteile:

• Kostengünstig
• Sofort verfügbar
• Einfach herzustellen

Materialien mit geringen Verlusten

Für Anwendungen, die höhere Frequenzen erfordern, können folgende Komponenten verwendet werden:

• Rogers-Materialien
• Panasonic-Laminate
• Isola-Hochgeschwindigkeitswerkstoffe

Die Vorteile umfassen:

• Reduzierte Einfügungsdämpfung
• Bessere Signalqualität
• Verbessertes Hochtonverhalten

Thermische Aspekte bei der Schichtung

Das Wärmemanagement sollte bereits in einer frühen Phase des Konstruktionsprozesses berücksichtigt werden.

Die Auswahl der Stapelkonfiguration wirkt sich aus auf:

• Wärmeverteilung
• Wärmewiderstand
• Stromverteilung

Zu den Techniken gehören:

• Dicke Kupferschichten
• Thermische Durchkontaktierungen
• Spezielle Kupferflächen
• Metallkernkonstruktionen

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Überlegungen zur Herstellung

Ein Aufbau, der in der CAD-Software akzeptabel aussieht, kann dennoch zu Problemen bei der Fertigung führen.

Ingenieure sollten Folgendes berücksichtigen:

Kupferhaushalt

Eine ungleichmäßige Kupferverteilung kann folgende Ursachen haben:

• Verziehen
• Probleme bei der Laminierung
• Probleme bei der Registrierung

Verfügbarkeit von Standardmaterialien

Die Verwendung von Standard-Prepregs und -Kernstärken führt oft zu einer Senkung der Herstellungskosten und einer Verkürzung der Vorlaufzeit.

Bohrungs-Seitenverhältnis

Die Stapeldicke wirkt sich direkt auf die Bohrleistung aus.

Zu extreme Seitenverhältnisse können die Produktionsausbeute verringern.

Ebene Registrierung

Eine höhere Anzahl an Schichten erfordert eine strengere Kontrolle der Ausrichtung.

Hersteller sollten die Schichtaufbauten im Rahmen der DFM-Analyse überprüfen, um die Herstellbarkeit sicherzustellen.

Weiterführende Lektüre: Wie findet man einen PCB-Hersteller mit schneller Durchlaufzeit?

Häufige Fehler beim Aufbau von Leiterplatten

Zu den häufigsten Problemen gehören:

• Fehlende Masseflächen
• Schlechte Schichtsymmetrie
• Übermäßige Ebenenübergänge
• Falsche Impedanzberechnungen
• Leitungsführung für gemischte Signale und Stromversorgung
• Unzureichende Trennung zwischen störanfälligen und empfindlichen Schaltkreisen

Viele dieser Probleme lassen sich durch eine frühzeitige Zusammenarbeit mit dem Leiterplattenhersteller vermeiden.

Die Zusammenarbeit mit Ihrem Leiterplattenhersteller

Die Auslegung des Stapelaufbaus sollte nicht isoliert erfolgen.

Ein erfahrener Leiterplattenhersteller kann Ihnen bei folgenden Aufgaben helfen:

• Empfehlungen zum Material
• Impedanzberechnungen
• Optimierung der Schichtstruktur
• DFM-Überprüfung
• Überprüfung der Fertigungskapazitäten

Eine frühzeitige Kommunikation verkürzt oft die Überarbeitungszyklen und verkürzt die Entwicklungszeitpläne.

Schlussfolgerung

Das Design des Leiterplattenaufbaus bildet die Grundlage für die Signalintegrität, die Stromversorgungsintegrität, die EMV-Leistung und die Fertigungszuverlässigkeit.

Ganz gleich, ob es um die Entwicklung einer vierschichtigen industriellen Steuerung oder einer sechzehnschichtigen Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsplattform geht: Eine sorgfältige Planung des Lagenaufbaus trägt dazu bei, Risiken zu minimieren und die Gesamtleistung des Produkts zu verbessern.

Indem sie von Beginn des Projekts an die Schichtaufbau, die Impedanzsteuerung, die Materialauswahl, das Wärmemanagement und die Fertigungsanforderungen berücksichtigen, können Ingenieure zuverlässigere und kostengünstigere Leiterplattenentwürfe erzielen.

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