So bestimmen Sie die Anzahl der Lagen in Leiterplatten

Leiterplatten (PCBs) bestehen aus einer oder mehreren Schichten aus dielektrischen und leitfähigen Materialien. Wenn diese Schichten zu Platinen verbunden werden, tragen sie Schaltkreise, die eine Vielzahl von Haushaltsgeräten mit Strom versorgen, wie etwa Wecker, Küchengeräte, Bürobedarf, Computer und mobile Geräte.

Leiterplatten werden auch in einer Vielzahl von Industrieanlagen und -maschinen sowie in medizinischen Geräten, Regierungscomputern und Speichersystemen sowie in Luft- und Raumfahrtgeräten eingesetzt. Die Anzahl der Lagen und die Abmessungen einer bestimmten Platine bestimmen die Leistungsverteilung einer Leiterplatte.

Was sind mehrlagige Leiterplatten?

Die Anzahl der PCB-Lagen ist der entscheidende Faktor für Leistung und Kapazität einer Leiterplatte. Oft fragt man sich, ob eine einlagige Leiterplatte ausreicht oder ob es besser ist, eine zwei- oder vierlagige Leiterplatte zu verwenden – Hinweis:Es gibt so etwas wie eine dreilagige Leiterplatte nicht – oder etwas in diesem mehrlagigen Bereich.

Während die Anzahl der Lagen in einer Leiterplatte weitgehend von Ihrem Budget und den funktionalen Anforderungen abhängt, führt dies zu der Frage: Was genau sind mehrlagige Leiterplatten? Im Grunde bezieht sich „mehrlagig“ auf alles mit mehr als zwei Lagen, wie zum Beispiel eine 4-Lagen-Leiterplatte oder etwas im Bereich von 6 bis 12 und mehr Lagen.

5 Fragen zur Bestimmung der Anzahl der Lagen in mehrlagigen Leiterplatten

Wenn Sie darüber nachdenken, wie viele Lagen für eine Bestellung von Leiterplatten ideal wären, müssen Sie die Faktoren berücksichtigen, die eine Mehrlagenplatine gegenüber einer ein- oder doppelseitigen Platine vorteilhaft machen – und umgekehrt.

1. Wie wird meine Leiterplatte verwendet werden?

Bei der Berechnung der Anforderungen an eine Leiterplatte sollten Sie die Arten von Maschinen und Geräten berücksichtigen, in denen Ihre Leiterplatten eingesetzt werden, sowie die Anforderungen, die diese Maschinen/Geräte an die Leiterplattenschaltung stellen. Werden diese Leiterplatten in hochentwickelter, komplexer Elektronik oder in einfacheren Geräten mit minimalen Funktionen verwendet?

2. Welche Betriebsfrequenz wird benötigt?

Wenn Sie diese Fragen berücksichtigen, bedenken Sie, was Sie in Bezug auf die Betriebsfrequenz benötigen. Ihre Parameter bestimmen die Funktionen und die Kapazität einer Leiterplatte. Für höhere Geschwindigkeit und Betriebskapazität sind mehrlagige Leiterplatten unerlässlich.

3. Wie hoch ist mein Budget für das Projekt?

Andere zu berücksichtigende Dinge sind dieHerstellungskosten von ein- und doppellagigen Leiterplatten im Vergleich zu Mehrlagenleiterplatten. Wenn Sie mit der heutigen Leiterplattentechnologie die höchstmögliche Kapazität erreichen möchten, müssen Sie die damit verbundenen hohen Herstellungskosten bezahlen.

4. Wie schnell benötige ich die Leiterplatten?

Vorlaufzeit – dieZeit, die für die Herstellung eines Satzes von Leiterplatten benötigt wirdvon einlagigen vs. mehrlagigen Leiterplatten – ist ebenfalls etwas, das Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie eine große Lieferung von Leiterplatten bestellen. Die Lieferzeit für ein- und zweilagige Platinen kann je nach Größe der Leiterplattenfläche zwischen 8 und 14 Tagen liegen. Wenn Sie jedoch bereit sind, mehr oder weniger zu bezahlen, kann die Lieferzeit so kurz wie fünf Tage oder so lang wie ein Monat sein.

Die Vorlaufzeit erhöht sich für jede Leiterplattengröße mit jeder Lage, die Sie zu der Bestellung hinzufügen. Leiterplatten im Bereich von vier bis 20 Lagen können eine Vorlaufzeit von 12 bis 32 Tagen haben, abhängig davon, ob Sie Leiterplatten mit kleinen oder großen Abmessungen wünschen.

5. Welche Dichte und welche Signallagen werden benötigt?

Die Anzahl der PCB-Lagen hängt ebenfalls von der Pin-Dichte und den Signallagen ab. Wie in der untenstehenden Grafik dargestellt, erfordert eine Pin-Dichte von 1,0 zwei Signallagen, und die Anzahl der erforderlichen Lagen steigt, wenn die Pin-Dichte abnimmt. Bei einer Pin-Dichte von 0,2 oder weniger benötigen Sie PCBs mit mindestens 10 Lagen.

Einlagige Leiterplatten

Eine einlagige Leiterplatte besteht aus einer laminierten und verlöteten Schicht aus dielektrischem, leitfähigem Material. Als frühes Bauteil elektronischer Geräte ist die einlagige Leiterplatte seit Ende der 1950er Jahre in Gebrauch. Auch heute noch, trotz ihres im Vergleich zu modernen Standards in der Unterhaltungselektronik eher primitiven Charakters, ist die einlagige Leiterplatte weltweit weit verbreitet.

Der Aufbau einer einlagigen Leiterplatte ist einfach, da sie aus einem wärmeleitenden Dielektrikum besteht, das zunächst mit einem Kupferlaminat bedeckt und anschließend mit einer Lötstoppmaske überzogen wird. Abbildungen der einlagigen Leiterplatte zeigen im Allgemeinen drei Farbstreifen, um die Schicht und ihre beiden Abdeckungen darzustellen – Grau für die Dielektrikumschicht selbst, Braun für das Kupferlaminat und Grün für die Lötstoppmaske.

Aufgrund ihres einfachen Aufbaus lassen sich einlagige Leiterplatten in großen Stückzahlen leicht herstellen und sind daher die kostengünstigsten aller Leiterplatten. Obwohl die Einzellage nach heutigen Maßstäben ein technologisch begrenztes Bauteil darstellt, bietet sie Herstellern dennoch die folgenden Vorteile:
• Ein einfaches Design, das die meisten Hersteller leicht verstehen können
• Unkompliziert und daher unwahrscheinlich, Produktionsprobleme zu verursachen
• Erschwinglich und bequem für die Produktion in großen Mengen

Heutzutage werden einlagige Leiterplatten mit einer Kupferlaminatdicke von ein bis 20 Unzen hergestellt. Einlagige Leiterplatten sind für einen Betriebstemperaturbereich zwischen 130 und 230 Grad Celsius ausgelegt.

In früheren Jahrzehnten wurden einlagige Leiterplatten in den meisten elektrischen Geräten verwendet. Heute sind die meisten Hightech-Heimelektronikgeräte auf mehrlagige Leiterplatten umgestiegen, die für ein komplexeres Spektrum an Anforderungen optimiert sind. Nichtsdestotrotz ist die einlagige Leiterplatte in einigen der einfacheren Geräte in Wohnzimmern, Küchen und Büros nach wie vor verbreitet, darunter:
•Rechner- Einige der einfachsten Taschenrechner arbeiten mit einlagigen Leiterplatten.
•Radios- Einige Radios, wie etwa die preisgünstigen Radiowecker aus allgemeinen Warenhäusern, verwenden häufig einlagige Leiterplatten.
•Kaffeemaschinen- Kaffeemaschinen verwenden häufig einlagige Leiterplatten.

Die einlagige Leiterplatte ist auch in Sensoren, LED-Leuchten, Druckern, Überwachungskameras und Zeitgeber-Schaltungen verbreitet.

Doppellagige Leiterplatten

Die zweilagige Leiterplatte ist der nächste Entwicklungsschritt in der Leiterplattentechnologie. Mit ihrer höheren Kapazität kann die zweilagige Leiterplatte – auch doppellagige Leiterplatte genannt – ein breiteres Spektrum moderner elektronischer Geräte unterstützen als die einlagige Leiterplatte. Gleichzeitig sind zweilagige Leiterplatten aus Fertigungssicht deutlich weniger komplex als die verschiedenen mehrlagigen Leiterplatten auf dem heutigen Markt. Daher ist die zweilagige Leiterplatte die am weitesten verbreitete Leiterplattenoption.

Eine zweilagige Leiterplatte ähnelt stark einer einlagigen Leiterplatte, besitzt jedoch eine invertierte, spiegelbildliche untere Hälfte. Bei der zweilagigen Leiterplatte ist die Dielektrikumschicht dicker als bei der einlagigen. Außerdem ist das Dielektrikum sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite mit Kupfer laminiert. Darüber hinaus ist die Laminierung auf beiden Seiten, oben und unten, mit Lötstoppmaske bedeckt.

Abbildungen der zweilagigen Leiterplatte sehen im Allgemeinen wie ein dreilagiges Sandwich aus, mit einer dicken grauen Schicht in der Mitte, die das Dielektrikum darstellt, zwei braunen Streifen darüber und darunter, die das Kupfer darstellen, und dünnen grünen Streifen entlang der Ober- und Unterseite, die die Lötstoppmaske darstellen.

Dank seiner gleich gestalteten Ober- und Unterseite ermöglicht die zweilagige Leiterplatte mehr Leiterbahnen. Die Vorteile der zweilagigen Leiterplatte umfassen Folgendes:
• Eine flexible Gestaltung, die es für eine breite Palette von Geräten geeignet macht
• Dichte Schaltkreise, die es für eine Vielzahl moderner Anwendungen geeignet machen
• Niedrige Baukosten, was die Massenproduktion erleichtert
• Einfaches Design, das es Herstellern auf der ganzen Welt erleichtert, es zu verstehen
• Kleine Größe, die es ermöglicht, in eine Vielzahl von Geräten zu passen

Zweilagige Leiterplatten eignen sich für eine Vielzahl einfacher und komplexerer elektronischer Geräte. Beispiele für in Massenproduktion hergestellte Geräte, die zweilagige Leiterplatten enthalten, sind unter anderem:
•HLK-Geräte- Wohnraum-Heiz- und Kühlsysteme verschiedener Marken haben doppellagige Leiterplatten enthalten.
•Verstärker- Die zweilagige Leiterplatte ist mit den Verstärkereinheiten ausgestattet, die von zahlreichen Musikern verwendet werden.
•Drucker- Eine Vielzahl von Computerperipheriegeräten basiert auf zweilagigen Leiterplatten.

Die zweilagige Leiterplatte wurde auch in Steuerrelais, Stromversorgungen, LED-Beleuchtung, Drosselspulen, Prüfgeräten und Verkaufsautomaten eingesetzt.

Vierlagige Leiterplatten

Eine vierlagige Leiterplatte besteht aus einem komplexeren Lagenaufbau als eine ein- oder zweilagige Leiterplatte. Während sowohl ein- als auch doppellagige Leiterplatten nur eine einzelne Schicht aus Dielektrikum enthalten, verfügt die vierlagige Leiterplatte über mehrere. Wie bei allen mehrlagigen Leiterplatten umfasst die vierlagige Leiterplatte mehrere Schichten aus leitfähigem Material und Kupfer zwischen der oberen und unteren Lötstoppmaske.

Der vierlagige PCB-Aufbau besteht aus den folgenden Schichten:
• Vier Streifen leitfähiges Kupfer
• Drei innere Dielektrikschichten – zwei Prepregs und ein Kern
• Doppelte dielektrische Lötstoppmaskenschichten oben und unten

Im 4-Lagen-Leiterplattendesign werden die 4 Kupferschichten intern durch 3 innere Dielektrika getrennt und oben sowie unten durch Lötstoppmaske versiegelt. Allgemein werden die Designregeln für 4-lagige Leiterplatten mit 9 Schichten und 3 Farben dargestellt – Braun für Kupfer, Grau für Kernmaterial und Prepregs sowie Grün für die Lötstoppmaske.

Obwohl gängige Darstellungen eines Vierlagen-Leiterplattendesigns darauf hindeuten, dass Prepreg- und Kernlagen aus demselben Material bestehen, ist das Prepreg nicht vollständig ausgehärtet und daher weicher als der Kern. Während des Herstellungsprozesses werden auf den Vierlagenaufbau Wärme und Druck angewendet, wodurch Prepreg und Kern schmelzen und die Lagen miteinander verbinden.

Vierlagige Leiterplatten bieten Herstellern in vielerlei Hinsicht Vorteile, da diese und andere mehrlagige Leiterplatten die folgenden Vorteile bieten:
•Haltbarkeit- Die vierlagige Leiterplatte ist robuster als ein- und zweilagige Platinen.
•Kompakte Größe- Das kompakte Design der vierlagigen Leiterplatte passt in eine Vielzahl von Geräten.
•Flexibilität- Die vierlagige Leiterplatte kann in zahlreichen Arten von elektronischen Geräten eingesetzt werden, sowohl in einfachen als auch in komplexen.
•Sicher- Bei korrekter Ausrichtung der Leistungs- und Masseebenen schirmt die vierlagige Leiterplatte elektromagnetische Störungen ab.
•Leichtgewicht- Geräte mit vierlagigen Leiterplatten benötigen weniger interne Verdrahtung und sind daher oft leichter.

Obwohl die Herstellung von Multilayer-Leiterplatten mehr Fachwissen erfordert, wird jeder zusätzliche Kostenaufwand für eine vierlagige Leiterplatte durch die höherwertigen Produkte, die die Vierlagige mechanisch unterstützen kann, um ein Vielfaches wieder eingespielt. Zu den wichtigsten modernen Geräten, in denen vierlagige Leiterplatten zum Einsatz kommen, gehören unter anderem die folgenden:
•Satellitensysteme- Mehrlagige Leiterplatten haben die umlaufenden Satelliten ausgerüstet, die Kommunikation im globalen Maßstab ermöglicht haben.
•Handheld-Geräte- Telefone und Tablets sind häufig mit vierlagigen Leiterplatten ausgestattet.
•Ausrüstung für Raumsonden- Mehrlagige Leiterplatten haben Raumfahrtgeräte angetrieben, die es uns ermöglicht haben, weit in die Galaxie hineinzublicken.

Vierlagige Leiterplatten sind auch in Röntgengeräten, Dateiservern, Teilchenbeschleunigern, CT-Technologie und nuklearen Detektionssystemen weit verbreitet. Noch stärker als ein- und zweilagige Leiterplatten können vierlagige Leiterplatten zudem bei Prozessen von Vorteil sein, bei denen Übersprechen ein Problem darstellt.

Sechs-Lagen-Leiterplatten

Die sechslagige Leiterplatte ist der Punkt, an dem die Leiterplattentechnologie wirklich in die fortgeschritteneren Bereiche der heutigen Elektronik vordringt. Mit der sechslagigen Leiterplatte können Hersteller eine Vielzahl kommerzieller Technologieprodukte, medizinischer Geräte und industrieller Maschinen mit Strom versorgen.

Der sechslagige PCB-Stackup ähnelt dem vierlagigen, weist jedoch zwei zusätzliche Kupferschichten und zwei zusätzliche Reihen aus Dielektrikum auf. Im sechslagigen Stackup sind die zweite und vierte Dielektrikumsreihe als „Kern“ („core“) gekennzeichnet, und die erste, dritte und fünfte sind Prepreg. Von den sechs leitfähigen Kupferlagen sind die zweite und fünfte Ebenen (Planes) und die übrigen Signallagen.

Seit ihrer Entwicklung sind 6-lagige Leiterplatten ein Segen für die Elektronikindustrie. Dank ihrer enormen technologischen Überlegenheit gegenüber ein- und zweilagigen Leiterplatten haben sie es Herstellern ermöglicht, eine ganze Reihe innovativer Geräte auf den Markt zu bringen. Zu den wichtigsten Vorteilen von sechslagigen Leiterplatten gehören:
•Stärke- Die sechslagige Leiterplatte ist dicker und daher stabiler als ihre dünner geschichteten Vorgänger.
•Kompaktheit- Mit sechs Lagen verfügen Leiterplatten dieser Dicke über eine höhere technologische Leistungsfähigkeit und können daher weniger Breite beanspruchen.
•Hohe Kapazität- Leiterplatten mit sechs oder mehr Lagen bieten elektronischen Geräten eine optimale Leistungsversorgung und verringern die Möglichkeit von Übersprechen und elektromagnetischen Störungen erheblich.

Mehrlagige Leiterplatten mit sechs oder mehr Schichten haben es der Computertechnologie in den vergangenen zwei Jahrzehnten ermöglicht, sprunghafte Fortschritte zu machen. Leiterplatten dieser Stufe haben die folgenden elektronischen Geräte vorangebracht:
•Computer- 6-lagige Leiterplatten haben die rasante Entwicklung von Personalcomputern vorangetrieben, die dadurch kompakter, leichter und schneller geworden sind.
•Datenspeicherung- Die hohe Kapazität von sechslagigen Leiterplatten hat Datenspeichergeräte im vergangenen Jahrzehnt zunehmend leistungsfähiger gemacht.
•Brandmeldeanlagen- Mit Leiterplatten mit 6 oder mehr Lagen sind Alarmsysteme immer präziser darin geworden, echte Gefahren in dem Moment zu erkennen, in dem sie auftreten.

Sechs-lagige Leiterplatten wurden auch in Mobilfunkübertragung, Glasfaserempfängern, Herzmonitoren, Industrie­steuerungen und GPS-Technologie eingesetzt.

Komplexe mehrlagige Leiterplatten

Wenn die Anzahl der Lagen von mehrlagigen Leiterplatten über vier und sechs hinaus zunimmt, werden weitere Schichten aus leitfähigem Kupfer und dielektrischem Material zum Lagenaufbau hinzugefügt.

Ein achtlagiges PCB enthält beispielsweise vier Ebenen und vier Signalkupferebenen – insgesamt acht –, die durch sieben innere Reihen aus dielektrischem Material verbunden sind. Der achtlagige Lagenaufbau wird oben und unten mit einer dielektrischen Lötstoppmaske versiegelt. Im Grunde ähnelt der achtlagige PCB-Lagenaufbau dem sechslagigen, verfügt jedoch über zusätzliche Paare von Kupfer- und Prepreg-Säulen.

Der Trend setzt sich mit der 10-lagigen Leiterplatte fort, die zwei weitere Kupferschichten hinzufügt und damit insgesamt sechs Signal- und vier Flächenkupferschichten – also 10 insgesamt – umfasst. Das Kupfer im 10-Lagen-Leiterplattenaufbau wird durch neun Schichten Dielektrikum verbunden – fünf Prepregs und vier Kerne. Zehnlagige Leiterplattenaufbauten werden, wie alle anderen auch, oben und unten mit dielektrischer Lötstoppmaske versiegelt.

Wenn Sie bei einem 12-lagigen PCB-Stackup angekommen sind, haben Sie eine Leiterplatte mit 4 Ebenen für Flächen (Planes) und 8 leitenden Signallagen, die durch 6 Prepreg- und 5 Kernschichten aus dielektrischem Material verbunden sind. 12-lagige PCB-Stacks werden mit einem dielektrischen Lötstopplack versiegelt. Im Allgemeinen stellen Abbildungen von Multilayer-PCBs die Lagen und Verbindungsmaterialien mit den folgenden Farben dar – Braun für Signal-/Flächenkupfer, Grau für Prepreg-/Kern-Dielektrikum und Grün für den oberen/unteren Lötstopplack.

Mehrlagige Leiterplatten mit acht, zehn oder zwölf Lagen sind in zahlreichen Hightech-Geräten und Computersystemen von Vorteil. In den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung mehrlagiger Leiterplatten zum rasanten Fortschritt der Computertechnologie geführt – von den kHz-Systemen vergangener Zeiten bis hin zu den GHz-Maschinen von heute.

Maschinen und Geräte in einer Vielzahl von Bereichen – kommerziell, industriell, medizinisch, staatlich, Luft- und Raumfahrt – werden dank der rasanten Entwicklungen, die durch die zunehmend komplexen mehrlagigen Leiterplatten von heute ermöglicht werden, immer schneller, leistungsfähiger, kompakter und benutzerfreundlicher.

Schichtverteilungen

Die einfachste Art, sich eine Leiterplatte vorzustellen, besteht darin, sich die Schichten wie eine Lasagne vorzustellen, bei der leitfähige und dielektrische Materialien innerhalb einer Lötstoppmaske miteinander verbunden sind. Vierlagige Leiterplatten bestehen zum Beispiel üblicherweise aus gleichmäßig beabstandeten Schichten mit Ebenen in der Mitte. Auch wenn dies die Leiterplatte symmetrisch erscheinen lassen kann, hat es nicht unbedingt die wünschenswertesten Auswirkungen in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit.

Eine weitere Anordnung, die unerwünschte Effekte hervorrufen kann, besteht darin, die beiden Ebenen eng in der Mitte zu koppeln, während die Signalleiterbahn und die Ebenen große Dielektrika einschließen. Obwohl diese Anordnung die Speicherung elektrischer Ladung zwischen den Ebenen ermöglicht, kann sie unerwünschte Signalübertragung und elektromagnetische Effekte verursachen. Aus diesen Gründen entscheiden sich die heutigen Experten im PCB-Bereich im Allgemeinen für Leiterplatten mit mindestens vier Lagen anstelle von zweilagigen.

Um die elektromagnetische Verträglichkeit einer Vierlagenplatine zu verbessern, sollten die Ebenen und Signallagen so dicht wie möglich beieinander liegen. Außerdem sollte der Kern zwischen Massefläche und Versorgung groß sein. Diese Anordnung verringert die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Signalübertragungen zwischen den Leiterbahnen und hält die Beeinflussung zwischen Schaltungen und Strömen auf einem akzeptablen Niveau.

Ein idealer Bereich des Widerstands zwischen Schaltung und Strom läge ungefähr bei 50 bis 60 Ohm. Denken Sie daran: Wenn die Impedanz niedrig ist, steigt der entnommene Strom sprunghaft an, was ein unerwünschter Effekt ist. Eine hohe Impedanz erzeugt größere Mengen elektromagnetischer Störungen und macht die Platine anfälliger für äußere Beeinflussung.

Wählen Sie PCBCart für Ihre Standard- und Multilayer-Leiterplattenbedürfnisse

Die heutige Welt ist mit elektronischen Geräten aller Art ausgestattet, die zahlreiche Funktionen bieten, die vor nur 50 Jahren technologisch noch unvorstellbar gewesen wären. Viele dieser Entwicklungen sind auf die Möglichkeiten zurückzuführen, die Leiterplatten (PCBs) bieten. Leiterplatten machen es möglich, dass handliche, kompakte Geräte eine Vielzahl komplexer Aufgaben ausführen, von denen viele sogar aus der Ferne ausgelöst werden können.

Seit 2005 stellt PCBCart Leiterplatten für mehr als 10.000 Unternehmen weltweit her. Mit einer Kundenzufriedenheit von über 99 % werden unsere Platinen in großem Umfang zur Unterstützung einer Vielzahl von Produkten eingesetzt. Um mehr über unsere PCB-Optionen zu erfahren, besuchen Sie bitte die folgenden Seiten:
•Vorteile und Anwendungen von mehrlagigen Leiterplatten
•Umfassende Leiterplatten-Fertigungsdienstleistungen mit bis zu 32 Lagen
•Fortschrittlicher schlüsselfertiger Leiterplattenbestückungsservice – zahlreiche wertschöpfende Optionen
•Vorteile der Wahl von PCBCart als Ihrem PCB-Partner

Interessiert an der Bestellung einer einlagigen oder mehrlagigen Leiterplatte? Holen Sie sich noch heute ein kostenloses, unverbindliches Angebot!

Erhalten Sie den Preis für die Herstellung von FR4-Leiterplatten in Sekundenschnelle

Angebot für fortschrittliche Leiterplatten (Flex-Leiterplatten usw.) anfordern

Hilfreiche Ressourcen
•Einführung in Leiterplatten
•Einlagige vs. Mehrlagige Leiterplatten
•Notwendigkeit & Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten
•PCB-Lagenaufbau, PCB-Stackup-Design | PCBCart
•PCB-Herstellungsprozess – Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung
•Leiterplattenmaterial, Leiterplattentyp