Leiterplatten (PCBs) sind heute das Herzstück der meisten Elektronikgeräte und bestimmen grundlegende Funktionen durch Kombinationen von Bauteilen und Verdrahtungsmechanismen. Die meisten Leiterplatten der Vergangenheit waren relativ einfach und durch Fertigungstechniken begrenzt, während heutige Leiterplatten wesentlich komplexer sind. Von fortschrittlichen flexiblen Optionen bis hin zu ungewöhnlich geformten Varianten sind Leiterplatten in der heutigen Elektronikwelt viel vielfältiger. Besonders beliebt sind jedoch mehrlagige Leiterplatten.
Während Leiterplatten (PCBs) für einfache Elektronik mit begrenzten Funktionen in der Regel aus einer einzigen Schicht bestehen, setzen sich anspruchsvollere elektronische Geräte wie Computer-Mainboards aus mehreren Schichten zusammen. Diese werden als mehrlagige Leiterplatten (Multilayer-PCBs) bezeichnet. Mit der zunehmenden Komplexität moderner Elektronik sind diese mehrlagigen Leiterplatten weiter verbreitet als je zuvor, während Fertigungstechniken es ermöglicht haben, ihre Größe erheblich zu reduzieren.
Lesen Sie weiter, um mehr über mehrlagige Leiterplatten, ihre Anwendungen und Vorteile in der modernen Elektronik zu erfahren.
Was ist eine mehrlagige Leiterplatte?
Die Definition einer Multilayer-Leiterplatte (PCB) ist eine Leiterplatte, die aus drei oder mehr leitenden Kupferfolienschichten besteht. Diese erscheinen als mehrere Schichten doppelseitiger Leiterplatten, die miteinander laminiert und mit hitzebeständigen Isolationsschichten dazwischen verklebt werden. Die gesamte Konstruktion ist so angeordnet, dass sich zwei Schichten auf den Außenseiten der Leiterplatte befinden, um eine Verbindung zur Umgebung herzustellen. Alle elektrischen Verbindungen zwischen den Schichten werden durch Durchkontaktierungen wieDurchkontaktierungen, blinde und vergrabene Vias. Die Anwendung dieser Methode führt dann zur Herstellung hochkomplexer Leiterplatten unterschiedlicher Größen.
Die mehrlagige Leiterplatte entstand aufgrund der sich entwickelnden Veränderungen in der Elektronikindustrie. Die Funktionen der Elektronik wurden im Laufe der Zeit immer ausgefeilter, was komplexere Leiterplatten erforderte. Leider waren Leiterplatten durch Probleme wie Rauschen, Streukapazität und Übersprechen begrenzt und mussten daher bestimmten Designvorgaben folgen. Diese Designüberlegungen machten es schwierig, mit ein- oder sogar doppelseitigen Leiterplatten ein zufriedenstellendes Leistungsniveau zu erreichen – so entstand die mehrlagige Leiterplatte.
Die Leistung einer doppellagigen Leiterplatte in ein Format zu packen, das nur einen Bruchteil der Größe ausmacht, macht mehrlagige Leiterplatten in der Elektronik immer beliebter. Sie sind in einer Vielzahl von Größen und Dicken erhältlich, um den Anforderungen ihrer wachsenden Anwendungsbereiche gerecht zu werden, wobei Varianten von vier bis zwölf Lagen reichen. Die Lagenanzahl ist meist gerade, da eine ungerade Anzahl von Lagen zu Problemen wie Verziehen der Schaltung führen kann und in der Herstellung nicht kostengünstiger ist.Die meisten Anwendungen erfordern zwischen vier und acht Schichten., obwohl Anwendungen wie mobile Geräte und Smartphones in der Regel etwa zwölf Lagen verwenden, und einige professionelle Leiterplattenhersteller damit werben, mehrlagige Leiterplatten mit nahezu 100 Lagen herstellen zu können. Mehrlagige Leiterplatten mit so vielen Lagen sind jedoch selten zu sehen, da sie äußerst kosteneffizient sind.
Obwohl sie in der Herstellung tendenziell teurer und arbeitsintensiver sind, werden mehrlagige Leiterplatten zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Technologie. Dies liegt vor allem an den zahlreichen Vorteilen, die sie bieten, insbesondere im Vergleich zu ein- und doppellagigen Varianten.
Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten
Aus technischer Sicht bieten mehrlagige Leiterplatten mehrere Vorteile im Design. Zu den Vorteilen, die mehrlagige Leiterplatten bieten, gehören:
• Kleine GrößeEiner der herausragendsten und am meisten gelobten Vorteile der Verwendung von mehrlagigen Leiterplatten liegt in ihrer Größe. Aufgrund ihres schichtweisen Aufbaus sind mehrlagige Leiterplatten von Natur aus kleiner als andere Leiterplatten mit ähnlicher Funktionalität. Dies stellt einen großen Vorteil für moderne Elektronik dar, da der aktuelle Trend zu kleineren, kompakteren und dennoch leistungsfähigeren Geräten wie Smartphones, Laptops, Tablets und Wearables geht.
• LeichtbauMit kleineren Leiterplatten verringert sich das Gewicht, insbesondere da die zahlreichen Steckverbinder, die zur Verbindung separater ein- und doppellagiger Leiterplatten erforderlich sind, zugunsten eines mehrlagigen Designs entfallen. Auch dies ist vorteilhaft für moderne Elektronik, die zunehmend auf Mobilität ausgerichtet ist.
• Hochwertig: Aufgrund des Arbeits- und Planungsaufwands, der für die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten erforderlich ist, sind diese Arten von Leiterplatten in der Regel qualitativ hochwertiger als ein- und doppellagige Leiterplatten. Dadurch sind sie in der Regel auch zuverlässiger.
• Erhöhte Haltbarkeit: Mehrlagige Leiterplatten sind von Natur aus tendenziell langlebig. Diese mehrlagigen Leiterplatten müssen nicht nur ihr eigenes Gewicht aushalten, sondern auch der Hitze und dem Druck standhalten, die beim Verbinden der Schichten verwendet werden. Darüber hinaus verwenden mehrlagige Leiterplatten mehrere Isolierschichten zwischen den einzelnen Leiterbahnebenen, die mit Prepreg-Bindemittel und Schutzmaterialien zusammengehalten werden.
• Verbesserte Flexibilität: Obwohl dies nicht auf alle mehrlagigen Leiterplattenbaugruppen zutrifft, verwenden einige flexible Konstruktionstechniken, was zu einer flexiblen mehrlagigen Leiterplatte führt. Dies kann eine sehr wünschenswerte Eigenschaft für Anwendungen sein, bei denen ein leichtes Biegen und Verbiegen in regelmäßigen Abständen auftreten kann. Auch hier gilt: Dies trifft nicht auf alle mehrlagigen Leiterplatten zu, und je mehr Lagen in eine flexible Leiterplatte integriert werden, desto weniger flexibel wird die Leiterplatte.
• Leistungsstärker: Mehrlagige Leiterplatten sind extrem hochdichte Baugruppen, bei denen mehrere Schichten in eine einzige Leiterplatte integriert werden. Diese enge Anordnung ermöglicht es den Platinen, verbindungsreicher zu sein, und ihre inhärenten elektrischen Eigenschaften erlauben es ihnen, trotz ihrer geringeren Größe eine höhere Kapazität und Geschwindigkeit zu erreichen.
• Einzelner VerbindungspunktMehrlagige Leiterplatten (PCBs) sind so konzipiert, dass sie als eine einzige Einheit funktionieren, anstatt mit anderen Leiterplattenkomponenten zusammenzuarbeiten. Daher verfügen sie über einen einzigen Verbindungspunkt, anstatt der mehreren Verbindungspunkte, die für die Verwendung mehrerer einlagiger Leiterplatten erforderlich wären. Dies erweist sich auch im elektronischen Produktdesign als Vorteil, da im Endprodukt nur ein einziger Verbindungspunkt integriert werden muss. Dies ist besonders vorteilhaft für kleine Elektronikgeräte und Gadgets, die darauf ausgelegt sind, Größe und Gewicht zu minimieren.
Diese Vorteile machen mehrlagige Leiterplatten in einer Vielzahl von Anwendungen äußerst nützlich, insbesondere in mobilen Geräten und leistungsstarker Elektronik. Da immer mehr Branchen auf mobile Lösungen setzen, finden mehrlagige Leiterplatten zunehmend ihren Platz in einer wachsenden Zahl branchenspezifischer Anwendungen.
Nachteile von mehrlagigen Leiterplatten
Die Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten sind zahlreich, was sie für eine Vielzahl fortschrittlicher Technologien anwendbar macht. Allerdings sind diese Arten von Leiterplatten nicht für alle Anwendungen geeignet. Tatsächlich können mehrere Nachteile die Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten überwiegen, insbesondere bei Elektronik mit geringeren Kosten und geringerer Komplexität. Zu diesen Nachteilen gehören die folgenden:
• Höhere KostenMehrlagige Leiterplatten sind in jeder Phase des Herstellungsprozesses deutlich teurer als ein- und doppellagige Leiterplatten. Sie sind schwierig zu entwerfen und erfordern viel Zeit, um mögliche Probleme zu erkennen und zu beheben. Außerdem ist der Herstellungsprozess äußerst komplex und erfordert einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand seitens des Montagepersonals. Aufgrund der Beschaffenheit dieser Leiterplatten ist zudem jeder Fehler im Herstellungs- oder Montageprozess äußerst schwer nachzubessern, was entweder zu zusätzlichen Arbeitskosten oder zu Materialverlusten führt. Darüber hinaus ist die für die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten verwendete Ausrüstung sehr teuer, da es sich immer noch um eine relativ neue Technologie handelt. Aus all diesen Gründen sind günstigere Alternativen oft die bessere Wahl, sofern eine geringe Größe für die jeweilige Anwendung nicht unbedingt erforderlich ist.
• Komplizierte Produktion: Mehrlagige Leiterplatten sind schwieriger herzustellen und erfordern wesentlich mehr Designzeit sowie sorgfältigere Fertigungstechniken als andere Leiterplattentypen. Dies liegt daran, dass selbst kleine Fehler im Design oder in der Herstellung der Leiterplatte sie unbrauchbar machen können.
• Begrenzte VerfügbarkeitEines der größten Probleme bei mehrlagigen Leiterplatten (PCBs) sind die Kosten für die Maschinen, die zu ihrer Herstellung benötigt werden. Nicht alle Leiterplattenhersteller verfügen über die finanziellen Mittel oder die Notwendigkeit für diese Maschinen, daher besitzen nicht alle Hersteller diese Ausrüstung. Dies begrenzt die Anzahl der Leiterplattenhersteller, die mehrlagige Leiterplatten für Kunden produzieren können. Daher ist es am besten, die Fähigkeiten eines Leiterplattenherstellers in Bezug auf mehrlagige Leiterplatten sorgfältig zu erfragen, bevor man ihn als Vertragshersteller auswählt.
• Qualifizierter Designer gesuchtWie bereits besprochen, erfordern mehrlagige Leiterplatten eine umfangreiche Vorab-Planung. Ohne vorherige Erfahrung kann dies problematisch sein. Mehrlagige Platinen benötigen Verbindungen zwischen den Lagen, müssen jedoch gleichzeitig Übersprechen und Impedanzprobleme minimieren. Ein einziger Fehler im Design kann dazu führen, dass die Platine nicht funktioniert.
• ProduktionszeitMit zunehmender Komplexität steigen auch die Anforderungen an die Fertigung. Dies wirkt sich auf ein zentrales Problem der Durchlaufzeit von mehrlagigen Leiterplatten aus – jede Platine benötigt eine beträchtliche Produktionszeit, was zu höheren Arbeitskosten führt. Darüber hinaus kann es zu längeren Zeiträumen zwischen Auftragserteilung und Erhalt des Produkts kommen, was in bestimmten Situationen problematisch sein kann.
Diese Probleme mindern jedoch nicht den Nutzen von mehrlagigen Leiterplatten. Obwohl sie in der Regel teurer sind als einlagige Leiterplatten, bieten mehrlagige Leiterplatten viele Vorteile gegenüber dieser Art von Leiterplatte.
Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten gegenüber einlagigen Alternativen
Im Vergleich zu einlagigen Alternativen werden die Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten noch deutlicher. Zu den wichtigsten Verbesserungen, die mehrlagige Leiterplatten bieten, gehören unter anderem:
• Höhere BestückungsdichteWährend die Dichte einlagiger Leiterplatten durch ihre Oberfläche begrenzt ist, vervielfachen mehrlagige Leiterplatten ihre Dichte durch Schichtung. Diese erhöhte Dichte ermöglicht eine größere Funktionalität und verbessert Kapazität und Geschwindigkeit trotz der kleineren Leiterplattengröße.
• Kleinere GrößeInsgesamt sind mehrlagige Leiterplatten kleiner als einlagige Leiterplatten. Während einlagige Leiterplatten die Oberfläche der Schaltung durch Vergrößerung der Größe erhöhen müssen, vergrößern mehrlagige Leiterplatten die Oberfläche durch das Hinzufügen von Schichten, wodurch die Gesamtgröße verringert wird. Dadurch können mehrlagige Leiterplatten mit höherer Kapazität in kleineren Geräten verwendet werden, während einlagige Leiterplatten mit hoher Kapazität in größeren Produkten installiert werden müssen.
• Geringeres Gewicht: Die Integration von Komponenten in eine mehrlagige Leiterplatte bedeutet, dass weniger Steckverbinder und andere Bauteile benötigt werden, was zu einer leichten Lösung für komplexe elektrische Anwendungen führt. Mehrlagige Leiterplatten können die gleiche Arbeit wie mehrere einlagige Leiterplatten leisten, tun dies jedoch in kleinerer Größe und mit weniger Verbindungselementen, wodurch das Gewicht reduziert wird. Dies ist ein wesentlicher Aspekt für kleinere Elektronikgeräte, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt.
• Verbesserte DesignfunktionalitätInsgesamt sind mehrlagige Leiterplatten leistungsfähiger als herkömmliche einlagige Leiterplatten. Durch die Integration von kontrollierten Impedanzmerkmalen, einer besseren EMI-Abschirmung und einer insgesamt verbesserten Designqualität können mehrlagige Leiterplatten trotz ihrer geringeren Größe und ihres geringeren Gewichts mehr leisten.
Was bedeuten diese Faktoren also bei der Entscheidung zwischen einer mehrlagigen und einer einlagigen Konstruktion? Im Wesentlichen gilt: Wenn Sie ein kleines, leichtes und komplexes Gerät herstellen möchten, bei dem Qualität entscheidend ist, ist eine mehrlagige Leiterplatte wahrscheinlich die beste Wahl. Wenn jedoch Größe und Gewicht in Ihrem Produktdesign keine primären Faktoren sind, kann ein ein- oder doppellagiges Leiterplattendesign kostengünstiger sein.
Anwendungen von mehrlagigen Leiterplatten
Die oben erörterten Vorteile und Vergleiche werfen die Frage auf: Welchen Nutzen haben mehrlagige Leiterplatten in der realen Welt? Die Antwort lautet: so gut wie jede Anwendung.
Für zahlreiche Branchen sind mehrlagige Leiterplatten (PCBs) zur bevorzugten Option für eine Vielzahl von Anwendungen geworden. Ein Großteil dieser Präferenz resultiert aus dem kontinuierlichen Streben nach Mobilität und Funktionalität in allen Technologiebereichen. Mehrlagige Leiterplatten sind der logische Schritt in dieser Entwicklung, da sie eine höhere Funktionalität bei geringerer Größe ermöglichen. Daher sind sie mittlerweile weit verbreitet und werden in vielen Technologien eingesetzt, darunter:
• Unterhaltungselektronik: Unterhaltungselektronik ist ein weit gefasster Begriff, der eine Vielzahl von Produkten abdeckt, die von der breiten Öffentlichkeit genutzt werden. Dazu gehören in der Regel Produkte, die täglich verwendet werden, wie Smartphones und Mikrowellen. Jedes dieser Elektronikprodukte enthält eine Leiterplatte (PCB), aber ein zunehmender Anteil davon verwendet mehrlagige Leiterplatten anstelle von herkömmlichen einlagigen. Warum? Der Hauptgrund liegt in den Verbrauchertrends. Menschen in der modernen Welt bevorzugen in der Regel multifunktionale Geräte und intelligente Geräte, die sich in ihr übriges Leben integrieren lassen. Von Universalfernbedienungen bis hin zu Smartwatches sind diese Arten von Geräten in der modernen Welt recht verbreitet. Sie verwenden ebenfalls häufig mehrlagige Leiterplatten, um eine höhere Funktionalität und eine kleinere Baugröße zu ermöglichen.
• Computer-Elektronik: Alles, von Servern bis zu Motherboards, verwendet mehrlagige Leiterplatten, hauptsächlich aufgrund ihrer platzsparenden Eigenschaften und hohen Funktionalität. Bei diesen Anwendungen ist die Leistung eines der wichtigsten Merkmale einer Leiterplatte, während die Kosten relativ weit unten auf der Prioritätenliste stehen. Daher sind mehrlagige Leiterplatten eine ideale Lösung für viele Technologien in dieser Branche.
• Telekommunikation: Telekommunikationsgeräte verwenden häufig mehrlagige Leiterplatten in zahlreichen allgemeinen Anwendungen, wie z. B. der Signalübertragung, GPS- und Satellitenanwendungen. Der Hauptgrund dafür liegt in ihrer Langlebigkeit und Funktionalität.Leiterplatten für Telekommunikationsanwendungenwerden häufig entweder in mobilen Geräten oder in Außentürmen verwendet. In solchen Anwendungen ist Haltbarkeit unerlässlich, während gleichzeitig ein hohes Maß an Funktionalität erhalten bleibt.
• Industriell: Mehrlagige Leiterplatten erweisen sich als langlebiger als viele andere derzeit auf dem Markt erhältliche Optionen, was sie zu einer guten Wahl für Anwendungen macht, bei denen eine raue Handhabung zum Alltag gehört. Daher sind mehrlagige Leiterplatten in verschiedenen industriellen Anwendungen beliebt geworden, am auffälligsten im Bereich der Industrieautomatisierung. Von Industriecomputern bis hin zu Steuerungssystemen werden mehrlagige Leiterplatten in der gesamten Fertigung und in industriellen Anwendungen zur Steuerung von Maschinen eingesetzt, geschätzt sowohl wegen ihrer Langlebigkeit als auch wegen ihrer geringen Größe und Funktionalität.
• Medizinprodukte: Elektronik wird zu einem immer wichtigeren Bestandteil der Gesundheitsbranche und spielt in allen Bereichen der Branche, von der Behandlung bis zur Diagnose, eine Rolle.Mehrlagige Leiterplatten sind in der Medizinbranche besonders beliebt.aufgrund ihrer geringen Größe, ihres leichten Gewichts und ihrer beeindruckenden Funktionalität im Vergleich zu einlagigen Alternativen. Diese Vorteile haben dazu geführt, dass mehrlagige Leiterplatten in modernen Röntgengeräten, Herzmonitoren, CT-Scannern und medizinischen Testgeräten usw. verwendet werden.
• Militär und Verteidigung: Aufgrund ihrer Haltbarkeit, Funktionalität und ihres geringen Gewichts werden mehrlagige Leiterplatten bevorzugt in Hochgeschwindigkeits-Schaltungen eingesetzt, was für militärische Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewinnt. Sie sind auch deshalb beliebt, weil die Verteidigungsindustrie verstärkt auf hochkompakte Konstruktionsdesigns setzt, da die geringe Größe mehrlagiger Leiterplatten mehr Platz für andere Komponenten lässt, um bestehende Funktionen zu erweitern.
• Automobil: Autos verlassen sich in der modernen Ära immer mehr auf elektronische Komponenten, insbesondere mit dem Aufstieg der Elektroautos. Da alles von GPS-Systemen und Bordcomputern bis hin zu Lichtschaltern und Motorsensoren von Elektronik gesteuert wird, wird die Verwendung der richtigen Komponenten in der Automobilkonstruktion immer wichtiger. Deshalb setzen vieleAutohersteller beginnen, mehrlagige Leiterplatten anderen Alternativen vorzuziehenWährend sie klein und langlebig sind, sind mehrlagige Leiterplatten auch hochfunktional und relativ hitzebeständig, was sie zu einer guten Wahl für das Innenleben eines Autos macht.
• Luft- und RaumfahrtWie Autos sind auch Jets und Raketen in der modernen Ära stark auf Elektronik angewiesen, die alle äußerst präzise sein müssen. Von den am Boden eingesetzten Computern bis hin zu denen im Cockpit müssen Leiterplattenanwendungen in der Luft- und Raumfahrt zuverlässig sein, den Belastungen atmosphärischer Reisen standhalten und gleichzeitig genügend Platz für die übrige Ausrüstung bieten. Mehrlagige Leiterplatten stellen in diesem Fall eine ideale Lösung dar, da sie über zahlreiche Schutzschichten verfügen, die Hitze und äußeren Belastungen davon abhalten, die Verbindungen zu beschädigen, und zudem aus flexiblen Materialien gefertigt werden können. Ihre höhere Qualität und Funktionalität tragen ebenfalls zu diesem Nutzen in der Luft- und Raumfahrtindustrie bei, da Luft- und Raumfahrtunternehmen bevorzugt die bestmöglichen Materialien verwenden, um ihr Personal und ihre Ausrüstung zu schützen.
• Und viele mehr! Mehrlagige Leiterplatten werden in einer Vielzahl anderer Branchen eingesetzt, darunter die Wissenschafts- und Forschungsbranche sowie sogar Haushaltsgeräte und Sicherheitstechnik. Alles von Alarmsystemen und faseroptischen Sensoren bis hin zu Teilchenbeschleunigern und Wetteranalysegeräten verwendet mehrlagige Leiterplatten und nutzt dabei die Platz- und Gewichtseinsparungen dieses Leiterplattenformats sowie deren erhöhte Funktionalität.
Warum werden mehrlagige Leiterplatten so häufig verwendet?
Die oben aufgeführten spezifischen Anwendungen stellen nur einen Bruchteil der in der Industrie eingesetzten Multilayer-Leiterplatten dar. Aber warum werden sie so weit verbreitet eingesetzt?
Ein Großteil der Bevorzugung von mehrlagigen Leiterplatten liegt in den Branchentrends. Da sich die Elektronik immer weiter in Richtung Miniaturisierung und multifunktionale Optionen entwickelt, müssen die internen Komponenten dieser Elektronik demselben Trend folgen. Während ein- und doppelseitige Leiterplatten in ihrer Fähigkeit, Größe und Funktionalität auszubalancieren, begrenzt sind, bieten mehrlagige Leiterplatten eine umfassende Lösung.
Obwohl die Verwendung von mehrlagigen Leiterplatten im Vergleich zu ein- und doppellagigen Optionen einige Nachteile mit sich bringt, wie erhöhte Kosten, längere Entwicklungszeiten und höheren Produktionsaufwand, werden diese Kosten in der heutigen Welt zunehmend akzeptiert. Die Funktionalität wird weitgehend über die Kosten gestellt, und die Menschen sind bereit, mehr für leistungsfähige Elektronik zu bezahlen. Darüber hinaus werden mit der zunehmenden Verbreitung der Technologie die Produktionstechniken und Maschinen schließlich günstiger, insbesondere wenn neue Verfahren in die Branche Einzug halten.
Mit diesen unumkehrbaren Trends und dem fortschreitenden technologischen Fortschritt erwarten viele, dass mehrlagige Leiterplatten in Zukunft noch häufiger werden.
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