Als vorbereitender Schritt vor dem Entwurf einer Leiterplatte müssen Sie entscheiden, ob Sie eine einlagige oder mehrlagige Leiterplatte verwenden. Beide Designarten sind in einer Vielzahl alltäglicher Geräte üblich. Welche Art für Sie die richtige ist, hängt von dem Projekt ab, für das Sie sie verwenden. Komplexere Geräte nutzen typischerweise mehrlagige Leiterplatten, während einfachere von einlagigen profitieren können. Dieser Artikel erklärt die wesentlichen Unterschiede zwischen ihnen und zeigt, wie Sie den richtigen Typ für Ihr Projekt auswählen.
Einlagige vs. Mehrlagige Leiterplatten: Was ist der Unterschied?
Anhand ihrer Bezeichnungen können Sie sich wahrscheinlich denken, worin der wesentliche Unterschied zwischen diesen beiden Arten von Leiterplatten besteht. Einlagige Platinen haben nur eine Schicht Basismaterial, auch Substrat genannt, während mehrlagige Leiterplatten mehrere Schichten besitzen. Wenn Sie sich die drei Haupttypen von Leiterplatten genauer ansehen, werden Sie feststellen, dass es viele weitere Unterschiede in ihrer Konstruktion und ihrer Funktionsweise gibt.
1. Einlagige Leiterplatten
Einschichtige Leiterplatten, manchmal auch einseitige Leiterplatten genannt, haben Bauteile auf einer Seite der Leiterplatte und ein Leiterbild auf der gegenüberliegenden Seite. Sie besitzen nur eine einzige Schicht aus leitfähigem Material, typischerweise Kupfer. Eine Einschicht-Leiterplatte besteht aus einer Substratschicht, einer leitfähigen Metallschicht und anschließend einer schützendenLötstoppmaskeund Siebdruck. Einlagige Leiterplatten finden Sie in vielen einfacheren elektronischen Geräten.
2. Zweiseitige Leiterplatten
Sie können auch eine doppellagige oder zweiseitige Leiterplatte verwenden, die mehr Lagen als eine einlagige Leiterplatte, aber weniger als eine mehrlagige hat. Zweiseitige Leiterplatten haben, wie die einseitige Variante, eine Substratschicht. Der Unterschied besteht darin, dass sie auf beiden Seiten des Substrats eine Schicht aus leitfähigem Metall besitzen.
Die Schaltungen und Bauteile auf der einen Seite der Leiterplatte sind mit denen auf der anderen Seite auf eine der folgenden zwei Arten verbunden:
• Durchkontaktierungen:Durchkontaktierungen sind kleine Löcher, die durch die Leiterplatte gebohrt werden, durch die Drähte, sogenannte Anschlüsse, geführt und anschließend an die entsprechende Komponente gelötet werden.
• Oberflächenmontagen:Diese Leiterplatten verwenden Anschlussdrähte, die direkt auf die Platine gelötet werden. Die Platine selbst wird zur Verdrahtungsfläche für die Bauteile, wodurch die Schaltungen weniger Platz benötigen.
3. Mehrlagige Leiterplatten
Mehrlagige Leiterplattenbestehen aus drei oder mehr doppelseitigen Leiterplatten, die übereinander gestapelt sind. Theoretisch können sie so viele Leiterplatten enthalten, wie Sie benötigen, aber die größte, die jemals hergestellt wurdewar 129 Schichten dickTypischerweise haben sie eine gerade Anzahl von vier bis zwölf Lagen – ungerade Anzahlen können zu Problemen wie Verzug und Verdrehung nach dem Löten führen.
Jede Substratschicht in einer mehrlagigen Leiterplatte besitzt auf beiden Seiten eine leitfähige Metallschicht. Die Leiterplatten werden mit einer speziellen Art von Klebstoff miteinander verbunden, und zwischen jeder Leiterplatte befindet sich ein Isoliermaterial. An den äußersten Rändern der mehrlagigen Leiterplatte befinden sich Lötstopplacke.
Als Vias bezeichnete Leiterbahnen ermöglichen es den verschiedenen Schichten, miteinander zu leiten. Diese Leiterbahnen lassen sich in drei Gruppen einteilen:
• Durchsteckmontage:Gehe durch jede Schicht der Platine
• Blind:Verbinden Sie eine äußere Schicht mit einer inneren Schicht
• Begraben:Zwei innere Schichten verbinden, sodass sie von außen unsichtbar sind
Mehrlagige Leiterplatten kommen typischerweise in komplexeren Geräten vor, die eine hohe Anzahl von Verbindungen erfordern.
Vorteile einlagiger Leiterplatten
Einschichtige Leiterplatten (Single-Layer-PCBs) haben mehrere Vorteile gegenüber anderen Leiterplattentypen, die sie – je nach den Anforderungen Ihres Projekts – zu Ihrer bevorzugten Wahl machen können. Dazu gehören:
• Geringere Kosten:Da einlagige Leiterplatten einfacher sind als doppelseitige und mehrlagige Leiterplatten, benötigen sie weniger Ressourcen, weniger Zeit und weniger Fachwissen für Entwurf und Produktion. Das macht sie kostengünstiger. Wenn es möglich ist, eine einseitige Leiterplatte zu verwenden, ohne Qualität und Leistung zu beeinträchtigen, tun dies die meisten Menschen aufgrund der wirtschaftlichen Vorteile. Beim Vergleich von einlagigen und mehrlagigen Leiterplatten ist der geringere Preis einer der wesentlichen Vorteile einseitiger Leiterplatten.
• Einfacheres Design und Produktion:Einseitige Leiterplatten sind relativ einfach und auch sehr verbreitet, was bedeutet, dass die meisten Entwickler sie problemlos entwerfen können und die meisten Hersteller sie ohne Schwierigkeiten fertigen können. Die Entwurfs- und Produktionsprozesse sind im Vergleich zu mehrlagigen Leiterplatten unkompliziert und führen durchweg zu positiven Ergebnissen. Fast jedes Leiterplattenunternehmen kann aufgrund ihrer Einfachheit einlagige Platinen herstellen.
• Hohes Volumen:Die einfache Herstellbarkeit dieser Leiterplatten bedeutet, dass Sie sie in großen Stückzahlen bestellen können, ohne auf Probleme zu stoßen. Da höhere Mengen den Preis pro Leiterplatte weiter senken, ist die Bestellung in großen Mengen eine der besten Möglichkeiten, den größten Nutzen aus einseitigen Leiterplatten zu ziehen.
• Kurze Lieferzeit:Einschichtige Leiterplatten können aufgrund ihrer Einfachheit und der Tatsache, dass sie weniger Ressourcen benötigen als mehrlagige Leiterplatten schnell hergestellt werden. Dies macht sie zur perfekten Wahl für Fälle, in denen Sie Leiterplatten schnell benötigen, selbst bei hohen Stückzahlen.
Nachteile einlagiger Leiterplatten
Trotz ihrer Kostenvorteile und anderer Vorzüge sind einlagige Leiterplatten aufgrund ihrer Einschränkungen, zu denen unter anderem Folgendes gehört, nicht für jedes Projekt die richtige Wahl:
• Schlichtes Design:Die Einfachheit einlagiger Leiterplatten ist einer ihrer größten Vorteile, stellt jedoch zugleich eine erhebliche Einschränkung dar. Für komplexere Geräte, die eine größere Anzahl von Bauteilen und Verbindungen erfordern, bietet eine einzelne Lage nicht genügend Platz oder Leistungsfähigkeit. Wenn sich Leiterbahnen kreuzen, funktioniert das Gerät nicht richtig, daher ist es entscheidend, dass die Platine genügend Raum bietet, um alles unterzubringen. Komplexere Designs lassen sich einfach nicht auf einseitigen Leiterplatten unterbringen.
• Langsamere Geschwindigkeit und geringere Betriebskapazität:Die begrenzte Anzahl von Verbindungen auf diesen Platinen wirkt sich auch auf deren Leistung und Geschwindigkeit aus. Diese weniger dichten Designs sind nicht so robust wie solche mit mehr Schaltkreisen und verfügen über eine geringere Betriebskapazität. Sie könnten für einige Anwendungen nicht genügend Leistung haben.
• Größere Größe und höheres Gewicht:Um die Fähigkeiten einer einseitigen Leiterplatte zu erweitern, müssen Sie ihre Abmessungen vergrößern, anstatt eine weitere Lage hinzuzufügen, wie Sie es bei einer mehrlagigen Leiterplatte tun könnten. Sie könnten mehrere separate Leiterplatten verwenden, aber eine einzige mehrlagige Leiterplatte könnte wahrscheinlich dieselben Anforderungen erfüllen. Die Vergrößerung der Größe oder der Anzahl der Leiterplatten in einem Gerät erhöht außerdem das Gewicht Ihres Endprodukts.
Einstufige Leiterplatten: Abwägung von Vor- und Nachteilen
Um festzustellen, ob eine einlagige Leiterplatte für Sie geeignet ist, müssen Sie die Anforderungen Ihres Projekts berücksichtigen und prüfen, ob einseitige Platinen die Fähigkeiten besitzen, die Sie zur Erfüllung dieser Anforderungen benötigen. Für einfachere Geräte sind sie in der Regel die bevorzugte Platine, da sie kostengünstig sind und schnell produziert werden können. Für komplexere Projekte bieten sie jedoch oft nicht genügend Funktionalität.
Bevor Sie sich für die Verwendung von einlagigen Leiterplatten entscheiden, sollten Sie deren Vor- und Nachteile abwägen. Zusammenfassend lassen sich die Vor- und Nachteile von einlagigen Leiterplatten wie folgt darstellen:
Vorteile:
• Geringere Kosten
• Einfacheres Design und einfachere Produktion
• Fähigkeit, in großen Stückzahlen produziert zu werden
• Kürzere Durchlaufzeit
Nachteile:
• Zu einfach für komplexe Projekte
• Geringere Betriebskapazität
• Langsamere Geschwindigkeit
• Größere Größe
• Höheres Gewicht
Sind einseitige Leiterplatten die richtige Art von Bauteil für Sie? Wenn sie die Kriterien Ihres Projekts erfüllen und die oben genannten Vorteile die Nachteile überwiegen, sind sie es wahrscheinlich.
Anwendungen von einlagigen Leiterplatten
Diese Leiterplatten sind aufgrund ihrer geringen Kosten und der relativ einfachen Herstellbarkeit eine beliebte Wahl für die unterschiedlichsten elektronischen Anwendungen. Obwohl mehrlagige Leiterplatten mit der zunehmenden Komplexität von Elektronik immer stärker aufholen, waren einlagige Leiterplatten historisch gesehen der am weitesten verbreitete Typ. Sie kommen häufig in Geräten vor, die nur eine bestimmte Funktion erfüllen und weder große Datenmengen speichern noch auf das Internet zugreifen müssen, auch wenn dies nicht immer der Fall ist.
Einlagige Leiterplatten finden sich in vielen kleinen Haushaltsgeräten, wie zum Beispiel Kaffeemaschinen. Sie sind außerdem die Technologie hinter den meisten Taschenrechnern, Radios, Druckern und LED-Leuchten. Einfachere Speichergeräte wie Solid-State-Laufwerke verwenden häufig einseitige Leiterplatten, ebenso wie Komponenten wie Netzteile und viele verschiedene Arten von Sensoren.
Vorteile von mehrlagigen Leiterplatten
Obwohl einlagige Leiterplatten ihre Vorteile haben, sind mehrlagige Designs für einige Anwendungen vorteilhafter. Für manche Geräte ist es sogar notwendig, mehrere Lagen zu verwenden. Die Vorteile komplexerer mehrlagiger Leiterplatten umfassen:
• Nützlich für komplexere Projekte:Geräte, die komplexer sind und mehr Schaltungen und Komponenten enthalten, erfordern häufig die Verwendung einer mehrlagigen Leiterplatte. Wenn mehr Schaltungen benötigt werden, als auf eine einzelne Platine passen, kann durch das Hinzufügen weiterer Lagen zusätzlicher Platz geschaffen werden. Mehrere Lagen stellen sicher, dass ausreichend Raum für Verbindungen vorhanden ist, was sie ideal für fortschrittlichere Geräte macht. Geräte mit vielen verschiedenen Einsatzmöglichkeiten und erweiterten Funktionen, wie etwa Smartphones, benötigen dieses Maß an Komplexität.
• Hohe Qualität:Mehrlagige Leiterplatten erfordern mehr Planung und aufwendigere Produktionsprozesse und sind daher in der Regel von höherer Qualität als andere Arten von Leiterplatten. Die Entwicklung und Herstellung dieser Leiterplatten erfordert mehr Fachwissen und fortschrittlichere Werkzeuge als bei einfacheren Komponenten, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Sie ein Produkt von höchster Qualität erhalten. Viele dieser Designs beinhalten fortschrittliche, kontrollierte Impedanzmerkmale und Abschirmungen gegen elektromagnetische Störungen, was die Leistung weiter verbessert.
• Zusätzliche Leistung:Aufgrund der erhöhten Schaltungsdichte von mehrlagigen Leiterplatten sind sie leistungsfähiger als weniger komplexe Designs. Sie verfügen über eine höhere Betriebskapazität und können mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten, was für die fortschrittlichen Geräte, die sie versorgen, oft notwendig ist und eine verbesserte Leistung ermöglicht.
• Erhöhte Haltbarkeit:Mehr Schichten bedeuten, dass die Leiterplatte dicker und daher langlebiger ist als einseitige Leiterplatten. Dies ist ein weiterer Grund, warum das Hinzufügen von Funktionalität durch zusätzliche Schichten einer Vergrößerung der Abmessungen einer einzelnen Schicht vorzuziehen ist. Diese erhöhte Haltbarkeit bedeutet, dass die Leiterplatten härteren Bedingungen standhalten können und oft länger halten.
• Kleinere Größe und geringeres Gewicht:Mehrlagige Leiterplatten erreichen diese erhöhte Haltbarkeit, während sie dennoch eine relativ geringe Größe und ein niedriges Gewicht beibehalten. Da sie Schichten übereinander stapeln, können Sie mehr Funktionalität auf engerem Raum unterbringen als mit anderen Platinen. Diese kleinere Größe führt auch zu einem geringeren Gewicht. Eine einlagige Platine müsste ziemlich groß sein, um die Funktionalität einer mehrlagigen Platine zu erreichen. Sie könnten dies möglicherweise sogar mit mehreren einlagigen Platinen ausgleichen, aber das würde ebenfalls die Größe und das Gewicht Ihres Endprodukts erhöhen.
• Einzelner Verbindungspunkt:Die Verwendung mehrerer Leiterplattenkomponenten würde mehrere Verbindungspunkte erfordern. Mehrlagige Leiterplatten hingegen sind so konzipiert, dass sie mit nur einem einzigen Verbindungspunkt arbeiten, was das Design des elektronischen Geräts vereinfacht und das Gewicht weiter reduziert. Wenn es darum geht zu entscheiden, ob mehrere einseitige Leiterplatten oder nur eine mehrlagige Leiterplatte verwendet werden sollen, ist die mehrlagige Leiterplatte in der Regel die beste Wahl.
Nachteile von mehrlagigen Leiterplatten
Die erweiterte Funktionalität und die anderen Vorteile, die mehrlagige Leiterplatten bieten, haben jedoch ihren Preis. Diese Nachteile bedeuten, dass sie möglicherweise nicht für jede Art von Projekt die ideale Wahl sind. Dazu gehören:
• Höhere Kosten:Das Entwerfen und Herstellen von Leiterplatten mit mehreren Lagen ist teurer als die Produktion von solchen mit nur einer oder zwei Lagen. Es erfordert mehr Ressourcen, mehr Zeit und mehr Fachkenntnis, was den Preis in die Höhe treibt. Stelle immer sicher, dass die Vorteile einer mehrlagigen Komponente die Kosten überwiegen. Wenn mehr als zwei Lagen nicht notwendig sind, solltest du möglicherweise bei einer einlagigen Leiterplatte bleiben.
• Komplizierteres Design und aufwendigere Produktion:Die Entwicklung und Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten ist ein komplizierterer und aufwendigerer Prozess als die Fertigung einlagiger Leiterplatten. Das bedeutet, dass Sie hochqualifizierte Designer und Hersteller benötigen, die über spezialisierte Ausrüstung verfügen. Außerdem ist es wahrscheinlicher, dass während des gesamten Prozesses Schwierigkeiten auftreten, insbesondere wenn Ihnen nicht die erforderlichen Ressourcen zur Verfügung stehen.
• Geringere Verfügbarkeit:Aufgrund der Spezialisierung, die mehrlagige Leiterplatten erfordern, kann nicht jeder Hersteller oder Lieferant sie zuverlässig produzieren oder bereitstellen. Sie werden möglicherweise feststellen, dass es schwieriger ist, das richtige Unternehmen für die Entwicklung, Herstellung oder Reparatur einer Leiterplatte mit einer hohen Anzahl von Lagen zu finden. Wenn eine Leiterplatte repariert werden muss, kann es außerdem schwieriger sein, jemanden zu finden, der in der Lage ist, sie zu reparieren.
• Längere Vorlaufzeiten:Die Entwicklung und Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten dauert auch länger als die Fertigung einlagiger Leiterplatten. Es gibt mehr Komponenten zu berücksichtigen, die alle miteinander verbunden werden müssen, um aus den verschiedenen Lagen eine einzige Leiterplatte zu bilden. Diese Prozesse sind zudem aufwendiger, was die Lieferzeit verlängert. Wenn Ihre Leiterplatten schnell gefertigt werden müssen, sind mehrlagige PCBs möglicherweise nicht die richtige Wahl für Sie. Wenn während des Produktionsprozesses ein Fehler auftritt oder Sie das Design ändern möchten, kann eine Nachbearbeitung äußerst zeitaufwendig sein und ohne den Austausch von Teilen unter Umständen unmöglich, was die Materialkosten erhöht.
• Komplexere Reparaturen:Mehrlagige Leiterplatten sind relativ zuverlässig, aber wenn doch einmal etwas schiefgeht, kann die Komplexität ihres Designs Reparaturen erschweren. Tritt ein Problem mit einem elektronischen Bauteil auf oder wird die Platine physisch beschädigt, kann es schwieriger sein, die Ursache zu identifizieren, da einige der inneren Lagen und die Vias, die sie verbinden, von außen nicht sichtbar sind. Die schiere Anzahl der Bauteile auf der Platine macht Reparaturen außerdem anspruchsvoller und zeitaufwendiger.
Mehrlagige Leiterplatten: Abwägung von Vor- und Nachteilen
Sind mehrlagige Leiterplatten perfekt für Ihr elektronisches Gerät? Wenn sich das Gerät am komplexeren Ende des Spektrums befindet, ist das sehr gut möglich. Seien Sie jedoch darauf vorbereitet, für die erhöhte Funktionalität und andere Vorteile mehr zu bezahlen. Berücksichtigen Sie die Vor- und Nachteile der Wahl von mehrlagigen Leiterplatten sowie die Anforderungen Ihres Projekts und die Ressourcen, die Sie für die Beschaffung der Platinen aufwenden können. Zu den Vor- und Nachteilen von mehrlagigen Leiterplatten gehören:
Vorteile:
• Fähigkeit, komplexere Funktionen zu handhaben
• Höhere Qualität
• Mehr Leistung, Betriebskapazität und Geschwindigkeit
• Verbesserte Haltbarkeit
• Kleinere Größe und reduziertes Gewicht
• Einzelner Verbindungspunkt
Nachteile:
• Höhere Kosten
• Komplizierteres Design und Produktion
• Begrenzte Verfügbarkeit
• Längere Vorlaufzeiten
• Komplexere Reparaturen
Anwendungen von mehrlagigen Leiterplatten
Mit dem Fortschritt der Technologie werden mehrlagige Leiterplatten immer häufiger eingesetzt. Die komplexe Funktionalität und die kleinere Größe vieler elektronischer Geräte von heute machen den Einsatz mehrerer Lagen in ihren Leiterplatten erforderlich. Eine Vielzahl von Geräten in unterschiedlichen Branchen verwendet mehrlagige Leiterplatten, insbesondere solche mit mehreren Funktionen und komplexeren Fähigkeiten.
Mehrlagige Leiterplatten kommen in vielen Computerkomponenten vor, darunter Motherboards und Server. Computerisierte Geräte von Laptops und Tablets bis hin zu Smartphones und Smartwatches verwenden diese Art von Platinen. Smartphones benötigen typischerweise etwa 12 Lagen. Die Systeme, die es Elektronikgeräten wie Smartphones, Laptops und GPS-Geräten ermöglichen zu funktionieren – wie Mobilfunkmasten und Satellitentechnologien – enthalten ebenfalls Mehrlagenplatinen, da sie die erweiterte Funktionalität erfordern.
Geräte, die weniger komplex sind als Smartphones und Sendemasten, aber zu anspruchsvoll für eine einseitige Leiterplatte, verwenden typischerweise zwischen 4 und 8 Lagen. Beispiele für diese Art von Produkten sind Haushaltsgeräte wie Mikrowellen und Klimaanlagen, die zunehmend Mehrschichttechnologie nutzen.
Medizinische Geräte laufen häufig auch auf Leiterplatten mit mehr als drei Lagen, da sie die erforderliche Zuverlässigkeit, geringe Größe und das leichte Design bieten. Mehrlagige Leiterplatten kommen vor inRöntgenstrahlungMaschinen, Herzmonitore, CT-Scan-Geräte und viele andere Anwendungen.
Die Automobil- und Luftfahrtindustrie setzen ebenfalls zunehmend elektronische Komponenten ein, die sowohl langlebig als auch leicht sein müssen, wodurch diese Art von Leiterplatte eine ideale Lösung darstellt. Diese Komponenten müssen Verschleiß, Hitze und anderen rauen Bedingungen standhalten können. Bordcomputer, GPS-Systeme, Motorkomponenten, Lichtschalter und weitere Bauteile nutzen diese Leiterplatten.
Leiterplatten mit einer hohen Anzahl von Lagen sind auch in der Industrie Standard. Immer mehr Industriemaschinen verfügen über computergestützte Komponenten und sind häufig mit Sensoren, Steuerungen und anderen Teilen ausgestattet, die Leiterplatten benötigen. Diese Geräte erfordern aufgrund der rauen Bedingungen in vielen Industrieanlagen eine fortschrittliche Funktionalität, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.
Aus ähnlichen Gründen spielen mehrlagige Leiterplatten in vielen militärischen Anwendungen, Wetteranalysegeräten, Alarmsystemen, Teilchenbeschleunigern und einer Vielzahl anderer Arten von elektronischen Geräten eine Rolle.
Entscheidung zwischen einlagigen und mehrlagigen Leiterplatten
Um festzustellen, ob Sie ein- oder mehrlagige Leiterplatten benötigen, müssen Sie die Anforderungen Ihres Projekts berücksichtigen und entscheiden, welcher Typ diese am besten erfüllt. Stellen Sie sich dazu die folgenden fünf Fragen:
1. Welches Funktionsniveau benötige ich?Wenn es komplizierter ist, benötigen Sie möglicherweise mehrere Schichten.
2. Wie groß kann das Board maximal sein?Mehrlagige Leiterplatten können mehr Funktionalität auf kleinerem Raum unterbringen.
3. Hat Haltbarkeit Priorität?Wenn ja, entscheide dich für mehrschichtig.
4. Wie hoch ist mein Budget?Für bescheidenere Budgets eignen sich einlagige Leiterplatten am besten.
5. Wie schnell benötige ich die Leiterplatten?Einschichtige Leiterplatten haben eine kürzere Lieferzeit als mehrschichtige Leiterplatten.
Sie müssen sich auch mit technischeren Fragen zu den Anforderungen befassen, wie etwa der Betriebsfrequenz, der Dichte und den benötigten Signallagen. Die Beantwortung dieser Fragen hilft Ihnen dabei festzustellen, ob Sie eine Leiterplatte mit einer, zwei, vier oder mehr Lagen benötigen. Weitere Informationen zu diesen Spezifikationen und zusätzliche Tipps zur Auswahl eines PCB-Designs finden SieSchau dir unseren Blogbeitrag zu diesem Thema an.
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