6 PCB-Laminierungsmethoden + 5 PCB-Laminierungs-Designschritte

1.Was ist PCB-Laminierung?

Die Schichtung von Leiterplatten (Printed Circuit Board) ist ein entscheidender Aspekt des PCB-Designs, bei dem es um die strategische Anordnung leitender Schichten innerhalb einer Leiterplatte geht, um die gewünschte elektrische Leistung und mechanische Festigkeit zu erreichen. Hier finden Sie eine Einführung in die PCB-Schichtung mit Schwerpunkt auf Signalschichten, Ebenenschichten und gemischten Schichten:

1. Signalschichten:

• Signalschichten sind die leitenden Schichten, die zur Weiterleitung elektrischer Signale zwischen Komponenten auf der Leiterplatte verwendet werden.

• Sie bestehen typischerweise aus Kupfer und befinden sich auf den äußersten Schichten der Leiterplatte sowie auf den inneren Schichten.

• Signalschichten ermöglichen die Übertragung elektrischer Energie und Daten zwischen verschiedenen elektronischen Komponenten.

2. Ebenenschichten:

• Plane-Layer, auch Power- und Ground-Planes genannt, sind dedizierte Schichten, die einen gemeinsamen Bezugspunkt für die Signale und einen Rückweg für den Strom bieten.

• Diese Schichten tragen dazu bei, Rauschen zu reduzieren und eine stabile Stromverteilung auf der Leiterplatte sicherzustellen.

• Plane Schichten bestehen normalerweise aus dickerem Kupfer, um höhere Strombelastungen zu bewältigen, und befinden sich häufig auf den inneren Schichten der Platine.

3. Gemischte Schichten:

• Gemischte Schichten sind eine Kombination aus Signal- und Ebenenschichten, die sowohl für die Signalführung als auch für die Stromverteilung ausgelegt sind.

• Sie bieten Flexibilität beim PCB-Design, indem sie die Platzierung von Strom- und Masseebenen neben Signalleitern ermöglichen.

• Gemischte Schichten können strategisch platziert werden, um die Signalführung und die Energieverteilung zu optimieren, Störungen zu minimieren und die Signalintegrität zu verbessern.

Zusammenfassend ist PCB-Layering der Prozess, bei dem diese verschiedenen Arten von Schichten – Signal-, Plan- und gemischte Schichten – gestapelt werden, um eine mehrschichtige Leiterplatte zu schaffen, die die elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen einer bestimmten Anwendung erfüllt. Die richtige Schichtung ist für die Erzielung optimaler Leistung, Zuverlässigkeit und Miniaturisierung elektronischer Geräte von entscheidender Bedeutung.

2.Warum wird eine Leiterplattenlaminierung durchgeführt?

Die Schichtung von Leiterplatten (Printed Circuit Board) ist ein kritischer Prozess, bei dem es um die strategische Anordnung leitender und dielektrischer Schichten geht, um die Leistungs- und mechanischen Anforderungen einer Schaltung zu erfüllen. Hier erfahren Sie, warum die Schichtung von Leiterplatten so wichtig ist, und einige wichtige Überlegungen:

Warum PCB-Schichtung wichtig ist

1. Sich entwickelnde Anforderungen: Da elektronische Geräte immer komplexer und kompakter werden, steigt der Bedarf an einer effizienten Leiterplattenschichtung, um der wachsenden Anzahl von Komponenten und den komplizierten Verbindungen zwischen ihnen gerecht zu werden.

2. EMV-Leistung: Die Leiterplattenschichtung ist einer der kritischsten Faktoren bei der Bestimmung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) eines Geräts. Die richtige Schichtung trägt dazu bei, elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren und die gesamte EMV-Leistung zu verbessern 428.

3. Signalintegrität: Layering trägt zur Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei, indem es kontrollierte Impedanzpfade bereitstellt, Übersprechen reduziert und Rauschen und Reflexionen in Hochgeschwindigkeitssignalen minimiert.

4. Diskontinuitäten vermeiden: Durch die richtige Schichtung können Unterbrechungen im Signalpfad verhindert werden, die zu Signalverlust oder Verzerrung führen können.

5. Kapazitive Entkopplung und Flussunterdrückung: Die strategische Schichtung ermöglicht eine effektive kapazitive Entkopplung und Aufhebung des Magnetflusses, was für eine stabile Stromversorgung und Signalübertragung von entscheidender Bedeutung ist.

6. Vermeidung unerwünschter Impedanzen und Schleifen: Eine sorgfältige Leiterplattenschichtung trägt dazu bei, unerwünschte Impedanzänderungen und Schleifenbildungen zu vermeiden, die zu einer Signalverschlechterung führen können.

Wichtige Überlegungen zur PCB-Schichtung

1. Materialauswahl: Die Wahl des dielektrischen Materials und der Kupferfolie kann sich auf die elektrische und thermische Leistung der Leiterplatte auswirken. Unterschiedliche Materialien weisen unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten und Verlustfaktoren auf, die sich auf die Signalausbreitung und Leistungsverteilung auswirken.

2. Herstellbarkeit: Das Schichtungsdesign muss im Herstellungsprozess realisierbar sein. Einige komplexe Schichtkonfigurationen erfordern möglicherweise zusätzliche Schritte oder spezielle Ausrüstung.

3. Kostenauswirkungen: Die Anzahl der Schichten und die Komplexität der Schichtkonfiguration können die Kosten der Leiterplatte erheblich beeinflussen. Mehr Schichten und komplexere Designs erhöhen typischerweise die Produktionskosten.

4. Signalrouting: Eine effiziente Signalweiterleitung ist für Hochgeschwindigkeits- und Schaltkreise mit hoher Dichte von entscheidender Bedeutung. Die Schichtung sollte klare, direkte Wege für die Signalübertragung mit minimalem Übersprechen und Interferenzen ermöglichen.

5. Strom- und Bodenflugzeuge: Die Platzierung der Strom- und Masseebenen ist für eine stabile Stromversorgung und Signalreferenz von entscheidender Bedeutung. Sie bieten auch eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen.

6. Signalintegrität: Die Schichtung sollte die Aufrechterhaltung der Signalintegrität unterstützen, indem Impedanzschwankungen, Reflexionen und Übertragungsverluste minimiert werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die PCB-Schichtung ein vielschichtiger Aspekt des PCB-Designs ist, der eine sorgfältige Berücksichtigung von Materialeigenschaften, Herstellbarkeit, Kosten und elektrischer Leistung erfordert. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren können Designer eine Leiterplatte erstellen, die den Funktions-, Zuverlässigkeits- und Leistungsanforderungen moderner elektronischer Geräte entspricht.

3. Der Unterschied zwischen Standard-Laminierung und HDI-Laminierung

Standardlaminierung und High-Density Interconnection (HDI)-Laminierung sind zwei Methoden, die bei der Herstellung von Leiterplatten (PCBs) zum Einsatz kommen und jeweils unterschiedliche Merkmale und Anwendungen aufweisen.

Bei der Standardlaminierung handelt es sich typischerweise um einen 2-4-schichtigen Kern mit 1-3 zusätzlichen Schaltungsschichten, die nacheinander auf jede Seite aufgebracht werden. Die äußeren Schichten werden über Microvias verbunden, während der Kern über gebohrte Vias erfolgt. Diese Methode ist gut verstanden und weit verbreitet und bildet die Grundlage für viele PCB-Designs.

Andererseits ist die HDI-Laminierung eine fortschrittlichere Technik, die eine höhere Schaltkreisdichte ermöglicht und für Anwendungen wie Mobilkommunikation und Computerchip-Verpackung unerlässlich ist. HDI-Platinen können einen dickeren mittleren Unterteil haben, der zwischen 6 und 26 Schichten umfasst, wobei auf jeder Seite 1 bis 2 zusätzliche Schaltungsschichten mithilfe von Mikrovias aufgebracht werden. Ein wesentliches Merkmal der HDI-Laminierung ist die Verwendung von Buried Vias, bei denen es sich um plattierte Durchgangslöcher handelt, die nicht bis zur Außenschicht reichen, was kompaktere Designs und eine verbesserte Signalintegrität ermöglicht.

Die HDI-Laminierung umfasst auch eine Vielzahl von Strukturen, darunter Standard-HDI, HDI mit hoher Schichtzahl, Blind-Via-Boards und Kombinationen dieser Technologien. Diese Strukturen können komplexe Layouts mit minimaler Schichtzuweisung bewältigen und die Platinendicke reduzieren, was besonders wertvoll für Geräte mit strengen Formfaktoren oder mechanischen Vorteilen ist.

Einer der Hauptunterschiede zwischen Standard- und HDI-Laminierung liegt in der Art und Weise, wie Spannungen innerhalb der Platine bei thermischen Schwankungen bewältigt werden. Die Nichtübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen der Glasverstärkung, dem Kupfer und dem Harz kann zu Problemen wie Harzrissen, Delaminierung und Hohlräumen führen, insbesondere bei HDI-Strukturen, bei denen Mikrovias auf vergrabenen Vias gestapelt sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für die Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten sowohl Standard- als auch HDI-Laminierungstechniken verwendet werden. Die HDI-Laminierung bietet jedoch ein höheres Maß an Komplexität und Dichte und eignet sich daher für fortschrittlichere elektronische Geräte, bei denen der Platz knapp ist und die Leistungsanforderungen hoch sind

4. PCB-Stapelmethode

Im Bereich der Herstellung von Leiterplatten (PCB) ist der Laminierungsprozess entscheidend für die Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz der Leiterplatte. Hier finden Sie eine Einführung in die PCB-Laminierungsmethoden mit Schwerpunkt auf den wichtigsten Aspekten:

1. Materialien: Die Wahl der Materialien ist bei der Leiterplattenlaminierung von grundlegender Bedeutung. Zu den gängigen Materialien gehört FR-4, ein gewebtes Glasgewebe und Epoxidlaminat, das für seine ausgewogenen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften bekannt ist. Andere Materialien wie Polyimid, PTFE und Laminate mit hoher Tg (Glasübergangstemperatur) werden aufgrund ihrer spezifischen thermischen oder elektrischen Eigenschaften verwendet, insbesondere in Hochzuverlässigkeits- oder Hochfrequenzanwendungen.

2. Herstellbarkeit: Bei der Leiterplattenlaminierung muss die Herstellbarkeit der Leiterplatte berücksichtigt werden. Dazu gehören die einfache Verarbeitung der Materialien, die Möglichkeit, feine Merkmale zu erzielen, und die Kompatibilität mit verschiedenen Herstellungsprozessen wie Bohren, Plattieren und Ätzen. HDI-Platinen (High-Density Interconnect) verwenden beispielsweise Mikrovias und sequentielle Laminierungstechniken, die fortschrittliche Fertigungskapazitäten erfordern.

3. Kosten: Die Laminierungsmethode hat erheblichen Einfluss auf die Kosten der Leiterplattenproduktion. Bei Leiterplatten mit geringerer Komplexität ist die Standardlaminierung mit Durchgangslöchern im Allgemeinen kostengünstiger. Die HDI-Laminierung bietet zwar eine höhere Dichte und Leistung, verursacht jedoch aufgrund der Komplexität des Prozesses und der Verwendung spezieller Materialien und Geräte höhere Kosten.

4. Signalrouting: Die Laminierung beeinträchtigt die Signalrouting-Fähigkeiten. Bei der Standardlaminierung ist das Verlegen in der Regel unkompliziert, kann jedoch durch die Anzahl der Lagen der Platine eingeschränkt sein. Die HDI-Laminierung ermöglicht komplexere Routing-Systeme, einschließlich blinder und vergrabener Vias, die verschiedene Schichten verbinden können, ohne die gesamte Platinendicke zu durchdringen.

5. Energie- und Bodenflugzeuge: Die Anordnung der Strom- und Masseebenen ist entscheidend für die Signalintegrität und die Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI). Bei laminierten Leiterplatten können diese Ebenen in die Platinenstruktur integriert werden, wodurch eine stabile Referenz für Signale bereitgestellt und die Stromverteilung verbessert wird. Die Wahl des dielektrischen Materials und die Anzahl der Schichten können die Wirksamkeit dieser Ebenen beeinflussen.

6. Signalintegrität: Die Signalintegrität wird durch die Minimierung von Übersprechen, Reflexionen und Signalverlust aufrechterhalten. Laminierte Leiterplatten mit kontrollierten Impedanzschichten und präziser Leiterbahnführung können die Signalintegrität verbessern. HDI-Boards können mit ihrer Fähigkeit, Leiterbahnen und Durchkontaktierungen näher beieinander zu platzieren, eine bessere Kontrolle über Signalpfade erreichen und Übertragungsleitungseffekte reduzieren.

Zusammenfassend ist die PCB-Laminierungsmethode eine vielschichtige Entscheidung, die einen Kompromiss zwischen Materialeigenschaften, Herstellbarkeit, Kosten und Leistung erfordert. Fortschrittliche Laminierungstechniken wie HDI bieten überlegene Möglichkeiten bei der Signalführung und -integrität, sind jedoch mit höheren Kosten und einer höheren Komplexität verbunden. Jedes Projekt muss diese Faktoren sorgfältig abwägen, um den am besten geeigneten Laminierungsansatz für seine spezifischen Anforderungen auszuwählen.

5.PCB-laminierte Designschritte

Der Schichtstapelentwurf für Leiterplatten (Printed Circuit Board) ist ein kritischer Prozess, der mehrere wichtige Schritte umfasst, um optimale Leistung und Herstellbarkeit sicherzustellen. Hier ist eine Einführung in den PCB-Lagenstapel-Designprozess:

1. Anzahl der Schichten: Der erste Schritt beim PCB-Stack-Design ist die Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Schichten. Diese Entscheidung wird von der Komplexität der Schaltung, der Notwendigkeit einer Signalisolierung und den Platzbeschränkungen auf der Platine beeinflusst. Mehr Schichten können kürzere und direktere Signalwege ermöglichen, erhöhen aber auch die Kosten und die Komplexität der Herstellung.

2. Ebenenanordnung: Sobald die Anzahl der Schichten festgelegt ist, muss die Anordnung oder „Stapelung“ dieser Schichten bestimmt werden. Bei der Anordnung wechseln sich typischerweise Signalschichten mit Strom- oder Masseebenen ab, um Übersprechen zu reduzieren und Signalstabilität zu gewährleisten. Die äußeren Schichten dienen häufig der Platzierung von Komponenten, während die inneren Schichten der Leitungsführung und Stromverteilung dienen.

3. Ebenenmaterialtypen: Die Auswahl der richtigen Materialien für jede Schicht ist von entscheidender Bedeutung. Kernmaterialien wie FR-4 sind üblich, aber für Hochfrequenzanwendungen könnten Materialien mit niedrigeren Dielektrizitätskonstanten bevorzugt werden. Auch die Wahl des Prepregs (ein teilweise ausgehärtetes Laminat) und der Dicke der Kupferfolie spielt eine Rolle für die elektrische und thermische Leistung der Platine.

4. Routing und Vias: Nachdem der Lagenaufbau definiert ist, besteht der nächste Schritt darin, das Routing der Leiterbahnen und die Platzierung der Durchkontaktierungen zu planen. Dazu gehört die Entwicklung einer Routing-Strategie, die Signallängen minimiert und sich kreuzende Signalpfade möglichst vermeidet. Vias, die verschiedene Schichten verbinden, werden strategisch platziert, um Verbindungen zwischen Schichten zu erleichtern, ohne die Integrität der Platine zu beeinträchtigen.

5. Dielektrikum und Kupferdichte: Die Dielektrizitätskonstante und die Kupferdichte sind kritische Parameter, die die elektrische Leistung der Platine beeinflussen. Eine niedrigere Dielektrizitätskonstante verringert die Signalausbreitungsverzögerung und das Übersprechen, während eine höhere Kupferdichte die Leitfähigkeit verbessert und den Widerstand verringert. Das Gleichgewicht zwischen diesen Faktoren ist entscheidend für das Erreichen der gewünschten Signalintegrität und Leistungsverteilung.

6. Ebenenverwaltung: Bei einem effektiven Schichtmanagement muss sichergestellt werden, dass der Stapel mechanisch und elektrisch stabil ist. Dazu gehört die Steuerung der Dicke der dielektrischen Schichten, um ein Verziehen zu verhindern, und die Gewährleistung einer ausgewogenen Kupferverteilung, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen und Spannungen auf der Platine zu vermeiden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Design des PCB-Schichtstapels ein sorgfältiger Prozess ist, der eine sorgfältige Berücksichtigung elektrischer, mechanischer und thermischer Faktoren erfordert. Jede Entscheidung im Designprozess wirkt sich auf die Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten des Boards aus. Durch die Verfolgung eines systematischen Ansatzes beim Schichtstapeldesign können Ingenieure Leiterplatten erstellen, die den spezifischen Anforderungen ihrer Anwendungen entsprechen.

6. Regeln für das laminierte PCB-Design

Bei den Designregeln für PCB-Lagenstapel (Printed Circuit Board) handelt es sich um eine Reihe von Richtlinien, die die Zuverlässigkeit, Leistung und Herstellbarkeit der Platine sicherstellen. Hier finden Sie eine Einführung in einige wichtige Designregeln für PCB-Lagenstapel:

1. Gerade-ungerade-Regel: Um Parasiten im ungeraden Modus zu minimieren, wird oft empfohlen, eine gerade Anzahl leitender Schichten zu verwenden, wobei die Masseebene den Signalschichten am nächsten liegt.

2. Nähe der Signal-zu-Erde-Ebene: Signalschichten sollten an eine Erdungsebene angrenzen, um einen Rückweg für Ströme bereitzustellen, wodurch die Schleifenfläche reduziert und die Signalintegrität verbessert wird.

3. Ebenenpaarung: Die Kombination von Signalschichten mit einer Erdungs- oder Stromebene direkt darunter oder über ihnen kann bei der Kontrolle der Impedanz und der Reduzierung von Übersprechen hilfreich sein.

4. Impedanzkontrolle: Bei Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz muss der Abstand zwischen der Signalschicht und der/den Referenzebene(n) streng kontrolliert werden, was die Wahl des dielektrischen Materials und die Prepreg-Dicke beeinflussen kann.

5. Wärmemanagement: Strom- und Masseebenen können auch als Wärmeleiter dienen, daher sollten bei ihrer Platzierung die Wärmeableitungsanforderungen der Platine berücksichtigt werden.

6. Minimierung des Übersprechens: Um Übersprechen zwischen Signalschichten zu reduzieren, halten Sie einen ausreichenden Abstand zwischen den Signalleiterbahnen ein und erwägen Sie die Verwendung von Schutzleiterbahnen oder Abschirmungen.

7. Differentialpaar-Routing: Halten Sie bei differenzieller Signalisierung die Paarspuren nahe beieinander und parallel, um differenziellen Versatz und externe Störungen zu minimieren.

8. Vias und Microvias: Nutzen Sie Vias und Microvias strategisch für Layer-to-Layer-Verbindungen und berücksichtigen Sie dabei deren Auswirkungen auf die Signalintegrität und die Fertigungsausbeute.

9. Ausgewogenes Kupfergewicht: Streben Sie eine ausgewogene Verteilung des Kupfers über die Schichten an, um Verformungen zu vermeiden und eine gleichmäßige Wärmeausdehnung sicherzustellen.

10. Mechanische Stabilität: Berücksichtigen Sie die mechanische Stabilität des Stapels, insbesondere bei Platten mit einer ungleichmäßigen Anzahl von Schichten, um Delamination und Verformung während der Herstellung und Verwendung zu verhindern.

11. Materialkonsistenz: Verwenden Sie im gesamten Aufbau konsistente dielektrische Materialien, um Diskontinuitäten zu vermeiden, die zu Signalreflexionen und Impedanzfehlanpassungen führen können.

12. Fertigungstoleranzen: Beachten Sie die herstellerspezifischen Toleranzen für Schichtdicke, Leiterbahnbreite und Abstand, um die Herstellbarkeit sicherzustellen.

13. EMI- und RFI-Abschirmung: Erwägen Sie bei Platinen mit empfindlichen Komponenten oder Hochgeschwindigkeitssignalen die Verwendung interner oder externer Abschirmschichten, um elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) zu reduzieren.

14. Layer-zu-Layer-Registrierung: Gewährleisten Sie eine genaue Schicht-zu-Schicht-Registrierung, insbesondere bei Fine-Pitch-Komponenten und Verbindungen mit hoher Dichte.

15. Design für Testbarkeit (DFT): Integrieren Sie Testpunkte und zugängliche Signalknoten, um In-Circuit-Tests und Debugging zu erleichtern.

Durch Befolgen dieser Designregeln für PCB-Schichtstapel können Designer robuste Platinen erstellen, die die elektrischen, mechanischen und thermischen Anforderungen ihrer Anwendungen erfüllen und gleichzeitig Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit gewährleisten.