So bestimmen Sie die Anzahl der Lagen in Leiterplatten

Gedruckte Leiterplatten (PCBs) bestehen aus einer Schicht bis hin zu mehreren Schichten aus dielektrischen und leitfähigen Materialien. Wenn sie zu Platinen verbunden werden, tragen diese Schichten Schaltungen, die eine Vielzahl von Heimelektronikgeräten wie Wecker, Küchengeräte, Schreibtischbedarf, Computer und mobile Geräte mit Strom versorgen.

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

Was sind Multilayer-Leiterplatten?

Leiterplattenschichten sind der bestimmende Faktor für die Leistung und Kapazität einer Leiterplatte. Man fragt sich oft, ob eine einlagige Leiterplatte ausreicht, oder ob es besser ist, eine zwei- oder vierlagige Leiterplatte zu verwenden – Hinweis:es gibt keine dreilagige Leiterplatte – oder etwas aus dem Multilayer-Bereich.

Während die Anzahl der Schichten weitgehend von Ihrem Budget und Ihren funktionalen Anforderungen in einer Leiterplatte abhängt, führt dies zu der Frage:Was genau sind mehrschichtige Leiterplatten? Grundsätzlich bezieht sich "Multilayer" auf alles mit mehr als zwei Schichten, wie z. B. eine 4-Lagen-Leiterplatte oder etwas im Bereich von 6 bis 12 und mehr.

5 Fragen zur Bestimmung der Lagenanzahl in Multilayer-Leiterplatten

Bei der Überlegung, wie viele Lagen in einer Reihenfolge von Leiterplatten ideal wären, müssen Sie die Faktoren berücksichtigen, die eine Mehrfachlage einer Einzel- oder Doppellage vorziehen und umgekehrt.

1. Wie wird meine Leiterplatte verwendet?

Berücksichtigen Sie bei der Berechnung der Anforderungen an eine Leiterplatte die Arten von Maschinen und Geräten, in denen Ihre Leiterplatten verwendet werden, und die Anforderungen, die diese Maschinen/Geräte an die Leiterplattenschaltung stellen. Werden diese Leiterplatten in hochtechnologischer, komplexer Elektronik oder in einfacheren Artikeln mit minimalen Funktionen verwendet?

2. Welche Betriebsfrequenz wird benötigt?

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

3. Wie hoch ist mein Budget für das Projekt?

Andere Dinge, die zu berücksichtigen sind, sind die Herstellungskosten von ein- und zweilagigen Leiterplatten im Vergleich zu Multilayern. Wenn Sie die höchstmögliche Kapazität in der heutigen Leiterplattentechnologie haben möchten, müssen Sie für die damit verbundenen hohen Herstellungskosten aufkommen.

4. Wie schnell brauche ich die Leiterplatten?

Die Vorlaufzeit – die Zeit, die für die Herstellung eines Satzes von Leiterplatten aus einzelnen oder mehreren Lagen benötigt wird – ist ebenfalls etwas, das Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie eine große Lieferung von Leiterplatten bestellen. Die Lieferzeit für ein- und zweilagige Leiterplatten kann je nach Größe der Leiterplattenfläche zwischen 8 und 14 Tagen liegen. Wenn Sie jedoch bereit sind, mehr oder weniger zu zahlen, kann die Vorlaufzeit nur fünf Tage oder einen Monat betragen.

Die Vorlaufzeit erhöht sich pro Plattengröße mit jeder Schicht, die Sie der Bestellung hinzufügen. Leiterplatten im Bereich von vier bis 20 Lagen können eine Lieferzeit von 12 bis 32 Tagen haben, je nachdem, ob Sie kleine oder große Abmessungen der Leiterplatten wünschen.

5. Welche Dichte und Signalschichten werden benötigt?

Die Anzahl der PCB-Lagen hängt auch von der Pin-Dichte und den Signallagen ab. Wie das folgende Diagramm zeigt, erfordert eine Pin-Dichte von 1,0 2 Signalschichten, und die Anzahl der erforderlichen Schichten steigt, wenn die Pin-Dichte sinkt. Bei einer Pin-Dichte von 0,2 oder weniger benötigen Sie Leiterplatten mit mindestens 10 Lagen.

Pindichte	Nummer der Signalschichten	Schichtnummer der Multilayer-Leiterplatten
>1.0	2	2
0,6-1,0	2	4
0,4–0,6	4	6
0,3-0,4	6	8
0,2-0,3	8	12
<0.2	10	>14

Single-Layer-Leiterplatten

Eine einlagige Leiterplatte besteht aus einer laminierten und gelöteten Schicht aus dielektrischem, leitfähigem Material. Als frühe Komponente elektronischer Geräte wird die einlagige Leiterplatte seit Ende der 1950er Jahre verwendet. Trotz ihres relativen Primitivismus nach modernen Maßstäben in der Heimelektronik ist die Single-Layer-Leiterplatte auch heute noch weltweit verbreitet.

Der Aufbau einer einlagigen Leiterplatte ist einfach, da sie aus einem wärmeleitenden Dielektrikum besteht, das zuerst mit einem Kupferlaminat bedeckt und mit einem Lötstopplack versehen wird. Abbildungen der einschichtigen Leiterplatte zeigen im Allgemeinen drei Farbstreifen, um die Schicht und ihre beiden Abdeckungen darzustellen – grau für die dielektrische Schicht selbst, braun für das Kupferlaminat und grün für den Lötstopplack.

Single-Layer-Leiterplatten lassen sich aufgrund ihres einfachen Aufbaus problemlos in großen Stückzahlen herstellen und sind damit die kostengünstigste aller Leiterplatten. Obwohl die einzelne Schicht nach heutigen Maßstäben eine begrenzte technologische Komponente ist, bietet sie den Herstellern dennoch die folgenden Vorteile:
• Ein einfaches Design, das die meisten Hersteller leicht verstehen können
• Unkompliziert und daher unwahrscheinlich, dass es zu Produktionsproblemen kommt
• Erschwinglich und praktisch für die Produktion großer Mengen

Heute werden einlagige Leiterplatten mit einer Kupferlaminatdicke von 1 bis 20 Unzen hergestellt. Einlagige Leiterplatten sind für den Betrieb in einem Temperaturbereich zwischen 130 und 230 Grad Celsius ausgelegt.

In früheren Jahrzehnten wurden in den meisten elektrischen Geräten einlagige Leiterplatten verwendet. Heutzutage sind die meisten Hightech-Heimelektronikgeräte zu Multilayer-Leiterplatten übergegangen, die für komplexere Anforderungen optimiert sind. Nichtsdestotrotz ist die Single-Layer-Leiterplatte immer noch in einigen der einfacheren Geräte in Wohnzimmern, Küchen und Büros üblich, darunter:
• Taschenrechner – Einige der einfachsten Taschenrechner arbeiten mit Single-Layer-Leiterplatten.
• Radios – Einige Radios, wie die günstigen Radiowecker aus dem Gemischtwarenladen, verwenden oft Single-Layer-Leiterplatten.
• Kaffeemaschinen – Kaffeemaschinen verwenden oft Single-Layer-Leiterplatten.

Die einlagige Leiterplatte ist auch in Sensoren, LED-Leuchten, Druckern, Überwachungskameras und Zeitschaltkreisen üblich.

Double-Layer-Leiterplatten

Die zweilagige Leiterplatte ist die nächste Stufe in der Leiterplattentechnologie. Mit ihrer höheren Kapazität kann die zweischichtige Leiterplatte – alternativ auch als Doppelschicht-Leiterplatte bezeichnet – eine breitere Palette moderner elektronischer Geräte unterstützen als die einschichtige Leiterplatte. Gleichzeitig sind zweilagige Leiterplatten herstellungstechnisch wesentlich unkomplizierter als die verschiedenen Multilevel-Leiterplatten auf dem heutigen Markt. Daher ist die zweischichtige Leiterplattenoption die am weitesten verbreitete.

Eine zweischichtige Leiterplatte ähnelt einer einschichtigen Leiterplatte, jedoch mit einer umgekehrten, spiegelbildlichen unteren Hälfte. Bei der zweilagigen Leiterplatte ist die dielektrische Schicht dicker als bei der einlagigen. Außerdem ist das Dielektrikum sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite mit Kupfer kaschiert. Außerdem ist die Laminierung sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite mit Lötstopplack bedeckt.

Abbildungen der zweischichtigen Leiterplatte sehen im Allgemeinen wie ein dreischichtiges 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 oben und unten, die es darstellen den Lötstopplack.

Dank gleicher Ober- und Unterseite ermöglicht die zweilagige Leiterplatte mehr Leiterbahnen. Zu den Vorteilen der zweischichtigen Leiterplatte gehören die folgenden:
• Eine Designflexibilität, die sie für eine breite Palette von Geräten geeignet macht
• Eine dichte Schaltung, die sie für eine Reihe moderner Anwendungen geeignet macht
• Kostengünstige Konstruktion, die für die Massenproduktion geeignet ist
• Einfaches Design, das es Herstellern auf der ganzen Welt erleichtert, es zu verstehen
• Geringe Größe, wodurch es passt eine Vielzahl von Geräten

Zweischichtige Leiterplatten sind für eine Vielzahl einfacher und komplexerer elektronischer Geräte geeignet. Beispiele für massengefertigte Geräte, die zweischichtige Leiterplatten enthielten, sind unter anderem:
• HVAC-Einheiten – Heiz- und Kühlsysteme für Wohngebäude verschiedener Marken enthielten zweischichtige Leiterplatten.
• Verstärker – Die zweilagige PCB hat die von zahlreichen Musikern verwendeten Verstärkereinheiten ausgestattet.
• Drucker – Eine Vielzahl von Computerperipheriegeräten sind auf zweilagige PCBs angewiesen.

Die zweischichtige Leiterplatte wurde auch in Steuerrelais, Netzteilen, LED-Beleuchtung, Netzdrosseln, Prüfgeräten und Verkaufsautomaten verwendet.

Vierschichtige Leiterplatten

Eine vierlagige Platine besteht aus einem komplexeren Lagensatz als die ein- oder zweilagige Leiterplatte. Während sowohl die Single- als auch die Double-Layer-Leiterplatte eine einzelne Reihe dielektrischen Materials enthalten, enthält die Vier-Layer-Leiterplatte mehrere. Wie bei allen mehrschichtigen Leiterplatten enthält die vierschichtige Leiterplatte mehrere Schichten aus leitfähigem Material und Kupfer zwischen der oberen und unteren Lötstoppmaske.

Der vierlagige Leiterplattenaufbau besteht aus den folgenden Schichten:
• Vier Streifen aus leitfähigem Kupfer
• Drei innere Dielektrikumsschichten – zwei Prepregs und ein Kern
• Zwei dielektrische Lötstopplackschichten oben und unten

Beim 4-Lagen-Leiterplattendesign werden die 4 Kupferstreifen intern durch 3 innere Dielektrika unterteilt und oben und unten durch Lötstopplack abgedichtet. Im Allgemeinen werden 4-Lagen-PCB-Designregeln mit 9 Streifen und 3 Farben dargestellt – Braun für Kupfer, Grau für Kern und Prepregs und Grün für Lötstopplack.

Obwohl die üblichen Abbildungen von vierschichtigen PCB-Designs darauf hindeuten, dass die Prepreg- und Kernschichten aus demselben Material bestehen, ist ersteres nicht vollständig ausgehärtet und daher weicher als der Kern. Während des Herstellungsprozesses werden Wärme und Druck auf den vierschichtigen Aufbau ausgeübt, wodurch das Prepreg und der Kern schmelzen und die Schichten miteinander verbinden.

Vierschichtige Leiterplatten sind für Hersteller in vielerlei Hinsicht von Vorteil, da diese und andere mehrschichtige Leiterplatten die folgenden Vorteile bieten:
• Haltbarkeit – Die vierschichtige Leiterplatte ist stärker als ein- und zweischichtige Leiterplatten.
• Kompakte Größe – Das kleine Design der vierschichtigen Leiterplatte passt in eine Vielzahl von Geräten.
• Flexibilität – Die vierschichtige Leiterplatte kann in zahlreichen Arten von Elektronik eingesetzt werden, sowohl einfach als auch komplex.
• Sicher – Bei richtiger Ausrichtung von Stromversorgungs- und Erdungsebenen schirmt die vierlagige Leiterplatte elektromagnetische Störungen ab.
• Leicht – Geräte mit vierlagigen Leiterplatten benötigen weniger interne Verkabelung und wiegen daher häufig weniger.

Obwohl die Herstellung von Multilevel-Leiterplatten mehr Fachwissen erfordert, werden alle zusätzlichen Kosten für vierlagige Leiterplatten durch die höherwertigen Produkte, die die vierlagigen Leiterplatten mechanisch tragen können, zehnfach zurückerstattet. Einige der wichtigsten modernen Geräte mit vierschichtigen Leiterplatten sind:
• Satellitensysteme – Multilevel-Leiterplatten haben die umlaufenden Satelliten ausgestattet, die die Kommunikation auf globaler Ebene ermöglicht haben.
• Handheld-Geräte - Telefone und Tablets sind oft mit vierschichtigen Leiterplatten ausgestattet.
• Ausrüstung für Raumsonden - Mehrschichtige Leiterplatten haben Weltraumforschungsgeräte mit Strom versorgt, die es uns ermöglicht haben, weit in die Galaxie zu blicken.

Vierschichtige Leiterplatten sind auch in Röntgengeräten, Dateiservern, Atombeschleunigern, CAT-Scan-Technologie und nuklearen Detektionssystemen üblich. Mehr als ein- und zweilagige Leiterplatten können auch vierlagige Leiterplatten für Prozesse von Vorteil sein, bei denen Übersprechen ein Problem darstellt.

Sechsschichtige Leiterplatten

Bei der sechsschichtigen Leiterplatte beginnt die Leiterplattentechnologie wirklich, in die fortschrittlicheren Aspekte der heutigen Elektronik einzudringen. Mit der sechsschichtigen Leiterplatte können Hersteller eine Reihe von kommerziellen technischen Produkten, Gesundheitsgeräten und Industriemaschinen mit Strom versorgen.

Der sechsschichtige PCB-Stapelaufbau ähnelt dem vierschichtigen, jedoch mit zwei zusätzlichen Kupferschichten und zwei zusätzlichen Reihen aus dielektrischem Material. In dem sechsschichtigen Stapel werden die zweite und vierte dielektrische Reihe als "Kern" bezeichnet, und die erste, dritte und fünfte sind Prepreg. Von den sechs leitenden Kupferreihen sind die zweite und fünfte plan und der Rest signalisiert.

Seit ihrer Entwicklung sind 6-Lagen-Leiterplatten ein Segen für die Elektronikindustrie. Mit ihrer enormen technologischen Überlegenheit gegenüber Single- und Dual-Layer-Platinen haben sie es den Herstellern ermöglicht, eine ganze Reihe innovativer Geräte der Öffentlichkeit vorzustellen. Einige der Hauptvorteile von sechsschichtigen PCBs sind:
• Stärke – Die sechsschichtige PCB ist dicker und daher stärker als ihre Vorgänger mit dünneren Schichten.
• Kompaktheit – Mit sechs Schichten Platinen dieser Dicke haben eine größere technologische Kapazität und können daher weniger Breite verbrauchen.
• Hohe Kapazität – Leiterplatten mit sechs oder mehr Schichten versorgen elektronische Geräte mit optimaler Leistung und reduzieren die Möglichkeit von Übersprechen und elektromagnetischen Interferenzen erheblich.

Mehrschichtige Leiterplatten mit sechs oder mehr Lagen haben der Computertechnologie in den letzten zwei Jahrzehnten ein sprunghaftes Wachstum ermöglicht. PCBs dieser Stufe haben die folgende Elektronik vorangetrieben:
• Computer – 6-Lagen-PCBs haben dazu beigetragen, die schnelle Entwicklung von PCs voranzutreiben, die kompakter, leichter und schneller geworden sind.
• Datenspeicherung – Die Die hohe Kapazität von sechslagigen Leiterplatten hat Datenspeichergeräte in den letzten zehn Jahren immer einfallsreicher gemacht.
• Brandmeldesysteme - Mit Leiterplatten aus 6 oder mehr Lagen sind Alarmsysteme immer präziser geworden, um echte Gefahren zu erkennen Moment, in dem es auftaucht.

Sechslagige Leiterplatten wurden auch in der Übertragung von Mobiltelefonen, faseroptischen Empfängern, Herzmonitoren, industriellen Steuerungen und der GPS-Technologie verwendet.

Komplexe Multilayer-Leiterplatten

Wenn die Anzahl der mehrschichtigen Leiterplatten über die Nummern vier und sechs hinaus zunimmt, werden dem Stapel weitere Schichten aus leitfähigem Kupfer und dielektrischem Material hinzugefügt.

Beispielsweise enthält eine achtschichtige PCB vier Ebenen- und vier Signalkupferschichten – acht insgesamt –, die durch sieben innere Reihen aus dielektrischem Material verbunden sind. Der achtlagige Aufbau wird oben und unten mit einem dielektrischen Lötstopplack versiegelt. Grundsätzlich ist der achtlagige PCB-Stapel ähnlich wie der sechslagige, aber mit zusätzlichen Kupferpaaren und Prepreg-Säulen.

Der Trend setzt sich mit der 10-Lagen-Leiterplatte fort, die zwei weitere Kupferlagen für insgesamt sechs Signal- und vier ebene Kupferlagen hinzufügt – insgesamt 10. Neun Säulen aus dielektrischem Material – fünf Prepreg- und vier Kernsäulen – verbinden das Kupfer im 10-lagigen PCB-Stapel. Zehnlagige Leiterplattenstapel werden wie alle anderen oben und unten mit einem dielektrischen Lötstopplack versiegelt.

Wenn Sie den 12-lagigen PCB-Stapel erreichen, haben Sie eine Platine mit 4 Ebenen und 8 Signalleiterschichten, die durch 6 Signal- und 5 Kernsäulen aus dielektrischem Material verbunden sind. 12-lagige Leiterplattenstapel werden mit dielektrischem Lötstopplack versiegelt. Im Allgemeinen zeigen mehrschichtige PCB-Abbildungen die Schichten und Verbindungsmaterialien mit den folgenden Farben:Braun für Signal-/Flächenkupfer, Grau für Prepreg/Kern-Dielektrikumsmaterial und Grün für obere/untere Lötstoppmaske.

Multilayer-Leiterplatten der acht-, 10- und 12-Lagen-Varianten sind in zahlreichen High-Tech-Geräten und Computersystemen von Vorteil. In den letzten Jahrzehnten hat die Entwicklung von Multilayer-Leiterplatten zu einer rasanten Weiterentwicklung der Computertechnologie geführt - von den kHz-Systemen von einst zu den GHz-Maschinen von heute.

Maschinen und Geräte in einer Reihe von Sektoren – Gewerbe, Industrie, Medizin, Behörden, Luft- und Raumfahrt – werden dank der rasanten Entwicklungen, die die immer komplexer werdenden Multilayer-Leiterplatten von heute ermöglichen, immer schneller, leistungsfähiger, kompakter und benutzerfreundlicher.

Layer-Verteilungen

Die einfachste Art, sich eine Leiterplatte vorzustellen, besteht darin, sich die Schichten wie eine Lasagne vorzustellen, bei der sich leitfähige und dielektrische Materialien innerhalb einer Lötstoppmaske verbinden. Beispielsweise bestehen vierschichtige Platten normalerweise aus gleichmäßig beabstandeten Schichten mit Ebenen in der Mitte. Dies kann zwar dazu führen, dass die Platine symmetrisch erscheint, hat aber nicht unbedingt die wünschenswertesten Auswirkungen, wenn es um die elektromagnetische Verträglichkeit geht.

Eine weitere Anordnung, die zu unerwünschten Effekten führen kann, besteht darin, die beiden Ebenen in der Mitte eng zu paaren, während die Signalschicht und die Ebenen große Dielektrika einschließen. Obwohl diese Anordnung die Speicherung elektrischer Ladung an der Zwischenebene ermöglicht, kann sie eine unerwünschte Signalübertragung und elektromagnetische Effekte verursachen. Aus diesen Gründen entscheiden sich die heutigen Experten auf dem Gebiet der Leiterplatten im Allgemeinen für Platinen mit mindestens vier Lagen, im Gegensatz zu zwei.

Um die elektromagnetische Verträglichkeit einer vierlagigen Platine zu erhöhen, sollten die Ebenen und Signallagen so eng wie möglich beabstandet sein. Außerdem sollte der Kern zwischen der Masseebene und der Stromversorgung groß sein. Diese Anordnung verringert die Möglichkeit unerwünschter Signalübertragungen zwischen den Leiterbahnen und hält den Widerstand zwischen Schaltkreisen und Strömen auf akzeptablen Niveaus.

Ein idealer Widerstandsbereich zwischen Schaltung und Strom liegt im Bereich von 50 bis 60 Ohm. Denken Sie daran, dass bei niedriger Impedanz der gezogene Strom spitz wird, was ein unerwünschter Effekt ist. Eine hohe Impedanz erzeugt größere Mengen elektromagnetischer Interferenzen und macht die Platine anfälliger für Fremdinterferenzen.

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Die heutige Welt ist mit elektronischen Geräten aller Art ausgestattet, die zahlreiche Features bieten, die noch vor 50 Jahren technologisch nicht vorstellbar gewesen wären. Viele dieser Entwicklungen sind auf die Fähigkeiten von PCBs zurückzuführen. PCBs ermöglichen es bequem kompakten Geräten, eine Reihe komplexer Aufgaben auszuführen, von denen viele ferngesteuert ausgeführt werden können.

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