Das Aufkommen mehrschichtiger Leiterplatten

Historisch zeichneten sich Leiterplatten vor allem durch ihren ein- oder zweischichtigen Aufbau aus, was ihre Eignung für Hochfrequenzanwendungen aufgrund von Signalverschlechterung und elektromagnetischen Störungen (EMI) einschränkte. Dennoch hat die Einführung mehrschichtiger Leiterplatten zu deutlichen Verbesserungen bei der Signalintegrität, der Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI) und der Gesamtleistung geführt.

Mehrschichtige Leiterplatten (Abbildung 1) bestehen aus zahlreichen leitfähigen Schichten, die durch isolierende Substrate getrennt sind. Dieser Aufbau ermöglicht eine anspruchsvolle Übertragung von Signalen und Stromversorgungsebenen.

Mehrschichtige Leiterplatten (PCBs) unterscheiden sich von ein- oder zweischichtigen Leiterplatten durch drei oder mehr leitfähige Schichten, die durch isolierendes Material, allgemein als dielektrische Schichten bezeichnet, getrennt sind. Die Verbindung dieser Schichten erfolgt über Vias, winzige leitfähige Durchgänge, die die Kommunikation zwischen den einzelnen Schichten ermöglichen. Der komplexe Aufbau mehrschichtiger Leiterplatten ermöglicht eine höhere Konzentration von Komponenten und komplexen Schaltkreisen und ist daher für modernste Technologie unverzichtbar.

Mehrschichtige Leiterplatten weisen typischerweise eine hohe Steifigkeit auf, da die Herstellung mehrerer Schichten in einer flexiblen Leiterplattenstruktur eine Herausforderung darstellt. Elektrische Verbindungen zwischen den Schichten werden durch verschiedene Arten von Durchkontaktierungen (Abbildung 2) hergestellt, darunter Blind- und Buried Vias.

Die Anordnung beinhaltet die Platzierung zweier Schichten auf der Oberfläche, um eine Verbindung zwischen der Leiterplatte (PCB) und der Umgebung herzustellen. Die Schichtdichte von Leiterplatten (PCBs) ist in der Regel gleichmäßig. Dies liegt vor allem daran, dass ungerade Schichten anfälliger für Probleme wie Verformungen sind.

Die Anzahl der Schichten variiert typischerweise je nach spezifischer Anwendung und liegt typischerweise im Bereich zwischen vier und zwölf Schichten.
Typischerweise benötigt die Mehrzahl der Anwendungen mindestens vier und höchstens acht Schichten. Im Gegensatz dazu kommen bei Apps wie Smartphones überwiegend insgesamt zwölf Schichten zum Einsatz.

Hauptanwendungsgebiete

Mehrschichtige Leiterplatten werden in zahlreichen elektronischen Anwendungen eingesetzt (Abbildung 3), darunter:

In der Unterhaltungselektronik spielen mehrschichtige Leiterplatten eine grundlegende Rolle bei der Bereitstellung der notwendigen Energie und Signale für eine breite Palette von Produkten wie Smartphones, Tablets, Spielekonsolen und tragbaren Geräten. Die schlanke und tragbare Elektronik, auf die wir täglich angewiesen sind, verdanken wir ihrem kompakten Design und ihrer hohen Bauteildichte.

Im Bereich der Telekommunikation erleichtert die Verwendung mehrschichtiger Leiterplatten die reibungslose Übertragung von Sprach-, Daten- und Videosignalen über Netzwerke und gewährleistet so eine zuverlässige und effektive Kommunikation

Industrielle Steuerungssysteme sind in hohem Maße auf mehrschichtige Leiterplatten (PCBs) angewiesen, da diese komplexe Steuerungssysteme, Überwachungsmechanismen und Automatisierungsverfahren effektiv steuern können. Maschinenbedienfelder, Roboter und die industrielle Automatisierung sind auf sie als grundlegendes Unterstützungssystem angewiesen.

Mehrschichtige Leiterplatten sind auch für medizinische Geräte relevant, da sie für Präzision, Zuverlässigkeit und Kompaktheit entscheidend sind. Diagnosegeräte, Patientenüberwachungssysteme und lebensrettende medizinische Geräte werden maßgeblich von ihrer wichtigen Rolle beeinflusst.

Nutzen und Vorteile

Mehrschichtige Leiterplatten bieten bei Hochfrequenzanwendungen mehrere Vorteile und Vorzüge, darunter:

Verbesserte Signalintegrität: Mehrschichtige Leiterplatten ermöglichen eine kontrollierte Impedanzführung, minimieren Signalverzerrungen und gewährleisten eine zuverlässige Übertragung von Hochfrequenzsignalen. Die geringere Signalstörung mehrschichtiger Leiterplatten führt zu verbesserter Leistung, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.

● Reduzierte elektromagnetische Störungen: Durch die Verwendung dedizierter Masse- und Stromversorgungsebenen unterdrücken mehrschichtige Leiterplatten elektromagnetische Störungen effektiv, wodurch die Systemzuverlässigkeit verbessert und Störungen mit benachbarten Schaltkreisen minimiert werden

●Kompaktes Design: Durch die Möglichkeit, mehr Komponenten und komplexe Routing-Schemata unterzubringen, ermöglichen mehrschichtige Leiterplatten kompakte Designs, die für platzbeschränkte Anwendungen wie Mobilgeräte und Luft- und Raumfahrtsysteme von entscheidender Bedeutung sind.

●Verbessertes Wärmemanagement: Mehrschichtige Leiterplatten bieten eine effiziente Wärmeableitung durch die Integration von Wärmedurchkontaktierungen und strategisch platzierten Kupferschichten, wodurch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Hochleistungskomponenten verbessert wird.

●Designflexibilität: Die Vielseitigkeit mehrschichtiger Leiterplatten ermöglicht eine größere Designflexibilität und ermöglicht Ingenieuren die Optimierung von Leistungsparametern wie Impedanzanpassung, Signalausbreitungsverzögerung und Stromverteilung.