PCB-Stackup für Anfänger: Alles, was Sie wissen müssen

Das PCB-Stackup-Design ist der Schlüssel zur Fertigung mehrschichtige LeiterplattenDurch sinnvolles Stapeln lässt sich die elektrische Leistung der Leiterplatte optimieren und der Fertigungsaufwand reduzieren. Egal, ob Sie Anfänger oder Ingenieur sind, dieser Artikel bietet Ihnen alles, was Sie brauchen.

Was ist PCB-StackupWarum ist es wichtig?

Der PCB-Stackup beschreibt die Anordnung der Schichten einer Leiterplatte, darunter leitfähige Kupferschichten (für Signal, Strom oder Masse) und isolierende dielektrische Schichten. Er definiert die PCB-Struktur und beeinflusst deren mechanische Stabilität, Signalintegrität und elektrische Leistung. Sehen wir uns nun an, warum der PCB-Stackup wichtig ist.

Bestimmen PCB Elektrische Leistung: Ein gutes PCB-Stackup-Design optimiert die Strom- und Signalverteilung. Durch die richtige Anordnung der Strom-, Masse- und Signalschichten können parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten minimiert werden, die die PCB-Leistung beeinträchtigen können. Diese Optimierung kann die Signalübertragungsgeschwindigkeit und die Stromversorgung jedes Schaltungsteils verbessern.

Verbessern Sie die Signalintegrität und reduzieren Sie Rauschen: Durch Vergrößerung des Abstands zwischen den Leiterbahnen oder durch Isolierung der analogen und digitalen Schaltungsteile lassen sich Übersprechen und elektromagnetische Störungen effektiv reduzieren. Darüber hinaus kann die Wahl von Isoliermaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante eine sauberere Signalübertragung gewährleisten und das Rauschen weiter reduzieren.

Beeinflussen Sie die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und reduzieren Sie Emissionen: Ein gut konzipierter Leiterplattenaufbau behebt EMV-Probleme effektiv durch die Integration einer ausreichenden Abschirmung, die Gewährleistung einer angemessenen Impedanzanpassung und die Optimierung des Leiterbahnabstands. Dadurch können elektromagnetische Strahlung und elektromagnetische Anfälligkeit effektiv minimiert werden, sodass die Leiterplatte externe elektronische Geräte nicht stört und gleichzeitig von diesen unbeeinflusst bleibt.

Verschiedene Arten von PCB-Stackups

Dank Fortschritten beim Laserbohren, der sequentiellen Laminierung, flexiblen Substraten und mehr können wir kompaktere und fortschrittlichere Leiterplatten herstellen. Nachfolgend finden Sie verschiedene Arten von Leiterplattenaufbauten für unterschiedliche Anwendungsanforderungen.

Standard mehrschichtiger PCB-Stack-Up

Diese Stapel bestehen typischerweise aus drei oder mehr Kupferschichten, die durch eine Kernschicht oder ein Prepreg isoliert und miteinander verbunden sind. PCB-DurchkontaktierungenDa sie in einem einzigen Laminierungszyklus hergestellt werden, ist die Leiterplatte weniger thermischer Belastung und mechanischem Druck ausgesetzt. Dieser Standard-Mehrschichtaufbau erfordert kein Laserbohren, was die Verarbeitungsschwierigkeiten reduziert, Produktionskosten spart und die Fertigungszyklen verkürzt. Hier sind einige gängige Leiterplattenaufbauten und ihre Merkmale:

• 4-lagiger PCB-Aufbau: Der 4-Lagen-Platinenaufbau umfasst vier Schichten: eine obere, eine untere und zwei innere Schichten. Die oberen und unteren Schichten dienen der Signalführung, während die inneren Schichten typischerweise für die Stromversorgung und Masseflächen vorgesehen sind, um die Signalintegrität zu verbessern und elektromagnetische Störungen zu reduzieren.

• 6-lagiger PCB-Aufbau: Es besteht aus vier Signalschichten und zwei inneren Schichten für Strom und Masse. Dieser Aufbau ermöglicht eine effiziente Signalführung und bessere Rückwege, was für Hochgeschwindigkeitsanwendungen entscheidend ist.
• 8-lagiger PCB-Aufbau: Der 8-lagige Aufbau umfasst vier Signallagen, zwei Leistungslagen und zwei Masselagen. Die sorgfältige Anordnung optimiert die Signalintegrität und reduziert elektromagnetische Störungen. Die strategische Platzierung der Leistungs- und Masselagen in der Mitte sorgt für exzellentes Kapazitäts- und Wärmemanagement, während die zusätzlichen Lagen die Routing-Flexibilität erhöhen.

Für komplexere und leistungsstärkere Designs können erweiterte PCB-Stapelungen wie 10-Lagen-PCB-Stapelungen, 12-Lagen-PCB-Stapelungen usw. verwendet werden.

Stapelaufbau von Metallkern-Leiterplatten (MCPCB)

Sie werden häufig in Hochleistungs-LEDs und anderen Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Der Metallkern (typischerweise Aluminium) beeinflusst die Gesamtdicke der Leiterplatte und erfüllt zudem zwei wichtige Funktionen: Wärmeableitung und elektrische Leitfähigkeit. Erstens leitet er die von ICs und anderen Leiterplattenkomponenten im Betrieb erzeugte Wärme effektiv ab. Zweitens gewährleistet der Kern die Ebenheit und Leitfähigkeit der unteren Leiterplattenschicht und ermöglicht so eine stabile Verbindung mit dem externen Kühlkörper.

HDI-Leiterplattenstapel

HDI-Leiterplatten verfügen über Blind Vias, Buried Vias und Microvias und ermöglichen so ultrakompakte digitale Schaltungsdesigns. Diese Designs verfügen häufig über einen Hochleistungsprozessor mit sehr schnellen Datenbussen, einschließlich Verbindungen zum Speicher und zu externen seriellen und parallelen Peripheriegeräten (PCI-Geräte). HDI-Leiterplatten verwenden sehr kleine, nicht standardmäßige Vias, präzise gesteuerte Impedanzleitungen und HD-Footprints mit engen Abstands- und Lötmaskenanforderungen, um eine Vielzahl von Lagenkonfigurationen zu ermöglichen.

Hochfrequenz-PCB-Stack-Up

Hochfrequenz-Leiterplatten sind für die Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen (bis zu 100 GHz) ausgelegt und werden häufig in HF-intensiven Anwendungen eingesetzt. Diese Leiterplatten stellen besondere Anforderungen an ihr Design, wie z. B. präzise Toleranzen für Abstände und Abstände, das Design der Leiterbahnantenne und eine strenge Kontrolle der Lötmenge an den Steckverbindern. All dies gewährleistet einen effizienten und stabilen Betrieb der Schaltung unter Hochfrequenzbedingungen.

Stapelung von flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten

Diese Leiterplattenaufbauten sind speziell für kompakte und anpassungsfähige Anwendungen wie tragbare Geräte konzipiert. Diese Leiterplatten können vollständig flexibel oder eine Kombination aus flexiblen und starren Elementen sein, um eine einzelne Leiterplattenbaugruppe zu bilden, die sich an verschiedene Formen und Bewegungen anpassen kann. Flex-Leiterplatten bestehen aus einem flexiblen Polymer Substrat, Kupferschichten (eine oder mehrere) und eine Auflage. Sie können Schaltkreise wie eine Standard-Leiterplatte über Leiterbahnen und Durchkontaktierungen verbinden und sind gleichzeitig biegbar.

Überlegungen zum PCB-Stack-Design

Beim Entwerfen eines PCB-Stackups ist es wichtig, die folgenden Schlüsselfaktoren zu berücksichtigen, um ein zuverlässiges und herstellbares Design zu erstellen.

PCB-Laminierungsmethodes

Bei der PCB-Laminierung werden Innenlagen, Prepreg und Kupferfolie durch Hitze und Druck zu einer mehrschichtigen Leiterplatte laminiert. Es gibt zwei gängige Methoden zur Laminierung von PCBs: Folien- und Kappenkonstruktion.

Folienkonstruktion

Folienkonstruktionen werden häufig bei der Leiterplattenlaminierung eingesetzt, da sie die präzise Ausrichtung der einzelnen Schichten und die Bohrpositionen gewährleisten und so die Herstellung vereinfachen. Zudem benötigt dieses Verfahren weniger Kernsubstratmaterial, was die Herstellungskosten senkt.

Bei Folienkonstruktionen befindet sich Prepreg zwischen der äußeren Kupferfolie und den inneren Lagen. Beispielsweise befindet sich Prepreg zwischen der ersten und zweiten sowie der dritten und vierten Lage einer vierlagigen Leiterplatte. Die äußerste Kupferlage besteht nicht aus kupferkaschiertem Laminat wie bei einer Kappenkonstruktion, sondern ist eine durchgehende Kupferfolie. Zum besseren Verständnis hier ein vierlagiger Leiterplattenaufbau:

• Obere Schicht (Schicht 1)
• Prepreg
• Innere Schicht: Laminat-PCB-Kern (Schicht 2 und Schicht 3)
• Prepreg
• Unterste Schicht (Schicht 4)

Cap Construction

Bei der Kappenkonstruktion bestehen die beiden äußeren Schichten aus vorverkupfertem Laminat und sind durch eine einzelne Prepreg-Schicht getrennt (Beispiel: vierlagige Leiterplatte). Dies ist ein PCB-Stackup, der die Kappenkonstruktion einer vierlagigen Leiterplatte zeigt:

• Schicht 1 und Schicht 2: Lötstoppmaske auf der äußeren Laminatschicht
• Prepreg
• Schicht 3 und Schicht 4: Lötstoppmaske auf der äußeren Laminatschicht

Diese Methode wird in der modernen Leiterplattenherstellung nicht empfohlen, mit Ausnahme von Hybrid-Leiterplatten, bei denen spezielle Laminate hergestellt werden müssen und bestimmte Bohrmethoden (wie z. B. Laserbohren) nicht verfügbar sind.

Typs von PCB und Ihr Anwendungs

Bei Leiterplatten mit vielen Leistungsbauteilen oder Hochstromleitungen können mehrere Lagen erforderlich sein, um Leistungsebenen oder kupfergefüllte Bereiche zu platzieren und so den Widerstand und die Wärmeableitung zu reduzieren. Hochfrequenzkomponenten (wie HF-Schalter oder Modems) benötigen mehrere Lagen, um die Wärmeableitung zu unterstützen und eine bessere Erdung zu gewährleisten. Leiterplatten mit sensiblen digitalen Domänen (wie Ethernet, PCI usw.) werden üblicherweise mit dedizierten internen Lagen für zusätzliche Masseflächen ausgestattet.

PCB Komponentendichte

Die Bauteildichte auf der Leiterplatte beeinflusst das Stapeldesign, insbesondere bei Prozessoren mit hoher Pinzahl oder BGA-Gehäusen. Aufgrund kleinerer Abstände und komplexer Pinmuster können zusätzliche Lagen erforderlich sein, um eine sinnvolle Signalführung zu erreichen.

Komponententypen und Schnittstellen

Die Wahl des Komponententyps und der Schnittstelle (z. B. digital, Mixed Signal, analog oder Hochgeschwindigkeitssignal) beeinflusst das PCB-Stack-Design. Obwohl die Verwendung von BGA-Komponenten (Ball Grid Array) Platz spart, erhöht sie die Produktionskosten und den Fertigungsaufwand, und Nacharbeiten sind schwierig.

Mechanische Anforderungen

Die mechanische Stabilität ist beim PCB-Stack-Design entscheidend. Dünnere Leiterplatten sparen Platz, riskieren aber Verformungen und Vibrationen, während dickere Leiterplatten eine höhere Haltbarkeit und besseren Halt für die Komponenten bieten. Die Anzahl der Lagen und der dielektrische Abstand müssen den mechanischen Anforderungen des Designs entsprechen, um strukturelle Stabilität und die Zuverlässigkeit des Endprodukts zu gewährleisten.

5 Tipps für die Gestaltung eines effizienten PCB-Stackup

Obwohl das PCB-Stack-Design von unterschiedlichen Anwendungsanforderungen abhängt, finden Sie hier einige allgemeine Richtlinien, die bei der Erstellung eines besseren Designs helfen können.

1. Wählen Sie das richtige Dielektrikum, um die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften des PCB-Designs zu erfüllen. Wählen Sie für Hochfrequenz-Leiterplatten Materialien mit niedrigem Dk-Wert. Die Dicke der Kupferschicht hängt eng mit der Stromstärke zusammen. Für Leiterplatten mit hohem Strombedarf muss die Kupferschicht dicker sein.
2. Schätzen Sie die Anzahl der benötigten Signalschichten anhand der unterschiedlichen Anwendungsanforderungen. Hochleistungs- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen erfordern mehr Signalschichten als Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit.
3. Eine sinnvolle Planung der Anzahl der Strom- und Masseschichten kann die Signalintegrität und EMV-Leistung der Leiterplatte erheblich verbessern.
4. Planen Sie Leiterbahnbreite, -abstand und Lagenaufbau sorgfältig, um eine gleichmäßige Impedanz über die gesamte Hochgeschwindigkeitsleiterbahn hinweg und damit eine gute Signalintegrität zu gewährleisten. Um Signalverzerrungen zu vermeiden, sorgen Sie für eine stabile Massefläche unterhalb der Leiterbahn mit kontrollierter Impedanz und berücksichtigen Sie den Trapezeffekt der Leiterbahn bei der Berechnung der Impedanz.
5. Die Anordnung aufeinanderfolgender Lagen ist ein wichtiger Aspekt beim PCB-Stack-Up. Signallagen, Masselagen und Leistungslagen müssen abwechselnd platziert werden, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Hier finden Sie hilfreiche Tipps zur Lagenanordnung.

• • Achten Sie auf einen symmetrischen Stapelaufbau. Leiterplatten mit gerader Lagenanzahl sind kostengünstiger und widerstandsfähiger gegen Verformungen als Leiterplatten mit ungerader Lagenanzahl.
  • Platzieren Sie nicht zwei benachbarte Signalschichten, da dies leicht zu Übersprechen führen kann.
  • Die Signalschicht ist normalerweise auf einer benachbarten Schicht zur Masseschicht oder Leistungsschicht angeordnet, um einen Signalrückweg mit niedriger Impedanz bereitzustellen.
  • Die Stromversorgungsebene und die Masseebene sollten möglichst nahe beieinander liegen.
  • Verwenden Sie vollständige Leistungslagen und vermeiden Sie unnötige Aufteilungen. Halten Sie zwei benachbarte Leistungslagen möglichst weit voneinander entfernt, um unnötige Kopplung zu vermeiden.

Zusammenfassung

Die Entwicklung eines effizienten PCB-Stackups ist ein entscheidender Schritt, um Leistung, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit der Leiterplatte sicherzustellen. Ein korrektes Stackup-Design ist unerlässlich für optimale Signalintegrität, Wärmemanagement und Stromverteilung der Leiterplatte. Umfassende Kenntnisse des PCB-Stackups helfen sowohl als neuer als auch als erfahrener Ingenieur, das Design zu optimieren und die Produktion zu rationalisieren.