Moderne Elektronikprodukte vereinen immer mehr Rechenleistung, schnellere Schnittstellen und umfangreichere Funktionen auf immer kleinerer Baufläche. Infolgedessen überschreiten viele Designs die Verlegungskapazität herkömmlicher Mehrschichtplatinen.
A 20-lagige Leiterplatte bietet zusätzliche Signalebenen und Referenzebenen, die es Ingenieuren ermöglichen, dichte Bauteilanordnungen zu verwalten und dabei die Signalintegrität und die Stromversorgungsstabilität zu gewährleisten. Es wird häufig für Systeme gewählt, die mehrere Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, große Prozessoren und hohe Zuverlässigkeitsanforderungen unterstützen müssen.
Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:
- KI-Rechenplattformen
- Hochleistungsserver
- Telekommunikationsinfrastruktur
- Luft- und Raumfahrtelektronik
- Medizinische Bildgebungssysteme
- Ausrüstung für die industrielle Automatisierung
TOPFAST fertigt maßgeschneiderte 20-lagige Leiterplatten vom Prototypenbau bis zur Serienproduktion und bietet dabei kontrollierte Impedanz, komplexe Mehrschicht-Aufbauten sowie eine technische Überprüfung vor der Fertigung.
Inhaltsübersicht
Warum sollte man sich für eine 20-lagige Leiterplatte entscheiden?
Im Vergleich zu Leiterplatten mit einer geringeren Schichtenanzahl bietet eine 20-lagige Leiterplatte mehr Flexibilität beim Entwurf komplexer Schaltungen.
Erhöhte Routing-Kapazität
Zusätzliche Routing-Ebenen vereinfachen die Anordnung von:
- Große FPGA- und CPU-Gehäuse
- BGA-Bauteile mit hoher Packungsdichte
- DDR-Speicherkanäle
- PCIe- und Ethernet-Schnittstellen
Der zusätzliche Platz für die Leiterbahnführung verringert zudem die Engpässe im Bereich kritischer Bauteile und sorgt so für eine effizientere Signalführung.
Bessere Signalintegrität
Gut geplante Referenzebenen verbessern die Signalqualität durch:
- Übersprechen reduzieren
- Konsistente Rücklaufwege gewährleisten
- Minimierung von Signalreflexionen
Diese Verbesserungen gewinnen angesichts der stetig steigenden Datenraten zunehmend an Bedeutung.
Weiterführende Literatur: Leitfaden zum Aufbau von Leiterplatten
Verbesserte Stromverteilung
Mehrere Stromversorgungs- und Masseflächen tragen dazu bei, die Spannungsversorgung auf der gesamten Platine zu stabilisieren, wodurch Stromrauschen reduziert und Hochstrombauteile unterstützt werden.
Bessere EMV-Leistung
Eine richtige Schichtaufbau hilft dabei, elektromagnetische Strahlung einzudämmen und Störungen zwischen benachbarten Signalschichten zu reduzieren.
Typischer Schichtaufbau einer 20-lagigen Leiterplatte
Es gibt keine allgemeingültige Schichtaufbauweise für jedes Design, doch eine ausgewogene Anordnung, ähnlich wie im folgenden Beispiel, ist weit verbreitet.
L1 Signal
L2 Masse
L3 Signal
L4 Masse
L5 Signal
L6 Stromversorgung
L7 Masse
L8 Signal
L9 Signal
L10 Masse
L11 Stromversorgung
L12 Masse
L13 Signal
L14 Signal
L15 Masse
L16 Stromversorgung
L17 Signal
L18 Masse
L19 Signal
L20 SignalDie tatsächlichen Stapelkonfigurationen sollten stets gemäß folgenden Vorgaben entwickelt werden:
- Signalgeschwindigkeit
- Auslastung der Ebenen
- Stromversorgung
- Fertigungskapazitäten
Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen sollte die Planung des Schichtaufbaus abgeschlossen sein, bevor mit dem Layout der Leiterplatte begonnen wird.
Weiterführende Literatur: Materialauswahl für Hochfrequenz-Leiterplatten
Typische Fertigungsspezifikationen
| Parameter | Fähigkeit |
|---|---|
| Anzahl der Schichten | 20 Schichten |
| Material | FR4, FR4 mit hoher Glasübergangstemperatur, Rogers |
| Kupfer Gewicht | 0.5–6 oz |
| Dicke der Platte | 1.6–6.0 mm |
| Minimaler Abstand/Raum | 3/3 mil |
| Mindestbohrdurchmesser | 0,15 mm |
| Oberfläche | ENIG, OSP, HASL, Immersionsversilberung |
| Gesteuerte Impedanz | Unterstützt |
| IPC-Norm | IPC-Klasse 2 / IPC-Klasse 3 |
Die Fertigungsmöglichkeiten können je nach Leiterplattengröße, Seitenverhältnis, Kupferdicke und der Komplexität des gesamten Schichtaufbaus variieren.
Auswahl des Materials
Standard FR4
Für viele Industrie- und Computeranwendungen ist hochwertiges FR4 nach wie vor eine sinnvolle Wahl, wenn die Anforderungen an die elektrischen Verluste moderat sind.
FR4 mit hoher Glasübergangstemperatur
Laminate mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) werden üblicherweise dort eingesetzt, wo thermische Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle spielt, beispielsweise in der Automobilelektronik, bei Industrieanlagen und bei Produkten, die mehreren bleifreien Lötzyklen ausgesetzt sind.
Materialien mit geringen Verlusten
Bei Hochgeschwindigkeitsnetzwerken und HF-Anwendungen tragen verlustarme Laminate dazu bei, die Einfügungsdämpfung zu verringern und die Signalintegrität über lange Übertragungsstrecken zu verbessern.
Typische Anwendungen
KI-Server
Moderne KI-Hardware vereint häufig mehrere Prozessoren, Hochgeschwindigkeitsspeicher und komplexe Stromversorgungsarchitekturen auf einer einzigen Platine. Eine 20-lagige Struktur bietet die für diese Designs erforderlichen Routing-Ressourcen.
Telekommunikationsgeräte
Kernnetzwerk-Switches, optische Übertragungssysteme und drahtlose Infrastrukturen erfordern häufig mehrschichtige Leiterplatten mit kontrollierter Impedanz und stabiler elektrischer Leistung.
Luft- und Raumfahrtelektronik
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt erfordern zuverlässige mehrschichtige Leiterplatten, die unter Vibrationen, Temperaturwechseln und anderen anspruchsvollen Umgebungsbedingungen einsetzbar sind.
Medizinische Bildgebungsgeräte
Medizinische Systeme erfordern eine stabile Signalübertragung und ein geringes elektrisches Rauschen, weshalb mehrschichtige Laminate eine gängige Wahl für Bildgebungs- und Diagnosegeräte sind.
Industrielle Automatisierung
Industrielle Steuerungssysteme profitieren von zusätzlichen Masseflächen, einer verbesserten EMV-Leistung und einer größeren Flexibilität bei der Leiterverlegung.
Überlegungen zur Herstellung
Die Herstellung einer 20-lagigen Leiterplatte erfordert einen deutlich höheren Aufwand bei der Prozesssteuerung als die Fertigung herkömmlicher Mehrlagenleiterplatten.
Ausrichtung der inneren Schicht
Die präzise Ausrichtung jeder einzelnen Innenschicht ist entscheidend, um zuverlässige elektrische Verbindungen auf der gesamten Leiterplatte zu gewährleisten.
Lamination Prozess
Mehrere Laminierzyklen erfordern eine präzise Steuerung von Temperatur, Druck und Harzfluss. Eine konsistente Prozesssteuerung trägt dazu bei, das Risiko innerer Fehler zu verringern.
Weiterführende Literatur: PCB-Herstellungsprozess
Bohrungsqualität
Mit zunehmender Plattendicke wird die Herstellung von durchkontaktierten Löchern immer anspruchsvoller. Die Qualität der Löcher hat direkten Einfluss auf die langfristige Zuverlässigkeit, insbesondere bei Anwendungen, die Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt sind.
Überlegungen zur Gestaltung
Planen Sie den Aufbau frühzeitig
Die Planung des Schichtaufbaus sollte vor dem Routing beginnen. Die in dieser Phase getroffenen Entscheidungen wirken sich auf die Signalintegrität, die Herstellbarkeit und die Kosten aus.
Reserve-Kontinuierliche Bezugsebenen
Hochgeschwindigkeitssignale verhalten sich konsistenter, wenn sie neben ununterbrochenen Masseflächen verlegt werden.
Ausgleich der Kupferverteilung
Ausgewogenes Kupfer trägt dazu bei, mechanische Belastungen beim Laminieren und bei der Lötmontage zu verringern, wodurch die Ebenheit der Leiterplatte verbessert wird.
Arbeiten Sie mit Ihrem Leiterplattenhersteller zusammen
Bei Leiterplatten mit hoher Lagenanzahl sind häufig Anpassungen der Dielektrikumsdicke, der Kupferdicke und der Bohrstrukturen erforderlich. Eine frühzeitige Abstimmung mit dem Fertigungsteam hilft, unnötige Designänderungen zu vermeiden.
20-lagige Leiterplatte im Vergleich zu 16-lagiger Leiterplatte
| Merkmal | 16-lagige Leiterplatte | 20-lagige Leiterplatte |
|---|---|---|
| Routing-Dichte | Sehr hoch | Extrem hoch |
| Signalintegrität | Ausgezeichnet | Hervorragend |
| Stromverteilung | Ausgezeichnet | Überlegen |
| Entwurfskomplexität | Hoch | Sehr hoch |
| Typische Anwendungen | Telekommunikation, KI-Server | HPC, Luft- und Raumfahrt, Hochleistungsrechnen |
FAQ
A: 20-lagige Leiterplatten kommen häufig in KI-Servern, Telekommunikationsgeräten, Luft- und Raumfahrtelektronik, medizinischen Bildgebungssystemen und anderen Anwendungen zum Einsatz, die eine hohe Verdrahtungsdichte und eine stabile elektrische Leistung erfordern.
A: Nein. Die erforderliche Lagenanzahl hängt von der Komplexität der Leiterbahnführung, der Bauteilbelegungsdichte, der Stromverteilung und den Anforderungen an die Signalintegrität ab. Viele Produkte erzielen mit 8 bis 16 Lagen gute Ergebnisse.
A: Standard-FR4, FR4 mit hoher Glasübergangstemperatur und verlustarme Laminate werden in der Regel entsprechend den Leistungsanforderungen ausgewählt.
A: Ja. Zusätzliche Schichten erhöhen die Anzahl der Laminierungsschritte, die Prüfanforderungen und die Komplexität der Fertigung, was zu höheren Produktionskosten führt als bei Leiterplatten mit einer geringeren Schichtenanzahl.
A: Ja. Bei 20-lagigen Leiterplatten, die für Hochgeschwindigkeits-Kommunikations- und Rechenanwendungen eingesetzt werden, wird routinemäßig eine kontrollierte Impedanz umgesetzt.
Schlussfolgerung
Eine 20-lagige Leiterplatte bietet die Verdrahtungsdichte, die elektrische Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit, die für die anspruchsvollsten elektronischen Systeme von heute erforderlich sind. Mit einer sorgfältigen Planung des Schichtaufbaus, der Auswahl geeigneter Materialien und einer engen Zusammenarbeit zwischen Entwicklern und Herstellern können Leiterplatten mit hoher Lagenanzahl eine konstante Leistung in Anwendungen liefern, die von KI-Rechenleistung und Telekommunikation bis hin zur Luft- und Raumfahrt sowie der industriellen Automatisierung reichen.
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