Wie viele Schichten kann eine Leiterplatte haben?

by Topfast | Dienstag Sep. 09 2025

Leiterplatten (PCBs) sind die Kernkomponenten elektronischer Geräte. Die Anzahl ihrer Schichten hat direkten Einfluss darauf, wie gut das Produkt funktioniert, wie viel es kostet und wie zuverlässig es ist. Dieser Artikel befasst sich mit den theoretischen Grenzen der Schichtanzahl von Leiterplatten, den praktischen Aspekten, die ihre Herstellung erschweren, einem Vergleich der Vor- und Nachteile verschiedener Schichtanzahlen und den technischen Aspekten, die bei der Auswahl der richtigen Schichtanzahl zu berücksichtigen sind. Er bietet Elektronikingenieuren und Produktdesignern eine umfassende Referenz.

Inhaltsübersicht

I. Theoretische Grenzen und praktische Fertigungsbeschränkungen von Leiterplattenlagen

Theoretische Schichtgrenzen

Es gibt keine absolute Obergrenze auf die Anzahl der Schichten in einer Leiterplatte. Mit den Fortschritten in der Mikroelektroniktechnologie haben weltweit führende Hersteller wie Intel und Samsung haben die Massenproduktion von Leiterplatten mit Über 100 Schichten, vor allem für Spezialanwendungen wie Supercomputer, High-End-Server und Luft- und Raumfahrtgeräte.

Praktische Fertigungsbeschränkungen

Trotz der theoretischen Möglichkeit unterliegt die praktische Massenproduktion mehreren Einschränkungen:

Technische EinschränkungenDie Anforderungen an die Genauigkeit der Ausrichtung zwischen den einzelnen Schichten steigen exponentiell mit jeder zusätzlichen Schicht.
Materielle Einschränkungen: Leiterplatten mit hoher Lagenzahl erfordern hochstabile Materialien mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
KostenbeschränkungenDie Herstellungskosten einer 32-lagigen Leiterplatte können das 5- bis 8-fache der Kosten einer 4-lagigen Leiterplatte betragen.
Ertragsbeschränkungen: Bei mehr als 20 Schichten verringert jede weitere Schicht den Ertrag um etwa 2–3 %.

Standard-Produktionslagenbereiche

Die folgende Tabelle zeigt typische PCB-Schichtverteilungen in verschiedenen Anwendungsbereichen:

Anwendungsbereich	Typische Schichten	Repräsentative Produkte	Technische Merkmale
Unterhaltungselektronik	4–8 Schichten	Smartphones, Tablets	Kostenbewusst, platzbeschränkt
Kommunikationsausrüstung	8–16 Schichten	5G-Basisstationen, Netzwerk-Switches	Anforderungen an das Hochfrequenz-, Hochgeschwindigkeits- und Wärmemanagement
Industrielle Steuerung	6–14 Schichten	SPS, industrielle Motherboards	Hohe Zuverlässigkeit, starke Störfestigkeit
Hochleistungsrechnen	12–32 Schichten	Server, KI-Beschleunigerkarten	Ultrahohe Dichte, Hochgeschwindigkeitsübertragung
Fachgebiete	32–100+ Schichten	Supercomputer, Luft- und Raumfahrtgeräte	Extreme Leistung, spezielle Materialien

II. Umfassende Analyse der Vorteile von mehrschichtigen Leiterplatten

1. Fähigkeit zur hochdichten Integration

Durch mehrschichtiges Stapeldesign, Mehrschichtige Leiterplatten die Verdrahtungsdichte auf begrenztem Raum deutlich verbessern. Testdaten zeigen, dass 8-lagige Leiterplatten eine um etwa 60 % höhere Verdrahtungsdichte bieten als 4-lagige Leiterplatten, während 16-lagige Leiterplatten die Dichte um über 120 % verbessern können.

2. Hervorragende Signalintegrität

Durch geeignetes Stapeldesign und Impedanzkontrolle gewährleisten mehrschichtige Leiterplatten effektiv eine hohe Qualität der Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung:

4-lagige PlattenReduzierung der Signaldämpfung um über 40 % im Vergleich zu doppelseitigen Leiterplatten bei einer Frequenz von 1 GHz.
8-lagige PlattenUnterstützt Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCIe 4.0 mit Übertragungsraten von bis zu 16 GT/s.
16+ Schichtplatten: Support 56Gbps and above high-speed serial transmission with bit error rates below 10⁻¹²

3. Hervorragende elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Mehrschichtige Leiterplatten bieten eine natürliche elektromagnetische Abschirmung durch vollständige Masse- und Stromflächenkonstruktionen:

Bei einer Bodenabdeckung von >85 % kann die elektromagnetische Strahlung um 12–15 dB reduziert werden.
Die Trennung von Strom-/Masse-Schichten von Signal-Schichten reduziert elektromagnetische Interferenzen zwischen den Schichten um über 20 dB.

4. Effiziente thermische Leistung

Dedicated thermal layer designs can reduce chip junction temperature by over 18℃
Aluminum substrates achieve thermal conductivity coefficients of 2.2W/m·K, 3-5 times better than traditional FR-4 material

5. Flexibilität beim Design und Raumoptimierung

10-layer HDI boards can reduce smartphone motherboard size to 5cm×5cm, saving 70% space compared to traditional solutions
Der dreidimensionale Verdrahtungsraum ermöglicht komplexere Schaltungsdesigns.

III. Herausforderungen und Einschränkungen von mehrschichtigen Leiterplatten

Fertigungskostenanalyse

Die Anzahl der PCB-Schichten und die Kosten stehen in einem nichtlinearen Wachstumsverhältnis zueinander:

Schichten	Relative Kosten	Hauptkostentreiber
2-lagig	1.0x	Grundmaterial, einfache Verfahren
4-lagig	1,8–2,5-fach	Erhöhte Laminierungszyklen, höhere Anforderungen an die Ausrichtung
6-lagig	3–4x	Erhöhte Komplexität der Bohrungen, Ertragsrückgang
8-lagig	4–6x	Steigende Materialkosten, zunehmende Prozesskomplexität
16-lagig	8-12-fach	Besondere Ausrüstungsanforderungen, erheblich erhöhte Prüfkosten

Verlängerte Produktionszyklen

Die Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten erfordert mehrere Laminierungs-, Bohr- und Beschichtungsprozesse:

Standardlieferzeit für 4-lagige Leiterplatten: 5–7 Tage
Standardlieferzeit für 8-lagige Leiterplatten: 10–14 Tage
Standardlieferzeit für 16-lagige Leiterplatten: 15–25 Tage
Standardlieferzeit für 32-lagige Leiterplatten: 30–45 Tage

Herausforderungen bei Tests und Reparaturen

PCBs mit hoher Lagenzahl erfordern mehrere Prüfverfahren, darunter Flying-Probe-Test und Röntgeninspektion.
Schwierige Lokalisierung interner Fehler, typischerweise weniger als 30 % Erfolgsquote bei Reparaturen von BGA-Gehäusen
Die Testkosten können 15 bis 20 % der gesamten Herstellungskosten ausmachen.

IV. Methodik zur Auswahl der PCB-Schichten und Designrichtlinien

Wichtige Faktoren für die Bestimmung der Schichtdicke

Funktionale KomplexitätDie Anzahl der Signalleitungen ist ein wichtiger Indikator.

<50 Zeilen: Doppelseitige Platinen können in Betracht gezogen werden.
50–200 Leitungen: Empfohlene 4-lagige Leiterplatten
>200 Zeilen: Mindestens 6 Schichten erforderlich

Anforderungen an die Signalfrequenz

<50 MHz: Doppelseitige Leiterplatten können ausreichend sein.
50 MHz–100 MHz: Empfohlene 4-lagige Leiterplatten
>100 MHz: Es müssen mindestens 6 Schichten verwendet werden.
GHz-Niveaus: Erfordern 8+ Schichten mit professionellem Design

Anforderungen an die Verdrahtung von BGA-Gehäusen

0,65 mm Abstand: 4-lagige Leiterplatten können ausreichend sein
0,4 mm Rastermaß: Es müssen mindestens 6 Schichten verwendet werden.
Bei jeder Verringerung des Abstands um 0,1 mm empfehlen wir, 1–2 Routing-Lagen hinzuzufügen.

Optimiertes Stapelaufbau-Design

Empfohlene Stapelstrukturen für unterschiedliche Schichtzahlen:

Bevorzugte 4-Schicht-Struktur:

Oberseite (Signal) – Erdungsschicht – Stromversorgungsschicht – Unterseite (Signal)

Optimierte 6-Schicht-Struktur:

Oberseite (Signal) – Erdungsschicht – Signalschicht – Signalschicht – Stromschicht – Unterseite (Signal)

Fortschrittliche 8-Schicht-Struktur:

Signalschicht – Erdungsschicht – Signalschicht – Stromschicht – Erdungsschicht – Signalschicht – Stromschicht – Signalschicht

V. Schlüsseltechnologien zur Erhöhung der Leiterplattenlagen

Fortgeschrittene Verbindungstechnologien

Laserbohrtechnik

UV laser enables 25μm microvia processing
Precision up to ±5μm, supporting blind and buried via fabrication

Any Layer Interconnection (ALIVH)-Technologie

Ermöglicht vertikale Verbindungen zwischen zwei beliebigen Schichten durch gestapelte Durchkontaktierungen.
Verbessert die Verbindungsdichte zwischen den Schichten um 40 %.

Kombinationen von Blind-/Vergrabenen Durchkontaktierungen

Blinddurchkontaktierungen: Verbindungen zwischen Oberfläche und Innenlage, Durchmesser 0,05–0,3 mm
Vergrabene Durchkontaktierungen: Verbindungen in der inneren Schicht, vollständig verdeckt

Werkstoff-Innovationen

Hochfrequenz-Hybridtechnologie

Kombiniert hochfrequente Materialien (z. B. Rogers) mit FR-4
Verwendet hochfrequente Materialien für kritische Signalschichten, kostengünstiges FR-4 für andere Schichten

Dielektrische Materialien mit extrem geringen Verlusten

Rogers RO4835: Dielektrischer Verlust von nur 0,0035 bei 10 GHz
Nur 0,3 % Signaldämpfung bei einer Übertragung über 1 Meter

Prozess-Durchbrüche

Stufenlaminierungstechnologie

Verwendet symmetrische Laminatstrukturen zur Verwindungskontrolle
Interlayer alignment error ≤5μm

Plating-Fülltechnologie

Pulsbeschichtung erzielt porenfreie Füllung
Blind durch Plattierungs-Seitenverhältnis 0,8:1

VI. Anwendungsfälle und Technologietrends

Erfolgreiche Anwendungsfälle

Anwendungsprodukt	Schichten	Technische Merkmale	Leistungsverbesserung
Huawei 5G-Basisstation	24 Schichten	Hochfrequenz-Hybrid + Laserbohren	80 % Reduzierung der Signalverzögerung
Tesla-Fahrzeugcomputer	12 Schichten	Hochtemperaturmaterialien + verbesserte Kühlung	Operating temperature -40℃~125℃
iPhone-Hauptplatine	10 Schichten	Jede Schicht HDI	40 % Volumenreduzierung
NVIDIA KI-Beschleunigerkarte	16 Schichten	Materialien mit extrem geringen Verlusten	112 Gbit/s Übertragungsrate

Zukünftige Entwicklungstrends

Fortgesetzte Schichtzunahme: Unterhaltungselektronik tendiert zu 12–16 Schichten, High-End-Computing zu über 50 Schichten.
MaterialinnovationEntwicklung neuer Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante <3,0 und einem Verlustfaktor <0,002
IntegrationEinbau von passiven Bauteilen, Antennen usw. in Leiterplatten
Thermisches Management: Developing thermal materials with conductivity >5W/m·K

Schlussfolgerung

Die Auswahl der Anzahl der PCB-Schichten ist eine komplexe Aufgabe der Systemtechnik, bei der Leistung, Kosten, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit gegeneinander abgewogen werden müssen. Von einfachen doppelseitigen Leiterplatten bis hin zu komplexen Leiterplatten mit mehr als 32 Schichten hat jede Option spezifische Anwendungsszenarien und technische Anforderungen. Mit dem Fortschritt von Technologien wie 5G, künstlicher Intelligenz und dem Internet der Dinge wird die Nachfrage nach PCB mit hoher Schichtanzahl weiter steigen und die PCB-Technologie zu höherer Dichte, höherer Leistung und größerer Zuverlässigkeit vorantreiben.