Leitfaden zum Aufbau von Leiterplatten

Ein Leiterplattenaufbau definiert die Anordnung von Kupferschichten, Prepregs, Kernen und dielektrischen Materialien innerhalb einer Leiterplatte.

Obwohl es in der frühen Entwicklungsphase oft übersehen wird, ist das Schichtaufbau-Design einer der wichtigsten Faktoren, die sich auf Folgendes auswirken:

• Signalintegrität
• Kontrollierte Impedanz
• EMI-Leistung
• Stromverteilung
• Thermisches Verhalten
• Zuverlässigkeit in der Fertigung

Ein gut durchdachter Schichtaufbau hilft, kostspielige Neukonstruktionen zu vermeiden und verbessert sowohl die elektrische als auch die mechanische Leistung.

Weiterführende Literatur: PCB-Herstellungsprozess

Warum das Design des Leiterplattenaufbaus wichtig ist

Viele Probleme bei Leiterplatten sind eher auf eine mangelhafte Schichtenplanung als auf eine schlechte Leiterbahnführung zurückzuführen.

Häufige Probleme sind unter anderem:

• Impedanz-Fehlanpassung
• Übermäßige elektromagnetische Störungen
• Nebensprechen
• Stromausfälle
• Verziehen von Leiterplatten
• Aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen

Ein korrektes Laminatbild bildet die Grundlage für ein erfolgreiches Leiterplattendesign.

Die wichtigsten Elemente eines Leiterplattenaufbaus

Kupferschichten

Kupferschichten leiten:

• Signale
• Leistung
• Bodenreferenzpunkte

Zu den typischen Kupferdicken gehören:

Kupfer Gewicht	Dicke
eine halbe Unze	17 μm
1 Unze	35 μm
2 Unzen	70 μm
3 Unzen	105 μm

Ein höherer Kupferanteil verbessert die Strombelastbarkeit, wirkt sich jedoch auf die Impedanzberechnungen aus.

Kernmaterialien

Der Kern sorgt für strukturelle Stabilität.

Zu den Funktionen gehören:

• Mechanische Stabilität
• Dielektrische Trennung
• Wärmeleistung

Die Materialauswahl hat einen erheblichen Einfluss auf die Signalqualität.

Interner Link: Materialauswahl für Hochfrequenz-Leiterplatten

Prepreg-Schichten

Prepreg dient als Bindematerial zwischen den Kernen.

Während der Laminierung:

• Harzschmelzen
• Schichten verbinden sich miteinander
• Die endgültige Dicke der dielektrischen Schicht wird festgelegt

Die Eigenschaften des Prepregs wirken sich unmittelbar auf die Impedanzsteuerung aus.

Grundplatten

Masseflächen bieten:

• Rückstrompfade
• Rauschunterdrückung
• EMI-Unterdrückung

Kontinuierliche Referenzebenen sind für Hochgeschwindigkeitssignale unerlässlich.

Motorflugzeuge

Leistungsschaltgeräte verteilen den Strom effizient und reduzieren gleichzeitig Spannungsschwankungen.

Zu den Vorteilen gehören:

• Geringere Impedanz
• Verbesserte Stromversorgungsintegrität
• Bessere Wärmeverteilung

Gängige Schichtaufbauten für Leiterplatten

4-lagiger Leiterplattenaufbau

Eine gängige Vorgehensweise ist:

Signal
Boden
Leistung
Signal

Vorteile:

• Kostengünstig
• Gute EMI-Kontrolle
• Geeignet für viele Industrieprodukte

Anwendungen:

• Eingebettete Systeme
• Industrielle Steuerungen
• Unterhaltungselektronik

Weiterführende Literatur: 4-Lagen PCB

6-lagiger Leiterplattenaufbau

Typische Konfiguration:

Signal
Boden
Signal
Leistung
Boden
Signal

Vorteile:

• Bessere Signalisolierung
• Verbesserte Impedanzsteuerung
• Geringere elektromagnetische Störungen

Häufig verwendet in:

• Kommunikationsmittel
• Industrielle Automatisierung
• Netzwerkprodukte

8-lagiger Leiterplattenaufbau

Typische Anordnung:

Signal
Boden
Signal
Leistung
Boden
Signal
Boden
Signal

Vorteile:

• Hervorragende Signalintegrität
• Hohe Routing-Dichte
• Reduziertes Übersprechen

Anwendungen:

• Server
• Hochgeschwindigkeitskommunikation
• Medizinische Geräte

10 Schichten und mehr

Unterstützung für eine höhere Anzahl von Schichten:

• HDI-Leitungsführung
• Komplexe Prozessoren
• Hochgeschwindigkeitsbusse
• HF-Integration

Interner Link: Anbieter von Mehrschicht-Leiterplatten

Aufbau für die Signalintegrität

Signalleiterbahnen sollten an Masseflächen angrenzen

Das ergibt:

• Stabile Rückwege
• Geringere elektromagnetische Störungen
• Kontrollierte Impedanz

Eine falsche Platzierung der Bezugsebene ist einer der häufigsten Konstruktionsfehler.

Schleifenbereich minimieren

Geringere Stromschleifen führen zu:

• Strahlung
• Lärm
• Störanfälligkeit

Übergänge zwischen Ebenen steuern

Jeder Via-Übergang führt zu:

• Diskontinuitäten
• Reflexion
• Mögliche Signalverschlechterung

Interner Link: Fehleranalyse bei Leiterplatten-Durchkontaktierungen

Schichtaufbau für kontrollierte Impedanz

Die kontrollierte Impedanz hängt ab von:

• Leiterbahnbreite
• Dielektrische Dicke
• Kupferdicke
• Material Dk

Ingenieure sollten die Impedanz berechnen, bevor mit dem Leiterbahnlayout begonnen wird.

Zu den gängigen Zielen gehören:

Schnittstelle	Typische Impedanz
USB	90 Ω Differential
Ethernet	100 Ω Differential
PCIe	85 Ω Differential
DDR	40–60 Ω Single Ended

Schichtaufbau zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen

Die EMI-Leistung verbessert sich, wenn:

Die Masseflächen bleiben durchgehend

Zu vermeiden:

• Große Spalten
• Flugunterbrechungen
• Unnötige Ausschnitte

Hochgeschwindigkeitssignale bleiben nah an den Referenzwerten

Dies minimiert:

• Strahlung
• Nebensprechen
• Signalausfall

Strom- und Masseebenen sind ordnungsgemäß gekoppelt

Eng beieinander liegende Ebenen erzeugen eine verteilte Kapazität.

Zu den Vorteilen gehören:

• Verbesserte Stromversorgungsintegrität
• Geringeres Schaltgeräusch

Schichtaufbau im Hinblick auf die Herstellbarkeit

Die elektrische Leistung allein reicht nicht aus.

Der Laminataufbau muss zudem fertigungsfähig sein.

Zu den wichtigen Aspekten gehören:

Symmetrische Schichtstruktur

Ausgewogene Designs reduzieren:

• Verzug
• Innere Anspannung
• Ausfälle aufgrund mangelnder Zuverlässigkeit

Interner Link: PCB-Verformung und Reflow-Verformung

Ausgewogene Kupferverteilung

Unebenheiten im Kupfer können folgende Probleme verursachen:

• Laminierungsspannung
• Delaminierung
• Dimensionsinstabilität

Interner Link: Ursachen und Vorbeugung von Delamination bei Leiterplatten

Geeignete Dielektrikumsdicke

Vermeiden Sie unnötig dünne dielektrische Schichten, die die Herstellung erschweren.

So entwirfst du einen effektiven Leiterplattenaufbau

Häufige Fehler beim Aufbau von Leiterplatten

Fräsen ohne Schichtplanung

Führt häufig zu Impedanzproblemen.

Unzureichende Bodenschichten

Ergebnisse in:

• EMI-Probleme
• Schlechte Signalintegrität

Asymmetrische Strukturen

Erhöht das Risiko von Verformungen.

Übermäßige Ebenenwechsel

Unnötige Signalunterbrechungen verursachen.

Material-Eigenschaften ignorieren

Kann zu unzuverlässigen Impedanzwerten führen.

FAQ

Schlussfolgerung

Die Gestaltung des Leiterplattenaufbaus ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Entwicklung von Leiterplatten.

Ein fachgerecht konzipierter Laminataufbau verbessert:

• Signalintegrität
• Impedanzkontrolle
• EMI-Leistung
• Verlässlichkeit
• Fertigungsfähigkeit

Durch die Kombination fundierter elektrischer Konstruktionsprinzipien mit fertigungstechnischen Aspekten können Ingenieure Leiterplattenentwürfe erstellen, die vom Prototyp bis zur Serienfertigung zuverlässig funktionieren.