Moderne Elektronik wie Mobiltelefone, iPads und Smartwatches bereichern unser Leben. Die Leiterplatte (PCB) bildet das Herzstück der Elektronik und sorgt durch die anschließende Leiterplattenbestückung (PCBA) für deren einwandfreie Funktion. Leiterplatten können aus bis zu 40 Lagen bestehen. Das gängige Material ist Fr4. Sie werden in nahezu allen Branchen eingesetzt.

1. Die Bedeutung der Leiterplattenlagen

Elektrische Konnektivität: Der Lagenaufbau spielt eine entscheidende Rolle für die elektrische Leistung und Funktion der Leiterplatte. Durch die Verteilung leitfähiger Drähte über mehrere Lagen kann der Signalfluss effektiv gewährleistet und Störungen deutlich reduziert werden. Dadurch eignet sich die Leiterplatte für immer komplexere Anwendungen.

Platzminimierung: Vertikale Lagenanordnung trägt dazu bei, die Gesamtgröße der Leiterplatte zu verkleinern und den verfügbaren Platz optimal zu nutzen. Dadurch spielt die Leiterplatte im begrenzten Raum miniaturisierter elektronischer Geräte wie Wearables, Smartphones und IoT-Geräten eine wichtige Rolle.

2. Verschiedene Arten von Leiterplattenschichten

(1.) Signalschichten: Die Signalschicht ist die wichtigste leitfähige Schicht, die für die Übertragung elektrischer Signale zwischen den Komponenten verantwortlich ist. Sie besteht aus Kupferdrähten, die die verschiedenen Komponenten verbinden. Die Signalschicht gewährleistet eine präzise und stabile Signalübertragung und -führung. Die Anzahl der Signalschichten hängt letztendlich von der Komplexität und den Designanforderungen der Schaltung ab.

(2.) Massefläche: Die Komponente, die die stabile Energieversorgung der Leiterplatte gewährleistet, ist die Stromversorgung. Die Massefläche dient als Referenzschicht für den Rückstrompfad. Beide Schichten sorgen gemeinsam für eine gleichmäßige Stromverteilung auf der Leiterplatte und reduzieren Rauschen und Spannungsabfall. Als niederohmiger Pfad für den Rückstrom trägt die Massefläche zur Erhöhung der Signalgenauigkeit bei und reduziert elektromagnetische Störungen (EMI) im gesamten Leiterplattenbetrieb.

(3.) Innere Schichten: Die innere Schicht befindet sich üblicherweise zwischen den äußeren Signalschichten der mehrlagigen Leiterplatte. Die innere Lage ermöglicht ein flexibleres und komplexeres PCB-Design, da sie viele wichtige Funktionen im gesamten PCB erfüllt, darunter Stromverteilung, Impedanzregelung, Abschirmung von Störsignalen und mehr Platz für die Verlegung.

3. Wichtige Faktoren im PCB-Lagen-Designprozess

(1.) Signalqualität: Der Schlüssel zur Signalintegrität ist die korrekte Leiterbahnführung und Lagenanordnung. Daher ist die Anordnung der Lagen sorgfältig zu planen, um die Signalqualität im PCB-Betrieb sicherzustellen. Gleichzeitig ist zu beachten, dass die Kontrolle der Impedanzführung auf einer bestimmten Lage für Hochgeschwindigkeitssignale notwendig ist, während empfindliche Signale durch zusätzliche Abschirmlagen vor Störsignalen geschützt werden können.

(2.) Stromverteilung: Einer der wichtigsten Faktoren für die Betriebsstabilität elektronischer Schaltungen ist die korrekte Stromverteilung. Die passende Auslegung von Stromversorgung und Massefläche reduziert Spannungsabfall und Störsignale effektiv und sorgt für eine stabile Stromversorgung der Leiterplatte. Die ausgewogene Positionierung von Stromversorgung und Massefläche trägt maßgeblich zur Vermeidung von Kopplungseffekten und zur Verbesserung der Signalqualität bei.

(3.) Wärmemanagement: Effizientes Wärmemanagement ist auch für Leiterplatten entscheidend. Durch die Kombination von heißer Durchkontaktierung und Kupferfläche kann die Wärmeableitung vom Bauteil deutlich beschleunigt werden. Dies verhindert Betriebs- oder Qualitätsprobleme durch Produktüberhitzung, gewährleistet die Stabilität der Leiterplatte und sorgt für ein angenehmes Produkterlebnis.

(4.) Hersteller: Kosten und Komplexität der Leiterplattenherstellung hängen maßgeblich von der Anzahl und Anordnung der Lagen ab. Daher ist die Fähigkeit des Leiterplattenherstellers, die Lagenanordnung und das Design zu steuern, besonders wichtig, da sie die Effizienz des gesamten Leiterplattenproduktionsprozesses maßgeblich beeinflussen. Gleichzeitig sollte die Machbarkeit berücksichtigt werden, um eine effiziente Produktion ohne Effizienzverluste zu gewährleisten.

Fazit

Die Leiterplattenlage bildet die Grundlage für die Verbindung und Funktion elektronischer Komponenten. Eine gut konzipierte Kaskadenstruktur maximiert den Platzbedarf, sorgt für stabilere elektrische Verbindungen und verbessert die Gesamtleistung elektronischer Geräte deutlich.
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