10-Lagen-PCB: Grundlegender Leitfaden für PCB-Stackup-Design und -Anwendungen

Leiterplatten werden immer komplexer, um Komponenten mit höherer Dichte und komplexerer Funktionalität unterzubringen. Die 10-Lagen-Leiterplatte ist ein Paradebeispiel für diese Entwicklung. Es wurde für die Bewältigung anspruchsvollerer elektronischer Aufgaben entwickelt und stapelt zehn einzelne Schichten, von denen jede einem bestimmten Zweck dient, zu einer einzigen, effizienten Einheit. In diesem Artikel erkunden wir die komplexe Welt der 10-Lagen-Leiterplatten und gehen auf deren Design, Vorteile und Herausforderungen ein. Es ist ideal für diejenigen, die sich für die technologischen Fortschritte in der elektronischen Schaltung interessieren, und bietet ein klares, detailliertes Verständnis dieser komplexen Komponenten.

Was ist eine 10-Lagen-Leiterplatte?

Eine 10-Lagen-Leiterplatte ist eine elektronische Platine mit zehn Schichten leitfähigem Material für die Signalführung. Diese mehrschichtige Struktur ermöglicht komplexe Schaltungsdesigns und ermöglicht eine dichtere Anordnung elektronischer Komponenten. Sie verwenden 10-lagige Leiterplatten in Anwendungen, die eine ordnungsgemäße elektromagnetische Leitfähigkeit erfordern.

Die Dicke standardmäßiger 10-lagiger Leiterplatten kann variieren und liegt typischerweise zwischen 1.33 mm und 3.0 mm. Diese Variation ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen, wie z Dicke von Kupfer, Prepreg (vorimprägnierte Verbundfasern) und Kernmaterialien, die in der Leiterplatte verwendet werden. Beispielsweise könnten bei Leiterplatten, die eine hohe Isolierung erfordern, doppelte Schichten aus Prepregs verwendet werden. In Situationen, in denen die Leiterplatte hohe Ströme verarbeiten muss, ohne die Signalleiterbahnen zu beschädigen, kann die Dicke des Kupfermaterials bis zu 105 µm (3 Unzen) oder sogar mehr betragen. Diese Aspekte sind entscheidend für die Bestimmung der Gesamtdicke einer 10-lagigen Leiterplatte, um sicherzustellen, dass sie den spezifischen Anforderungen ihrer Anwendung entspricht.

Standardmäßiger 10-Lagen-PCB-Aufbau und -Design

Der Standardaufbau einer 10-lagigen Leiterplatte ist eine gut durchdachte Anordnung, die Signalintegrität, Stromverteilung und Erdungsanforderungen in Einklang bringt. Dieser Aufbau wechselt typischerweise zwischen Signalschichten und Strom-/Masseschichten, um einen effizienten Schaltungsbetrieb zu gewährleisten und Probleme wie Rauschen und Interferenzen zu minimieren.

Die typische Konfiguration einer 10-Lagen-Leiterplatte umfasst mehrere Signalschichten, durchsetzt mit Erdungs- und Stromschichten.

• Obere und untere Schichten: Diese werden im Allgemeinen zur Signalführung verwendet und sind für die Platzierung und Verbindung von Komponenten leicht zugänglich.

• Bodenschicht: Direkt unter der obersten Schicht gelegen, trägt es zur Abschirmung und Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI) bei.

• Abwechselnde Schichten: Die Leiterplatte umfasst mehrere Signalschichten, die mit Erdungs- und Stromschichten durchsetzt sind, was für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsdesigns, von entscheidender Bedeutung ist.

• Zentrales Strom-/Erdungsebenenpaar: Dies ist oft in der Mitte des Stack-Ups enthalten, um eine bessere Signalreferenzierung zu ermöglichen, Übersprechen zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.

• Zusätzliche Signalschichten: Strategisch platziert für komplexe Schaltkreisführungen, die nicht auf den Außenlagen untergebracht werden können. Diese werden unter Berücksichtigung der Signaltypen und der Rauschanfälligkeit positioniert.

• Materialauswahl: Jede Schicht und das Prepreg-Material (harzimprägnierte Faser) werden basierend auf den elektrischen und thermischen Anforderungen der Leiterplatte ausgewählt.

• Prepreg-Material: Bietet physikalische Stabilität und elektrische Isolierung zwischen den Schichten.

Beim Entwurf von 10-lagigen Leiterplatten sind folgende wichtige Punkte zu berücksichtigen:

• Dicke der FR-4-Laminate: Für Leiterplatten mit mehr als 6–8 Schichten werden dünnere FR-4-Laminate, typischerweise zwischen 0.8 und 1.2 mm, anstelle der standardmäßigen 1.6 mm empfohlen. Dies hilft dabei, die Gesamtdicke der Platine für den Einbau in elektronische Geräte zu verwalten.

• Material für hohe Frequenzen: Für Anwendungen mit höheren Frequenzen sollten Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (Dk) verwendet werden, die sich vom Standard FR-4 unterscheidet. Diese Materialien verbessern die Signalintegrität bei hohen Frequenzen.

• Glasübergangstemperatur (Tg): Die Tg sollte über 170 °C liegen, insbesondere für bleifreies Löten und Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit. Dadurch wird sichergestellt, dass das Material hohen Temperaturen standhält, ohne sich zu verschlechtern.

• Glasgewebe-Stile: Die Verwendung dicht gewebter Glasarten in Laminaten sorgt für gleichmäßigere dielektrische Eigenschaften, was für eine konstante elektrische Leistung wichtig ist, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Vorteile von 10-Lagen-PCBs

Die 10-lagige Leiterplatte bietet insbesondere für komplexe elektronische Geräte erhebliche Vorteile. Seine geschichtete Struktur ermöglicht effizientere und anspruchsvollere Designs. Hier sind einige wichtige Vorteile:

• Weitere Routing-Kanäle: Die zehn Schichten reduzieren die Routing-Überlastung erheblich, was besonders für die Integration komplexer integrierter Schaltkreise (ICs) mit hoher Pinzahl von Vorteil ist. Dies erleichtert den Entwurf komplizierter Schaltkreise, ohne dass der Platz für Verbindungen knapp wird.

• Hochgeschwindigkeitsdesign: Der sorgfältige Aufbau der 10 Schichten ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer kontrollierten Impedanz in den Leitungen, insbesondere in den inneren Schichten. Dies ist für Hochgeschwindigkeits-Elektronikdesigns von entscheidender Bedeutung, da es die Signalintegrität gewährleistet und Verzögerungen reduziert.

• Kleinere Boardgrößen: Der mehrschichtige Ansatz ermöglicht ein kompakteres Layout, sodass die Leiterplatte in kleinere Gehäuse passt. Dies ist ein entscheidender Vorteil in der modernen Elektronik, wo eine kontinuierliche Tendenz zur Miniaturisierung ohne Leistungseinbußen besteht.

• Höhere Komponentendichte: Das Design ermöglicht minimale Komponentenabstände und reduziert die Stellfläche, sodass mehr Komponenten auf der Platine platziert werden können. Diese hochdichte Komponentenanordnung ist für moderne, komplexe elektronische Geräte unerlässlich.

• HF-/Hochfrequenz-Design: Zusätzliche Schichten in der Leiterplatte tragen dazu bei, Verluste und parasitäre Effekte zu kontrollieren und eine bessere Abschirmung zu gewährleisten, was für Hochfrequenz- (HF) und Hochfrequenzschaltungsdesigns von entscheidender Bedeutung ist.

• Mixed-Signal-Trennung: Bei einer 10-Lagen-Leiterplatte können digitale und analoge Signale auf separaten Schichten isoliert werden. Diese Trennung ist von entscheidender Bedeutung, um Interferenzen zwischen diesen beiden Signaltypen zu verhindern und die Integrität und Genauigkeit der verarbeiteten Daten sicherzustellen.

Nachteile der Verwendung einer 10-Lagen-Leiterplatte

Während 10-Lagen-Leiterplatten mehrere Vorteile in der Elektronikfertigung bieten, bringen sie auch eine Reihe von Nachteilen mit sich, insbesondere im Vergleich zu einfacheren Leiterplattendesigns. Hier sind einige der Hauptnachteile von 10-Lagen-Leiterplatten:

• Hohe Kosten: Mehrschichtige Leiterplatten wie die 10-schichtige Variante sind teurer in der Entwicklung, Herstellung und möglicherweise Nachbearbeitung. Sie erfordern mehr Zeit und Arbeit für die Montage und sind komplexer.

• Herausforderungen bei der Fehlerbehebung und Reparatur: Die Reparatur einer mehrschichtigen Leiterplatte wie einer 10-schichtigen Platine ist anspruchsvoller als 2-Schicht PCB or 4-Schichtleiterplatte.

• Längere Produktionszeit: Dies kann ein wichtiger Faktor bei Projekten mit engen Fristen oder wenn schnelle Abwicklungen erforderlich sind.

• Begrenzte Verfügbarkeit: Nicht alle Leiterplattenhersteller über die Fähigkeit oder Ausrüstung verfügen, mehrschichtige Leiterplatten herzustellen.

Anwendungen von 10-Lagen-Leiterplatten

10-Lagen-Leiterplatten werden in verschiedenen fortschrittlichen elektronischen Anwendungen eingesetzt, bei denen Komplexität, Leistung und Platzoptimierung von entscheidender Bedeutung sind. Ihr mehrschichtiger Aufbau bietet erweiterte Fähigkeiten, die insbesondere in den folgenden Bereichen von Vorteil sind:

Consumer Elektronik

In Gadgets wie Smartphones, Tablets und Laptops ist der Platz begrenzt, aber der Anspruch an Funktionalität hoch. 10-Lagen-Leiterplatten ermöglichen es diesen Geräten, mehr Komponenten auf kleinerer Fläche unterzubringen, wodurch sie leistungsstark und dennoch kompakt sind.

Automotive Electronics

Moderne Fahrzeuge sind mit fortschrittlichen Systemen für Navigation, Infotainment und Fahrerassistenz ausgestattet. In diesen Systemen werden 10-Lagen-Leiterplatten verwendet, da sie komplexe Schaltkreise verarbeiten und den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen innerhalb eines Fahrzeugs standhalten können.

Medizintechnik

Bei medizinischen Geräten wie MRT-Geräten, Patientenüberwachungssystemen und Diagnosegeräten sind Präzision und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung. Die 10-Lagen-Leiterplatten bieten die erforderliche Komplexität und hochdichte Komponentenplatzierung, die für diese empfindlichen und wichtigen Geräte erforderlich sind.

Industrial Automation

In automatisierten Fertigungs- und Steuerungssystemen werden 10-Lagen-Leiterplatten aufgrund ihrer Fähigkeit verwendet, komplexe Schaltkreise zu unterstützen, die für Sensoren, Steuerungen und Aktoren erforderlich sind. Ihre Zuverlässigkeit und Effizienz sind für den reibungslosen Ablauf automatisierter Prozesse unerlässlich.

Beispiele dafür, was wir für 10-Lagen-Leiterplatten gemacht haben

10-lagige Immersionsgold-Leiterplatte mit einer fertigen Kupferdicke von 1 Unze

• Schicht: 10 Schichten

• Werkstoff: FR4 TG170

• Dimension: 325.48mm * 180.15mm

• Dicke der fertigen Platte: 2.4 mm

• Äußere Schicht. Dicke des fertigen Kupfers: 1 Unzen

• Dicke der Basiskupfer der inneren Schicht: 1 Unzen

• Oberflächenveredelung: Immersionsgold;

10-lagige Immersionsgold-Leiterplatte mit einer fertigen Kupferdicke von 1.5 Unze

• Schicht: 10 Schichten

• Werkstoff: FR4 TG180

• Dimension: 325.48mm * 180.15mm

• Dicke der fertigen Platte: 2.0 mm

• Äußere Schicht. Dicke des fertigen Kupfers: 1.5 Unzen

• Dicke der Basiskupfer der inneren Schicht: 1 Unzen

• Min. Leiterbahnbreite/-abstand: 3.5mil

• Min. Lochgröße: 0.2 mm

• Mindestlochwandkupfer: ≥25UM

• Farbe der Lötstoppmaske: Glänzendes Grün

• Oberflächenveredelung: Immersionsgold

Auswahl des richtigen 10-Lagen-PCB-Herstellers

Die Wahl des richtigen Herstellers für eine 10-Lagen-Leiterplatte ist entscheidend, um die Qualität und Zuverlässigkeit Ihrer elektronischen Produkte sicherzustellen. Hier sind einige Schlüsselfaktoren, die Sie berücksichtigen sollten:

• Erfahrung und Fachwissen: Suchen Sie nach einem Hersteller mit einer soliden Erfolgsbilanz in der Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten.

• Fertigungskapazitäten: Stellen Sie sicher, dass der Hersteller über die erforderliche Ausrüstung und Technologie zur Herstellung von 10-Lagen-Leiterplatten verfügt.

• Qualitätskontrollprozesse: Ein zuverlässiger Hersteller sollte über strenge Qualitätskontrollmaßnahmen verfügen. Dazu gehören Inspektionsprozesse wie die automatisierte optische Inspektion (AOI) und die Röntgeninspektion, um mögliche Probleme mit den Schichten oder Durchkontaktierungen in der Leiterplatte zu erkennen. Lerne mehr über PCB-Inspektion.

• Zertifizierungen: Suchen Sie nach Herstellern mit relevanten Branchenzertifizierungen wie ISO 9001 oder IPC-Konformität.

• Kosteneffizienz: Obwohl die Kosten nicht der einzige entscheidende Faktor sein sollten, ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Preisgestaltung wettbewerbsfähig und transparent ist.

Wenn Sie von den erweiterten Funktionen von 10-Lagen-Leiterplatten fasziniert sind und diese für Ihr nächstes Projekt in Betracht ziehen, Kontakt und besprechen Sie Ihre spezifischen Bedürfnisse.