Wenn Hardware-Ingenieure zum ersten Mal mit Multilayer-Leiterplatten in Berührung kommen, fühlen sie sich möglicherweise etwas überfordert. Der Anblick von zehn- oder achtlagigen Platinen mit dichten, komplizierten Leiterbahnen, die an Spinnweben erinnern, kann einen verunsichern. Dabei ist das Design von Multilayer-Leiterplatten ein wesentlicher und integraler Bestandteil moderner Elektronikprodukte. Die interne Struktur von Multilayer-Leiterplatten lässt sich mithilfe dreidimensionaler Grafiken darstellen, was ein intuitiveres Verständnis des Leiterplattendesigns ermöglicht.Der Kern von HDI
High-Density Interconnect (HDI) ist ein Kerndesign für mehrlagige Leiterplatten, das sich hauptsächlich durch seine Via-Technologie auszeichnet. Der Herstellungsprozess der Schaltkreise in mehrlagigen Leiterplatten ähnelt dem von ein- und doppellagigen Leiterplatten, wobei der größte Unterschied in der Via-Technologie liegt. Die Schaltkreise werden geätzt, während die Vias durch Bohren und Verkupfern gebildet werden.Arten von mehrschichtigen Leiterplatten
Mehrschichtige Leiterplatten sind gängige und unverzichtbare Komponenten moderner Elektronikprodukte. Bei Design und Herstellung werden je nach Komplexität und Leistungsanforderungen der Produkte unterschiedliche Schichtanzahlen und Technologien ausgewählt. Im Folgenden werden einige gängige Arten mehrschichtiger Leiterplatten und ihre typischen Anwendungen beschrieben:Durchsteck-Leiterplatte
Die bedrahtete Leiterplatte ist die einfachste Art von Mehrschichtplatine und besteht typischerweise aus zwei durch Durchgangslöcher miteinander verbundenen Schichten. Dieser Leiterplattentyp eignet sich für einige einfache 8-Bit-Mikrocontrollerprodukte und ist relativ kostengünstig. Aufgrund potenzieller Signalstörungen und Designbeschränkungen durch bedrahtete Verbindungen wurde sie jedoch nach und nach durch andere Typen für Produkte mit höheren Leistungsanforderungen ersetzt.Erste Ordnungstafel
Eine First Order Board ist eine gängige 4- bis 6-lagige Durchsteckplatine, die für intelligente Hardware auf 32-Bit-Mikrocontroller-Niveau geeignet ist. Sie bietet mehr Platz für die Verbindungen zwischen den Schichten und mehr Designflexibilität, trägt zur Reduzierung von Signalstörungen bei und sorgt für eine bessere elektrische Leistung und Störfestigkeit. Gleichzeitig ist der Herstellungsprozess relativ einfach und die Kosten relativ niedrig, was sie zur bevorzugten Wahl für viele Produkte mittlerer Komplexität macht.Vorstand der zweiten Ordnung
Eine Second-Order-Platine ist ein fortschrittlicherer Typ einer mehrschichtigen Leiterplatte, typischerweise mit 6 bis 8 Schichten. Das Design dieser Platine ist komplexer und eignet sich für intelligente Hardware auf Linux- und Android-Niveau. Bei diesen Produkten erfordert die Anordnung von Kommunikationsschnittstellen, Hochgeschwindigkeitssignalen, Strom- und Masseschichten eine höhere Präzision, und die Verwendung einer Second-Order-Platine kann diese Anforderungen besser erfüllen.Zweiter Ordnung gestapelt über PCB
Die gestapelte Via-Leiterplatte zweiter Ordnung ist ein komplexer Typ, der in acht oder mehr Lagen verwendet wird. Sie kombiniert die Eigenschaften von Leiterplatten erster und zweiter Ordnung und ermöglicht die Platzierung mehrerer Vias an derselben Stelle, was eine höhere Verbindungsdichte und verbesserte Signalintegrität bietet. Aufgrund ihrer Komplexität und der schwierigen Herstellung ist ihre Verwendung jedoch begrenzt und wird hauptsächlich in anspruchsvollen High-End-Produkten eingesetzt.Platinen dritter Ordnung und Leiterplatten höherer Ordnung
Leiterplatten dritter und höherer Ordnung werden aufgrund ihres komplexen Designs und der hohen Herstellungskosten typischerweise für extrem leistungsintensive Anwendungen wie Server und High-End-Computer eingesetzt. Diese Leiterplatten verfügen über mehrlagige Signal- und Stromversorgungsebenen und erfüllen so die Anforderungen komplexer Signalübertragung und Energieverwaltung. Aufgrund ihres hohen Preises werden sie in der Regel in Anwendungen eingesetzt, die extrem hohe Leistung und Zuverlässigkeit erfordern. Smartphones und andere kompakte Produkte verwenden typischerweise achtlagige Leiterplatten erster Ordnung bis zehnlagige Leiterplatten zweiter Ordnung. Da zahlreiche Funktionen und komplexe Schaltungen auf begrenztem Raum untergebracht werden müssen, ermöglichen mehrlagige und höherwertige Leiterplatten eine bessere Signalintegrität, Energieverwaltung und Wärmeableitung. Die Wahl des geeigneten Mehrschicht-Leiterplattentyps hängt von den Leistungsanforderungen des Produkts, der Signalintegrität, der elektrischen Leistung, der Layoutkomplexität und den Budgetbeschränkungen ab. Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt werden immer mehr Produkte höherwertige Leiterplatten verwenden, um den stetig steigenden Funktions- und Leistungsanforderungen gerecht zu werden.Die häufigste Art von Durchgangsloch
Es gibt nur eine Art von Durchkontaktierung, die von der ersten zur letzten Schicht führt. Unabhängig davon, ob es sich um eine externe oder interne Leiterbahn handelt, wird die Durchkontaktierung durchbohrt (auch bekannt als Durchkontaktierungsplatine). Die Anzahl der Schichten hat bei Durchkontaktierungsplatinen keinen Bezug; selbst häufig verwendete zweilagige Leiterplatten haben Durchgangslöcher. Viele Schalter und militärtaugliche Leiterplatten verwenden trotz 20 Schichten immer noch Durchkontaktierungen. Bei diesem Verfahren wird die Leiterplatte mit einem Bohrer gebohrt und anschließend Kupfer in die Löcher plattiert, um elektrische Verbindungen herzustellen.
Es ist zu beachten, dass die Durchmesser der plattierten Durchgangslöcher typischerweise 0,2 mm, 0,25 mm und 0,3 mm betragen. Die 0,2-mm-Bohrer sind jedoch in der Regel teurer als die 0,3-mm-Bohrer. Dies liegt daran, dass die dünneren Bohrer anfälliger für Brüche sind und das Bohren länger dauert. Der zusätzliche Zeit- und Bohreraufwand schlägt sich in den höheren Leiterplattenpreisen nieder.
Laser-Vias auf HDI-Platinen
Dieses Diagramm zeigt den Lagenaufbau einer 6-lagigen 1-Order HDI (High-Density Interconnect)-Platine. Ober- und Unterseite bestehen jeweils aus zwei Lagen mit Laser-Vias von 0,1 mm Durchmesser. Die inneren Lagen sind mit mechanischen Vias versehen, wodurch eine Struktur entsteht, die einer 4-lagigen Durchkontaktierungsplatine ähnelt. Die Außenseite wird zusätzlich von zwei Lagen abgedeckt.
Laser-Vias können Glasfasermaterialien durchdringen, nicht jedoch metallisches Kupfer. Daher beeinträchtigen die Vias auf den Außenlagen die interne Verlegung nicht. Nach dem Laserbohren werden die Löcher verkupfert, wodurch Laser-Mikro-Vias entstehen.
2-Layer-HDI-Board mit Dual-Layer-Laser
Das Bild oben zeigt eine 6-lagige 2-Step Staggered Hole (HDI)-Platine. Normalerweise werden 6-lagige 2-Step HDI-Platinen seltener verwendet, und meist werden 8-lagige 2-Step HDI-Platinen bevorzugt. Bei einer höheren Lagenzahl sind die Prinzipien jedoch dieselben wie bei 6-lagigem HDI. Der Begriff „2-Step“ bezieht sich auf das Vorhandensein von zwei Lagen lasergebohrter Löcher. Der Begriff „staggered“ weist darauf hin, dass die beiden Lagen lasergebohrter Löcher nicht zueinander ausgerichtet sind. Warum sind die Löcher versetzt? Das liegt daran, dass die Löcher während des Verkupferungsprozesses möglicherweise nicht vollständig gefüllt werden und so Hohlräume in den Löchern entstehen. Deshalb ist es nicht möglich, direkt über diese Hohlräume zu bohren. Stattdessen müssen die Löcher in einem bestimmten Abstand versetzt werden, und darüber entsteht eine weitere Lage mit Hohlräumen. 6-lagiges 2-Step HDI bedeutet, dass es 4 Lagen mit 1-Step HDI-Aufbau gibt und außen zusätzlich 2 Lagen hinzugefügt werden. 8-lagiges 2-Schritt-HDI bedeutet, dass es 6 Lagen mit 1-Schritt-HDI-Aufbau gibt und dann zusätzlich 2 Lagen auf der Außenseite hinzugefügt werden. Die Micro-Via-Technologie, bei der sich zwei Lagen lasergebohrter Vias überlappen, ist mit komplexen Prozessen und höheren Kosten verbunden. Dies ermöglicht kompaktere Schaltkreise. Die Vias der inneren Lage müssen galvanisch gefüllt werden, bevor die Vias der äußeren Lage erzeugt werden. Dieser Prozess macht das Verfahren teurer als herkömmliche Durchkontaktierungsplatinen. Für ultrateure High-Density-Interconnect-Platinen (HDI): Es umfasst mehrere Lagen lasergebohrter Micro-Vias. Jede Lage besteht aus lasergebohrten Vias, wodurch die Flexibilität zum Routen und Erstellen von Vias nach Wunsch gegeben ist. Der Layout-Ingenieur ist mit seiner Arbeit äußerst zufrieden und erfüllt! Er muss sich keine Sorgen mehr machen, nicht das ideale Design erstellen zu können. Die Einkaufsabteilung steht jedoch unter erheblichem Druck, da die Kosten für Any-Layer-HDI-Platinen (High-Density Interconnect) im Vergleich zu herkömmlichen Durchkontaktierungsplatinen mehr als 10-mal höher sind! Dies erklärt auch, warum sich nur High-End-Produkte wie das iPhone die Verwendung solch teurer Platinen leisten können. Derzeit scheint es, als ob von anderen Mobiltelefonmarken noch niemand gehört hätte, dass jemand die Any-Layer-HDI-Platine einsetzt.
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