Warum werden mehrschichtige Leiterplatten so häufig verwendet?

Eine mehrschichtige Leiterplatte ist definiert als eine Leiterplatte, die aus drei oder mehr Schichten leitfähiger Kupferfolie besteht. Sie sehen aus wie Schichten doppelseitiger Leiterplatten, die miteinander laminiert und verklebt sind, mit mehreren Isolationsschichten dazwischen. Die gesamte Struktur ist so angeordnet, dass zwei Schichten auf der Oberflächenseite der Leiterplatte platziert werden, um eine Verbindung zur Umgebung herzustellen. Alle elektrischen Verbindungen zwischen den Schichten werden durch Löcher hergestellt, wie zum Beispiel galvanisierte Durchgangslöcher, Sacklöcher und vergrabene Löcher. Diese Methode kann dann angewendet werden, um hochkomplexe PCBS unterschiedlicher Größe zu erzeugen.

Multilayer PCBS entstand als Reaktion auf die sich ständig ändernden Veränderungen in der Elektronikindustrie. Im Laufe der Zeit sind die Funktionen elektronischer Geräte immer komplexer geworden und erfordern komplexere PCBS. Leider sind PCBS durch Probleme wie Rauschen, Streukapazität und Übersprechen eingeschränkt, sodass bestimmte Designbeschränkungen eingehalten werden müssen. Diese Designüberlegungen machten es schwierig, eine zufriedenstellende Leistung von einseitigen oder sogar doppelseitigen Leiterplatten zu erzielen – daher die Geburtsstunde der mehrschichtigen Leiterplatten.

Die Kapselung der Leistung von Doppelschicht-PCBs in diesem Format ist nur ein Bruchteil der Größe, und Mehrschicht-PCBs werden in der Elektronik immer beliebter. Sie sind in verschiedenen Größen und Dicken erhältlich, um die Anforderungen ihrer erweiterten Anwendungen zu erfüllen, mit Variationen von 4 bis 12 Schichten. Die Anzahl der Lagen ist in der Regel gerade, da ungerade Lagen Probleme in der Schaltung verursachen können, wie z. B. Verziehen, und die Herstellung nicht wirtschaftlich ist. Die meisten Anwendungen erfordern vier bis acht Schichten, aber Anwendungen wie mobile Geräte und Smartphones verwenden in der Regel etwa 12 Schichten, während einige spezialisierte PCB-Hersteller die Kapazität haben, fast 100 Schichten zu produzieren. Mehrschichtige Leiterplatten mit mehreren Schichten sind jedoch selten, da sie äußerst kostengünstig sind.

Warum werden mehrschichtige Leiterplatten so häufig verwendet?

Während Multilayer-Leiterplatten in der Herstellung tendenziell teurer und arbeitsintensiver sind, werden sie zu einem wichtigen Bestandteil der modernen Technologie. Dies liegt vor allem an den vielen Vorteilen, die sie insbesondere im Vergleich zu Ein- und Doppelstockvarianten bieten.

Vorteile von Multilayer-Leiterplatten

Aus technischer Sicht haben Multilayer-Leiterplatten mehrere Vorteile im Design. Zu diesen Vorteilen von Multilayer-Leiterplatten gehören:

• Kleine Größe: Einer der bekanntesten und anerkanntesten Vorteile der Verwendung von mehrschichtigen Leiterplatten ist ihre Größe. Aufgrund ihres Schichtaufbaus sind Multilayer-Leiterplatten selbst kleiner als andere Leiterplatten mit ähnlicher Funktionalität. Dies hat der modernen Elektronik enorme Vorteile gebracht, da der aktuelle Trend zu kleineren, kompakteren, aber leistungsstärkeren Geräten wie Smartphones, Laptops, Tablets und Wearables geht.

• Leichtbauweise: Kleinere Leiterplatten werden für geringeres Gewicht verwendet, zumal mehrere Steckverbinder, die zum Verbinden von Einzel- und Doppelschicht-Leiterplatten erforderlich sind, zugunsten von Mehrschicht-Designs entfallen. Auch dies spielt der modernen Elektronik in die Hände, die tendenziell mobiler ist.

• Hohe Qualität: Diese Leiterplattentypen sind aufgrund des Arbeits- und Planungsaufwands bei der Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten tendenziell besser als einlagige und zweilagige Leiterplatten. Dadurch sind sie auch zuverlässiger.

• Verbesserte Haltbarkeit: Mehrschichtige Leiterplatten halten aufgrund ihrer Beschaffenheit in der Regel länger. Diese Multilayer-Leiterplatten müssen nicht nur ihr Eigengewicht tragen, sondern auch der Hitze und dem Druck standhalten, mit dem sie zusammengeklebt werden. Zusätzlich zu diesen Faktoren verwenden Mehrschicht-PCBs mehrere Isolationsschichten zwischen den Schaltungsschichten und kombinieren sie mit Prepreg-Klebstoffen und Schutzmaterialien.

• Erhöhte Flexibilität: Dies gilt zwar nicht für alle mehrschichtigen Leiterplattenkomponenten, einige verwenden jedoch flexible Konstruktionstechniken, was zu flexiblen mehrschichtigen Leiterplatten führt. Dies kann ideal für Anwendungen sein, bei denen leichte Biegungen und Biegungen auf halbregelmäßiger Basis auftreten können. Dies gilt wiederum nicht für alle mehrschichtigen Leiterplatten, und je mehr Schichten Sie einer flexiblen Leiterplatte hinzufügen, desto weniger flexibel wird die Leiterplatte.

• Leistungsstärker: Multilayer-Leiterplatten sind Bauteile mit extrem hoher Dichte, die mehrere Lagen zu einer EINZELNEN Leiterplatte kombinieren. Durch diese geringen Abstände sind die Platinen stärker verbunden, und ihre inhärenten elektrischen Eigenschaften ermöglichen es ihnen, trotz geringerer Größe eine höhere Kapazität und Geschwindigkeit zu erreichen.

• Einzelner Anschlusspunkt: Mehrschichtige Leiterplatten sind so konzipiert, dass sie als einzelne Einheit und nicht in Reihe mit anderen Leiterplattenkomponenten verwendet werden. Als Ergebnis haben sie einen einzigen Verbindungspunkt anstelle der mehreren Verbindungen, die erforderlich sind, um mehrere einlagige PCBS zu verwenden. Dies erweist sich auch im elektronischen Produktdesign als vorteilhaft, da sie im Endprodukt nur einen einzigen Anschlusspunkt enthalten müssen. Dies ist besonders nützlich für kleine Elektronik und Geräte, die darauf ausgelegt sind, Größe und Gewicht zu minimieren.

Diese Vorteile machen Multilayer-PCBs für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich, insbesondere für mobile Geräte und hochfunktionale Elektronik. Da viele Branchen auf mobile Lösungen umsteigen, finden Multilayer-Leiterplatten wiederum einen Platz in einer wachsenden Zahl von branchenspezifischen Anwendungen.

Warum werden mehrschichtige Leiterplatten so häufig verwendet?

Nachteile von Multilayer-Leiterplatten

Mehrschicht-PCB hat viele Vorteile und ist für verschiedene fortschrittliche Technologien geeignet. Diese Arten von PCBS sind jedoch nicht für alle Anwendungen geeignet. Tatsächlich können mehrere Nachteile die Vorteile von Mehrschicht-PCBs aufwiegen, insbesondere für Elektronik mit geringeren Kosten und Komplexität. Zu diesen Nachteilen zählen:

• Höhere Kosten: Mehrschicht-Leiterplatten sind in jeder Phase des Herstellungsprozesses viel teurer als ein- und zweischichtige Leiterplatten. Sie sind schwer zu entwerfen und brauchen viel Zeit, um potenzielle Probleme zu lösen. Sie erfordern auch hochkomplexe Fertigungsprozesse, die für die Montage viel Zeit und Arbeit erfordern. Darüber hinaus sind aufgrund der Beschaffenheit dieser Leiterplatten alle Fehler, die während der Herstellung oder Montage gemacht wurden, äußerst schwierig nachzuarbeiten, was zu zusätzlichen Arbeitskosten oder Ausschusskosten führt. Darüber hinaus ist die Ausrüstung zur Herstellung von Multilayer-Leiterplatten sehr teuer, da es sich noch um eine relativ neue Technologie handelt. Aus all diesen Gründen kann eine kostengünstigere Alternative die bessere Wahl sein, es sei denn, eine geringe Größe ist für eine Anwendung unbedingt erforderlich.

• Komplexe Produktion: Mehrschichtige PCBs sind schwieriger herzustellen als andere PCB-Typen und erfordern mehr Designzeit und sorgfältige Herstellungstechniken. Das liegt daran, dass selbst kleine Fehler im PCB-Design oder in der Herstellung sie ineffektiv machen können.

• Begrenzte Verfügbarkeit: Eines der größten Probleme bei Multilayer-Leiterplatten sind die Maschinen, die zu ihrer Herstellung benötigt werden. Nicht alle Leiterplattenhersteller verfügen über das nötige Kleingeld oder die Notwendigkeit für eine solche Maschine, daher führen nicht alle Leiterplattenhersteller sie. Dies begrenzt die Anzahl der PCB-Hersteller, die zur Herstellung von Mehrschicht-PCBs für Kunden verwendet werden können. Daher ist es ratsam, sich vor der Entscheidung für einen Leiterplattenhersteller als Lohnfertiger sorgfältig über die Fähigkeiten des Leiterplattenherstellers im Bereich Multilayer-Leiterplatten zu informieren.

• Technischer Designer erforderlich: Wie bereits erwähnt, erfordern mehrschichtige Leiterplatten viel Design im Voraus. Ohne Vorkenntnisse kann dies problematisch sein. Mehrschichtplatinen erfordern Verbindungen zwischen Schichten, müssen jedoch gleichzeitig Übersprechen und Impedanzprobleme reduzieren.Ein einzelnes Problem im Design kann dazu führen, dass eine Platine nicht richtig funktioniert.

• Produktionszeit: Mit steigender Komplexität steigen auch die Fertigungsanforderungen. Dies spielt eine Schlüsselrolle beim Umsatz von Multilayer-Leiterplatten – jede Platine benötigt viel Zeit in der Herstellung, was zu höheren Arbeitskosten führt. Darüber hinaus kann es zu einem längeren Zeitintervall zwischen Bestellung und Erhalt des Produkts kommen, was in einigen Fällen problematisch sein kann.

Diese Probleme sind jedoch nicht aus dem Nutzen von Mehrschicht-PCBs verschwunden. Obwohl sie tendenziell mehr kosten als einlagige Leiterplatten, haben mehrlagige Leiterplatten viele Vorteile gegenüber dieser Art von Leiterplatte.

Vorteile von Multilayer-Leiterplatten gegenüber Single-Layer-Alternativen

Die Vorteile von Multilayer-Leiterplatten gegenüber Single-Layer-Alternativen werden noch deutlicher. Zu den wichtigsten Verbesserungen, die Multilayer-PCBs bieten, gehören:

• Höhere Bestückungsdichte: Während die Dichte von Single-Layer-PCBs durch ihre Oberfläche begrenzt ist, vervielfachen Multilayer-PCBs ihre Dichte durch Schichtung. Trotz der geringeren Größe der Leiterplatte ermöglicht die höhere Dichte eine größere Funktionalität, höhere Kapazität und Geschwindigkeit.

• Kleinere Größe: Insgesamt sind mehrschichtige Leiterplatten kleiner als einschichtige Leiterplatten. Während Einzellagen-PCBs die Oberfläche der Schaltung durch Vergrößern vergrößern müssen, vergrößern Mehrlagen-PCBs die Oberfläche durch Hinzufügen von Schichten, wodurch die Gesamtgröße verringert wird. Dadurch können mehrschichtige Leiterplatten mit höherer Kapazität in kleineren Geräten verwendet werden, während einschichtige Leiterplatten mit höherer Kapazität in größeren Produkten installiert werden müssen.

• Geringeres Gewicht: Die Komponentenintegration in mehrschichtige Leiterplatten bedeutet weniger Bedarf an Steckverbindern und anderen Komponenten und bietet eine leichte Lösung für komplexe elektrische Anwendungen. Mehrschichtige Leiterplatten können den gleichen Arbeitsaufwand wie mehrere einschichtige Leiterplatten ausführen, jedoch mit geringerer Größe, weniger verbundenen Komponenten und geringerem Gewicht. Dies ist eine wesentliche Überlegung für kleine elektronische Geräte, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt.

• Verbesserte Designmerkmale: Insgesamt können Mehrschicht-PCBs durchschnittliche Einzelschicht-PCBs übertreffen. Durch die Kombination besser kontrollierter Impedanzeigenschaften, höherer EMI-Abschirmung und insgesamt verbesserter Designqualität können Mehrschicht-PCBs mehr erreichen, obwohl sie kleiner und leichter sind.

Warum werden mehrschichtige Leiterplatten so häufig verwendet?

Was bedeuten diese Faktoren also bei der Entscheidung für mehrschichtige und einschichtige Strukturen? Wenn Sie kleine, leichte und komplexe Geräte herstellen möchten, bei denen die Qualität entscheidend ist, sind mehrschichtige Leiterplatten möglicherweise die beste Wahl. Wenn Größe und Gewicht jedoch keine wesentlichen Faktoren beim Produktdesign sind, können ein- oder doppellagige PCB-Designs kostengünstiger sein.