Multilayer leiterplatte werden durch abwechselndes Verbinden und Laminieren von drei oder mehr leitfähigen Mustern mit isolierenden Materialien hergestellt. Diese Struktur erleichtert nicht nur die elektrische Kontinuität zwischen den Schichten, sondern sorgt auch für eine elektrische Isolierung zwischen ihnen. Zu den gängigen Konfigurationen mehrschichtiger Leiterplatten gehören Signalschichten, interne Stromversorgungsebenen (zur Aufrechterhaltung der internen elektrischen Schichten) und Masseebenen.
Die Anzahl der Schichten in multilayer leiterplatte ist in der Regel gerade, z. B. 4, 6 oder 8 Schichten, da symmetrische Strukturen dazu beitragen, Verformungen während der Herstellung zu minimieren. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Schichten werden durch Durchkontaktierungen hergestellt, darunter Durchkontaktierungen, Blindkontaktierungen und vergrabene Kontaktierungen, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an die Verbindung zwischen den Schichten erfüllen.
Grundaufbau von Multilayer leiterplatten
Multilayer leiterplatten besitzen einen sandwichartigen Laminataufbau, bei dem leitfähige Schichten, Isolierschichten, Durchkontaktierungen, Oberflächenbeschichtungen und weitere Komponenten abwechselnd gestapelt werden. Der grundlegende Aufbau umfasst folgende Kernbestandteile:
1.Leitfähige Schichten
Zusammensetzung: Hochreine Kupferfolie (Elektrokupferfolie oder Walzkupferfolie), aus der nach dem Ätzen Leiterbahnen entstehen.
Funktion: Signalübertragung und Stromverteilung. Die Einteilung nach Funktionen lautet wie folgt:
Signalschichten: Auf der Oberschicht, Unterschicht oder als Innenschichten angeordnet. Dienen der Verlegung von Signalleiterbahnen und der Bestückung mit elektronischen Bauteilen.
Ebenen für Stromversorgung und Masse: In den Innenschichten platziert. Sie liefern eine stabile Stromversorgung und das Referenzmassepotential für die Schaltung. Gleichzeitig sorgen sie für elektromagnetische Abschirmung und minimieren Störungen.
2.Isolierschichten
Zusammensetzung: Kernplatten und Prepregs.
Funktion: Gewährleisten elektrische Isolation und mechanische Stabilität sowie eine gleichbleibende Schichtdicke zwischen den Ebenen.
Kernplatte: Starre Zwischenträgersubstrate aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (beispielsweise FR-4), beidseits mit Kupferfolie kaschiert. Sie stellen die primäre mechanische Stabilität sicher.
Prepreg: Halbausgehärtetes, mit Epoxidharz imprägniertes Glasfasergewebe. Es wird zwischen Kernplatten oder Kupferfolien eingebracht. Während des Laminierprozesses schmilzt es unter hoher Temperatur und hohem Druck, härtet aus und fungiert als Klebe- und Füllmaterial, um die elektrische Trennung der einzelnen Schichten zu gewährleisten.
3.Durchkontaktierungen (Vias)
Zusammensetzung: Metallisierte Bohrungen innerhalb der Leiterplatte, deren Bohrlochwände mit Kupfer belegt sind.
Funktion: Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen unterschiedlichen leitfähigen Schichten. Man unterteilt sie nach Position: Durchkontaktierungen, die die gesamte Platte durchdringen; Blindkontaktierungen, die Oberflächenschichten mit Innenschichten verbinden; Vergrabene Kontaktierungen, die ausschließlich Innenschichten miteinander verbinden.
4.Oberflächenveredelung und Hilfsschichten
Lötstoplack: Farbige Lackschicht (üblicherweise grün), die alle leitfähigen Bereiche außer den Lötpads bedeckt. Er verhindert Lötbrücken und Kurzschlüsse und grenzt die Lötbereiche ab.
Siebdruckschicht: Texte und Grafiken, die auf den Lötstoplack aufgedruckt werden (zumeist weiß). Sie enthalten Bauteilbezeichnungen, Polaritätsmarkierungen und Versionsinformationen, um die Bestückung und Wartung zu erleichtern.
Oberflächenveredelung: Beschichtungen auf den Lötpads (unter anderem ENIG, HASL, OSP). Sie schützen das Kupfer vor Oxidation und verbessern die Lötbarkeit.
Aufbaulogik (Stackup)
Multilayer leiterplatten entstehen durch das abwechselnde Stapeln von Kernplatten, Prepregs und Kupferfolien sowie anschließendes Laminieren unter hoher Temperatur und hohem Druck. Metallisierte Durchkontaktierungen stellen die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Ebenen her und erzeugen damit komplexe mehrschichtige Verbindungsstrukturen.
Übliche Substrate für Multilayer leiterplatten
1.Universelle Standard-Substrate (am weitesten verbreitet)
FR-4 (Epoxid-Glasgewebe-Laminat): Das dominierende Substrat für multilayer leiterplatten. Es besteht aus glasfaserverstärktem Epoxidharz und zeichnet sich durch ausgezeichnete elektrische Isolation, hohe mechanische Stabilität, gute Temperaturbeständigkeit sowie stabile dielektrische Eigenschaften bei einem ausgewogenen Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Es findet breite Anwendung bei Steuergeräten für Industrieanlagen, Konsumelektronik, allgemeinen Stromversorgungen und den meisten konventionellen multilayer leiterplatten.
2.Hochfrequenz- / Hochgeschwindigkeits-Substrate (für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen)
PTFE-Substrate (Polytetrafluorethylen): Sehr geringe Dielektrizitätskonstante (2,0–3,0) und extrem niedriger Verlustfaktor, wodurch die Signaldämpfung deutlich reduziert wird. Es ist das bevorzugte Substrat für Hochfrequenz-, Mikrowellen- und Satellitenkommunikation sowie multilayer leiterplatten für Frequenzen über 10 GHz, weist jedoch vergleichsweise hohe Kosten auf.
Modifizierte Epoxidharze / Kohlenwasserstoffharze als Hochfrequenz materialien (z. B. RO4350, S1139): Stabile Dielektrizitätskonstante und niedriger Verlustfaktor, Bearbeitungseigenschaften vergleichbar mit FR-4. Geeignet für Multilayer leiterplatten unter 3 GHz, unter anderem in der 5G-Kommunikation, bei Hochleistungsservern und Millimeterwellenradaren. Die Kosten liegen geringfügig über denen von FR-4.
3.Hoch-Tg / temperaturbeständige Substrate (Hochleistungs- und Hochtemperaturumgebungen)
Hoch-Tg FR-4 (z. B. Tg150, Tg170): Auf dem Standard-FR-4 aufbauend verbesserte Glasübergangstemperatur mit erhöhter Temperaturfestigkeit und Dimensionsstabilität. Geeignet für Hochleistungsanwendungen mit hoher Wärmeentwicklung und hohen Zuverlässigkeitsanforderungen wie Automobilelektronik, Industriesteuerungen und das Laminieren von Leiterplatten mit hoher Schichtanzahl.
Metallbasierte Substrate (Aluminium- / Kupferkern-Leiterplatten): Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, eingesetzt für Anwendungen mit hohem Strom und hoher Wärmeentwicklung wie LED-Beleuchtung, elektronische Steuerungssysteme von Elektrofahrzeugen und Hochleistungsstromversorgungen. Es handelt sich um Funktionsleiterplatten und nicht um das gängige Substrat für konventionelle multilayer leiterplatten.
4.Kostengünstige Basissubstrate (Anwendungen mit geringen Leistungsanforderungen)
Papierbasierte Substrate / Verbundsubstrate (z. B. FR-1, FR-2, CEM-1, CEM-3): Niedrige Materialkosten, jedoch geringere mechanische Stabilität, Temperaturbeständigkeit und Isolationseigenschaften im Vergleich zu FR-4. Hauptsächlich für einfache Leiterplatten mit wenigen Schichten und geringen Anforderungen wie Kleingeräte, Elektronikspielzeug und einfache Steuerungen. Sie werden kaum für konstruktive multilayer leiterplatten eingesetzt.
5.Spezialsubstrate (spezielle Umgebungs- und Strukturanforderungen)
PI-Substrate (Polyimid): Herausragende Temperaturfestigkeit und Flexibilität. Vor allem für flexible multilayer leiterplatten (FPC) oder Starr-Flex-Leiterplatten verwendet, beispielsweise Handykabel, Kameramodule und Wearables.
Keramiksubstrate: Kombinieren hohe Wärmeleitfähigkeit mit ausgezeichneten Isolationseigenschaften für Leistungshalbleiter und Hochleistungsgehäuse. Aufgrund extrem hoher Materialkosten finden sie nur begrenzten Einsatz bei multilayer leiterplatten.
Vorteile von multilayer leiterplatte
Hohe Integrationsdichte und komplexe Konstruktionsmöglichkeiten
Durch die Erhöhung der Anzahl der internen leitfähigen Schichten ermöglichen mehrlagige Leiterplatten eine höhere Schaltungsdichte auf begrenztem Raum und erfüllen damit die Konstruktionsanforderungen komplexer elektronischer Systeme. Ein Beispiel hierfür sind Smartphones, bei denen hochintegrierte Komponenten und komplexe Schaltungen auf die Technologie mehrschichtiger Leiterplatten angewiesen sind, um ihre Funktionen zu konsolidieren.
Hervorragende Optimierung der elektrischen Eigenschaften
Die mehrschichtige Struktur umfasst Grundflächen und Abschirmungsschichten, wodurch die Qualität der Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung erheblich verbessert wird. Dieses Design unterdrückt wirksam elektromagnetische Störungen (EMI) und gewährleistet die Signalintegrität sowohl für hochfrequente digitale als auch für analoge Schaltungen. Gleichzeitig minimieren verkürzte Signalübertragungswege die Ausbreitungsverzögerungen und beschleunigen die Reaktionszeiten des Systems. Typische Anwendungen sind Hochgeschwindigkeits-Computer-Motherboards, die auf mehrschichtige Architekturen angewiesen sind, um stabile Datenübertragungsraten und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Kompaktes und leichtes Design
Im Vergleich zu ein- oder zweilagigen Leiterplatten bieten mehrlagige Leiterplatten Platz für mehr Schaltungen bei gleicher Grundfläche, wodurch die Abmessungen und das Gewicht der Leiterplatte reduziert werden. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Geräte mit begrenztem Platzangebot, wie z. B. Wearables und Elektronik für die Luft- und Raumfahrt. Nehmen wir als Beispiel die Apple Watch Series 8: Ihr mehrlagiges Leiterplattendesign integriert komplexe Funktionen wie Biosensorik und drahtlose Kommunikation in einem miniaturisierten Gehäuse und behält dabei seine Leichtigkeit bei.
Verbesserte strukturelle Zuverlässigkeit
Trotz der Komplexität der Herstellung verbessert die dreidimensionale Verbindungsstruktur von Mehrschichtplatinen (die durch Durchkontaktierungen zwischen den Schichten erreicht wird) die mechanische Festigkeit und Vibrationsfestigkeit erheblich. Diese strukturelle Eigenschaft gewährleistet stabile elektrische Verbindungen auch in rauen Umgebungen, wodurch sich Mehrschichtplatinen für die industrielle Steuerung und Automobilelektronik eignen, wo strenge Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt werden.
Herstellungsprozess von Multilayer leiterplatten
Kernplattenfertigung: Durchführen der Innenschichtstrukturierung, des Ätzprozesses sowie der AOI-Prüfung der Kernplatten.
Aufbau und Laminierung: Anordnen von Kernplatten und Prepregs nach vorgegebener Reihenfolge, anschließendes Laminieren unter hoher Temperatur und hohem Druck.
Bohren und Metallisierung: Bohren der Durchkontaktierungen und Ausführen der stromlosen Kupferabscheidung zur Herstellung der schichtübergreifenden elektrischen Verbindungen.
Außenschichtfertigung: Strukturieren der leitfähigen Leiterbahnen auf Ober- und Unterseite mittels Belichtung und Ätzen.
Oberflächenveredelung: Auftragen von HASL, ENIG, OSP oder IAg zum Schutz des Kupfers vor Oxidation.
Lötstoplack und Siebdruck: Beschichten mit Lötstoplack und Aufdrucken der Bauteilkennzeichnungen.
Fräsen und Prüfung: Zuschneiden der Leiterplatten auf die vorgesehene Außenkontur, Durchführen von elektrischen Tests, Impedanzmessungen und Sichtprüfungen vor der Auslieferung.
Anwendungsbereiche von mehrlagige Leiterplatten:
Der Kommunikationssektor ist einer der wichtigsten und umfangreichsten Industriezweige für multilayer leiterplatte anwendungen.
In modernen Kommunikationsgeräten wie Smartphones und WLAN-Routern sind multilayer leiterplatte zu wichtigen Komponenten geworden, die ihre technologische Entwicklung unterstützen. Durch dreidimensionales Routing-Design ermöglicht diese Technologie eine hochdichte Komponentenintegration auf engstem Raum. Gleichzeitig schafft ihre Schichtstruktur Signalwege mit niedriger Impedanz, wodurch die Datenübertragungsraten erheblich verbessert werden. Dies entspricht genau dem Branchentrend zur Miniaturisierung und hohen Leistung von Kommunikationsgeräten.
Entscheidend ist, dass die in multilayer leiterplatte integrierten Abschirmungsschichten und Erdungssysteme eine wirksame elektromagnetische Isolationsstruktur bilden. Dadurch werden die Auswirkungen externer Störungen auf die Signalintegrität erheblich gemindert. Diese störungsresistente Eigenschaft gewährleistet stabile Kommunikationsverbindungen in komplexen elektromagnetischen Umgebungen und bietet zuverlässige Hardware-Unterstützung für Kernfunktionen wie Sprachanrufe und Datenübertragung. Dies verbessert direkt die Kommunikationsqualität und Zufriedenheit der Nutzer.
Unterhaltungselektronik:
Von Smartphones, Tablets und Fernsehern bis hin zu Haushaltsgeräten – praktisch alle Unterhaltungselektronikgeräte sind auf multilayer leiterplatte angewiesen, um die Verbindung und Kommunikation zwischen den Funktionsmodulen herzustellen. Die hohe Routing-Dichte und das kompakte Design von mehrlagige Leiterplatten ermöglichen es, diese Geräte schlanker, leichter und tragbarer zu gestalten und gleichzeitig ihre Leistung und Funktionalität zu verbessern.
Automobilelektronik:
Mit der fortschreitenden Intelligenz von Fahrzeugen werden immer mehr elektronische Komponenten in Fahrzeuge integriert, wobei mehrlagige Leiterplatten als wichtige Brücke für die Verbindung und Kommunikation zwischen diesen Komponenten dienen. Ihre hohe Temperaturtoleranz und Vibrationsfestigkeit gewährleisten einen stabilen Betrieb in rauen Automobilumgebungen und sichern die Zuverlässigkeit der Fahrzeugelektroniksysteme.
In industriellen Steuerungsanwendungen werden multilayer leiterplatte in verschiedenen Steuerungen und Automatisierungsgeräten eingesetzt. Diese Geräte erfordern eine präzise Signalsteuerung und -verarbeitung. Die hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit von multilayer leiterplatte erfüllt die strengen Anforderungen industrieller Umgebungen und gewährleistet stabile und sichere Produktionsprozesse.
In der Luft- und Raumfahrt werden multilayer leiterplatte aufgrund ihrer kompakten Größe, ihrer leichten Bauweise und ihrer stabilen Leistung bevorzugt. Beispielsweise werden in elektronischen Systemen und Navigationsgeräten von Flugzeugen mehrlagige Leiterplatten eingesetzt, um die strengen Volumen- und Gewichtsbeschränkungen der Luft- und Raumfahrtanwendungen zu erfüllen und gleichzeitig einen zuverlässigen Betrieb unter extremen Bedingungen zu gewährleisten.
In medizinischen Geräten wie Magnetresonanztomographen (MRT) und CT-Scannern bilden multilayer leiterplatte Kernkomponenten. Diese Geräte verarbeiten große Mengen an medizinischen Bilddaten und komplexen Steuersignalen, sodass die hohe Leistung und Stabilität von mehrlagige Leiterplatten für die Diagnosegenauigkeit und Gerätesicherheit von entscheidender Bedeutung ist.
