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26. April 2024

Was sind doppellagige Leiterplatten?

Einführung

Willkommen in der sich ständig weiterentwickelnden Welt der Leiterplattentechnologie (PCB) – einem Bereich, der den Kern der modernen Elektronik bildet. Von den Anfängen des Elektrodesigns bis hin zu den heutigen Hightech-Geräten haben sich PCBs bemerkenswert gewandelt, sind ausgefeilter geworden und integraler Bestandteil elektronischer Innovationen.

Unter den verschiedenen im Laufe der Jahre entwickelten Leiterplattentypen stellen Doppelschicht-Leiterplatten einen bedeutenden Fortschritt dar. Sie bieten ein Gleichgewicht zwischen Einfachheit und Komplexität, das die Herangehensweise der Ingenieure an das Schaltungsdesign revolutioniert hat.

Der Aufbau von Doppelschicht-Leiterplatten

Doppelschichtige Leiterplatten, eine entscheidende Innovation im Design elektronischer Schaltungen, zeichnen sich durch eine besondere Struktur aus, die eine verbesserte Funktionalität ohne die Komplexität und Kosten modernerer Leiterplattentypen ermöglicht. 

Wenn man die Komponenten und die Zusammensetzung dieser Leiterplatten versteht, wird klar, warum sie in den unterschiedlichsten Branchen so häufig eingesetzt werden.

Was sind doppellagige Leiterplatten?

Eine doppellagige Leiterplatte besteht aus zwei Schichten leitfähigen Materials, normalerweise Kupfer, die durch eine isolierende Trägerschicht getrennt sind. Dieses Design ermöglicht die Verlegung von Schaltkreisen sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Leiterplatte, die durch Vias verbunden sind – kleine, mit Kupfer beschichtete Durchgangslöcher, die das elektrische Signal zwischen den beiden Schichten leiten.

Durch diese Konfiguration wird die für die Verdrahtung verfügbare Fläche im Vergleich zu einlagigen Leiterplatten erheblich vergrößert, ohne dass mehrere Lagen erforderlich sind, deren Herstellung teurer und komplexer sein kann.

Häufig verwendete Materialien

  • Leitfähige Schichten: Aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit ist Kupfer das Material der Wahl für die leitfähigen Schichten einer doppelschichtigen Leiterplatte. Kupferschichten sind dünn genug, um das präzise Ätzen detaillierter Schaltungsmuster zu ermöglichen, aber dick genug, um eine ausreichende Leitfähigkeit ohne übermäßigen Widerstand zu gewährleisten. Die Dicke des Kupfers kann je nach Strombedarf der Anwendung variieren und liegt normalerweise zwischen 30 und 90 Gramm pro Quadratfuß.
  • Untergrund: Das am häufigsten verwendete Material für das Substrat in doppelschichtigen Leiterplatten ist FR-4, ein glasfaserverstärktes Epoxidlaminatmaterial. FR-4 wird aufgrund seiner Haltbarkeit, Flammbeständigkeit und relativ geringen Kosten bevorzugt. Es bietet außerdem eine hervorragende Grundlage für die Kupferschichten und bietet eine stabile und zuverlässige Basis, die Verformungen, Feuchtigkeit und Wärmeausdehnung widersteht. Andere Materialien wie CEM-1 und CEM-3 werden ebenfalls verwendet, insbesondere bei Anwendungen, die unterschiedliche mechanische oder thermische Eigenschaften erfordern.
  • Lötmaske und Siebdruck: Über den Kupferschichten wird auf beiden Seiten der Leiterplatte eine Lötmaske aufgetragen, um das Kupfer vor Oxidation zu schützen und Lötbrücken während des Montageprozesses zu vermeiden. Diese Schicht ist normalerweise grün, kann aber je nach Fertigungsanforderungen oder ästhetischen Wünschen auch in anderen Farben ausgeführt werden. Die Siebdruckschicht wird über der Lötmaske angebracht und bietet Beschriftungen für die Platzierung der Komponenten, was bei manuellen Montage- und Inspektionsprozessen hilft.

Herstellung doppellagiger Leiterplatten

Die Herstellung von doppellagigen Leiterplatten umfasst eine Reihe präziser und sorgfältig kontrollierter Schritte, die auf den Grundlagen der Produktion einlagiger Leiterplatten aufbauen, jedoch zusätzliche Prozesse beinhalten, um die zusätzliche Lage unterzubringen.

Das Verständnis dieser Schritte verdeutlicht die Komplexität der Herstellung von doppelschichtigen Leiterplatten.

Schrittweiser Herstellungsprozess

  1. Untergrundvorbereitung: Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung des Substrats, das normalerweise aus FR-4-Material besteht, das langlebig ist und für Schalldämmung zwischen den Schichten sorgt. Das Substrat ist beidseitig mit Kupfer vorbeschichtet und bereit für die nächsten Schritte.
  2. Übertragung des Schaltungsmusters: Ein lichtempfindlicher Fotolack überträgt die gewünschten Schaltungsmuster auf beide Seiten des kupferbeschichteten Substrats. Dieses wird durch eine Mustermaske hindurch ultraviolettem Licht ausgesetzt, wodurch der Fotolack dort aushärtet, wo das Kupfer verbleiben soll.
  3. Radierung: Der ungehärtete Fotolack wird dann weggespült, wodurch das unerwünschte Kupfer freigelegt wird. Eine Ätzlösung, häufig eine Eisenchloridlösung, wird aufgetragen, um das freiliegende Kupfer zu entfernen, wodurch die durch den gehärteten Fotolack definierten Schaltkreismuster zurückbleiben.
  4. Bohren: Sobald das Ätzen abgeschlossen ist, werden an bestimmten Stellen Löcher (Vias) durch das Substrat gebohrt, um eine elektrische Verbindung zwischen der oberen und unteren Schicht herzustellen. Die Präzision beim Bohren ist entscheidend, da sie die Funktionalität der Vias beeinflusst.
  5. Überzug: Die gebohrten Löcher werden dann mit Kupfer beschichtet, um leitfähige Durchkontaktierungen zu bilden, die die oberen und unteren Schichten elektrisch verbinden. Dieser Schritt ist für die Funktionalität der doppelschichtigen Leiterplatte unerlässlich.
  6. Lötstoppmaske auftragen: Nach der Beschichtung wird auf beiden Seiten der Platine eine Lötstoppmaske aufgetragen. Diese Schicht schützt die Kupferschaltkreise und verhindert beim Löten der Bauteile versehentliche Lötbrücken.
  7. Siebdruck: Der letzte Schritt umfasst das Drucken der Siebdruckschicht, die Beschriftungen und andere wichtige Markierungen auf der Leiterplatte anbringt. Diese Markierungen unterstützen den Montageprozess und helfen dabei, Lötkomponenten präzise zu platzieren.

Unterschied zur Herstellung einlagiger Leiterplatten

  • Komplexität und Fähigkeiten: Während die grundlegenden Schritte wie Substratvorbereitung, Musterübertragung, Ätzen und Endbearbeitung bei der Herstellung ein- und zweischichtiger Leiterplatten ähnlich sind, liegen die Hauptunterschiede in den Bohr- und Beschichtungsprozessen. Bei einschichtigen Leiterplatten sind normalerweise keine durchkontaktierten Löcher erforderlich, da das Verbinden mehrerer leitfähiger Schichten unnötig ist. Dies vereinfacht den Produktionsprozess und reduziert den Zeit- und Kostenaufwand bei der Herstellung.
  • Erhöhte Fertigungsschritte: Doppellagige Leiterplatten erfordern zusätzliche Schritte, insbesondere das Bohren von Durchkontaktierungen und deren anschließende Beschichtung, die für die Funktionalität der Leiterplatte entscheidend sind, aber auch die Komplexität und die Produktionskosten erhöhen.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Doppelschicht-Leiterplatten sind im Vergleich zu einschichtigen Leiterplatten komplexer und finden in vielen Branchen Anwendung. Sie können mehr Schaltkreise aufnehmen, ohne den Platzbedarf und die Kosten von mehrschichtigen Leiterplatten in Anspruch zu nehmen, was sie in vielen Bereichen besonders nützlich macht.

Lassen Sie uns untersuchen, wie diese vielseitigen Boards in verschiedenen Sektoren eingesetzt werden.

Unterhaltungselektronik

Im Markt für Unterhaltungselektronik werden doppellagige Leiterplatten häufig verwendet, da sie mäßig komplexe Schaltkreise unterstützen und gleichzeitig die Kosten niedrig halten. Sie sind ideal für Geräte mittlerer Dichte, bei denen einlagige Leiterplatten hinsichtlich der Schaltkreiskomplexität nicht ausreichen, mehrlagige Leiterplatten jedoch unnötig komplex und teuer wären.

  • Smart-Home-Geräte: Viele Smart-Home-Technologien, darunter Thermostate und Überwachungskameras, verwenden doppelschichtige Leiterplatten, um mehrere Funktionen und Verbindungsoptionen zu verwalten.
  • Tragbare Elektronik: Geräte wie GPS-Tracker und tragbare Mediaplayer verwenden häufig doppelschichtige Leiterplatten, um die erforderlichen Komponenten auf kompaktem Raum unterzubringen.

Automobilindustrie

Der Automobilsektor profitiert stark von der Robustheit und Zuverlässigkeit doppellagiger Leiterplatten, insbesondere in Umgebungen, in denen robuste und langlebige Komponenten erforderlich sind.

  • Kontroll systeme: Doppelschichtige Leiterplatten werden in Steuersystemen von Kraftfahrzeugen verwendet, einschließlich elektronischer Steuergeräte (ECUs), die verschiedene Fahrzeugfunktionen verwalten, vom Kraftstoffmanagement bis zum automatischen Bremsen.
  • Armaturenbrett-Elektronik: Kombiinstrumente und Infotainmentsysteme sind auf doppelschichtige Leiterplatten angewiesen, um die zunehmende elektronische Komplexität, einschließlich Konnektivitätsfunktionen und Anzeigetechnologien, zu unterstützen.

Industrielle Systeme

Bei industriellen Anwendungen doppelschichtiger Leiterplatten kommt es auf die Haltbarkeit an und sie müssen in der Lage sein, mehr Leistung und Konnektivität zu bewältigen, als einschichtige Leiterplatten bieten können.

  • Netzteile: Industrielle Netzteile nutzen häufig doppelschichtige Leiterplatten, um höhere Ströme zu bewältigen und die Wärme besser über die Platine zu verteilen.
  • Bedienfelder und Überwachungssysteme: Viele Industriemaschinen erfordern komplexe Steuerungs- und Überwachungssysteme, die von der zusätzlichen Schaltungskapazität doppelschichtiger Leiterplatten profitieren.

Medizinische Geräte

Im medizinischen Bereich werden doppellagige Leiterplatten in Geräten verwendet, die eine hohe Zuverlässigkeit und ein kompaktes Design erfordern. Sie unterstützen höhere Schaltkreisdichten, die für anspruchsvolle Funktionen erforderlich sind, ohne viel Platz einzunehmen, was bei der Entwicklung medizinischer Geräte einen erheblichen Vorteil darstellt.

  • Tragbare medizinische Monitore: Geräte wie Blutdruckmessgeräte und tragbare Diagnosescanner verwenden häufig doppelschichtige Leiterplatten, um ihre elektronischen Komponenten effizient zu verwalten.
  • Tragbare Gesundheitstracker: Doppelschichtige Leiterplatten ermöglichen die Integration mehrerer Sensoren und Konnektivitätsmodule in kompakte tragbare Geräte.

Vorteile von doppellagigen Leiterplatten

Doppellagige Leiterplatten bieten einzigartige Vorteile und sind daher für viele Elektronikhersteller und -designer eine attraktive Option. Diese Vorteile ergeben sich aus ihrer höheren Komplexität im Vergleich zu einlagigen Leiterplatten, ohne die hohen Kosten und Fertigungsherausforderungen mehrlagiger Leiterplatten.

Hier ist ein genauerer Blick auf die wichtigsten Vorteile von doppellagigen Leiterplatten:

Verbesserte Schaltungsdichte

Einer der größten Vorteile von doppellagigen Leiterplatten ist ihre höhere Schaltkreisdichte. Da sich auf beiden Seiten des Substrats leitfähige Schichten befinden, können diese Leiterplatten mehr Komponenten und komplexere Schaltkreise aufnehmen als einlagige Leiterplatten. Dies ermöglicht:

  • Erweiterte Funktionalität: Doppelschichtige Leiterplatten können erweiterte Funktionen bei gleicher Platinengröße unterstützen, was für moderne elektronische Geräte, die anspruchsvolle Funktionen erfordern, von entscheidender Bedeutung ist.
  • Kompakte Designs: Die Möglichkeit, Komponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte zu platzieren, trägt dazu bei, die Gesamtgröße der Platine zu reduzieren, was für miniaturisierte Geräte von entscheidender Bedeutung ist.

Verbesserte Funktionalität

Das strukturelle Design doppelschichtiger Leiterplatten ermöglicht nicht nur eine höhere Schaltungsdichte, sondern verbessert auch die Gesamtfunktionalität durch:

  • Verbesserte Konnektivität: Vias (Durchkontaktierungen) in doppelschichtigen Leiterplatten sorgen für robuste Verbindungen zwischen den Schichten und verbessern die Signalintegrität und die Zuverlässigkeit elektrischer Leitungsbahnen.
  • Bessere Wärmeverteilung: Die Verteilung der Komponenten auf beide Seiten der Leiterplatte ermöglicht ein besseres Wärmemanagement und verringert das Risiko einer Überhitzung in dicht gepackten Schaltkreisen.

Größere Designflexibilität

Doppellagige Leiterplatten bieten Designern mehr Flexibilität bei der Schaltungsführung und Platzierung von Komponenten. Diese Flexibilität ist entscheidend, wenn es um komplexe elektronische Baugruppen geht, bei denen Platz und Konnektivität knapp sind. Designer können:

  • Layouts optimieren: Mehr Platz für Schaltungspfade bedeutet, dass Designer das Layout optimieren können, um die Signalpfadlängen zu reduzieren und die Leistung zu verbessern.
  • Vermeiden Sie Designkompromisse: Durch zusätzlichen Platz und mehr Anschlussmöglichkeiten besteht für Designer die Gefahr, dass sie bei der Leistung des elektronischen Geräts Kompromisse eingehen.

Kosteneffektivität

Im Vergleich zu mehrschichtigen Leiterplatten sind doppelschichtige Leiterplatten kostengünstiger und bieten viele Vorteile einer höheren Schichtdichte. Diese Kosteneffizienz ist auf folgende Faktoren zurückzuführen:

  • Einfacherer Herstellungsprozess: Obwohl sie komplexer als einlagige Leiterplatten sind, erfordern doppellagige Leiterplatten weniger Herstellungsschritte als mehrlagige Platten, was die Produktionskosten senkt.
  • Reduzierter Materialeinsatz: Doppellagige Leiterplatten verbrauchen weniger Material als mehrlagige Leiterplatten, was die Kosten insbesondere bei der Produktion großer Stückzahlen erheblich senken kann.

Designherausforderungen und -lösungen

Doppelschichtige Leiterplatten bieten zwar zahlreiche Vorteile, bringen jedoch auch einzigartige Designherausforderungen mit sich, deren Bewältigung sorgfältige Überlegung und strategische Planung erfordert.

Durch das Verständnis dieser Herausforderungen und die Implementierung bewährter Methoden können die Leistung und Zuverlässigkeit dieser Leiterplatten erheblich verbessert werden.

Verwalten der Interlayer-Konnektivität

Eine der größten Herausforderungen bei doppellagigen Leiterplatten besteht darin, eine robuste Konnektivität zwischen den Schichten sicherzustellen. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Integrität elektrischer Signale zwischen den oberen und unteren Schichten.

  • Herausforderung: Die Verwendung von Vias, also leitfähigen Löchern, die durch die Leiterplatte gebohrt werden, um verschiedene Schichten zu verbinden, kann bei unsachgemäßer Umsetzung Probleme verursachen. Unzureichendes Design kann zu stärkeren Verbindungen, erhöhter Impedanz oder Signalintegritätsproblemen führen.
  • Lösung: Um eine robuste Konnektivität zwischen den Schichten zu gewährleisten, verwenden Sie hochwertige Bohrtechniken und beschichten Sie die Durchkontaktierungen sorgfältig mit Kupfer. Es ist wichtig, die Durchkontaktierungen richtig zu dimensionieren und sie strategisch zu platzieren, um den Weg kritischer Signale zu minimieren und potenzielle Störungen zu reduzieren.

Störungen vermeiden

Aufgrund ihrer kompakten Bauweise sind doppellagige Leiterplatten anfälliger für elektromagnetische Störungen (EMI) und Übersprechen zwischen Schaltkreisen auf unterschiedlichen Lagen.

  • Herausforderung: Da elektronische Geräte immer kleiner werden und die Schaltkreisdichte zunimmt, steigt auch das Potenzial für elektromagnetische Störungen und Übersprechen. Dies kann die Leistung des Geräts beeinträchtigen oder zu unerwartetem Verhalten führen.
  • Lösung: Um elektromagnetische Störungen und Übersprechen zu verringern, planen Sie das Layout sorgfältig, um Hochfrequenzkomponenten von empfindlichen Bereichen zu trennen. Nutzen Sie, wenn möglich, Abschirmtechniken und erwägen Sie die Verwendung von Masseflächen, um unerwünschte Signale zu absorbieren und umzuleiten.

Best Practices zur Optimierung des doppellagigen PCB-Designs

Die Implementierung bewährter Methoden beim Entwurf doppelschichtiger Leiterplatten kann dazu beitragen, die Leistung zu maximieren und die mit ihrer Komplexität verbundenen Probleme zu minimieren.

  • Gründliche Designprüfung: Verwenden Sie erweiterte PCB-Designsoftware, um das Schaltungsverhalten zu simulieren und zu analysieren, bevor Sie den Entwurf fertigstellen. So können Sie potenzielle Probleme schon früh im Entwurfsprozess erkennen.
  • Effektive Raumnutzung: Ordnen Sie die Komponenten sorgfältig an, um die Belastung auf beiden Seiten der Leiterplatte auszugleichen. Dies hilft bei der Wärmeverteilung und verringert das Risiko mechanischer Belastung der Platine.
  • Qualitätskontrolle: Führen Sie während der gesamten Fertigung strenge Tests und Qualitätskontrollmaßnahmen durch, um sicherzustellen, dass jede Leiterplatte die erforderlichen Spezifikationen und Leistungsstandards erfüllt.

Abschluss

Doppelschichtige Leiterplatten sind ein Eckpfeiler in der Entwicklung elektronischer Technologien. Sie bieten eine praktische Lösung, die die Lücke zwischen der Einfachheit einschichtiger Leiterplatten und der Komplexität mehrschichtiger Alternativen schließt. Ihre Entwicklung stellt einen bedeutenden Schritt hin zur Entwicklung kompakterer, effizienterer und kostengünstigerer elektronischer Geräte dar.

Sind Sie bereit, das Potenzial doppellagiger Leiterplatten in Ihren Elektronikprojekten zu nutzen? Egal, ob Sie vorhandene Designs aktualisieren oder neue Entwicklungen in Angriff nehmen, doppellagige Leiterplatten könnten die Lösung sein, um die Leistung zu steigern und gleichzeitig die Effizienz beizubehalten.

Wenn Sie neugierig sind, wie doppellagige Leiterplatten in Ihr Projekt passen könnten, oder fachkundige Beratung zur Optimierung Ihres Leiterplattendesigns benötigen, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren.

Kontaktiere uns heute um mehr über unsere doppelschichtigen PCB-Lösungen zu erfahren und wie wir Ihnen helfen können, die Grenzen des Möglichen mit Ihren elektronischen Produkten zu erweitern.

Artikel geschrieben von Alice Lee

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