Multilayer-PCB-Design Tutorial: Die Suche nach der perfekten Welt für das Design von Multilayer-PCBs

Ich war schon immer ein großer Fan von Clint Eastwood. Dirty Harry kam mir immer etwas zu schießfreudig für eine Stadt im zwanzigsten Jahrhundert vor, aber „Der Fremde“ war einfach perfekt für die Härte und Gesetzlosigkeit seiner Zeit. Natürlich hoffte ich immer, dass er die Schlägertypen verprügeln, schneller als der Bandit ziehen oder das Herz des Mädchens erobern würde. Am besten gefiel mir aber, dass er meistens schnelle Entscheidungen traf, wenn auch mit wechselndem Erfolg. Manchmal war das Ergebnis gut, manchmal schlecht und manchmal auch ziemlich hässlich.

Das Design einer Leiterplatte kann ähnliche Ergebnisse haben, je nachdem, ob Sie sich für oder gegen ein Multilayer-PCB-Design entscheiden. Viele PCB-Designer nutzen Multilayer-Leiterplatten, wenn sie eigentlich gar nicht nötig wären. Dies verkompliziert das Design, treibt die Herstellungskosten in die Höhe und Reparaturen oder Modifikationen im Feld praktisch unmöglich

In den meisten Italowestern gründet die Handlung auf bösen Tat(en) oder unerträglichen Lasten, die den Opfern von den Bösen auferlegt werden, und sie endet damit, dass mein Held letztendlich das Böse wieder gut macht. Folgen wir einmal dieser Linie und schauen uns an, was im Design- und Entwicklungsprozess einer Leiterplatte schief gehen kann. Anschließend betrachten wir in dem Multilayer-PCB-Design Tutorial die Faktoren, die wir bei der Entscheidung für oder gegen Multilayer-PCBs berücksichtigen sollten.

Das Heartbreak Ridge für Multilayer-PCBs

Aus dem Blickwinkel des PCB-Designers kann es sehr verlockend sein, PCBs mit mehreren Lagen zu entwerfen. Immerhin scheint in der ganzen Elektronikindustrie die Devise „kleiner ist besser“ zu gelten. Es gibt allerdings gute Gründe, nicht in die Miniaturisierungs-Falle zu tappen, solange kleine Abmessungen kein vorrangiges Designkriterium sind. Dazu ein Beispiel:

• Designkomplexität: Beim Design von Multilayer-PCBs-Design ist es von zentraler Bedeutung, dass alle Bohrungen und Durchkontaktierungen korrekt ausgerichtet sind. Fehler können den Stromfluss beeinträchtigen und Montageprobleme verursachen. Außerdem kann die Benutzung einer ungeraden Lagenzahl oder unterschiedlich dicken Innenlagen zum Verbiegen oder Verdrehen der Leiterplatte führen, sodass diese nicht eingebaut werden kann oder in den Test-Only-Status versetzt wird. Das ist natürlich schlecht. In Kommunikationsanwendungen, in denen Signale verschiedener Art über mehrere Lagen geroutet werden, können Übersprechen oder Impedanz-Unstimmigkeiten Probleme bereiten. Das ist ebenfalls schlecht.
• Höhere Herstellungskosten: Multilayer-PCBs herzustellen, ist wesentlich teurer als bei anderen Leiterplatten. Mehr Material wird benötigt, es dauert länger und die Techniker müssen außerordentlich fähig sein. Schon der einfache Umstieg von zwei auf vier Lagen kann die Produktionskosten schnell um 100 % in die Höhe schnellen lassen. Auch das ist schlecht. 
• Schwierige oder unmögliche Reparaturen: Bei allen Produktions- oder Herstellungsprozessen geschehen kleine Fehler. Dies gilt besonders für Leiterplatten mit einer ungeraden Lagenzahl. Ein- oder zweilagige PCBs lassen sich meist mühelos reparieren, und das PCB kann weiter verwendet werden. Liegt das Problem jedoch auf einer Innenlage, ist eine Reparatur dagegen praktisch ausgeschlossen, und die Leiterplatte(n) ist/sind nutzlos. Das ist auch schlecht.

Ein weiteres, oft übersehenes Problem ist die größere Wärmeentwicklung mehrerer Lagen, die sich eventuell erst zeigt, wenn das Produkt eine Zeitlang im Einsatz ist. Wenn dieses Problem so gravierend ist, dass es zu einem Ausfall kommt, sind ein Rückruf, ein Neudesign und die erneute Produktion die Folge. Das ist sehr ungünstig.

Wie wir sehen, kann die Entscheidung für ein Multilayer-PCB-Design große Probleme mit sich bringen, wenn nicht vernünftig vorgegangen wird. Allerdings gibt es auch eine gute Seite. Wenn wir uns bei der Auswahl und dem Design Mühe geben, können wir am Ende stolz in den Sonnenuntergang reiten, wie Clint es immer tut.

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Multilayer-PCB-Design richtig genutzt

Wenn Sie bereit sind, zusätzliche Zeit für Design und Herstellung aufzubringen, die höheren Kosten zu tragen und sich an den besten Richtlinien für das Design von Multilayer-PCBs zu orientieren, können Sie die Option durchaus verfolgen. Dies gilt besonders dann, wenn die Größe des Produkts das wichtigste Kriterium ist. Nehmen wir einmal an, sie es nicht ist. Welche Gründe gibt es dann, trotzdem auf Multilayer-PCB-Design zu setzen?

• Funktionalität: Mit Multilayer wird der Einsatz komplexerer Schaltkreise möglich. So lässt sich mehr Funktionalität in einem kleineren Gehäuse unterbringen. Die Marketingvorteile liegen auf der Hand. Das ist gut.
• Langlebigkeit: Die Sorgfalt und die zusätzlichen Arbeitsstunden, die in  Entwicklung von PCB-Designs fließen, bringen besser konstruierte und äußerst zuverlässige Baugruppen hervor. Auch das ist gut.
• Befestigungseigenschaften: Je kleiner das PCB, desto einfacher ist der Einbau. Es benötigt weniger Befestigungsbohrungen und kann in einem größeren System an einer Vielzahl von Orten montiert werden. Tatsächlich kann es sogar zur Größenreduktion des ganzen Produkts beitragen, was der Tragbarkeit, den Lagermöglichkeiten und der Vermarktbarkeit zugutekommt. Dies ist ebenfalls gut.

Echtes Design

Multilayer-Leiterplatten sind teurer, ihre Herstellung dauert länger und sie setzen mehr Fachkenntnis für das Design und die Herstellung voraus. Die Entscheidung für den Weg sollte also gut überlegt sein. Wenn Sie vor der Entscheidung für oder gegen eine Multilayer-Leiterplatte stehen, sollten Sie nicht blindlings der nach Miniaturisierung strebenden Masse folgen. Sie könnten sonst ziemlich hässliche Ergebnisse bekommen. Gründen Sie Ihre Wahl stattdessen auf klugen Entscheidungen, die die Vor- und Nachteile nüchtern gegeneinander abwägen, damit ein gutes Ergebnis sichergestellt ist.

Nein: Einige PCB-Designs eignen sich einfach besser für ein einlagiges Layout. Das Motherboard eines Computers ist ein gutes Beispiel. Diese Leiterplatten haben normalerweise viele Ports verschiedener Größen und jede Menge abnehmbarer Teile, die leicht zugänglich sein müssen. Das ist bei einem Multilayer-Design zwar nicht unmöglich, aber unpraktisch, weil der Vorteile der geringeren Größe die Nachteile der Komplexität und Kostensteigerung nicht aufwiegt.

Ja: Am häufigsten steht hinter der Entscheidung für Multilayer-PCB-Designs der reduzierte Footprint der Leiterplatte. Wenn die Designflexibilität nicht durch die Zahl der Ein- und Ausgänge, Fanoutbeschränkungen für einzelne ICs (d. h. MPUs, FGPAs, etc.) oder sonstigen Leiterbahnen-Längenbeschränkungen eingeschränkt wird, kann ein Multilayer-PCB tatsächlich die Lösung sein. Das gilt vor allem dann, wenn das Produkt den Einsatz flexibler Schaltkreise erlaubt, mit denen die Produktion von einem großen Teil der Genauigkeitsprobleme befreit wird, während der Designer mehr Freiheit erhält.

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