Lagenaufbau per Knopfdruck

Eine Leiterplatte besteht aus einem Verbund von einzelnen Lagen, die unter der Einwirkung von Druck und Hitze zu einer Einheit miteinander verpresst werden.

Die einzelnen Lagen bestehen einerseits aus elektrisch leitfähigem Material wie beispielsweise Kupfer und andererseits aus elektrisch isolierenden, dielektrischen Materialien wie beispielsweise FR4. Als Kleber werden teilweise vernetzte Harze mit Verstärkungsgewebe, sogenanntes “Prepreg”, verwendet. Dieselben Materialien in ausgehärteter Form mit aufkaschierten Kupferfolien werden “Kerne” genannt. Kerne und Prepregs müssen sich in der Folge abwechseln. Üblicherweise schließt der Layerstack mit Prepreg und Kupferfolie außen.

Durch das “aufeinanderstapeln” dieser einzelnen Materialien ergibt sich der sogenannte Lagenaufbau einer Leiterkarte. Der Lagenaufbau ist im Prinzip die Bauanleitung und Funktionsbeschreibung eines PCBs.

In den Anfängen der Elektronik bestand eine Leiterkarte meist aus ein bis zwei Lagen, wovon eine Lage i.d.R. als Bestückseite und die gegenüberliegende Seite zum Verlöten der Bauteile verwendet wurde. Die Hauptaufgabe der Leiterkarte war hier die Funktion als Trägerelement für die einzelnen Bauteile der Schaltung zu dienen.

Durch den stetigen technischen Fortschritt hat sich die Leiterplatte bis heute hin zu einem sehr komplexen Gesamt-Konstrukt entwickelt. Die Hauptaufgabe als “Bauteilträger” zu fungieren ist zwar erhalten geblieben, darüber hinaus wurden jedoch zahlreiche weitere Eigenschaften ergänzt.

So haben wir heute impedanzkontrollierte Lagenaufbauten mit Power-Plane-Konzepten, das Ganze auf engstem Bauraum und über ein Mehrfaches gegenüber der Lagenanzahl aus den Anfängen. Darüber hinaus werden sowohl starre als auch flexible Leiterplatten hergestellt, deren Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit ständig gestiegen sind.

Betrachtet man eine elektronische Baugruppe, so bildet die Leiterplatte heute im Prinzip ein individuell entwickeltes Bauteil, dessen Eigenschaften gezielt vom Hardware-Entwickler/ Layouter und dem Leiterplattenhersteller beeinflusst werden können.

Der Lagenaufbau (Layer Stack Up) bildet somit das Kernelement eines jeden Designs und schlägt die Brücke zwischen der theoretischen Umsetzung im CAD und der tatsächlichen Fertigung einer Leiterplatte unter realen Bedingungen.

Die Abstimmung zwischen Entwickler und Leiterplattenhersteller sollte bereits früh im Designprozess erfolgen, damit alle fertigungsrelevanten Punkte rechtzeitig abgestimmt werden können.

Hardware-Entwickler respektive Layouter bringen hier die Sichtweise aus dem CAD ein.
Ein Perspektivenwechsel durch den Leiterplattenhersteller ermöglicht die notwendigen fertigungsrelevanten Aspekte zu berücksichtigen.

Kurzum - eine frühzeitige Abstimmung bedeutet “Show-Stopper” zu vermeiden und fertigungsseitige “No-Gos” gar nicht erst aufkommen zu lassen. Gehen Sie deshalb frühzeitig mit Ihrem Leiterplattenhersteller in den Dialog .

Layer Stack Manager:

Eine gute Definition Ihres Lagenaufbaus ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass Ihre Leiterkarte später produziert werden kann. Neben der reinen Herstellbarkeit ist aber auch der Herstellprozess selbst und damit die Herstellkosten vom Lagenaufbau abhängig, Insbesondere bei komplexeren Technologien wie HDI und Starrflex. Der Lagenaufbau bildet das Bindeglied zwischen E-CAD und Leiterplattenfertigung. Für komplexere Designs, bei denen HDI-Leiterplatten-Technologien, rigid-flex Designs oder Multilayer Designs zum Einsatz kommen, bedarf es einer komfortablen Strukturierung und Darstellung Ihres Lagenaufbaus.

Mit dem Altium Designer haben Sie ein Designwerkzeug an der Hand, das bereits über einen integrierten Layer Stack Manager verfügt, in dem Sie Ihre verwendeten Aufbauten erstellen und verwalten können. Der Layer Stack Manager bietet Ihnen die Möglichkeit, gezielt Einzellagen zu ergänzen und deren Parameter individuell zu editieren.

Dadurch wird der Abstimmungsprozess zu Ihrem Leiterplattenhersteller komfortabel gestaltet und deutlich vereinfacht. Neben der Ergänzung und Editierung von Einzellagen, können Sie auch Ihre Via-Spezifikationen im Layer Stack Manager abbilden. Sie haben hier die Möglichkeit Plated Through Hole Vias, Blind Vias und Buried Vias anzugeben. Je nachdem auf welcher Lage diese erstellt werden, stehen Ihnen im Design die dazugehörigen Drill Pairs zur Verfügung.

Darüber hinaus bietet die neueste Version des Layer Stack Managers die Möglichkeit, Impedanzprofile zu erstellen, auf deren Basis Sie Ihr Layout umsetzen können. Der Layer Stack Up wird zum zentralen Element, der über die Signalintegrität Ihrer Leiterplatte entscheidet.

Im Layer Stack Manager lassen sich durch die Auswahl einer Lage und das Betätigen der Plus-Schaltfläche weitere Lagenpaare ergänzen. Je nachdem, in welcher Position Sie sich hierbei im Stapel befinden, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Erfolgt dies beispielsweise für eine Kupferlage, so bietet sich die Möglichkeit, entweder eine dielektrische Lage in Form eines Prepregs einzufügen oder aber eine weitere Kupferlage (hierbei haben Sie die Auswahl zwischen einer Signallage oder einer Power-Plane Lage).
Mit Hilfe des Untermenüs können Sie außerdem darüber entscheiden, ob beispielsweise ein neues Lagenpaar oberhalb oder unterhalb der selektierten Lage eingefügt werden soll.
Auf den Außenlagen bietet sich die Möglichkeit, eine Soldermask, ein Surface Finish oder aber auch im Flex-Design eine Bikini-Coverlay zu ergänzen. Als kleiner Tipp: Falls nicht gesetzt, setzen Sie das Häkchen “Stack Symmetry” im Properties Panel, um die Symmetrie Ihres Aufbaus beim Editieren sicherzustellen.

Im Reiter Vias können Sie Ihre bevorzugten Via-Typen definieren. Die Eigenschaften eines jeden Vias editieren Sie dann über das Properties Panel. Möchten Sie beispielsweise ein Micro-Via erstellen, so klicken Sie zunächst auf die Plus-Schaltfläche um anschließend im Properties Panel Start- und Stopp-Lage zu definieren. Durch Setzen des Häkchens neben der Schaltfläche “µVia” ändert es sich in der Darstellung zu einem konischen Element. Die folgende Animation zeigt die beschriebenen Schritte noch einmal hintereinander weg.

Der Altium Designer bietet Ihnen darüber hinaus die Möglichkeit, im Bereich der Lagenaufbauten mit Templates zu arbeiten. Mit Hilfe des Layer Stack Managers lassen sich nämlich nicht nur Lagenaufbauten editieren, sondern Sie können damit Ihre Aufbauten auch abspeichern, exportieren und erneut in einem Projekt verwenden. Hat ein Aufbau die meist zeitraubende Abstimmung durchlaufen und sich in einem Projekt bewährt, tun Sie gut daran sich diesen für zukünftige Projekte als Template zu speichern. Denn in den meisten Fällen erfindet man das Rad ja nicht neu sondern versucht auf Bekanntes und Bewährtes zurückzugreifen.

Die Erweiterungen Altium Nexus und Altium Concord Pro bringen noch einige weitere Vorteile für die Verwaltung der Lagenaufbauten mit sich. Neben der zentralen Ablage zugänglich für alle Teammitglieder, können Sie auch den Rollout darüber steuern, sodass beispielsweise Ihre Projekt Templates bereits einen abgestimmten Lagenaufbau hinterlegt haben.

Wie das Ganze in der Umsetzung genau funktioniert, erfahren Sie an einem Praxisbeispiel im folgenden Video. Hierbei verwenden wir bereits vordefinierte Standardaufbauten des Leiterplattenherstellers Würth Elektronik Circuit Board Technology - Europas führendem Hersteller im Leiterplattensegment. Die gängigsten Lagenaufbauten des Herstellers finden Sie auch nochmals hier zum Download, sodass Sie selbst die Aufbauten in Ihren Designs verwenden können. Aber auch für Starrflex-Designs sowie für HDI Aufbauten finden sich Templates, die zum Download zur Verfügung stehen.

Material Library:

Wer jedoch ein bisschen mehr Detailtiefe in seinen Lagenaufbauten abbilden möchte, der kann von Würth Elektronik Circuit Board Technology einen kompletten Materialdatensatz erhalten. Es handelt sich dabei um eine Materialbibliothek, die alle Prepregs, Kernmaterialien und Lötstopplacke des Herstellers beinhaltet. Das Bibliotheks File ist in Altium kompatibler Form erhältlich. Das File lässt sich in der Material Library importieren. Aus dem Layer Stack Manager können Sie die Bibliothek unter dem Menüpunkt Tools öffnen und dort mit der Load Schaltfläche die .XML-Datei ergänzen. Der Zugriff auf die Materialien erfolgt wiederum über den Layer Stack Manager, indem Sie dort in der Spalte Material auf die drei Punkte klicken oder eben über das identische Menü im Properties Panel.

Sie als Entwickler verfügen dadurch per Knopfdruck über alle Materialien, die auch der Leiterplattenhersteller selbst im Einsatz hat. Das macht nicht nur jede Abstimmung einfacher, sondern Sie sparen sich auch aufwändige Loops, wenn Sie bisher evtl. einfach von anderen Materialien ausgegangen sind. Auf dieser einheitlichen Datengrundlage können Ihre individuellen Lagenaufbauten somit sehr präzise und komfortabel abgestimmt werden. Zur Materialdatenbank von Würth Elektronik geht’s hier. Man muss diese per E-mail anfordern, sodass Sie auch stets auf dem Laufenden bleiben, sobald neue Materialien ergänzt werden.