Lagenaufbau bei starren und Rigid-Flex-PCBs

Mehrlagige PCBs aufzubauen, ist wie das Bauen mit Legosteinen. Alle Teile passen gut zusammen, aber Sie müssen dann doch noch den Anweisungen folgen, wenn Sie möchten, dass Ihr Design auch funktioniert. Heutzutage haben nur die einfachsten PCBs eine einzelne Lage oder ein Paar davon, mit oberer und unterer Lage. Mehrlagige Leiterplatten sind heute eher die Norm als die Ausnahme und Leiterplattenhersteller können PCBs mit bis zu 30 Lagen fertigen. Strategien zum Lagenaufbau dieser Leiterplatten sind für eine Reihe von Anwendungen wichtig.

Der PCB-Designer muss für jede Änderung in der Leiterplattenstrategie gerüstet sein. Und was ist das wichtigste Arbeitsmittel eines PCB-Designers? Selbstverständlich seine CAD-Werkzeuge. Der Entwurf einer jeden gedruckten Schaltung braucht zu seiner Unterstützung eine leistungsfähige PCB-Designsoftware. Das gilt umso mehr für flexible und Rigid-Flex-Schaltungen, bei denen das Befolgen der Entwurfsregeln ein bisschen schwieriger ist. Gehen Sie nicht in Ihrem Lagenaufbau unter, sondern sorgen Sie für eine reibungslose Fertigung Ihrer Flex-Leiterplatten.

Lagenaufbau-Strategien für mehrlagige Leiterplatten

In einer perfekten Welt sollte Ihre Lagenaufbau-Strategie es Ihnen ermöglichen, Leiterbahnen und Erdungslagen so anzuordnen, dass EMS und Übersprechen vollständig unterbunden werden. Sie sollte an Flex- und Rigid-Flex-Design angepasst werden können und – damit es noch schwieriger wird –sollte die Erwärmung nicht über Zimmertemperatur hinausgehen. Offensichtlich ist das eher Wunschdenken, denn keine Lagenaufbau-Strategie wird in der Lage sein, alle diese Anforderungen gleichzeitig und perfekt zu erfüllen.

Leiterplatten mit hoher Pin-Dichte benötigen im Allgemeinen mehr Signallagen und es gibt einige allgemeine Richtlinien zur Anzahl der Lagen, die eine Standard-PCB haben sollte. Abhängig von der Dichte des Routings beim Layout stellen Sie dann möglicherweise fest, dass einige Signallagen doch nicht erforderlich sind und entfernt werden können. Nachdem Sie die geeignete Anzahl von Lagen ausgewählt haben, müssen Sie diese anordnen und dabei darauf achten, wie sich diese Anordnung auf EMS und Übersprechen auswirkt.

Bei einem typischen mehrlagigen Aufbau wechseln Signal- und Versorgungs- sowie Erdungslagen miteinander ab, wobei die Lagen durch einen dielektrischen Kern oder Prepreg getrennt sind. Der empfohlene Lagenaufbau hängt von der Anzahl der Lagen der Leiterplatte ab, aber die oben genannte Richtlinie sollte immer befolgt werden, um EMS und Übersprechen zwischen den Lagen zu unterbinden. Die Lösung von thermischen Problemen erfordert für mehrlagige Leiterplatten eigene Entwurfsüberlegungen.

Geräte mit analogen und digitalen Bestandteilen sollten bei einem mehrlagigen Aufbau separate Erdungslagen integrieren. Die beiden Erdungslagen sollten nur an einem Punkt verbunden sein. Gleiches gilt für die analogen und digitalen Signallagen. Trennen Sie Ihre analogen und digitalen Signallagen und lassen Sie sich diese nur an einem einzigen Punkt überschneiden, um eine Rauschkopplung zu vermeiden. Eine Alternative wäre eine einzelne Lage für die Erdung, aufgeteilt in digitale und analoge Abschnitte.

^{Routing muss bei flexiblen Leiterplatten gar nicht schwierig sein}

Die Trennung von analogen und digitalen Signallagen mit ihren jeweiligen Erdungslagen ist ebenfalls eine gute Strategie zur Verhinderung von EMS. Die Anordnung der Erdungslagen zwischen den analogen und digitalen Signallagen schafft eine effektive Abschirmung zwischen beiden Lagen. Die analoge Erdungslage sollte benachbart zur analogen Signallage platziert werden, das Gleiche gilt für die digitale Signallage. Dies gewährleistet, dass jede Signallage nur einen Rückstrom in ihrer jeweiligen Erdungslage induziert.

Rigid-Flex-Lagenaufbau

Sobald Sie zu einem Rigid-Flex-Design übergehen, müssen Sie Ihre flexible Folie mit einem ähnlichen Lagenaufbau wie bei Ihren starren Leiterplatten definieren. Flexible Streifen sind dünner als die Leiterplatten, mit denen sie verbunden sind, und die flexible Folie muss den gleichen Lagenaufbau wie die inneren Lagen der starren Leiterplatten haben. Flexible Streifen müssen normalerweise Signale zwischen den Leiterplatten übertragen und müssen auch eine Rückverbindung zur Erdung haben.

Wenn Sie beabsichtigen, eine Versorgungs- oder Erdungslage über den gesamten flexible Streifen zu ziehen, sollten Sie ein kreuzschraffiertes Kupfermuster verwenden. Kreuzschraffiertes Kupfer bietet eine verbesserte Flexibilität gegenüber einer festen Kupferschicht oder einem festen Kupferstreifen. Kreuzschraffiertes Kupfer sollte auch dann eingesetzt werden, wenn Sie eine Abschirmung für Signallagen auf der flexiblen Folie benötigen.

Bei flexiblen Streifen muss keine Signallage direkt unter der Isolations-Deckschicht platziert werden, es sei denn, Sie beabsichtigen, Bauteile direkt auf dem Streifen zu platzieren. Sie können SMT-Bauteile direkt auf dem Streifen platzieren, sofern sich unterhalb der Isolations-Deckschicht eine Signallage befindet. Das wird immer häufiger beim Design bevorzugt.

Lötaugen müssen in der Signallage direkt unter der Isolations-Deckschicht platziert und in diese müssen Löcher gestanzt werden, so dass SMT-Bauteile Kontakt zur Signallage haben können. Klären Sie das immer mit Ihrem Hersteller und sorgen Sie dafür, dass er mit seinen Möglichkeiten Ihre Designentscheidungen auch umsetzen kann. Vermeiden Sie es immer, diese Funktionen und Bauteile direkt im Biegebereich zu platzieren. Platzieren Sie die Bauteile so, dass ihre Längsseite parallel zur Biegung liegt.

^{SMT-Bauteile können auf flexiblem Streifen effektiv eingesetzt werden}

Ein alternatives Verfahren zum Anordnen von Bauteilen auf einem Streifen ist das Plattieren von Tasten. Die Signallage muss immer noch unter der Isolations-Deckschicht im Lagenaufbau platziert werden und es sollten Stanzlöcher für den Zugriff auf die Signallage vorhanden sein. Eine Durchgangsloch-Durchkontaktierung wird im Befestigungs-Pad platziert und dann bis zu einer festgelegten Dicke plattiert. Wenn die Durchkontaktierungsöffnungen offen gelassen werden, können dann Bauteile in Durchsteckmontage auf dem flexiblen Streifen platziert werden.

Ihre PCB-Designsoftware sollte es Ihnen ermöglichen, einen Rigid-Flex-Lagenaufbau für Ihre PCB zu definieren, ohne dass dafür zusätzliche Designschritte oder spezialisierte Werkzeuge nötig werden. Die hochentwickelten CAD-, Layout- und Simulationswerkzeuge von Altium Designer machen die Festlegung Ihres Lagenaufbaus für Sie ganz einfach. Laden Sie doch eine kostenlose Testversion herunter und finden Sie heraus, ob Altium Designer das Richtige für Sie ist.

Zum Entwerfen und Ausführen Ihrer flexiblen Schaltungsdesigns sollten Sie sich mit einer Software ausrüsten, mit der Sie mehr erreichen können. Mit den richtigen Werkzeugen zu Ihrer Unterstützung wird Ihnen alles gelingen. Sprechen Sie noch heute mit einem Experten von Altium.