Mehrlagige Platinen: PCB-Design und Herstellung für Hochspannungsanwendungen

Einer meiner Lieblingsfilme ist der originale Shrek. Er fand Eingang in den Nerd-Slang Freunde und Geschwister – neben den üblichen Quellen für Zitate, wie z. B. Star Wars. Eine Szene sticht besonders hervor, als Shrek dem Esel erklärt, dass Oger wie er komplexe Wesen sind. Zwiebeln haben Schichten. Oger haben Schichten. Zwiebeln haben Schichten. Verstehst Du? Wir haben beide Schichten.“ Der Esel weist daraufhin, dass nicht jeder Zwiebeln mag, Parfait aber schon. In einem PCB-Designkurs wies einer meiner Freunde darauf hin, dass mehrlagige Platinen irgendwo in der Mitte zwischen Parfait und Zwiebeln einzuordnen sind, also mitten im Spektrum der Zuneigung, die man für mehrschichtige Dinge entwickeln kann.

Bedenkt man, dass mehrlagige Platinen ganz schön komplex sind, so denke ich, dass sie eher den Zwiebeln ähneln als dem Parfait. Eine Sache, die mir dabei hilft, sie mehr zu mögen, ist das Verstehen ihres Herstellungsprozesses und das Wissen um den Einfluss dieses Prozesses auf mein Design. Die Auswirkungen der Herstellung zu verstehen, ist umso wichtiger, wenn es sich um ein Design für Hochspannungsanwendungen handelt.

Wie werden mehrlagige Platinen hergestellt?

Wenn Sie Ihre PCB-Designs an Ihren Hersteller schicken, wird eine Vielzahl einzelner Lagen erzeugt, die auf Ihrer fertigen Platine letztendlich zusammenfinden. Die Kupfer-Leiterbahnen werden zunächst belichtet, dann geätzt und anschließend laminiert. Mit unglaublich leistungsfähigen hydraulischen Pressen werden die einzelnen Lagen dann zusammen mit Isoliermaterial verpresst, bevor die man oberen und unteren Lagen der Platine anschließend weiter bearbeitet.

Die Innenlagen der Leiterplatte werden aus „Prepreg“ (englische Kurzform für pre-impregnated; dt.: vorimprägniert), hergestellt. Bei diesem Material handelt es sich um Glasfasern, die mit Harz imprägniert werden. Der Anteil von Harz im Prepreg-Material bestimmt darüber, wie sehr die Platine in der hydraulischen Presse zusammengequetscht wird. Sie möchten die Prepreg-Menge und die Viskosität für Ihre Endanwendung optimieren und Fehler im Herstellungsprozess vermeiden? Das ist so, als wollten Sie Zuckerguss und Kuchen bei einem mehrschichtigen Kuchen richtig hinbekommen.

Wenn der Klebstoffanteil im Prepreg zu hoch ist, wird er zwischen den Lagen herausgedrückt. Dies klingt gut, wenn es sich dabei um Kuchen mit Zuckerguss handelt. Was die Herstellung von PCBs betrifft, ist es jedoch tatsächlich denkbar schlimm. Ist die Menge an Prepreg-Material zu groß, wird die Platine zu dick. All Ihre Berechnungen für den Spannungsschutz sind damit unbrauchbar.

Was ist Harz?

Für ein Standard-PCB würde ein Hersteller vermutlich ein preiswertes, dickes Prepreg-Material verwenden, das einen geringen Harzanteil und einen hohen Glasfasergehalt (Glas beeinflusst das Durchdringungsvermögen des Harzes) besitzt. Für Hochspannungsanwendungen wird dagegen ein Prepreg-Material benötigt, das einen hohen Harzanteil besitzt, damit nach dem Zusammenpressen der Schichten keine Hohlräume bleiben. Diese Hohlräume nämlich verändern die effektive dielektrische Funktion Ihrer Isolationsschichten und machen Ihre Planungen bezüglich des Spannungsschutzes ebenfalls zunichte.

Spezielle Prepreg-Materialien für Hochspannungsanwendungen, wie z. B. 1080 oder 2113, sind hier eine gute Wahl. Sie weisen einen höheren Harzanteil auf und besitzen dünnere Schichten. So kommt es zu keinem Einschluss von Hohlräumen oder Mikroblasen, und die Dichte aller Lagen verbessert sich. Um noch einmal zu den geschichteten Speisen zurückzukehren: eine an Blätterteig erinnernde Schichtung ist bei Hochspannungsanwendungen äußerst ungünstig. Die Glasfaseranteile in diesen Prepreg-Materialien können auch geringer sein, sodass das Harz besser eindringen kann. Sie sind dann viel teurer, bieten im Vergleich jedoch einen besseren Schutz bei hohen Spannungen.

Wie dick sind die Lagen?

Eine typische Prepreg-Lage ist normalerweise 0,05 mm dick. Sie können sich Ihre Prepreg-Lagen auch in der gewünschten Dicke fertigen lassen, jedoch ist dies teurer und bietet kaum einen Vorteil im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der fertigen Platine. Allerdings sind die Spezifikationen der Prepreg-Materialien, wie bei allen Produkten, mit einer gewissen Toleranz behaftet. Erkundigen Sie sich deshalb bei Ihrem Hersteller, welche Toleranz für das von Ihnen verwendete Prepreg-Material gilt.

Ein prozentual kleiner Fehler auf einen halben Millimeter scheint nicht viel zu sein. Wenn Sie jedoch Dutzende von Lagen zusammenfügen, multipliziert sich dieser Fehler, was sich wiederum auf Ihre endgültigen Spezifikationen auswirken kann. Allgemein lässt sich sagen, dass die Toleranz des Prepreg-Materials eher zur dickeren Seite, als zu einer Mischung aus dick und dünn tendiert, denn dies würde sich unter dem Strich aufheben.

Mehrlagige Platine: Was passiert nach dem Verpressen der Lagen?

Nachdem sämtliche Lagen des Prepreg-Materials und die Kupfer-Leiterbahnen den hydraulischen Pressvorgang hinter sich haben, werden die gefertigten Platinen eingebrannt. Leider führt uns dieser Schritt nicht zu unserem Dessert-Thema zurück. Die Platinen werden zum finalen Ausgasen etwa 20 Stunden bei 127 °C eingebrannt. Dadurch verdampft die im Harz verbliebene Restfeuchtigkeit, und flüchtige Stoffe werden auf diese Weise entfernt. Anschließend befinden sich hoffentlich auch keine Mikroblasen mehr in den einzelnen Lagen.

Wenn sich die endgültige PCB-Anwendung in einem Vakuum oder in einer Umgebung mit niedrigem Druck befindet, erhält die mehrlagige Platine eine zusätzliche Endbehandlung. Diese besteht gewöhnlich aus einem zweiten, vier bis sechs Stunden dauernden Einbrennvorgang bei einer höheren Temperatur. Das Ausgasen ist damit abgeschlossen, bevor die Platine eingesetzt wird.

Aufgrund der Tatsache, dass viele Variablen Einfluss auf mehrlagige Platinen haben können, hat es sich bewährt, schon in der Anfangsphase des Designprozesses Kontakt zum Hersteller aufzunehmen. Stellen Sie sicher, dass das von Ihnen gewünschte Prepreg-Material verwendet werden kann und dass eine Platine mit geeigneter Dicke hergestellt wird. Auf diese Weise können Sie Ihre Entwurfsregeln vom Hersteller bestätigen lassen, bevor Ihre Wahlmöglichkeiten am Ende eingeschränkt sind.

Indem Sie am Beginn Ihres Design-Prozesses Entwurfsregeln beispielsweise für die Lagendicke festlegen, wird es für Sie viel einfacher, Fehler bei der Arbeit frühzeitig zu erkennen. In einigen EDA-Programmen müssen Sie zur Überprüfung ein Skript laufen lassen und anschließend die Fehler nachbessern. Andere Programme, wie Altium,  können Probleme bereits während Ihrer Arbeit erfassen und Sie darüber informieren. Dadurch werden eventuell auftretende Nacharbeiten vermieden, die Sie vor einer erneuten Überprüfung hätten durchführen müssen.
Haben Sie Fragen dazu, wie Sie Altium zur Optimierung Ihres Design- und Herstellungsprozesses verwenden können, dann stehen Ihnen entsprechende Vertreter zur Verfügung.