Welchen Leiterplattenaufbau verwende ich für welche Applikation?

Die grundsätzliche Funktion einer Leiterplatte hängt nicht nur von den verwendeten Bauteilen zum Erreichen der logischen Funktionalität ab, sondern auch vom Layout und dem damit verknüpften Leiterplattenaufbau. Welcher Aufbau wird für welche Applikation verwendet? Wer liefert mir dieses Wissen? Antworten auf diese und weitere Fragen gibt Ihnen der nachfolgende Artikel im Altium Blog.

Entsprechend der Anforderungen und der zu erwartenden Komplexität des Routings kann zwischen mehreren Aufbauvarianten unterschieden werden. Die folgende Aufzählung beschreibt Standard-Aufbauten:

1. Multikern-Aufbau
2. Sequenzieller Aufbau
3. Flexible/Starrflexible Leiterplatte
4. IMS Leiterplatte
5. Embedding-Leiterplatte

Bevor der Leiterplattenaufbau in Altium Designer eingegeben werden kann, sollten Sie folgendes zu den genannten Aufbauten wissen.

1. Der Multikern-Aufbau

Der Multikern-Aufbau ist der am häufigsten verwendete, einfach und kostengünstig in der Fertigung und bietet die Möglichkeit, verkupferte Bohrungen (Vias) in den Kernen zu platzieren. Durchkontaktierte Bohrungen (DK-Vias) verbinden die einzelnen Kerne elektrisch miteinander. 

Da die Bohrungen auf Grund der Dicke der Kerne in der Regel mechanisch ausgeführt werden, wird vergleichsweise viel Platz für Bohrungen (blind und buried VIA) benötigt. Durch Fertigungstoleranzen muss der Restring (das Pad) bei Leiterplatten mit vielen Kupferlagen und dieser Aufbautechnik vergrößert werden, was weiteren Platz verbraucht. In der Fertigung werden zu Beginn die individuellen Kerne vorgefertigt und danach über die Prepregs (Prepreg 1 und 2) miteinander verbunden. Daher ist es nicht möglich, die Kerne direkt über Bohrungen miteinander zu verbinden. Es bleibt nur die Möglichkeit, Signale mit durchkontaktierten Bohrungen (DK-Bohrung) über den gesamten Lagenaufbau zu verteilen. Der hohe Platzverbrauch macht sich vor allem an den Außenlagen bemerkbar, weil die Platzierungsfläche für die Bauteile verkleinert wird. Nachdem die DK-Bohrungen oft auch offen (nicht gefüllt) sind, können diese auch nicht direkt in Pads platziert werden, da sonst der Lötprozess Problem bereitet. Durch die Bohrung würde das Flussmittel im Lot „verschwinden“, was zu undefinierten Lötverbindungen führen kann. Positiv an dieser Konstruktion ist die mechanische Stabilität, die auch bei großen Leiterkarten unkritisch zu betrachten ist.

2. Der sequenzielle Aufbau

Miniaturisierung baut auf kleinen Strukturen auf und erfordert hohe Flexibilität beim Routing in der Leiterplatte. Der sequenzielle Aufbau, auch oft als HDI (engl., High Density Interconnect) Leiterplatte bezeichnet, bildet die Basis dafür. 

Wie im Bild gezeigt, beruht diese Konstruktion im Unterschied zum Multikern-Aufbau auf einem einzelnen Kern in der Mitte der Leiterplatte. Er bildet eine mechanisch stabile Basis für die weiteren, sequenziell aufgepressten Isolations- u. Kupferlagen. Entsprechend der gewünschten Lagenanzahl werden mehrere Verpressschritte benötigt, was gleichzeitig die Limitierung für diesen Aufbau darstellt. Ab einer gewissen Anzahl von Pressschritten kommt es zu einer Materialalterung, die die Zuverlässigkeit der Leiterplatte reduziert und den Aufbau unbrauchbar werden lässt. Sollten mehr als drei Presszyklen erforderlich sein, wird im Regelfall ein zusätzlicher Kern verbaut. Damit entsteht eine Mischform aus sequenziellen- und Multikern-Aufbau. Die dünnen Isolationsschichten (engl. Prepreg) können mittels Laser gebohrt werden, was zu kleinen Bohrungen führt. Durch die hohe Genauigkeit des Bohrprozesses reduzieren sich auch deren Restringe. Werden die Bohrungen zusätzlich mit Kupfer oder eine Paste gefüllt, ist es möglich, Bohrungen übereinander zu stapeln (engl., stacked) und somit noch weiteren Platz zu sparen. Mechanische Bohrungen sind nur mehr im Leiterplattenkern (also in der innersten Schicht) notwendig, da dieser im Normalfall zu dick für Laserbohrungen ist. Grundsätzlich wird dieser - wie auch alle anderen Aufbauten - immer symmetrisch gefertigt, da es ansonsten zu Spannungen kommen kann, was in „verbogenen“, nicht weiter prozessierbaren Leiterplatten resultiert.

3. Die flexible/starrflexible Leiterplatte

Moderne Gehäuseformen erfordern oftmals (teil-)flexible Leiterplattenkonstruktionen, um diese in verschiendenen Winkeln einbauen zu können. 

Realisiert wird dieser Aufbau durch die Verwendung einer Polyimid-Lage statt eines Prepreg-Materials. Im Anschluss wird mittels Tiefenfräsung jener Teil der Leiterplatte entfernt, der nach der Fertigung flexibel bleiben soll. Die Verbindung zwischen den Leiterplatten ist elastisch und kann etwa zum Entkoppeln von Vibrationen oder als Ersatz für einen Kabelbaum verwendet werden. Der flexible Teil muss besonders behandelt werden, da das Kupfer auch an diesen Stellen vor Korrosion geschützt werden muss. Der Lötstopplack wird in diesem Teil standardmäßig in einem Orange-Farbton gewählt. Dieser ist auch biegbar und bricht bzw. splittert dabei nicht. Da die Verarbeitung von Polyimid mehr Aufwand in Produktionsvorbereitung und Fertigung benötigt, steigen bei diesem Aufbau auch die Kosten. Als Alternative ist eine „Flex-to-Install“-Lösung verfügbar. Dabei wird statt der Polyimid-Schicht ein dünnes, nicht glasfaserverstärktes Prepreg verwendet. Die Leiterplatte bleibt dann teilflexibel und kann im Regelfall bis zu 5 Mal gebogen werden, bevor die Verbindung auf Grund von Materialermüdung spröde wird und zu brechen beginnt. Dabei ist jedoch der Biegeradius der entscheidende Faktor, um die Zuverlässigkeit der Leiterplatte nicht zu beinträchtigen. Grundsätzlich wird im flexiblen Teil nur eine Kupferschicht verwendet. Sonderkonstruktionen ermöglichen den Einbau von zusätzliche Kupferlagen im flexiblen Teil, was das Routen von impedanzkontrollierten Leiterbahnen auf der gesamten Leiterplatte möglich macht.

Vollflexible Lösungen basieren auf Polyimid anstatt auf Prepreg-Materialen und werden für Nischenprodukte verwendet, da die Bestückung, die Lötverbindung und die Zuverlässigkeit nicht einfach kontrollierbar sind. Als typische Anwendung könnte man hier die so genannten LED-Stripes (Lichtstreifen) nennen.

4. Die IMS Leiterplatte

Entstehen bei leistungselektronischen Anwendungen auf Grund von hohen Strömen oder nicht-idealen Bauteilen höhere Verlustleistungen, kann der Einsatz von IMS (Insulated Metal Substrate) Leiterplatten vorteilhaft sein. 

Dabei dient, wie im Bild gezeigt, ein vergleichsweise dicker Metallkern als Träger, der mit einer Polyimid-Schicht von der zur Stromübertragung verwendeten Kupferlage isoliert ist. Im Normalfall bietet diese Lösung maximal zwei Kupferlagen. Sonderkonstruktionen ermöglichen bis zu vier Kupferlagen, die über Laserbohrungen elektrisch miteinander verbunden sind. Als Material für den Metallkern kann entweder Aluminium oder Kupfer verwendet werden. Da Kupfer einen sehr hohen thermischen Leitwert von etwa 400 W/(m.K) aufweist, ist er für hohe thermische Beanspruchungen zu bevorzugen. Ist der Metallkern isoliert, kann er auch zum Stromtransport verwendet werden. Der gezeichnete helle Lötstopplack (weiß) wird oft für Anwendungen in Kombination mit LEDs eingesetzt, da dieser wenig Licht absorbiert.  

5. Die Embedding-Leiterplatte

Fortschreitende Miniaturisierung kombiniert immer mehr Funktionalität auf immer kleineren Raum. Aktive Bauelemente sind auf Grund des Gehäuses mindestens 20% größer (Definition BGA-Gehäuse) als das eigentliche aktive Siliziumbauteil. Einerseits ist das notwendig, um es vor Umwelteinflüssen zu schützen, andererseits geht dadurch wertvoller Platz für weitere Bauteile verloren. Das Einbetten von Komponenten in den Kern von Leiterplatten nutzt freien Raum, um Bauteile ohne Gehäuse genau dort zu installieren, wo sie wirklich benötigt werden und elektrisch optimal wirken. Es entsteht somit eine weitere Ebene für das Platzieren von Bauteilen zusätzlich zur oberen- und unteren Bestückseite. Die Bauteile werden dabei üblicherweise nicht mehr über Lötverbindungen angebunden, da die kleinen Pads dafür nicht optimiert sind. Diese werden entweder direkt (über galvanische Kupferprozesse) oder mit verkupferten Laser-Bohrungen angebunden. Die nachfolgende Konstruktion zeigt die Anbindung im Detail.

Grundsätzlich kann die Embedding Technologie sowohl mit dem sequenziellen als auch mit dem Multikern-Aufbau kombiniert werden. Die Bauteile werden dabei vor der Strukturierung des Kupfers im Kern installiert und angebunden.

Im zweiten Teil möchte ich näher auf die Abbildung im Altium Desinger eingehen. Ab Version 19 ist in der Software ein neuer, vollkommen überarbeiteter, Layer Stack-up Manager eingebaut. Dieser kann entweder über Design -> Layer Stack Manager oder über den Tastaturkurzbefehl d, k aufgerufen werden kann. 

Grundsätzlich bietet der Altium Designer die Möglichkeit, sehr viele Informationen einzugeben bzw. in einer Datenbank vordefinierte Materialien zu speichern und abzurufen. Wichtig ist, für die Produktion relevante Parameter zu befüllen, da diese später in der Draftman® Dokumentation abgerufen werden können und einen schnellen, unkomplizierten Ablauf in der Vorbereitung für die Fertigung erlauben.

Isolationsschichten können dabei entweder als Kern, Prepreg oder Dielektrikum definiert werden. Wählen Sie dabei immer bewusst die für ihre Aufbauten notwendige Type. Kupferschichten sollten, wenn nicht auf Grund von unternehmensweiten Richtlinien immer von oben nach unten nummeriert werden. Als Faustregel in der Fertigung von sequenziellen Konstruktionen gilt Prepreg-Dicke = Kupferdicke x 2. Damit können Sie sehr schnell die Dicke ihrer Leiterplatte ermitteln. Für Standarddicken wie etwa 1,55 mm können sie dabei gerne die Dicke des Kerns sowie der Prepreg-Schichten erhöhen.

Für Embedding-Leiterplatten ist es wichtig, die „Orientation“ entsprechend zu definieren, da ansonsten keine Bauteile auf der Kupferlage platziert werden dürfen (Design-Regel Verletzung). Im Normalfall wirkt das Prinzip der Schwerkraft,  der Bauteil wird als Top-Komponente auf die Kupferlage im Leiterplattenkern bestückt.

Im dritten Reiter dieses Fensters (links unten) können die unterschiedlichen Bohrungen definiert werden. Folgende Abbildung zeigt einen sequenziellen 6-lagigen Aufbau und mögliche Bohrungen:

Dabei sollte man darauf achten, die Bohrungen entsprechend des zu verwendeten Bohrprozesses zu definieren (entweder Laser (=µVia) oder mechanische Bohrung). Achten Sie weiters auf die korrekte Zuweisung der Start- und Endlage für Laserbohrungen. Diese wird wie im Altium Designer üblich über das Properties Panel, verfügbar über die Taste F11, konfiguriert. 

Für Leiterplatten mit impedanzkontrollierten Leiterzügen können im zweiten Reiter Impedanz-Konfigurationen eingegeben werden. Da das Verhalten der Leiterbahnen durch die Dicke, den Abstand zur nächsten Bezugslage und die Breite beeinflusst wird, berechnet Altium im Hintergrund auf Basis des gewünschten Wellenwiderstandes die notwendige Breite des Leiterzugs. 

Es können verschiedene, vordefinierte Impedanzprofile (z.B. Single Microstrip, Differential etc.) ausgewählt und konfiguriert werden. Der mathematische Algorithmus arbeitet dabei sehr akkurat und ist mit den Resultaten von renommierten Programmen vergleichbar.

Der in diesem Artikel beschriebene Funktionsumfang stellt nur einen Teil der Möglichkeiten im Layer Stackup Manager dar. Weitere Möglichkeiten finden Sie entweder direkt in Altium oder auch in der umfangreichen Dokumentation auf der Webseite.