Multilayer Leiterplatten mit 1-48 Lagen

Natürlich stehen unseren Kunden sämtliche Multilayer high-tech Technologien zur Verfügung, wie z.B. Blind Vias (Sacklöcher), Buried Vias (vergrabene Löcher), Staggered Vias oder Backdrill, um nur einige zu nennen. Gerade durch die immer schnelleren Taktfrequenzen steigt die Nachfrage nach Impedanzkontrollierten Multilayer: Wir führen für Sie auch Impedanzkontrollen aus und helfen Ihnen bei der Berechnung von Lagendicken und -abständen.

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Multilayer-Leiterplatten, kurz Multilayer, sind mehrlagige Leiterplatten, die über zusätzliche Innenlagen verfügen. Im Gegensatz zu einfachen Leiterplatten mit nur zwei Außenlagen enthalten Multilayer mehrere interne Schichten, die durch Dielektrika (Isolationsmaterialien) voneinander getrennt sind.

Eine typische 4-lagige Multilayer-Leiterplatte besteht beispielsweise aus einer Signallage TOP, einer Ground-Lage (Masseebene), einer Power-Lage und einer Signallage BOT. Diese Schichten ermöglichen komplexere Schaltungsdesigns und eine höhere Packungsdichte.

Die Entwicklung von Multilayern begann in den 1980er Jahren, als die Elektronikindustrie mit steigenden Anforderungen an die Packungsdichte und Leistungsfähigkeit von Leiterplatten konfrontiert wurde. Die zunehmende Komplexität von Mikrochips und die Notwendigkeit, elektrische Signale störungsfrei zu übertragen, führten zur Einführung von Multilayern.

Durch die Integration zusätzlicher Lagen konnten Überkreuzungen von Leiterzügen vermieden werden, indem Signale über durchkontaktierte Bohrungen (Vias) zwischen den Schichten geleitet wurden. Diese Innovation ermöglichte es, kompaktere und effizientere Schaltungen zu entwickeln, die den Anforderungen moderner Elektronik gerecht wurden.

Durchkontaktierungen (Vias)

Multilayer-Leiterplatten nutzen verschiedene Arten von Durchkontaktierungen, um die einzelnen Lagen elektrisch zu verbinden:

• Through-Hole Vias: Verbinden die Ober- und Unterseite /TOP und BOTTOM), mit der Möglichkeit alle dazwischen liegenden Lagen elektrisch anzubinden.
• Blind Vias: Verbinden eine Außenlage mit einer definierten Innenlage.
• Buried Vias: Verbinden ausschließlich Innenlagen miteinander, ohne Kontakt zu den Außenlagen.

Dielektrikum und Prepregs

Die einzelnen Lagen einer Multilayer-Leiterplatte werden durch Dielektrika getrennt, die typischerweise aus FR4 (einem glasfaserverstärkten Epoxidharz) bestehen. Diese Trennlagen, auch Prepregs genannt, sind mit Harz getränkte Glasgewebe, die während des Herstellungsprozesses unter hohem Druck und hoher Temperatur mit den Kupferlagen verschmolzen werden.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Ein entscheidender Vorteil von Multilayern ist die Möglichkeit, Groundlagen und Versorgungsspannungen in die Innenlagen zu verlegen. Dies verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und reduziert Störungen durch elektromagnetische Interferenzen (EMI).

Multilayer-Leiterplatten bestehen aus mehreren Schichten von Kupferfolien und Dünnlaminaten, die durch Prepregs (mit Harz getränkte Glasgewebe) getrennt sind. Der Herstellungsprozess ist komplex und erfordert hohe Präzision, insbesondere wenn Blind Vias (Verbindungen zwischen einer Außenlage und einer Innenlage) oder Buried Vias (Verbindungen ausschließlich zwischen Innenlagen) zum Einsatz kommen. Diese speziellen Durchkontaktierungen machen oft ein mehrfaches Verpressen notwendig, um die gewünschte Schichtstruktur zu erreichen.

Der Prozess umfasst folgende Schritte:

1. Lagenaufbau: Die einzelnen Schichten werden präzise ausgerichtet und gestapelt. Bei Multilayern mit Blind oder Buried Vias wird dieser Schritt in mehreren Phasen durchgeführt, da zunächst Teilverbände (Subkomponenten) hergestellt werden müssen, die später zu einer Gesamtstruktur verpresst werden.

2. Teilverpressung: Werden Blind oder Buried Vias benötigt, werden zunächst Teilverbände verpresst, in denen die internen Durchkontaktierungen bereits angelegt sind. Diese Teilverbände werden dann in weiteren Schritten zu einer vollständigen Multilayer-Struktur kombiniert.

3. Endgültige Verpressung: Alle Teilverbände und zusätzlichen Lagen werden unter hohem Druck und hoher Temperatur zu einer festen Einheit verschmolzen. Dabei sorgen die Prepregs für die notwendige Isolation und Haftung zwischen den Schichten.

4. Durchkontaktierung: Nach dem Verpressen werden die Through-Hole Vias gebohrt und mit Kupfer beschichtet, um die elektrischen Verbindungen zwischen den Lagen herzustellen. Bei Blind und Buried Vias erfolgt dieser Schritt bereits während der Teilverpressung.

5. Feinbearbeitung: Abschließend werden die Leiterplatten gereinigt, beschichtet und mit einer Schutzschicht versehen, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen.

Durch die Möglichkeit, Blind und Buried Vias zu integrieren, können noch komplexere Schaltungsdesigns realisiert werden, die eine höhere Packungsdichte und verbesserte Signalintegrität ermöglichen. Allerdings erhöht dies den Aufwand im Herstellungsprozess, da mehrere Pressvorgänge und präzise Bohrungen erforderlich sind.

Multilayer-Leiterplatten werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter:

• Telekommunikation: Für kompakte und leistungsstarke Mobilgeräte.
• Automotive: Für Steuergeräte und Elektromobilität.
• Industrieelektronik: Für präzise Steuerungs- und Regelungssysteme.
• Medizintechnik: Für hochzuverlässige Geräte mit geringem Platzbedarf.

Die Vorteile von Multilayern liegen in ihrer hohen Packungsdichte, der verbesserten Signalintegrität und der geringeren Störanfälligkeit. Sie ermöglichen zudem die Realisierung komplexer Schaltungen, die mit einfachen Leiterplatten nicht umsetzbar wären.

Die Zukunft der Multilayer-Technologie wird nicht allein durch die Erhöhung der Lagenanzahl bestimmt, da dies zu höheren Kosten und einem größeren Ausschussrisiko führt. Stattdessen liegt der Fokus auf der Optimierung bestehender Technologien und der Entwicklung neuer Materialien und Verfahren, um die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz von Multilayern weiter zu steigern.

Ein wichtiger Trend ist die Miniaturisierung und höhere Packungsdichte von Leiterplatten. Durch den Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechniken wie Laser-Durchkontaktierung und präziser Ätzverfahren können immer feinere Leiterbahnen und kleinere Durchkontaktierungen realisiert werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Leiterplatten, die trotz geringerer Größe eine höhere Leistungsfähigkeit bieten.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Signalintegrität und der Reduzierung von Signalverlusten. Durch den Einsatz von Hochfrequenzmaterialien und optimierten Schichtaufbauten können Multilayer-Leiterplatten auch für anspruchsvolle Anwendungen wie 5G-Kommunikation, Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und Hochfrequenztechnik eingesetzt werden.

Die Integration von Funktionen direkt in die Leiterplatte gewinnt ebenfalls an Bedeutung. Neben der Embedded-Technologie (Einbetten von Bauteilen in die Innenlagen) werden zunehmend auch passive Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten direkt in die Leiterplatte integriert. Dies reduziert den Platzbedarf und verbessert die elektrische Performance.

Ein weiterer zukunftsweisender Ansatz ist die Entwicklung von flexiblen und starr-flexiblen Multilayern. Diese Kombination aus starren und flexiblen Bereichen ermöglicht innovative Designs, die in anspruchsvollen Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik oder der Automobilelektronik eingesetzt werden können. Flexible Multilayer bieten zudem Vorteile in Bezug auf Gewichtsreduzierung und Raumoptimierung.

Schließlich spielt die Nachhaltigkeit eine immer größere Rolle in der Entwicklung von Multilayern. Die Verwendung umweltfreundlicher Materialien und die Einführung recyclingfähiger Leiterplatten sind wichtige Ziele, um den ökologischen Fußabdruck der Elektronikindustrie zu verringern.

Multilayer-Leiterplatten haben die Elektronikindustrie revolutioniert und sind heute aus modernen Geräten nicht mehr wegzudenken. Ihre Fähigkeit, komplexe Schaltungen auf kleinstem Raum zu realisieren, macht sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil fortschrittlicher Technologien. Mit der Weiterentwicklung von Materialien und Herstellungsverfahren wird die Multilayer-Technologie auch in Zukunft eine zentrale Rolle in der Elektronik spielen.