CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Folge 10 Strategien und Regeln zum Design von Multilayersystemen

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Hunderte von Signalnetzen kompakt und funktionssicher zu verdrahten ist möglich, wenn die PCB aus mehreren Ebenen zu einem Multilayer zusammengebaut werden kann. Dazu gibt es Regeln und Vorgaben.

Es wird wohl noch ewig diskutiert werden, was die Menschheit antreibt. Vielleicht, und das ist keineswegs paradox, ist es die Bequemlichkeit. Und manchmal, so scheint es, ist es einfach nur das Vergnügen, Lösungen für komplexe Aufgabenstellungen zu finden.

Die Integration eines hochpoligen BGAs (z.B. Ball Grid Array) in eine elektronische Schaltung ist eine solche komplexe Aufgabenstellung. BGAs haben zu einer dramatischen Steigerung der Leistungsfähigkeit elektronischer Produkte geführt. Es ist eine Herausforderung, Hunderte von Signalnetzen kompakt und funktionssicher zu verdrahten. Das ist jedoch möglich, wenn die Leiterplatte aus mehreren Ebenen (als ein Multilayer) zusammengebaut werden kann. Die für die Funktion der Baugruppe erforderlichen Signale und Stromversorgungen können dann während des Layoutens am CAD-System diesen Ebenen (Lagen, Layern) zugeordnet werden.

Im Sog der zunehmend zu verarbeitenden Datenvolumina muss auch deren Übertragungsgeschwindigkeit zunehmen. Das betrifft den internen Signaltransfer auf der Leiterplatte sowie den externen Signaltransfer zu anderen elektronischen Komponenten per Funk oder Kabel. Das betrifft allerdings auch die schnelle, stabile und störungsfreie Stromversorgung der Prozessoren, Speicher und Logikbauteile der Baugruppe.

Die Anforderungen an die Qualität des Produktes „Multilayer“ verändern sich dadurch nachhaltig. Die begriffliche Reduzierung der Leiterplatte auf eine profane „Mehrebenenschaltung“ ist nicht mehr passend. Es ist sinnvoller und zutreffender, von „Multilayersystem“ zu sprechen.

Eigenschaften von Multilayersystemen

Die Formulierung „Multilayersysteme“ macht deutlich, dass physikalische Gesetzmäßigkeiten, Basismaterialien, Strategien, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit bereits in der Phase der Ideenfindung für ein neues Produkt Berücksichtigung finden müssen.

Die Notwendigkeit, beim Lagenaufbau physikalische Gesetzmäßigkeiten zu beachten, nimmt zu. Ein stabiles EMV-Verhalten mit geringer Störabstrahlung wird seit langem angestrebt. Die Lösungen werden aber bisher noch vornehmlich auf der Seite des Schaltungs- und Gerätekonzeptes gesucht. Seit einigen Jahren findet die Signalintegrität (SI; Signal Integrity) immer mehr Berücksichtigung, wobei neben der impedanzdefinierten Leiterbahnführung heute auch die Konstruktion definierter Rückstromwege wichtig ist. Erst zögerlich wird mit der Integration kapazitiver Planes in den Lagenaufbau die Powerintegrität (PI; Power Integrity) umgesetzt (Bild 1).

Auch in den nächsten Jahren werden FR4-Derivate das klassische Basismaterial für elektronische Baugruppen sein. Die Materialeigenschaften sind (weitestgehend) bekannt, sodass sowohl die Leiterplattenfertigung als auch die Baugruppenproduktion kontrolliert durchgeführt werden können. Die verfügbaren Materialdicken der Prepregs und Laminate gestatten zudem sehr variantenreiche Aufbaukonzepte. Die Verbreitung der Herstellungstechnologie für die Produktion von Multilayern erlaubt auch die Kombination von unterschiedlichen Materialklassen und damit die Fertigung von Hybridmultilayern (zu denen letztlich die starrflexiblen Leiterplatten gehören).

Die heute mögliche Materialvielfalt gestattet es, sehr fein abgestufte Strategien für die Konstruktion moderner Baugruppen zu entwickeln. Eine wichtige Option ist, technisch-physikalische Anforderungen an die Gerätefunktion mit den Mitteln der Leiterplattentechnologie lösen zu können.

Die oft spektakulären Starrflexleiterplatten sind das klassische Beispiel für die Integration von Elektronik, Mechanik und Funktion. Sehr effektiv ist der Aufbau von Multipowersystemen (etwa MPS oder auch gestapelte Stromversorgungssysteme) durch den Einbau 50 µm dünner Basismaterialien.

Die langjährige Zuverlässigkeit einer elektronischen Baugruppe ist ein häufig unterschätzter Aspekt. Die Prozessverfahren, Anlagentechnologien und Eigenschaften der eingesetzten Materialien ändern sich kontinuierlich. Trotzdem muss die einheitliche und reproduzierbare Qualität einer Baugruppe sichergestellt werden können. Durch die Einbindung von gerechneten Multilayerbauplänen wird eine hohe Zuverlässigkeit bereits zum Zeitpunkt der Schaltplankonstruktion erreicht.

Die Wirtschaftlichkeit einer Leiterplatte orientiert sich an einem möglichst niedrigen Preis. Es ist allerdings künftig nicht mehr vorteilhaft, die Kosten und die Funktion einer Baugruppe isoliert vom Aufbau des Multilayers zu betrachten. Die Kosten für Schaltplankonstruktion, CAD-Layout, Leiterplatte, Bauteile, Gerätemontage und Funktionsprüfungen müssen als Systemkosten verstanden und deshalb auch in Summe bewertet werden. Es ist inzwischen wesentlich einfacher, effektiver und kostengünstiger, die physikalisch-technische Leistung einer Baugruppe über die Qualität des Multilayeraufbaus zu steuern, sodass sich die Investition in eine hochwertige Leiterplatte immer lohnt.

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