Anbieter zum Thema

ISW / Arnold Wiemers

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Konstruktion von Multilayersystemen

Für den Aufbau eines Multilayersystems werden zwei Kategorien von Komponenten benötigt, die Laminate (Lagen, Kerne, Cores) und die Prepregs. Für den Aufbau eines Multilayers werden Laminate und Prepregs übereinandergeschichtet. Prepreg ist ein Kunstwort, das für Preimpregnated steht und meint, dass bei FR4-Prepregs das Epoxydharz noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Während des Verpressens des Multilayers unter Druck und Temperatur wird das Harz wieder klebend und die einzelnen Laminate verbinden sich zu einem homogenen Multilayer.

Für die Konstruktion eines Multilayers ergibt sich damit eine erste, einfache Regel: In einem Multilayer müssen sich klebende und nichtklebende Schichten abwechseln. Mehrere klebende Schichten (Prepregs) können übereinander montiert werden, Laminate nicht. Zwischen benachbarten Laminaten muss sich immer (mindestens) eine Klebeschicht (= Prepreg) befinden.

Multilayerbauklassen

Für den Aufbau von Multilayern lassen sich drei elementare Klassen unterscheiden, die sich an der Verteilung der Laminate/Kerne im Aufbau orientieren.

1. Bei Multilayern mit innenliegenden Kernen liegen alle Kerne innen. Der Abschluss nach außen wird mit Prepregs und Kupferfolie realisiert. Diese Aufbaustrategie ist die einfachste, variantenreichste und preiswerteste. Bei hochpoligen BGAs ist eine interne Umverdrahtung mit Blind Vias und Buried Vias problemlos möglich (Bild 2). Große Stückzahlen sind preiswert herzustellen. Hybridaufbauten sind jedoch nicht oder nur eingeschränkt machbar.

2. Bei Multilayern mit außenliegenden Kernen wird der Abschluss hin zu den Außenlagen mit Laminaten realisiert. Diese Variante ist ab sechs Lagen ideal, wenn Hybridaufbauten erforderlich sind. Werden hochwertige Laminate (z.B. mit Keramikfüllung) benötigt, dann können diese auf einer oder auf beiden Außenlagen platziert werden. Durch das aufwendigere Prozessieren der außenliegenden Laminate ist dieser Aufbau teurer. Eine interne Umverdrahtung bei BGAs ist möglich, aber erst ab acht Lagen effektiv.

3. Bei Multilayern mit sequentiellen Aufbauten gibt es praktisch keine Einschränkungen hinsichtlich der Position von Laminaten und der Kontaktierungsoptionen. Ein Problem bei dieser Bauklasse ist das Mehrfachverpressen der einzelnen Bauabschnitte. Die sich notwendigerweise ergebenden Materialverzüge müssen seitens der CAM-Aufbereitung der Layout-Daten im Vorfeld der Leiterplattenproduktion mit Feingefühl und Kompetenz kompensiert werden.

Kontaktierungsstrategien und Routing

Alle Kontaktierungsoptionen können bei Multilayern eingesetzt werden. Neben den üblichen Durchkontaktierungen sind also auch Kombinationen von BlindVias und BuriedVias verfügbar. Die einsetzbaren Varianten sind im Wesentlichen nur durch die Kosten limitiert.

Eine Reduzierung der Geometrie integrierter Komponenten (etwa wie bei BGAs und BTCs) erfordert Lösungen auf engstem Raum. Im Extremfall hat der Pitchabstand des Bauteils einen weitreichenden Einfluss auf die Kontaktierungs- und Routingstrategie und damit auf den Lagenaufbau (Bild 3).

Funktionsräume in einem Multilayer

Entscheidend für die funktionale Qualität der Baugruppe ist die funktionale Qualität des Multilayersystems. Die Aufteilung des Multilayers in Funktionsräume ist der Schlüssel dazu (Bild 4). Die Systematik, mit der Stromversorgungsräume und Signalräume konstruiert und zueinander angeordnet werden, bestimmt die Vorhersagbarkeit und die Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppe. Das gilt von Beginn an. Bereits in der Phase der Schaltplanerstellung müssen die Übertragungseigenschaften der Signalverbindungen definiert sein. Das CAD-System benötigt für die Simulation der Signalqualität die Kenntnis über die Lagenabstände, die Werte für die Dielektrika und den Signalpfad über die Kontaktierungen.

Die kapazitiven Eigenschaften des Stromversorgungssystems beeinflussen die Verschaltung von diskreten Bauteilkomponenten, vornehmlich Kondensatoren für die Entkopplung. Eine rechtzeitige Deklaration der Funktionsräume erlaubt nicht nur die zuverlässige Simulation der zu konstruierenden Baugruppe. Es werden gleichzeitig auch die Konstruktionsvorgaben für die Erstellung des CAD-Layoutes und die Anforderungen an die Produktion der Leiterplatte und der Baugruppe definiert.

Allgemeine Regeln für den Aufbau von Multilayersystemen

Für die Konstruktion von Multilayern gibt es allgemeine Regeln, die zu berücksichtigen sind:

a) Aufbauten mit innenliegenden Kernen bevorzugen; das ist am preiswertesten und am unkompliziertesten.

b) Bei unterschiedlich dicken Prepregs das dünnere Prepreg zur Kupferfolie hin legen. Prepregs bestehen aus einlagigen Glasgeweben. Das Glasgewebe dünnerer Prepregs ist feiner und dichter gewebt. Die Oberfläche der aufgeklebten Kupferfolien ist entsprechend planer.

c) Die Mindestdicke einer Prepreglage zwischen zwei Signallagen soll 75 µm nie unterschreiten. Die benachbarten Kupferdicken dürfen dann 17 µm nicht überschreiten. Normal ist der Einbau von zwei Prepregs zu bevorzugen, um ein Abscheren des Gewebes während des Verpressens zu vermeiden.

d) Für den Aufbau von Multipowersystemen ist ein einzelnes Prepreg von 50 µm Dicke erforderlich. Das ist zulässig, wenn die angrenzenden Kupferschichtdicken nicht über 17 µm liegen. Das Prepreg sollte mindestens mittleren Harzgehalt haben.

e) Zwischen zwei Laminate sollen maximal drei Prepregs platziert werden. Das sorgt für geringere Produktionstoleranzen beim Verpressen der Multilayer.

f) Buried Vias und Blind Vias auf dem Bottom-Layer sind aus Gründen der höheren Produktionskosten nach Möglichkeit zu vermeiden.

g) Ungleiche Kupferdicken auf den beiden Seiten eines Laminates sind zu vermeiden. Diese Materialien sind standardseitig nicht verfügbar und zudem nur mit höherem Aufwand zu verarbeiten.

Aus Platzgründen können hier nur pauschale Strategien und Grundkonzepte für starre Multilayer angesprochen werden. Die Vorgaben für die Konstruktion von Multilayersystemen sind herstellerbezogen oft individuell unterschiedlich. Die unverzichtbare Aufgabe des Multilayerbauplanes ist, die physikalischen, technologischen und wirtschaftlichen Eigenschaften elektronischer Baugruppen von Beginn an verbindlich zu beschreiben.

* Arnold Wiemers, Mitinhaber der LA-Leiterplattenakademie GmbH, Berlin

(ID:28306660)