Wie viele Lagen braucht Ihre Leiterplatte? Ein Ratgeber zu Lagen und Materialien

Lagenanzahl, Stärke und Material sind drei Entscheidungen, die Sie sehr früh im Leiterplattendesign treffen – ihre Folgen begleiten Sie jedoch bis zur Serienfertigung. Sie beeinflussen den Preis, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die Signalintegrität und den Zeitaufwand für das Layout. In diesem Ratgeber erklären wir, wie Sie sich ohne Rätselraten entscheiden.

Einlagig, zweilagig, vierlagig oder mehr

Die meisten Platinen, die uns in der Praxis begegnen, fallen in eine von vier Gruppen:

Eine Faustregel: Hat die Platine einen Mikrocontroller mit einem Takt über einigen zehn MHz, ein Funkmodul, USB oder einen Schaltregler, lohnen sich vier Lagen fast immer. Bei Kleinserien beträgt der Preisunterschied einige Euro pro Platine, die Einsparung bei EMV-Prüfungen und zusätzlichen Iterationen ist jedoch wesentlich größer.

Die zweilagige Platine bleibt eine ausgezeichnete Wahl für einfache Analogschaltungen, Netzadapter, Adapterplatinen und überall dort, wo genug Platz vorhanden ist und die Frequenzen niedrig sind.

Der Standardlagenaufbau einer vierlagigen Platine

Bei vier Lagen wird meist folgender Aufbau verwendet:

1. Oberste Lage: Bauteile und Signale
2. Lage 2: durchgehende Masse (GND)
3. Lage 3: Versorgung (oder eine zweite Masse)
4. Unterste Lage: Signale und Bauteile

Entscheidend für ein gutes Verhalten ist die Massefläche direkt unter der oberen Signallage. Jedes Signal hat so einen kurzen Rückstrompfad, was Abstrahlung und Übersprechen verringert. Bei anspruchsvolleren Platinen setzt sich zunehmend der Aufbau Signal / GND / GND / Signal durch, bei dem die Versorgung als breite Leiterbahnen auf den Außenlagen geführt wird; das ergibt die besten EMV-Eigenschaften.

Mit sechs Lagen erhalten Sie zwei zusätzliche Signallagen im Inneren, die von Masseflächen umgeben sind – ideal für empfindliche oder schnelle Signale.

Leiterplattenstärke

Die Standardstärke beträgt 1,6 mm und ist am günstigsten, weil alle Hersteller sie vorrätig haben. Weitere übliche Stärken sind 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2, 2,0 und 2,4 mm.

Wann eine andere Stärke sinnvoll ist:

• 0,8 bis 1,0 mm für kleine Module, Wearables und überall dort, wo Gewicht oder Bauhöhe zählen.
• 0,6 mm oder weniger für Module, die auf eine andere Platine gelötet werden (Castellated Edges), und für flexiblere Anwendungen.
• 2,0 mm oder mehr für mechanisch belastete Platinen, große Steckverbinder, Stromversorgungsplatinen mit hohen Strömen und Platinen, die als tragendes Element dienen.

Die Stärke beeinflusst auch das Aspektverhältnis der Vias (Tiefe zu Durchmesser). Bei einer 1,6-mm-Platine ist eine 0,3-mm-Bohrung problemlos, bei einer 2,4-mm-Platine liegt sie schon nahe an der Grenze, die viele Hersteller bei einem Verhältnis von 8:1 oder 10:1 ziehen.

Kupferstärke

Die Stärke der Kupferfolie wird in Unzen pro Quadratfuß (oz) oder in Mikrometern angegeben:

Dickeres Kupfer bedeutet höhere Strombelastbarkeit und bessere Wärmeableitung, aber auch größere Mindestabstände und -breiten (dickes Kupfer lässt sich weniger präzise ätzen). Bei 2 oz Kupfer sollten Sie mit mindestens 0,2 mm Breite und Abstand rechnen. Zur Abschätzung der nötigen Leiterbahnbreite verwenden Sie einen Rechner nach IPC-2221 oder IPC-2152; als grobe Orientierung gilt für 1 oz Kupfer und 10 °C Erwärmung etwa 1 mm Breite pro 1 A auf einer Außenlage.

Materialien: FR-4 und Glasübergangstemperatur (Tg)

FR-4 ist ein glasfaserverstärktes Epoxidlaminat und deckt mehr als 90 Prozent aller Leiterplatten ab. Bei der Auswahl ist der Tg-Wert (Glasübergangstemperatur) entscheidend – die Temperatur, bei der das Material vom festen in einen weicheren, gummiartigen Zustand übergeht:

• Standard-Tg von 130 bis 140 °C: ausreichend für die meiste Konsum- und Industrieelektronik.
• Mittlerer Tg von 150 °C: eine häufige Wahl für bleifreies Löten und für Platinen, die im Betrieb wärmer werden.
• Hoher Tg von 170 bis 180 °C: für Automobil- und Leistungselektronik, Mehrlagenplatinen mit mehreren Reflow-Zyklen und Anwendungen mit hohen Betriebstemperaturen.

Beim bleifreien Reflow-Prozess erreicht die Platine 245 bis 260 °C. Ein Material mit höherem Tg dehnt sich dabei in Z-Richtung weniger aus, was das Risiko beschädigter Vias verringert. Bei Platinen mit vier und mehr Lagen ist ein Tg von 150 oder höher die empfohlene Wahl.

Weitere Materialien:

• Aluminiumkern (IMS/MCPCB) für LED-Leuchten und Leistungsmodule, bei denen die Wärmeableitung entscheidend ist; fast immer einlagig.
• Rogers, Taconic und ähnliche HF-Laminate für Antennen und Hochfrequenzschaltungen über einigen GHz, bei denen eine stabile Dielektrizitätskonstante wichtiger ist als der Preis.
• Polyimid (Flex) für flexible und starrflexible Leiterplatten.

Oberfläche

Die Oberfläche schützt das freiliegende Kupfer und beeinflusst das Löten:

• HASL (bleifrei): am günstigsten und robust, aber uneben; weniger geeignet für Fine-Pitch-Gehäuse (0,4 mm Raster).
• ENIG (chemisch Nickel-Gold): eben, lange lagerfähig, geeignet für Fine Pitch und BGA; die Standardwahl für professionelle Platinen.
• OSP: organische Schutzschicht, günstig und eben, aber nur kurz lagerfähig vor dem Löten.
• Chemisch Silber/Zinn: eine Alternative für besondere Anforderungen.

Für Kleinserien mit SMD-Bestückung empfehlen wir ENIG, denn die ebene Oberfläche bewährt sich beim Pastendruck mit Schablone hervorragend.

Grundlagen der kontrollierten Impedanz

Führen Sie auf der Platine USB 2.0 (90 Ω differenziell), Ethernet (100 Ω differenziell), HDMI, LVDS oder HF-Signale (50 Ω), muss die Impedanz der Leitung definiert sein. Sie wird bestimmt durch:

• die Leiterbahnbreite,
• den Abstand zur Referenzlage (Masse),
• die Dielektrizitätskonstante des Materials (bei FR-4 etwa 4,2 bis 4,6),
• die Kupferstärke und das Vorhandensein von Lötstopplack.

Auf einer zweilagigen Platine mit 1,6 mm Stärke müsste eine 50-Ω-Mikrostreifenleitung etwa 2,8 mm breit sein, was in der Praxis unbrauchbar ist. Auf einer vierlagigen Platine mit Masse auf Lage 2 und einem Prepreg von etwa 0,1 mm wird dieselbe Impedanz bereits bei einer Breite von etwa 0,17 mm erreicht. Das ist einer der Hauptgründe, warum schnelle Signale vier Lagen benötigen.

Bei einer Bestellung mit kontrollierter Impedanz schlägt der Hersteller seinen eigenen Lagenaufbau mit genauen Prepreg- und Kerndicken vor; die Leiterbahnbreiten berechnen Sie anschließend mit einem Rechner (z. B. Saturn PCB Toolkit oder dem integrierten Werkzeug in Altium bzw. KiCad), oder der Hersteller passt die Breiten selbst an.

So entscheiden Sie in der Praxis

1. Listen Sie die schnellsten Signale und Schnittstellen auf der Platine auf. Hat eine davon Impedanzanforderungen, wählen Sie mindestens vier Lagen.
2. Schätzen Sie die Packungsdichte ab: Feine BGAs und QFNs mit vielen Pins lassen sich auf zwei Lagen kaum entflechten.
3. Prüfen Sie die Ströme: Bei mehr als 5 A sollten Sie 2 oz Kupfer oder breite Kupferflächen auf mehreren Lagen in Betracht ziehen.
4. Berücksichtigen Sie die Umgebung: Hohe Temperaturen und Anforderungen aus dem Automobilbereich bedeuten einen höheren Tg.
5. Prüfen Sie den Preis: Bei Prototypen ist der Unterschied zwischen zwei und vier Lagen oft geringer als erwartet.

Sie benötigen Unterstützung?

Bei jedem Entwicklungsprojekt schlagen wir bei Selektronik einen Lagenaufbau vor, der zu Signalen, Strömen und Budget passt – und fertigen die Platine auch. Wenn Ihre Daten bereits vorliegen, wählen Sie im Leiterplatten-Konfigurator Lagenanzahl, Stärke und Oberfläche und sehen sofort eine Preisschätzung. Für eine Beratung zur Lagenwahl oder zur kontrollierten Impedanz schreiben Sie uns an info@selektronik.si.