Was ist ein Lagenaufbau?

Ein Lagenaufbau beschreibt die Anordnung und Eigenschaften der einzelnen Materialien innerhalb einer Leiterplatte. Die Materialien im Lagenaufbau müssen in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet und von der Funktion der Leiterplatte ausgewählt werden. Ein falsch ausgewählter Lagenaufbau, bzw. die falschen Materialien im Lagenaufbau können dazu führen, dass eine Leiterplatte nicht wie erwartet funktioniert oder dass es während des Betriebs zum Ausfall kommt.

Isolation der Kupferlagen

Typischerweise bestehen Lagenaufbauten aus verschiedenen Materialtypen. Die eigentliche Schaltung, die die Bauteile auf einer Leiterplatte miteinander verbindet, wird mit Hilfe von Ätzprozessen auf eine Kupferlage aufgebracht. Die Dicke der Kupferlage bestimmt maßgeblich die Strombelastbarkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit. Bei mehrlagigen Leiterplatten, sogenannten Multilayer Aufbauten, kommen zur Isolation der Kupferlagen verschiedene Materialtypen zum Einsatz. Diese Materialtypen nennt man Prepregs (preimpregnated fibres). Bei der Herstellung der Leiterplatte werden die Prepregs zwischen die Kupferlagen gelegt und unter Zuführung von Wärme miteinander verpresst. Die richtige Auswahl der Prepregs hat dabei erheblichen Einfluss auf die thermische Belastbarkeit der Leiterplatte sowie auf das Verhalten der Schaltung.

Oberflächenbehandlung

Zum Schutz der Leiterbahnen vor Korrosion wird typischerweise ein Lötstopplack auf die Außenseiten der Leiterplatte aufgetragen. Dieser Lack dient als Schutz beim Lötvorgang und verhindert, dass Kurzschlüsse entstehen. Nach Auftragen des Lötstopplacks sind lediglich noch die Lötkontakte auf der Außenseite frei, auf die die späteren Bauteile gelötet werden. Um diese ebenfalls vor Korrosion zu schützen und die Lötfähigkeit zu steigern, erfolgt eine Oberflächenbehandlung. Die Oberfläche wird dabei mit verschiedenen Materialien versiegelt. Hierbei wird beispielsweise eine dünne Zinnschicht (HAL) aufgetragen oder die Kontaktflächen werden vergoldet (ENIG).

Um eine elektrische Verbindung zwischen zwei Kupferlagen zu erzeugen, werden Durchkontaktierungen in die Leiterplatte gesetzt. Durchmesser, Anzahl und Art der Durchkontaktierungen spielen bei der Herstellung der Leiterplatte eine wichtige Rolle und geben maßgeblich den Fertigungsprozess vor.

Besondere Merkmale von Lagenaufbauten oder was es zu beachten gilt

Erstellt ein Elektronikentwickler ein Layout für eine Leiterplatte und nutzt dabei die voreingestellten Werte der benutzten CAD-Software, so entsteht unter Umständen ein Lagenaufbau mit einer Stärke von 0.1 mm. Werden anschließend die Fertigungsdaten exportiert und an einen Leiterplattenhersteller geschickt, stellt sich für diesen die Frage, mit welchen Materialien er die Leiterplatte fertigen soll, damit die Stärke der Leiterplatte später tatsächlich bei 0.1 mm liegt. Für den Leiterplattenhersteller sind außerdem in der Regel folgende Fragestellungen relevant:

  • Wie viele Lagen hat der Lagenaufbau? Dies sollte in der Regel aus den mitgelieferten Fertigungsdaten erkennbar sein. Unter Umständen interpretiert der Hersteller die Daten anders als der Entwickler. Daher sollte die Lagenanzahl zusätzlich angegeben werden.
  • Wie ist die Endstärke der Leiterplatte und wie groß ist die Fertigungstoleranz? Gängige Werte für die Stärke sind beispielsweise 1.0 mm oder 1.6 mm.
  • Welche Stärken haben die Kupferlagen? Bei Multilayer Aufbauten benötigt der Hersteller Informationen über die Kupferstärke von Innenlagen und Außenlagen. Die Standard Kupferstärke ist bei vielen Herstellern 35 μm, bei manchen jedoch 18 μm. Dies gilt es daher, genau zu spezifizieren.
  • Welche Oberflächenbehandlung ist gewünscht? Ob die Oberfläche mit HAL oder ENIG versiegelt wird, kann sowohl für die Lagerung der Leiterplatte, als auch für die Nutzung im späteren Betrieb einen wesentlichen Unterschied machen.

Um Missverständnissen vorzubeugen, sollten die benötigten Anforderungen an den Lagenaufbau und die verwendeten Materialien gemeinsam mit den Fertigungsdaten der Leiterplatte übermittelt werden.

Lagenaufbauten erstellen und dokumentieren

Welche Möglichkeit hat ein Elektronikentwickler, den gewünschten Lagenaufbau an den Hersteller der Leiterplatte zu kommunizieren? Was ist die Best Practice?

Leider existiert dafür bis heute kein einheitlicher Standard. Die Form der Dokumentation und Kommunikation hängt in aller Regel stark vom jeweiligen Entwickler der Leiterplatte ab. Viele Entwickler dokumentieren den Lagenaufbau in Form einer zusätzlichen Gerber-Datei, eines PDF-Dokuments, einer Excel- oder Text-Datei. Der Mitarbeiter, der die entsprechende Datei beim Hersteller öffnet, muss diese Datei und die darin enthaltenen Informationen immer wieder neu interpretieren. Dieser Vorgang ist zeitaufwendig, sowohl für den Entwickler, der das Dokument erstellen muss, als auch für den Hersteller, der das Dokument verstehen und prüfen muss. Auch ist dieses Vorgehen fehleranfällig, da Entwickler und Hersteller die Informationen unterschiedlich interpretieren können. Abweichungen, die hierbei entstehen, offenbaren sich leider oftmals erst nach der Herstellung der Leiterplatte.

Auch die Kommunikation zwischen Hersteller und Entwickler leidet unter diesem Vorgehen. Bemerkt der Hersteller beispielsweise, dass der dokumentierte Lagenaufbau so nicht gefertigt werden kann, muss dieser das Dokument bearbeiten und per E-Mail zurücksenden.

Das IPC (Institute for Printed Circuits) empfiehlt als Lösung für das beschriebene Problem das standardisierte IPC-2581 Format zum Austausch der relevanten Informationen. Es soll dabei helfen, dass Entwickler und Hersteller eine gemeinsame Basis für den Datenaustausch haben. Doch nicht jede CAD Software unterstützt den Export des Layouts im IPC-2581 Format. Auch bleibt weiterhin das Problem der Kommunikation zwischen Entwickler und Hersteller, bei der die Grundlage keine einzelne Datei, sondern viel mehr ein gemeinsamer Datensatz sein sollte.

So stellt sich also die Frage, wie der Entwickler nun die benötigten Informationen kommunizieren soll. Was ist wirklich die Best Practice?

Unsere Lösung – Das StackUp Modul

Mit dem StackUp Modul geben wir Elektronikentwicklern und Leiterplattenherstellern eine gemeinsame Plattform zum Austausch von Informationen über den Lagenaufbau von Leiterplatten. Durch die grafische Interpretation des Lagenaufbaus sehen Hersteller und Entwickler die selben Daten und haben so die gleiche Grundlage für Entscheidungen. So wird das Problem der Kommunikation mit Hilfe einer gemeinsamen Plattform gelöst. Elektronikentwickler sind auch nicht mehr gezwungen, PDF-Dokumente oder Gerber-Dateien zu erstellen, um mit dem Hersteller zu kommunizieren. Zusätzlich entfällt die aufwändige und fehleranfällige Interpretation der Daten beim Hersteller. Als Teil der Stackrate Plattform werden dem Hersteller die Informationen aus dem StackUp Modul in digitaler Form zur Verfügung gestellt und können in jedem anderem Modul der Stackrate Plattform verwendet werden.

Leiterplattenhersteller können Lagenaufbauten mit Hilfe einer umfangreichen Materialbibliothek oder selbst erzeugten Materialien erstellen und verwalten. Standardaufbauten können dokumentiert und Entwicklern in digitaler Form zu Verfügung gestellt werden. Zusätzlich können Hersteller Ihren Kunden Zugang zur Plattform und dem StackUp Modul geben. So können Kunden eigene Lagenaufbauten mit den vom Hersteller freigegebenen Materialien erstellen, verwalten und anfragen.

Um Daten mit bestehenden Systemen und Softwareprodukten auszutauschen, können die Lagenaufbauten im IPC-2581 Format importiert und exportiert werden. So kann bereits vor Entwicklungsbeginn der entsprechende Lagenaufbau ausgewählt werden. Dies ermöglicht den Datenaustausch mit CAD-Systemen wie Altium Designer, Cadence Allegro PCB Designer, Zuken und weiteren.

Wurde ein Lagenaufbau mit dem StackUp Modul von Stackrate erstellt, sind alle relevanten Parameter wie Endhöhe, Lagenanzahl usw. spezifiziert und dokumentiert. Dies spart sowohl dem Entwickler, als auch dem Hersteller Zeit und führt zu einer beschleunigten Angebotsphase mit geringeren Fehlern. Sofern reale Materialien aus der Materialbibliothek eingesetzt wurden, können bereits während der Erstellung verschiedene DFM-Checks durchgeführt werden. So kann noch vor dem Entwicklungsstart ein passender Lagenaufbau erstellt und auf korrekte Funktionalität geprüft werden.

Das StackUp Modul ist die ideale Software für die Erstellung und Verwaltung von komplexen Lagenaufbauten für Entwickler und Hersteller. StackUp beschleunigt das Erstellen und Prüfen von Lagenaufbauten und vereinfacht die Kommunikation zwischen Elektronikentwickler und Leiterplattenhersteller.

StackUp 1

Klassischer Lagenaufbau als PDF

StackUp 2

Der digitale Lagenaufbau von Stackrate


1

Schneller als In Excel!

Einfach & schnell

Materialien können benutzerfreundlich dem Materialmenü hinzugefügt werden. Dabei wird der Benutzer mit Funktionen wie Material kopieren oder Lagenaufbau spiegeln unterstützt.

Durch Drag & Drop können Materialien innerhalb des digitalen Lagenaufbaus verschoben werden. So lässt sich ein Lagenaufbau in wenigen Sekunden erstellen.


2

Besser verständlich als jede PDF!

Real View

Mit Real View erhält der Benutzer die Möglichkeit, den Lagenaufbau als grafische Darstellung zu sehen. Größe und Darstellung sind dabei möglichst nah am späteren Fertigungsergebnis, um bereits während der Erstellung einen realen Eindruck des Aufbaus zu übermitteln.

Änderungen im Aufbau oder in den Materialien werden in Echtzeit dargestellt.


3

Gut organisiert dank integriertem

Materialmanagement

Die Grundlage des Lagenaufbaus ist das Material. Dafür beinhaltet StackUp eine bestehende und wachsende Materialbibliothek in Kooperation mit den weltweit führenden Herstellern für Prepregs, CCL, Coverlays und Kupferfolien.

Durch das integrierte Materialmanagement lassen sich Materialien eigenständig in das System einpflegen oder importieren. Mit Hilfe intelligenter Filter kann in Sekundenschnelle das gewünschte Material gefunden werden.


4

Fehler bereits während der Erstellung erkennen mit

smartem DFM

Grundsätzlich kann jeder Lagenaufbau erstellt werden, allerdings kann nicht jeder Lagenaufbau auch hergestellt werden. Mit Hilfe einer intelligenten DFM Analyse sorgt StackUp dafür, dass Fehler bereits bei der Erstellung des Lagenaufbaus erkannt und dem Benutzer mitgeteilt werden.

Bei jeder Änderung im Lagenaufbau wird automatisch eine Analyse durchgeführt. Dies spart Entwickler und Hersteller Zeit und sorgt für einen produzierbaren Lagenaufbau.

“Eine Kommunikationslösung, die

Sicherheit schafft.”

“I’ve failed over and over again in my life. And that is why I succeed.”

Weil es bei komplexen Lagenaufbauten auf das einzelne Material, jede
Spezifikation und jede Angabe des Entwicklers ankommt:
Nutzen Sie StackUp für Ihre Lagenaufbauten.

Testen Sie es Selbst
Nils Minor

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Kontaktieren Sie Herrn Minor und vereinbaren Sie einen unverbindlichen Demo Termin.

+49 611 949 170 43
nils@stackrate.de