Eine sechslagige Leiterplatte kann mehr Platz für das Signalrouting und die Stromversorgung bieten als ein einfacherer Aufbau. Die Anzahl der Lagen allein sagt jedoch nicht aus, wie gut die Leiterplatte funktionieren wird. Entscheidend ist, wie die Kupferlagen zugewiesen werden, wo die Rückströme kritischer Signale fließen und ob der Leiterplattenhersteller die vorgeschlagene Geometrie fertigen und prüfen kann.

Betrachten wir zwei konzeptionelle Anordnungen von Lagenfunktionen, von der obersten Lage L1 bis zur untersten Lage L6:

S-G-S-S-G-S: vier als Signallagen und zwei als Masselagen vorgesehene Lagen.
S-G-S-P-G-S: drei als Signallagen, zwei als Masselagen und eine als Versorgungslage vorgesehene Lagen.

Keine der beiden Anordnungen stellt einen gefertigten Querschnitt dar. Die Lagenfunktionen legen weder Kupferdicke, Dielektrikumsabstände und Material noch fest, wie viel Kupfer nach dem Routing und der Berücksichtigung von Abständen verbleibt. Versorgungsleiterbahnen oder Kupferflächen können in beiden Anordnungen vorhanden sein; eine als Signallage vorgesehene Lage muss nicht ausschließlich Signale führen.

Nur Lagenfunktionen, kein physischer Querschnitt und keine Fertigungsspezifikation.

Für übergreifende Entscheidungen zur Architektur siehe Entwurf des Leiterplattenaufbaus.

Ein hypothetisches Design zum Vergleich

Angenommen, Sie entwerfen eine starre Leiterplatte mit:

Kritischen Leiterbahnführungen auf beiden Außenlagen.
Mindestens einer kritischen Leiterbahnführung, die eine Innenlage nutzen muss.
Mehreren Versorgungsschienen, die Bauteile auf der gesamten Leiterplatte erreichen müssen.

Abmessungen und Materialien haben Sie noch nicht ausgewählt. Ihre unmittelbare Aufgabe besteht darin, eine Ausgangsanordnung der Lagen zu wählen und festzulegen, was vor der Übergabe geprüft werden muss.

Option 1: S-G-S-S-G-S

Lage	Konzeptionelle Funktion
L1	Signal
L2	Masse
L3	Signal
L4	Signal
L5	Masse
L6	Signal

Diese Anordnung bietet dem hypothetischen Design zwei als Signallagen vorgesehene Innenlagen. L3 liegt neben der Masselage L2, während L4 neben der Masselage L5 liegt. Diese zusätzliche Routingmöglichkeit auf einer Innenlage kann helfen, wenn kritische Leiterbahnführungen auf den Außenlagen und andere Verbindungen um Platz konkurrieren.

Die mittleren Signallagen grenzen zudem aneinander. Ob Leiterbahnführungen auf L3 und L4 erheblich miteinander koppeln, hängt von der tatsächlichen Geometrie und dem Routing ab. Prüfen Sie daher ihre Wechselwirkung, statt anzunehmen, dass die Masselagen sie voneinander abschirmen.

In dieser Anordnung gibt es keine eigene Versorgungslage. Die mehreren Versorgungsschienen müssen dennoch über geeignetes Kupfer, etwa Leiterbahnen oder Kupferflächen, verteilt werden. Dabei sind der verfügbare Routingplatz und die elektrischen Anforderungen zu berücksichtigen. Diese Kupferstrukturen können auch die verfügbare Referenzabdeckung für benachbarte Signale beeinflussen.

Option 2: S-G-S-P-G-S

Lage	Konzeptionelle Funktion
L1	Signal
L2	Masse
L3	Signal
L4	Versorgung
L5	Masse
L6	Signal

Diese Anordnung bietet dem hypothetischen Design eine Versorgungslage, aber nur eine als Signallage vorgesehene Innenlage. Sie kann ein sinnvoller Ausgangspunkt sein, wenn die Verteilung der mehreren Versorgungsschienen eine zentrale Rolle spielt und L3 genügend Routingkapazität für die Signale auf Innenlagen bietet.

L3 liegt zwischen der Masselage L2 und der Versorgungslage L4, sodass eine Leiterbahnführung auf L3 an beide koppeln kann. Bezeichnen Sie sie nicht als ausschließlich massereferenziert, ohne das tatsächlich vorhandene Kupfer und die Abstände zu prüfen. Wenn ein Teil des Rückstroms das Versorgungskupfer als Referenz nutzt, benötigt das Design außerdem einen geeigneten Wechselstrom-Rückpfad zur Masse. Die Anordnung der Stromverteilung und Entkopplung muss als Teil dieses Pfads berücksichtigt werden.

Eine als Versorgungslage vorgesehene Lage bedeutet zudem nicht, dass sie aus einer einzigen durchgehenden Fläche besteht. Mehrere Versorgungsschienen können separate Kupferbereiche und Abstände erfordern. Prüfen Sie, wie sich diese Grenzen auf Leiterbahnführungen auf L3 und deren Rückstrompfade auswirken.

Auswahl für das Beispiel

Beginnen Sie damit, die bekannten kritischen Leiterbahnführungen zuzuweisen, statt eine Anordnung pauschal für besser zu erklären:

Platzieren Sie die Leiterbahnführungen auf den Außenlagen. Bei beiden Optionen grenzt L1 an die Masselage L2 und L6 an die Masselage L5. Prüfen Sie, ob unter jeder kritischen Leiterbahnführung tatsächlich Massekupfer vorhanden ist, auch im Bereich von Freistellungen und anderen Unterbrechungen.
Platzieren Sie die Leiterbahnführung auf einer Innenlage. Betrachten Sie bei der ersten Option L3 mit der Masselage L2 oder L4 mit der Masselage L5 als Referenz und prüfen Sie dabei auch die benachbarte innere Signallage. Platzieren Sie bei der zweiten Option die Leiterbahnführung auf L3 und beurteilen Sie sowohl das Massekupfer auf L2 als auch das Versorgungskupfer auf L4 in ihrer Umgebung.
Planen Sie die Versorgungsschienen. Vergleichen Sie den Routingplatz und die Kupferfläche, die sie bei beiden Optionen benötigen. Untersuchen Sie bei der zweiten Option die vorgeschlagenen Grenzen der Versorgungsschienen auf L4; prüfen Sie bei der ersten, wie Versorgungsleiterbahnen oder Kupferflächen mit dem Signalrouting und dem Referenzkupfer um Platz konkurrieren.
Untersuchen Sie Lagenwechsel. Wechselt eine Leiterbahnführung die Lage, ändert sich auch die Umgebung für ihren Rückstrom. Prüfen Sie den vollständigen Pfad um jeden Übergang, nicht nur das Signalvia.

Wenn beispielsweise eine kritische Leiterbahnführung von L1 auf L6 wechselt, ändert sich die benachbarte Masselage von L2 zu L5. Eine vorgeschlagene Masseverbindung in der Nähe des Übergangs kann helfen, einen Rückstrompfad bereitzustellen; ihre Eignung hängt jedoch vom tatsächlich vorhandenen Kupfer, der Via-Platzierung und der Geometrie ab. Ebenso erfordert ein Übergang mit einer Versorgungsreferenz einen geeigneten Wechselstrompfad zwischen diesem Versorgungskupfer und Masse.

Skizzieren Sie bei einem Übergang von Masse zu Masse die Signal- und Masseverbindungen gemeinsam:

                 signal via    ground via
L1  signal  ---------+             |
                     |             |
L2  ground  ---------|-------------+
                     |             |
L3  inner copper     |             |
                     |             |
L4  inner copper     |             |
                     |             |
L5  ground  ---------|-------------+
                     |             |
L6  signal           +---------    |

Die vertikale Masseverbindung stellt ein nahe gelegenes, durchkontaktiertes Via dar, das das Kupfer auf L2 und L5 im selben Massenetz verbindet. Die Zeichnung zeigt weder Freistellungen, weitere vom Via durchquerte Lagen noch den vollständigen Strompfad. Prüfen Sie die tatsächliche Verbindung der Flächen, die Via-Platzierung, die Antipads und die Geometrie des kritischen Netzes. Das bloße Vorhandensein des Vias belegt noch keinen ausreichenden Rückstrompfad.

Die bessere Option ist diejenige, die nach diesen Prüfungen die Leiterbahnführungen und Versorgungsschienen des Beispiels aufnimmt und deren Geometrie der Hersteller bestätigt. Die konzeptionelle Lagenreihenfolge allein kann das nicht belegen.

Mehr zur Planung von Masse- und Versorgungskupfer finden Sie unter Masse- und Versorgungsdesign für Leiterplatten. Der Leitfaden zum High-Speed-Leiterplattendesign behandelt Routing und Rückstrompfade für kritische Signale.

Checkliste für jedes kritische Netz

Verwenden Sie diese Checkliste für jedes kritische Netz, einschließlich jedes Abschnitts auf einer anderen Lage:

Signallage: Auf welcher Lage verläuft die Leiterbahnführung und wo wechselt sie die Lage?
Benachbarte Referenz: An welches benachbarte Masse- oder Versorgungskupfer kann die Leiterbahnführung koppeln? Berücksichtigen Sie bei L3 in S-G-S-P-G-S beide benachbarten Lagen.
Tatsächliche Abdeckung: Ist das relevante Kupfer entlang der Leiterbahnführung vorhanden, statt der Lage lediglich die Funktion Masse oder Versorgung zuzuweisen?
Aussparungen und Grenzen: Unterbrechen oder verändern Freistellungen, Kupferaussparungen oder Grenzen von Versorgungsschienen die verfügbare Referenz?
Rückstrompfad am Übergang: Wie kann der Rückstrom fließen, wenn das Signal die Lage oder das Referenzkupfer wechselt? Wenn Versorgungskupfer beteiligt ist: Was stellt den Wechselstrompfad zur Masse her?
Vom Hersteller bestätigte Geometrie: Sind das tatsächlich vorgesehene Kupfer, die Abstände, Materialien und Fertigungstoleranzen für den vorgeschlagenen Aufbau bestätigt?
Verifikation: Welche Analysen, Prüfungen oder Messungen sind für das Netz und den Aufbau vereinbart, und wer prüft die Ergebnisse?

Ein Lagendiagramm allein beantwortet diese Fragen nicht.

Den Aufbau vor der Festlegung von Abmessungen bestätigen

Senden Sie die bevorzugte Anordnung als Ausgangsvorschlag an den Leiterplattenhersteller. Bitten Sie um einen fertigbaren Lagenaufbau mit projektspezifischen Materialien, Leiterplattendicke, Kupfer, Abständen und Toleranzen. Vergleichen Sie anschließend den zurückgemeldeten Aufbau mit den Annahmen für die kritischen Netze.

Prüfen, ob sich die Dicken korrekt addieren

Dieses Rechenbeispiel verwendet sechs Kupferlagen mit jeweils nominal 0,035 mm Dicke. Es veranschaulicht eine Dickenprüfung für die erste Anordnung der Lagenfunktionen; es ist weder ein APTPCB-Standardaufbau noch eine Garantie für die Dicke der fertigen Leiterplatte oder eine Impedanzauslegung.

Von oben nach unten	Nominale Dicke (mm)
L1 Signalkupfer	0,035
L1–L2 Dielektrikum	0,100
L2 Massekupfer	0,035
L2–L3 Dielektrikum	0,200
L3 Signalkupfer	0,035
L3–L4 Dielektrikum	0,500
L4 Signalkupfer	0,035
L4–L5 Dielektrikum	0,200
L5 Massekupfer	0,035
L5–L6 Dielektrikum	0,100
L6 Signalkupfer	0,035
Nominale Gesamtdicke	1,310

Die Berechnung ergibt 6 × 0,035 mm Kupfer plus 1,100 mm Dielektrikum. Lötstoppmaske, Oberflächenfinish sowie Abweichungen durch Galvanisierung und Fertigung sind nicht enthalten. Die tatsächliche Kupferverteilung, der Dielektrikumsaufbau, der Harzaustritt beim Verpressen und die Toleranzen müssen vom Hersteller geprüft werden. Diese Tabelle allein liefert weder eine Leiterbahnbreite noch einen Impedanzwert.

Besprechen Sie auch die Symmetrie des tatsächlichen Aufbaus. Sie ist ein fertigungsrelevanter Aspekt, den es zu prüfen gilt; ein nominal symmetrischer Lagenplan garantiert jedoch nicht, dass kein Verzug auftritt.

Wenn Impedanz Teil des Projekts ist, vereinbaren Sie Zielwert, Toleranz und Prüfverfahren mit dem Hersteller. Ein Testcoupon kann eine vereinbarte Impedanzprüfung für den Aufbau unterstützen; er prüft nicht jede Leiterbahnführung auf der fertigen Leiterplatte. Der Beitrag So lesen Sie einen TDR-Bericht für einen Impedanzcoupon hilft bei der Interpretation dieses Nachweises.

Dokumentieren Sie zusammen mit dem bestätigten Aufbau die endgültigen Lagenfunktionen und die Annahmen, die kritische Leiterbahnführungen beeinflussen. Der Leitfaden zur Dokumentation des Lagenaufbaus behandelt die Übergabe ausführlicher.

Um einen vorgeschlagenen Aufbau zu besprechen, fordern Sie ein Angebot an oder kontaktieren Sie APTPCB. Übermitteln Sie dabei die Lagenanordnung, die Anforderungen an kritische Netze und die Fragen, die der Hersteller noch bestätigen muss.

Technische Referenzen

Die Dokumente SCAA082A und SPRU889 von Texas Instruments sind relevante Primärquellen für das High-Speed-Leiterplattenlayout und Aspekte der Schnittstellenauslegung. Wenden Sie ihre Empfehlungen auf die tatsächliche Schaltung und den bestätigten Aufbau an, statt eine der obigen konzeptionellen Anordnungen als fertige Spezifikation zu betrachten.