Eine Multilayer-PCB (auch Multilayer-PCB-Board genannt) ist eine Leiterplatte mit drei oder mehr Kupferlagen, die mit isolierenden Dielektrika gestapelt und anschließend unter Wärme und Druck laminiert werden. Während zweiseitige Leiterplatten (Double-Sided PCBs) für mittelkomplexe Designs oft ausreichen, benötigen moderne Elektronikprodukte—insbesondere Funksysteme, kompakte Consumer-Geräte und schnelle Digitalelektronik—deutlich höhere Routing-Dichte, bessere EMI/EMV-Eigenschaften und eine stabilere Stromversorgung (Power Integrity).
Dieser Leitfaden erklärt, was Multilayer-PCBs sind, wie man die Lagenanzahl auswählt, welche Designprinzipien wichtig sind, wie der Fertigungsablauf aussieht und wo Multilayer-Leiterplatten typischerweise eingesetzt werden.
Was ist eine Multilayer-PCB?
Eine Multilayer-Leiterplatte besteht aus abwechselnden Kupferfolien und dieelektrischen Prepreg- bzw. Core-Materialien, die zu einer stabilen, starren Struktur laminiert werden. Die Außenlagen (Top und Bottom) tragen meist die Bauteile, während Innenlagen für Routing, Stromverteilung sowie Ground-Referenzflächen vorgesehen sind.
Unterschied zur zweiseitigen Leiterplatte (Double-Sided PCB)
Kurzvergleich:
- Routing-Dichte:
zweiseitig: mittel — Multilayer: sehr hoch - Signalintegrität:
zweiseitig: begrenzt — Multilayer: sehr gut (durch Referenzflächen) - EMI/EMV-Kontrolle:
zweiseitig: basic — Multilayer: stark und gut vorhersehbar - Bauraum-/Größenreduktion:
zweiseitig: begrenzt — Multilayer: deutlich - Kosten:
zweiseitig: niedrig — Multilayer: höher - Zuverlässigkeit:
zweiseitig: gut — Multilayer: sehr gut (kürzere Leitungswege, weniger Rauschen)
Während eine zweiseitige Leiterplatte Signale nur auf zwei Lagen routet, bietet eine Multilayer-PCB mehrere interne Routingkanäle. Das ermöglicht kompaktere Layouts, kürzere Rückstrompfade und kontrollierte Impedanz für High-Speed-Schnittstellen.
Woran erkennt man eine Multilayer-PCB?
Ein schneller Check ist die Kantenansicht: Multilayer-PCBs zeigen mehrere laminierte Schichten an der Platinenkante statt eines einheitlichen Kernmaterials. Hochdichte Boards wirken außerdem oft etwas schwerer, da mehr Kupfer enthalten ist.
Aufbau einer Multilayer-PCB
Eine typische Multilayer-PCB ist wie ein „Sandwich“ aus Kupfer und Dielektrikum aufgebaut:
- Top Layer – Pads und kurze Leiterzüge
- Interne Signallagen – kontrolliertes Routing, hohe Netzdichte
- Power-Plane-Lagen – niederimpedante Stromversorgung
- Ground-Plane-Lagen – Referenzfläche für Signale
- Bottom Layer – Bauteile, Steckverbinder oder Breakout-Routing
Die dielektrischen Materialien bestimmen Abstände und wichtige elektrische Eigenschaften wie Impedanz, Verlust (Loss) und Übersprechen (Crosstalk). Dünnere Dielektrika und engere Kopplung an die Masse verbessern typischerweise die High-Speed-Performance.
Wie viele Lagen braucht man?
Die meisten kommerziellen Multilayer-PCBs liegen zwischen 4 und 12 Lagen, wobei Netzwerkgeräte, Automotive-Radar oder Server-/Computing-Systeme häufig 16–30+ Lagen erfordern.
Warum haben Multilayer-PCBs meist eine gerade Lagenzahl?
Gerade Lagenzahlen lassen sich beim Laminieren gleichmäßiger aufbauen, was das Risiko von Verzug/Warpage reduziert und die Fertigungsausbeute verbessert. Ungerade Lagenzahlen sind grundsätzlich möglich, werden aber meist wegen höherer Kosten und mechanischer Spannungen vermieden.
Schneller Entscheidungsleitfaden
- Einfache MCU-/IoT-Boards, stromsensitiv: 4 Lagen
- Mittelkomplexe Digitalschaltungen, RF-Bereiche: 6 Lagen
- High-Speed (USB 3.x, PCIe, DDR), mittlere Dichte: 8 Lagen
- Sehr hohe Dichte, mehrere BGAs, kontrollierte Impedanz + EMC: 10–12 Lagen
Wichtige Kriterien bei der Lagenwahl:
- BGA-Pitch & I/O-Anzahl
- High-Speed-Signale mit Bedarf an nahen Referenzflächen
- Anzahl der Versorgungsschienen (Power Rails)
- Stackup-Symmetrie und Fertigbarkeit
- Kosten-/Performance-Anforderungen
Via-Typen: Through-Hole, Blind und Buried
Multilayer-PCBs nutzen Vias, um Lagen elektrisch zu verbinden. Häufige Typen:
1) Through-Hole Via (PTH)
- Von oben nach unten durchgebohrt
- Günstig und am einfachsten herzustellen
- Für allgemeines Routing und bedrahtete Bauteile geeignet
2) Blind Via
- Verbindet eine Außenlage mit einer oder mehreren Innenlagen
- Reduziert Routing-Engpässe unter dichten BGAs
- Teurer durch präzise Tiefensteuerung
3) Buried Via
- Verbindet ausschließlich Innenlagen
- Schafft mehr Platz auf den Außenlagen
- Häufig bei kompakten und schnellen Designs
Hinweis zu HDI-Multilayer-PCBs
HDI nutzt Microvias—sehr kleine, lasergebohrte Vias—für extrem enge BGA-Pitches und kurze Signalwege.
Wichtige Designgrundlagen für Multilayer-PCBs
Dieser Abschnitt fasst praxisnahe, breit anwendbare Designregeln zusammen.
1) Stackup-Grundlagen
Ein guter Stackup ist das Fundament einer zuverlässigen Multilayer-PCB. Drei Kernregeln:
Regel 1: Signallagen nahe an Ground- oder Power-Planes platzieren
Das sorgt für starke elektromagnetische Kopplung, reduziert die Schleifenfläche und verbessert die Signalqualität.
Regel 2: Einen durchgängigen Rückstrompfad sicherstellen
High-Speed-Signale suchen den Pfad mit der geringsten Induktivität. Vermeiden Sie das Überqueren von Split Planes, da dies den Rückstrompfad stört und EMI-Probleme verursacht.
Regel 3: Stackup-Symmetrie erhalten
Ungleichmäßige Kupferverteilung kann beim Laminieren zu Verzug führen. Symmetrische Stackups minimieren mechanische Spannungen.
2) Einsatz von Power- und Ground-Planes
Dedizierte Power- und Ground-Planes:
- reduzieren Rauschen
- verbessern die Power Integrity
- ermöglichen vorhersehbares Routing mit kontrollierter Impedanz
In digitalen Designs werden GND-Planes oft zentral platziert, um Signallagen besser zu schirmen.
3) Routing-Regeln für High-Speed und Mixed-Signal
- Layer-Wechsel minimieren, um Via-Stubs und Reflexionen zu reduzieren
- Benachbarte Lagen orthogonal routen (X–Y), um Crosstalk zu verringern
- Unter Differenzialpaaren konsistente Referenzflächen sicherstellen
- Takt- und High-Speed-Leitungen von „lauten“ Power-Schaltungen fernhalten
- In empfindlichen Analogbereichen Switching-Rückströme isolieren
Das sind robuste Grundregeln, ohne in Spezialberechnungen abzutauchen.
Multilayer-PCB-Fertigung: Der Herstellungsablauf
Die Fertigung folgt einem klaren, schrittweisen Prozess. Hier ein gut verständlicher Überblick:
Schritt 1: Innenlagen-Belichtung & Ätzen (Inner Layer Imaging & Etching)
Kupfer wird mit Fotolack versehen, per UV belichtet und anschließend geätzt, um die internen Leiterstrukturen zu erzeugen.
Schritt 2: Laminieren (Lamination)
Mehrere Cores und Prepreg-Schichten werden unter hoher Temperatur und Druck verpresst. Das erfordert präzise Prozesskontrolle, um Lufteinschlüsse, Versatz oder Warpage zu vermeiden.
Schritt 3: Mechanisches Bohren
Tausende Bohrungen für Vias und Bauteilanschlüsse werden erstellt. Die Bohrqualität beeinflusst die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierung und die Annular-Ring-Genauigkeit.
Schritt 4: Desmear & Kupfergalvanik (Desmear & Copper Plating)
Harzrückstände werden entfernt (Desmear), anschließend werden die Lochwände kupferbeschichtet. Dadurch entstehen leitfähige „Barrels“, die die Lagen verbinden.
Schritt 5: Außenlagen-Strukturierung (Outer Layer Patterning)
Nach dem Laminieren werden die Außenlagen belichtet und geätzt, um Top- und Bottom-Routing zu erzeugen.
Schritt 6: Lötstoppmaske & Bestückungsdruck (Solder Mask & Silkscreen)
Die Lötstoppmaske schützt Leiterzüge vor Oxidation und Lötbrücken. Der Bestückungsdruck zeigt Bauteilbezeichnungen und Polaritätsmarkierungen.
Schritt 7: Endoberfläche (Final Finishing)
Oberflächen wie HASL, ENIG, ENEPIG oder OSP werden auf freiliegende Pads aufgebracht, damit die Platine für die Bestückung bereit ist.
Schritt 8: Elektrischer & Funktionstest
Flying-Probe oder Bed-of-Nails Tests prüfen Durchgang, Kurzschlüsse und die korrekte Lagenverbindung.
Vorteile und Nachteile von Multilayer-PCBs
Wichtige Vorteile
- hohe Routing-Dichte → kompakte Produktdesigns
- bessere EMI/EMV-Eigenschaften
- bessere Signalintegrität durch Referenzflächen
- kürzere Leiterzüge → geringere parasitäre Effekte, weniger Rauschen
- höhere mechanische Stabilität als Single-Layer Boards
Wichtige Einschränkungen
- höhere Fertigungskosten als bei einfachen Boards
- komplexeres Design und Layout
- Fehlersuche und Rework schwieriger wegen interner Strukturen
Trotzdem sind Multilayer-PCBs die bevorzugte Basis moderner Elektronik.
Typische Anwendungen von Multilayer-PCBs
Multilayer-PCBs stecken in nahezu jedem fortschrittlichen Elektronikprodukt, z. B.:
Consumer Electronics
Smartphones, Laptops, Tablets, Wearables, Kameras
Kommunikationstechnik
Router, Basisstationen, RF-Module, Satellitenelektronik
Industrie & Automation
Motorsteuerungen, SPS/PLC, Messtechnik, Sensor-Interfaces
Automotive & Transportation
ADAS, Radar, Infotainment, EV-Steuergeräte
Medizintechnik
Portable Monitore, Bildgebungssysteme, Handheld-Analysatoren
Multilayer-PCBs ermöglichen hohe Funktionalität auf kleinem Raum—deshalb sind sie in diesen Branchen unverzichtbar.
Häufige Fragen (FAQ)
Was ist die minimale Lagenzahl einer Multilayer-PCB?
Technisch sind drei Kupferlagen das Minimum, in der Praxis gelten jedoch 4-Lagen-PCBs als die am häufigsten gefertigten „echten“ Multilayer-Boards.
Warum haben Multilayer-PCBs meist eine gerade Lagenzahl?
Weil der Aufbau gleichmäßiger ist, mechanische Spannungen sinken und Fertigungsfehler reduziert werden.
Wann sollte ich 4 Lagen vs. 6 Lagen wählen?
4 Lagen für einfache IoT-/MCU-Projekte, 6 Lagen, wenn Routing-Komplexität oder EMI-Anforderungen steigen.
Was ist der Unterschied zwischen Blind, Buried und Through-Hole Vias?
Through-Hole: von oben nach unten
Blind: Außenlage zu Innenlage
Buried: Innenlage zu Innenlage
Warum haben Multilayer-PCBs bessere EMI-Eigenschaften?
Signale können über durchgehende Kupfer-Referenzflächen geführt werden, was Schleifenflächen verkleinert und Abstrahlung reduziert.
Warum sind Multilayer-PCBs schwerer zu reparieren?
Innenlagen sind nicht direkt zugänglich; Defekte können zwischen dielektrischen Schichten verborgen liegen.
Woran erkenne ich eine Multilayer-PCB?
An der Platinenkante sind mehrere laminierte Lagen sichtbar.
Fazit
Multilayer-PCBs sind das Rückgrat moderner High-Performance-Elektronik. Wer die Lagenwahl, Stackup-Planung, Routing-Grundlagen und den Fertigungsprozess versteht, kann zuverlässigere, kompaktere und EMV-robustere Produkte entwickeln.
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