Einseitige vs. doppelseitige vs. mehrlagige Leiterplatten: Auswahl des richtigen Designs für Ihr Projekt

Printed Circuit Boards (PCBs) sind das Rückgrat der modernen Elektronik, aber nicht alle PCBs sind gleich.und mehrschichtige PCBs hängt von Faktoren wie KomplexitätJeder Typ hat seine eigenen Vorteile und Grenzen, die ihn für unterschiedliche Anwendungen geeignet machen: von einfachen LED-Taschenlampen bis hin zu fortschrittlichen 5G-Routern.

Dieser Leitfaden erläutert die wichtigsten Unterschiede zwischen diesen drei PCB-Typen, vergleicht deren Konstruktion, Leistung, Kosten und ideale Anwendungsfälle.Ingenieure, können Designer und Hersteller fundierte Entscheidungen treffen, die Funktionalität und Erschwinglichkeit in Einklang bringen.

Wichtige Erkenntnisse
1Einseitige Leiterplatten sind die einfachsten und billigsten, mit Komponenten auf einer Seite, ideal für Geräte mit geringer Komplexität (z. B. Taschenrechner), aber durch geringe Dichte und Signalvermittlung eingeschränkt.
2.Doppelseitige Leiterplatten bieten mehr Flexibilität mit Komponenten auf beiden Seiten und durchbohrenden Durchgängen, die eine moderate Komplexität (z. B. Arduino-Boards) zu einem mittleren Preis unterstützen.
3.Mehrschichtliche Leiterplatten (4+ Schichten) bieten eine hohe Dichte, eine überlegene Signalintegrität und ein überlegenes Strommanagement, was sie für komplexe Elektronik (z. B. Smartphones,5G-Basisstationen) aber zu höheren Kosten.
4Die Wahl des richtigen Typs reduziert die Produktionskosten um 20~50%: Übermäßige Konstruktion mit einem mehrschichtigen PCB für ein einfaches Gerät ist eine Verschwendung von Geld.Während unter-Engineering mit einem einseitigen Board für ein komplexes Design führt zu Leistungsstörungen.

Was definiert einseitige, doppelseitige und mehrschichtige PCBs?
Der Hauptunterschied zwischen diesen PCB-Typen liegt in der Anzahl der Schichten und der Anordnung der Komponenten und Spuren.

Einseitige PCB
a.Konstruktion: Eine einzelne Schicht leitfähiger Kupferfolie, die an einer Seite eines Isolationssubstrats (typischerweise FR4) befestigt ist.mit allen Spuren auf dieser einzigen Schicht.
b.Hauptmerkmal: Es sind keine Durchläufe (Lochlöcher, die Schichten verbinden) erforderlich, da es nur eine leitfähige Schicht gibt.
c. Dicke: typischerweise 0,8 ∼ 1,6 mm, mit 1 Unze Kupfer (35 μm Dicke) für Spuren.

Doppelseitige PCB
a.Konstruktion: Kupferschichten auf beiden Seiten des Substrats mit durchbohrenden Durchgängen (plattierten Löchern), die die oberen und unteren Spuren verbinden.
b.Hauptmerkmal: Durch Schleifen können Signale zwischen Schichten “springen”, wodurch eine komplexere Routingmöglichkeit als bei einseitigen PCBs besteht.
c. Dicke: 0,8 ‰ 2,4 mm, mit 1 ‰ 2 Unzen Kupfer für Spuren (35 ‰ 70 μm).

Mehrschichtige PCB
a.Konstruktion: Vier oder mehr Kupferschichten (ebenen Zahlen sind Standard) durch Isolationssubstratschichten (Vorpregschicht und Kern) getrennt.,während die äußeren Schichten Komponenten enthalten.
b.Hauptmerkmale: Blinde Durchläufe (verknüpfen die äußeren mit den inneren Schichten) und vergrabene Durchläufe (verknüpfen nur die inneren Schichten) ermöglichen eine dichte Routing ohne Platzopfer.Kontrollierte Impedanzspuren unterstützen Hochgeschwindigkeitssignale.
c. Dicke: 1,2 ∼3,2 mm für 4 ∼16 Schichten mit 1 ∼3 Unzen Kupfer (35 ∼105 μm) je nach Leistungsanforderung.

Seite an Seite Vergleich: Hauptmerkmale

Vorteile und Einschränkungen nach Art
Einseitige PCB
Vorteile:
a.Niedrige Kosten: Der einfachste Herstellungsprozess (kein Bohren oder Plattieren) senkt die Material- und Arbeitskosten um 30~50% im Vergleich zu doppelseitigen PCBs.
b.Schnelle Produktion: Keine Notwendigkeit für die Schichtbereinigung oder die Verarbeitung, so dass die Vorlaufzeit für Prototypen 2-5 Tage beträgt.
c.Einfache Inspektion: Alle Spuren und Komponenten sind auf einer Seite sichtbar, wodurch manuelle Prüfungen und Fehlerbehebung vereinfacht werden.

Einschränkungen:
a.Niedrige Dichte: Die Spuren können nicht kreuzen, ohne sich zu verkürzen, was die Anzahl der Komponenten und die Komplexität des Designs einschränkt.
b.Schlechte Signalintegrität: Lange, schlängliche Spuren (die erforderlich sind, um Kreuzungen zu vermeiden) verursachen Signalverzögerungen und Lärm bei Hochgeschwindigkeitskonstruktionen.
c. Begrenzte Leistung: Eine einzige Kupferschicht beschränkt den Stromfluss und macht sie für Hochleistungsgeräte ungeeignet.

Doppelseitige PCB
Vorteile:
a.Vergrößerte Dichte: Durch Spuren lassen sich Spuren durch Routing auf der gegenüberliegenden Schicht kreuzen, wodurch 2×3 mal mehr Komponenten als einseitige PCBs unterstützt werden.
b.Bessere Signalvermittlung: Kürzere Spuren (dank Via) reduzieren den Signalverlust und eignen sich für niedriggeschwindige digitale Designs (≤100MHz).
c. Kosteneffiziente Balance: Er ist günstiger als Multilayer-PCBs und bietet gleichzeitig mehr Flexibilität als einseitige Platten.

Einschränkungen:
a.Still Limited by Layer Count: Komplexe Konstruktionen (z. B. mit mehr als 100 Komponenten oder Hochgeschwindigkeitssignalen) erfordern möglicherweise mehr Schichten, um Überschall zu vermeiden.
b. Durchgangstauglichkeit: Durchgängige Durchgänger sind anfällig für Fass-Risse unter thermischer Belastung, was in hochtemperaturartigen Umgebungen (z. B. Automobilmotoren) ein Risiko darstellt.

Mehrschichtige PCB
Vorteile:
a.Hohe Dichte: Die inneren Schichten und die fortschrittlichen Durchläufe (blind/begraben) ermöglichen 5-10-mal mehr Komponenten als doppelseitige PCBs, was für kompakte Geräte wie Smartphones von entscheidender Bedeutung ist.
b.Besondere Signalintegrität: Kontrollierte Impedanzspuren (50Ω/100Ω) und spezielle Bodenflächen minimieren die Überspannung und EMI und unterstützen Hochgeschwindigkeitssignale (1Gbps+).
c. Effiziente Stromverteilung: Getrennte Stromschichten verringern den Spannungsrückgang und verarbeiten hohe Ströme (10A+) für Strom-hungrige Geräte wie 5G-Transceiver.
d. Mechanische Festigkeit: Mehrere Substratschichten machen sie starrer und widerstandsfähiger gegen Verformung als einseitige/zweiseitige PCBs.

Einschränkungen:
a.Höhere Kosten: Komplexe Fertigung (Schichtverlagerung, durch Bohren, Lamination) erhöht die Kosten um das zweimal so hoch wie bei doppelseitigen PCB.
b.Längere Vorlaufzeiten: Präzisionstechnik und -prüfung verlängern die Produktionszeiten für Prototypen auf 7-14 Tage und für Platten mit hoher Schichtanzahl auf länger.
c. Herausforderungen bei der Nachbearbeitung: Fehler in der inneren Schicht sind schwer zu beheben, was die Schrottquote und die Nachbearbeitungskosten erhöht.

Ideale Anwendungen für jeden PCB-Typ
Die Übereinstimmung des PCB-Types mit der Anwendung gewährleistet eine optimale Leistung und Kosteneffizienz.

Einseitige PCB
Am besten für geringe Komplexität und kostengünstige Geräte, bei denen Platz und Leistung nicht von entscheidender Bedeutung sind:
a.Verbraucherelektronik: Fernbedienungen, Taschenrechner, LED-Taschenlampen und Spielzeug.
b.Industrielle Sensoren: Einfache Temperatur- oder Luftfeuchtigkeitssensoren mit minimalen Komponenten.
c. Stromversorgungen: Grundlegende lineare Stromversorgungen mit wenigen aktiven Bestandteilen.
Beispiel: Ein Kinderspielzeug-PCB verwendet ein einseitiges Design, um die Kosten unter 1 USD pro Einheit zu halten, mit 1015 Komponenten (LEDs, Widerstände, ein einfaches IC).

Doppelseitige PCB
geeignet für Geräte mit mittlerer Komplexität, die mehr Komponenten und eine bessere Routing als einseitige PCB benötigen:
a.Eingebettete Systeme: Arduino-Boards, Raspberry Pi Pico und grundlegende Mikrocontroller-basierte Geräte.
b.Automotive Zubehör: Ladegeräte für Fahrzeuge, Armaturenbrettkameras und Bluetooth-Empfänger.
c. Audiogeräte: Kopfhörerverstärker, Grundlautsprecher und FM-Funkgeräte.
Beispiel: Ein Arduino Uno verwendet eine doppelseitige Leiterplatte, um 50+ Komponenten (USB-Anschluss, Spannungsregler, GPIO-Pins) mit Spuren auf beiden Seiten über durchläufige Durchgänge zu montieren.

Mehrschichtige PCB
Unentbehrlich für Hochleistungs- und komplexe Elektronik, bei der Dichte, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind:
a.Smartphones und Wearables: PCBs mit 6-12 Schichten verpacken Prozessoren, 5G-Modems und Batterien in schlanke Designs.
b.Telekommunikationsinfrastruktur: 5G-Basisstationen und Datenzentrumsschalter verwenden 12-16-Schicht-PCBs für 28GHz-mmWave-Transceiver und 100Gbps+-Signale.
c. Medizinische Geräte: MRT-Maschinen und Herzschrittmacher sind für präzise Signalvermittlung und EMI-Widerstandsfähigkeit auf 4-8 Schicht-PCBs angewiesen.
d. Luft- und Raumfahrt: Bei Satellitenlaststoffen werden PCBs mit 8 ̊12-Schicht und hohen Tg-Substraten verwendet, um extremen Temperaturen und Strahlung standzuhalten.
Beispiel: Die Hauptplatte eines 5G-Smartphones besteht aus 8 Schichten: 2 äußere Schichten für Komponenten, 2 innere Schichten für die Stromverteilung und 4 Schichten für die Hochgeschwindigkeitssignalvermittlung (5G, Wi-Fi 6E).

Kostenverteilung: Warum Mehrschicht-PCBs teurer sind
Der Kostenunterschied zwischen den PCB-Typen beruht auf der Komplexität der Herstellung:

Wie man die richtige PCB-Typ wählt
Folgen Sie diesem Entscheidungsrahmen, um den optimalen PCB-Typ auszuwählen:
1.Bewertung der Komponentenzahl:
< 50 Komponenten: Einseitig.
50×200 Komponenten: Doppelseitig.
200 Komponenten: Mehrschicht.

2.Evaluieren Sie die Signalgeschwindigkeit:
≤ 100 MHz: Einseitig oder doppelseitig.
100 MHz ⋅ 1 Gbps: doppelseitig oder vierschichtig.
1 Gbps: 4+ Schicht mit kontrollierter Impedanz.

3- Berücksichtigen Sie den Strombedarf:
< 1A: Einseitig.
1·10A: doppelseitig mit dickem Kupfer.
10A: Mehrschicht mit speziellen Stromschichten.

4- Überprüfen Sie Platzbeschränkungen:
Große Gehäuse (z. B. Industrieboxen): Einseitig/doppelseitig.
Kompakte Geräte (z. B. Wearables): Mehrschicht.

5.Bilanzkosten und Leistung:
Kosten priorisieren: Verwenden Sie den einfachsten Typ, der den Anforderungen entspricht.
Leistung priorisieren: Upgrade auf eine höhere Schichtzahl für Zuverlässigkeit.

Häufig gestellte Fragen
F: Kann ein Entwurf mit einer einseitigen Leiterplatte beginnen und auf mehrere Schichten skaliert werden?
A: Ja, viele Produkte entwickeln sich mit zunehmender Funktionalität von Einzel- zu Doppelschicht- zu Mehrschicht-Produkten.

F: Sind mehrschichtige Leiterplatten immer besser für Hochgeschwindigkeitssignale?
A: Im Allgemeinen ja. Ihre speziellen Bodenflächen und kontrollierten Impedanzspuren minimieren den Signalverlust. Gut gestaltete doppelseitige Leiterplatten können jedoch bis zu 1 Gbps in kurzen Spuren (≤ 5 cm) verarbeiten.

F: Wie kann ich bei der Verwendung eines Mehrschicht-PCBs die Kosten reduzieren?
A: Optimieren Sie die Schichtzahl (z. B. 4 Schichten statt 6, wenn möglich), begrenzen Sie die blinden/begrabenen Durchläufe auf kritische Bereiche,und Standard-FR4 anstelle von teuren Materialien verwenden (es sei denn, dies ist für hohe Frequenzen erforderlich).

F: Können einseitige PCBs RoHS-konform sein?
A: Ja, die RoHS-Konformität hängt von den Materialien ab (bleifreies Lötwerk, halogenfreie Substrate), nicht von der Schichtzahl.

F: Was ist die maximale Schichtzahl für ein PCB?
A: Kommerzielle Leiterplatten haben in der Regel maximal 40 Schichten (z. B. für Supercomputer), aber die meisten Anwendungen verwenden 416 Schichten.

Schlussfolgerung
Die Wahl zwischen einseitigen, zweiseitigen und mehrschichtigen Leiterplatten hängt von der Ausgewogenheit von Komplexität, Leistung und Kosten ab.während doppelseitige Bretter einen Mittelweg für moderate Entwürfe bietenMehrschicht-PCBs sind trotz ihrer höheren Kosten die Wahl für leistungsstarke, dichte Elektronik.

Indem Sie den PCB-Typ mit der Anzahl der Komponenten Ihres Projekts, der Signalgeschwindigkeit, dem Strombedarf und den Platzbeschränkungen ausrichten,Sie können vermeiden, dass Sie zu viel (und zu viel) oder zu wenig (und das Risiko des Scheiterns) investieren.Da sich die Elektronik weiter schrumpft und beschleunigt, werden mehrschichtige PCBs an Bedeutung gewinnen, aber einseitige und doppelseitige Platten werden für kostensensible Anwendungen mit geringer Komplexität von entscheidender Bedeutung bleiben.

Letztendlich ist der "richtige" PCB-Typ derjenige, der Ihre Designanforderungen ohne unnötige Kosten erfüllt und sicherstellt, dass Ihr Produkt sowohl funktional als auch wettbewerbsfähig auf dem Markt ist.