In unserem Zeitalter, das von elektronischen Geräten geprägt ist, sei es ein Rechenzentrumsserver, der Billionen von Operationen pro Sekunde ausführt, oder das leistungsstarke Smartphone in der Tasche, haben sie alle im Kern ein gemeinsames Merkmal: eine hochintegrierte, unglaublich ausgeklügelte mehrschichtige Leiterplatte (PCB).

Wenn eine doppelseitige Platine eine Zweibahnstraße ist, die Punkt A mit Punkt B verbindet, dann ist eine mehrschichtige Leiterplatte eine moderne Metropole mit Überführungen, unterirdischen Tunneln, Schnellstraßen und speziellen Rettungsgassen. Es stellt den Höhepunkt der PCB-Design- und Fertigungstechnologie dar und ist ein unverzichtbarer Eckpfeiler von High-End-Elektronikgeräten. Lassen Sie uns heute mehrschichtige Leiterplatten entmystifizieren und die Komplexität und Kunstfertigkeit dahinter untersuchen.

I. Was ist eine Multilayer-Leiterplatte? Ein Wunderwerk der Ingenieurskunst jenseits von Dimensionen

1.1 Grundlegende Definition

Eine Multilayer-Platine ist eine komplexe Leiterplatte, die aus drei oder mehr Schichten leitfähiger Muster (Kupferfolie) besteht, die mit Prepreg (Prepreg, PP) laminiert und durch plattierte Durchgangslöcher (PTHs) miteinander verbunden sind. Zu den gängigen Layer-Counts gehören 4, 6, 8 und sogar 100 oder mehr, wie sie in Supercomputern und großen Kommunikations-Switches verwendet werden.

1.2 Die Kernstruktur

Eine anschauliche Analogie: Stellen Sie sich eine "dimensionale Tasche" in einem Science-Fiction-Roman vor.

Obere/untere Schichten:Der Ein- und Ausgang der Tasche, in der die wichtigsten Komponenten und externen Anschlüsse platziert werden.

Interne Ebenen:Der mehrdimensionale Raum im Inneren der Tasche. Sie sind immer Power Plane und Ground Plane zugeordnet und bieten eine stabile, geräuscharme Energiezu- und -rückführung für alle Komponenten.

Interne Signalschichten:Verstecken Sie sich im geheimen Pfad in der Tasche, der speziell zum Einstellen von schnellen, empfindlichen Signalleitungen und zur Vermeidung externer Störungen verwendet wurde.

Prepreg:Der magische Klebstoff, mit dem jede Dimension verklebt werden kann, wirkt sowohl als Isolator als auch als strukturelle Stütze.

Vias:Ein "Portal", das verschiedene Dimensionen verbindet, darunter Durchgangslöcher, die durch die gesamte Struktur verlaufen, Sacklöcher, die nur von der Oberfläche in die innere Schicht gehen, und vergrabene Durchkontaktierungen, die vollständig in der inneren Schicht verborgen sind.

Diese dreidimensionale Struktur löst zentrale Herausforderungen wie High-Density-Interconnect (HDI), Signalintegrität (SI), Leistungsintegrität (PI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), die doppelseitige Leiterplatten nicht bewältigen können.

II. Warum Multilayer-Leiterplatten? 4 unwiderstehliche Vorteile

Bei der Aufrüstung von doppelseitigen Platinen auf mehrschichtige Platinen geht es nicht nur darum, den Verdrahtungsraum zu vergrößern. Es bietet einen deutlichen Sprung nach vorne:

1. Unübertroffene Verdrahtungsdichte und High-Density-Verbindungen (HDI)

Dies ist der offensichtlichste Vorteil. Durch das Hinzufügen von Innenschichten gewinnen Entwickler exponentiell mehr Platz für die Verdrahtung, was das Design extrem komplexer ICs (z. B. große BGA-Gehäuse mit über 1.000 Pins) ermöglicht. In Kombination mit der Blind- und Vergraben-Via-Technologie ermöglicht dies präzisere Verbindungen und entspricht damit dem Trend zur Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung in modernen elektronischen Produkten.

2. Ausgezeichnete Signalintegrität

Digitale Hochgeschwindigkeitssignale (z. B. PCIe, DDR und USB 3.0+) reagieren extrem empfindlich auf Übertragungswege. Multi-Layer-Platinen ermöglichen die Verwendung von Stripline-Routing (Signalleitungen, die zwischen zwei Referenzebenen liegen). Im Vergleich zum Microstrip-Routing von doppelseitigen Platinen (Signalleitungen auf der Oberfläche) sorgt dies für eine bessere Abschirmung, reduziert Übersprechen und externe Strahlung und sorgt für saubere, verzerrungsfreie Signale.

3. Starke Machtintegrität

Dedizierte Stromversorgungs- und Masseflächen bieten Stromversorgungspfade mit extrem niedriger Impedanz. Dies reduziert effektiv das Rauschen der Stromversorgung, verhindert Logikfehler der Schaltung, die durch Spannungsschwankungen verursacht werden, und unterstützt die transienten hohen Stromanforderungen beim Hochgeschwindigkeits-Chipschalten. Ein stabiles Stromverteilungsnetz (PDN) ist der Eckpfeiler der Systemzuverlässigkeit.

4. Ausgezeichnete elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Enge Strom-/Masseebenen erzeugen einen effektiven Faradayschen Käfigeffekt, der die elektromagnetischen Felder abschirmt, die von Hochgeschwindigkeitssignalen innerhalb der Platine erzeugt werden. Dies reduziert nicht nur elektromagnetische Interferenzen (EMI) nach außen, sondern erhöht auch die inhärente Widerstandsfähigkeit der Platine gegen externe Störungen. Dies ist entscheidend für Produkte, die strenge EMV-Zertifizierungen wie CE und FCC bestehen müssen.

III. Enthüllung des Herstellungsprozesses von Multilayer-Leiterplatten – eine Symphonie aus Präzision und Zusammenarbeit

Die Herstellung von Multilayer-Leiterplatten ist ein äußerst komplexer Prozess, der weitaus anspruchsvoller ist als doppelseitige Leiterplatten. Fehler in jedem Schritt können dazu führen, dass eine ganze Charge von Leiterplatten verschrottet wird.

1. Herstellung des Kerns der Innenschicht

Schneiden: Schneiden von großen Blechen aus CCL (kupferkaschiertes Laminat) in Produktionsgrößen.

Übertragung des inneren Schichtmusters: Das Schaltungsmuster der inneren Schicht wird durch Beschichtung, Belichtung und Entwicklung auf die Kupferfolie übertragen.

Ätzen der inneren Schicht: Ätzen Sie unnötiges Kupfer weg, um Schaltkreise der inneren Schicht zu bilden.

AOI (Automated Optical Inspection): Dabei wird eine hochpräzise Kamera verwendet, um Schaltkreise innerhalb der Schicht zu scannen und sie mit dem ursprünglichen Design zu vergleichen, um Brüche, Kurzschlüsse oder Defekte zu erkennen. Dies ist entscheidend, um die Qualität der inneren Schichten zu gewährleisten.

2. Laminierung – Der magische Moment

Dies ist der Kernschritt, der nur für Multilayer-Leiterplatten gilt.

Lay-up: Die vorbereitete innere Kernschicht, das Prepreg und die Kupferfolie (für die äußere Schicht) werden präzise ausgerichtet und wie ein Schichtkuchen gestapelt.

Laminierung: Bei hohen Temperaturen (170-180 °C) und hohem Druck schmilzt und fließt das Prepreg, füllt die Lücken zwischen den Linien und verfestigt sich nach dem Abkühlen, wodurch alle Schichten fest zu einem festen Ganzen verbunden werden.

3. Bohren

Mit einem extrem feinen Bohrer (bis zu 0,1 mm) oder einem Laser werden Durchgangslöcher, Sacklöcher und vergrabene Durchkontaktierungen in die laminierte Platte gebohrt. Die Bohrungsgenauigkeit und die Wandqualität sind entscheidend für die anschließende Kupferabscheidung.

4. Plattierte Durchgangslöcher (PTH) und sekundäre Beschichtung

Obwohl es im Prinzip doppelseitigen Leiterplatten ähnelt, erfordert das größere Lochseitenverhältnis eine extrem hohe Kupferabscheidung und Gleichmäßigkeit der Beschichtung. Dies gewährleistet ausreichende Kupferablagerungen sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite der Lochwände, um den fatalen Defekt zu vermeiden, dass kein Kupfer vorhanden ist (Lochausbruch).

5. Übertragung und Beschichtung des äußeren Schichtmusters

Der Prozess ist ähnlich wie bei den inneren Schichten, jedoch wird eine Musterbeschichtung verwendet, um das Kupfer an den Leiterbahnen und Lochwänden so zu verdicken, dass es nachfolgenden Verarbeitungsschritten standhält.

6. Lötmaske, Siebdruck und Oberflächenbehandlung

Ähnlich wie der doppelseitige PCB-Prozess, jedoch mit höheren Anforderungen an die Ausrichtungsgenauigkeit.

7. Prüfung und Endkontrolle des Flying-Probe/Testers

Aufgrund der großen Anzahl von Netzen muss eine 100%ige elektrische Leistungsprüfung mit einem Tester mit hoher Kanalzahl durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen korrekt sind.

IV. Layer-Stackup-Design – Die Kunst der Leistung

Das Stackup-Design ist die Seele des mehrschichtigen PCB-Designs. Ein gutes Stackup-Design maximiert die Leistung, während ein schlechtes Design, selbst bei perfektem Routing, nicht das gewünschte Ergebnis erzielt.

Hier ist ein klassisches Beispiel für einen 8-Lagen-Stapel-Designplan

Anzahl der Schichten	Layer-Typ	Zweck
Schicht 1	Signalschicht (oben)	Platzieren Sie Hauptkomponenten und Hochgeschwindigkeitssignalleitungen
Schicht 2	Grundfläche (GND-Ebene)	Bietet einen vollständigen Referenz-Rückweg für Layer 1, der Strahlung abschirmt
Schicht 3	Signal-Schicht	Hochgeschwindigkeits-Signalrouting
Schicht 4	Stromversorgungsebene (PWR-Ebene)	Verteilung der Kernspannung (z. B. +1,2 V)
Schicht 5	Stromversorgungsebene (PWR-Ebene)	Verteilung der Hilfsspannung (z. B. +3,3 V, +5 V)
Schicht 6	Signal-Schicht	Signallayout bei niedriger Geschwindigkeit
Schicht 7	Grundfläche (GND-Ebene)	Bietet Referenzmasse für Layer 8 und Layer 6
Schicht 8	Signalschicht (unten)	Platzieren von Hauptkomponenten und Signalleitungen mit niedriger Geschwindigkeit

Design-Prinzipien:

-. Jede Signalschicht sollte an eine Referenzebene (Stromversorgung oder Masse) angrenzen. Dies ist die goldene Regel zur Kontrolle der Impedanz und zur Sicherstellung der Signalintegrität.

-. Leistungs- und Masseflächen sollten eng miteinander gekoppelt sein. Dies bedeutet, dass ein dünnes Dielektrikum (z. B. 4 mil) verwendet wird, um benachbarte Leistungs- und Masseschichten zu trennen und einen effektiven Entkopplungskondensator zu bilden.

-. Hochgeschwindigkeitssignale sollten bevorzugt auf inneren Schichten (Striplines) geroutet werden, um eine bessere EMV-Leistung zu erzielen.

V. Anwendungsbereiche—Träger von High-End-Technologie

Multilayer-Platinen sind das absolute Arbeitstier in folgenden Bereichen:

-. Computer und Rechenzentren: Motherboards, Grafikkarten, Server und SSDs.

-. Kommunikationsausrüstung: 5G-Basisstationen, Core-Router und Glasfaser-Switches.

-. Unterhaltungselektronik: Smartphones, Tablets, Smartwatches und High-End-Spielekonsolen.

-. Automobilelektronik: Domain-Controller für autonomes Fahren, intelligente Cockpits und Unterhaltungssysteme im Auto.

-. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Radarsysteme, Navigationsgeräte und Flugsteuerungssysteme, die extrem hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Schichtenzahl stellen.

-. Medizinische Geräte: High-End-Bildgebungsgeräte (CT, MRT) und Lebensüberwachungssysteme.

VI. So schätzen Sie die Herstellungskosten: Verstehen Sie die Faktoren, die die Kosten beeinflussen

Die Kosten für mehrschichtige Leiterplatten sind viel höher als die für doppelseitige Leiterplatten; Die Kosten werden zusammen von den folgenden Faktoren beeinflusst:

Anzahl der Schichten:Mit zunehmender Anzahl der Schichten nehmen das Material, die Verarbeitungszeit und die Schwierigkeit nichtlinear zu.

Größe des Boards:Je größer die Platinengröße, desto höher die Kosten.

Materialarten:Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsmaterial, wie Rogers, Taconic, die Materialien mit hoher Tg sind viel teurer als normales FR-4

Platinendicke und Seitenverhältnis (Aspect Ratio):Je dicker die Platte, desto größer ist das Seitenverhältnis (Plattendicke/Lochdurchmesser) der Bohrung, desto größer ist die Herausforderung an die Bohr- und Galvanikprozesse und desto höher sind die Kosten.

HDI-Prozess:Die Verwendung von blind vergrabenen Durchkontaktierungen, Laser-Durchkontaktierungen, gestapelten Durchkontaktierungen, gestaffelten Durchkontaktierungen und anderen Prozessen ist der Hauptfaktor, der die Kosten in die Höhe treibt.

Minimale Leiterbahn/Leerzeichen:Je feiner die Anforderungen sind (z. B. 3/3 mil), desto höher sind die Kosten.

Kupfer Gewicht:Anforderungen an die Kupferdicke für innere und äußere Schichten, insbesondere wenn eine Kupferdicke von 2 oz oder mehr erforderlich ist.

Oberflächengüte:ENIG, ENEPIG, Hartgold und andere Veredelungen sind teurer als HASL.

Technische Anforderungen:Impedanzkontrolle (Kontrolle von Toleranzen und Anzahl der Kanäle), Rückbohren (Beseitigung von Stichproben), Via-in-Pad und andere spezielle Anforderungen.

Bestellmenge:Große Volumina können die NRE- und Werkzeugkosten erheblich senken.

Der beste Weg, um ein genaues Angebot zu erhalten: Stellen Sie Ihre Gerber-Dateien, Ihr Stapeldiagramm und Ihre technischen Spezifikationen (Impedanzanforderungen, spezielle Prozesse usw.) zur Verfügung. Wir führen eine DFM-Analyse durch und erstellen ein detailliertes Angebot. Jerico PCB arbeitet seit fast 20 Jahren in der professionellen Herstellung von mehrschichtigen Leiterplatten. Mit unserem engagierten Engineering-Team und modernen Einrichtungen können wir das Board genau nach Ihren Wünschen zu einem vernünftigen Preis und in unglaublicher Qualität herstellen. Willkommen, um Ihre Projekte jederzeit zu senden, das Jerico-Team ist immer für Sie bereit.

Lassen Sie uns heute über PCB sprechen!