W naszej epoce definiowanej przez urządzenia elektroniczne, niezależnie od tego, czy jest to serwer w centrum danych wykonujący biliony operacji na sekundę, czy potężny smartfon w kieszeni, w istocie wszystkie mają wspólną cechę: wysoce zintegrowaną, niezwykle wyrafinowaną wielowarstwową płytkę drukowaną (PCB).

Jeśli tablica dwustronna jest dwukierunkową ulicą łączącą punkt A z punktem B, to wielowarstwowa płytka drukowana to nowoczesna metropolia wraz z wiaduktami, podziemnymi tunelami, drogami ekspresowymi i wydzielonymi pasami awaryjnymi. Reprezentuje szczyt technologii projektowania i produkcji PCB i jest nieodzownym kamieniem węgielnym wysokiej klasy urządzeń elektronicznych. Dzisiaj zdemistyfikujmy wielowarstwowe płytki drukowane i zbadajmy złożoność i kunszt, które się za nimi kryją.

I. Co to jest wielowarstwowa płytka drukowana? Cud inżynierii wykraczający poza wymiary

1.1 Podstawowa definicja

Płytka wielowarstwowa to złożona płytka drukowana składająca się z trzech lub więcej warstw wzorów przewodzących (folia miedziana) laminowanych razem z prepregiem (prepreg, PP) i połączonych ze sobą za pomocą platerowanych otworów przelotowych (PTH). Typowa liczba warstw obejmuje 4, 6, 8, a nawet 100 lub więcej, jak w przypadku superkomputerów i dużych przełączników komunikacyjnych.

1.2 Podstawowa struktura

Jaskrawa analogia: wyobraźmy sobie "przestrzenną kieszeń" w powieści science fiction.

Warstwy górna/dolna:wejście i wyjście kieszeni, służącej do umieszczenia najważniejszych elementów i połączeń zewnętrznych.

Płaszczyzny wewnętrzne:wielowymiarowa przestrzeń wewnątrz kieszeni. Są one zawsze przypisane do płaszczyzny zasilania i płaszczyzny uziemienia i zapewniają stabilną, cichą drogę dostarczania i powrotu energii dla wszystkich komponentów.

Wewnętrzne warstwy sygnałowe:Ukryj się w tajnej ścieżce w kieszeni, specjalnie używanej do ustawiania szybkich, czułych linii sygnałowych i unikania zakłóceń zewnętrznych.

Prepreg:Magiczny klej do klejenia każdego wymiaru, działa zarówno jako izolator, jak i wsparcie strukturalne.

Vias:"Portal" łączący różne wymiary, w tym otwory przelotowe, które biegną przez całą strukturę, ślepe przelotki, które biegną tylko od powierzchni do warstwy wewnętrznej, oraz zakopane przelotki, które są całkowicie ukryte w warstwie wewnętrznej.

Ta trójwymiarowa struktura rozwiązuje podstawowe wyzwania, takie jak połączenia o dużej gęstości (HDI), integralność sygnału (SI), integralność zasilania (PI) i kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), z którymi dwustronne płytki drukowane nie mogą sobie poradzić.

II. Dlaczego wielowarstwowe płytki drukowane? 4 Nieodparte zalety

Przejście z płytek dwustronnych na płytki wielowarstwowe to nie tylko zwiększenie przestrzeni na okablowanie; Stanowi on znaczący krok naprzód:

1. Niezrównana gęstość okablowania i połączenia o dużej gęstości (HDI)

To najbardziej oczywista zaleta. Dodając warstwy wewnętrzne, projektanci zyskują wykładniczo więcej miejsca na okablowanie, umożliwiając projektowanie niezwykle złożonych układów scalonych (takich jak duże pakiety BGA z ponad 1000 pinów). W połączeniu z technologią ślepą i zakopywaną za pomocą pozwala to na bardziej precyzyjne połączenia, spełniając trend w kierunku miniaturyzacji i odchudzania w nowoczesnych produktach elektronicznych.

2. Doskonała integralność sygnału

Szybkie sygnały cyfrowe (takie jak PCIe, DDR i USB 3.0+) są niezwykle wrażliwe na ścieżki transmisji. Płytki wielowarstwowe pozwalają na stosowanie trasowania linii paskowej (linie sygnałowe umieszczone pomiędzy dwiema płaszczyznami odniesienia). W porównaniu z routingiem mikropaskowym płytek dwustronnych (linie sygnałowe na powierzchni), zapewnia to lepsze ekranowanie, zmniejsza przesłuchy i promieniowanie zewnętrzne oraz zapewnia czyste, wolne od zniekształceń sygnały.

3. Silna integralność zasilania

Dedykowane płaszczyzny zasilania i uziemienia zapewniają ścieżki zasilania o wyjątkowo niskiej impedancji. Skutecznie zmniejsza to szumy zasilania, zapobiega błędom logicznym obwodów spowodowanym wahaniami napięcia i obsługuje przejściowe wysokie wymagania prądowe szybkiego przełączania chipów. Stabilna sieć dystrybucji energii (PDN) jest podstawą niezawodności systemu.

4. Doskonała kompatybilność elektromagnetyczna (EMC)

Ciasne płaszczyzny mocy/uziemienia tworzą skuteczny efekt klatki Faradaya, osłaniając pola elektromagnetyczne generowane przez szybkie sygnały wewnątrz płyty. To nie tylko zmniejsza zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) na świat zewnętrzny, ale także zwiększa naturalną odporność płyty na zakłócenia zewnętrzne. Ma to kluczowe znaczenie w przypadku produktów, które muszą przejść rygorystyczne certyfikaty EMC, takie jak CE i FCC.

III. Prezentacja procesu produkcji płyt wielowarstwowych – symfonia precyzji i współpracy

Produkcja płyt wielowarstwowych to niezwykle złożony proces, znacznie bardziej wyrafinowany niż w przypadku płyt dwustronnych. Błędy na którymkolwiek kroku mogą spowodować, że cała partia desek zostanie zezłomowana.

1. Produkcja rdzenia warstwy wewnętrznej

Cięcie: Cięcie dużych arkuszy CCL (laminat pokryty miedzią) na rozmiary produkcyjne.

Przenoszenie wzoru warstwy wewnętrznej: Wzór obwodu warstwy wewnętrznej jest przenoszony na folię miedzianą poprzez powlekanie, ekspozycję i wywoływanie.

Wytrawianie warstwy wewnętrznej: Wytrawianie niepotrzebnej miedzi, aby utworzyć obwody warstwy wewnętrznej.

AOI (Automated Optical Inspection): Wykorzystuje precyzyjną kamerę do skanowania obwodów warstwy wewnętrznej, porównując je z oryginalnym projektem w celu wykrycia wszelkich pęknięć, zwarć lub wad. Ma to kluczowe znaczenie dla zapewnienia jakości warstw wewnętrznych.

2. Laminowanie — magiczny moment

Jest to podstawowy krok unikalny dla płyt wielowarstwowych.

Układanie: Przygotowana wewnętrzna warstwa rdzenia, prepreg i folia miedziana (dla warstwy zewnętrznej) są precyzyjnie wyrównane i ułożone jak ciasto warstwowe.

Laminowanie: W wysokiej temperaturze (170-180°C) i pod wysokim ciśnieniem prepreg topi się i płynie, wypełniając szczeliny między liniami, a po schłodzeniu krzepnie, mocno wiążąc wszystkie warstwy w stałą całość.

3. Wiercenie

Za pomocą bardzo drobnego wiertła (o wielkości zaledwie 0,1 mm) lub lasera w płycie laminowanej wierci się otwory przelotowe, ślepe przelotki i zakopane przelotki. Dokładność otworu i jakość ścianek mają kluczowe znaczenie dla późniejszego osadzania miedzi.

4. Platerowane otwory przelotowe (PTH) i poszycie wtórne

Chociaż w zasadzie podobne do dwustronnych płytek drukowanych, większy współczynnik proporcji otworów wymaga wyjątkowo wysokiego osadzania miedzi i jednorodności powłoki. Zapewnia to wystarczającą ilość osadów miedzi zarówno na górze, jak i na dole ścianek otworu, aby uniknąć śmiertelnej wady braku miedzi (wyłamania otworu).

5. Przenoszenie wzoru warstwy zewnętrznej i powlekanie

Proces jest podobny do procesu warstw wewnętrznych, ale powlekanie wzorem służy do zagęszczenia miedzi na ścieżkach i ściankach otworów, aby wytrzymać kolejne etapy obróbki.

6. Maska lutownicza, sitodruk i obróbka powierzchni

Podobny do procesu dwustronnej płytki drukowanej, ale z wyższymi wymaganiami dotyczącymi dokładności wyrównania.

7. Testowanie latającej sondy / testera i kontrola końcowa

Ze względu na dużą liczbę sieci, 100% testy wydajności elektrycznej muszą być przeprowadzone przy użyciu testera o dużej liczbie kanałów, aby upewnić się, że wszystkie połączenia są prawidłowe.

IV. Projektowanie stosów warstw — sztuka wydajności

Konstrukcja stosu jest duszą wielowarstwowego projektowania PCB. Dobry projekt stosu maksymalizuje wydajność, podczas gdy słaby projekt, nawet z idealnym routingiem, nie osiągnie pożądanego rezultatu.

Oto klasyczny przykład 8-warstwowego planu projektu stosu

Liczba warstw	Typ warstwy	Cel
Warstwa 1	Warstwa sygnałowa (góra)	Umieść główne komponenty i szybkie linie sygnałowe
Warstwa 2	Płaszczyzna uziemienia (płaszczyzna GND)	Zapewnia kompletną referencyjną ścieżkę powrotną dla warstwy 1, ekranującej promieniowanie
Warstwa 3	Warstwa sygnałowa	Szybki routing sygnału
Warstwa 4	Płaszczyzna zasilania (płaszczyzna PWR)	Rozkład napięcia rdzenia (np. +1,2 V)
Warstwa 5	Płaszczyzna zasilania (płaszczyzna PWR)	Dystrybucja napięcia pomocniczego (np. +3,3 V, +5 V)
Warstwa 6	Warstwa sygnałowa	Układ sygnału o niskiej prędkości
Warstwa 7	Płaszczyzna uziemienia (płaszczyzna GND)	Zapewnia podłoże odniesienia dla warstwy 8 i warstwy 6
Warstwa 8	Warstwa sygnałowa (na dole)	Umieść główne komponenty i linie sygnałowe o niskiej prędkości

Zasady projektowania:

-. Każda warstwa sygnałowa powinna przylegać do płaszczyzny odniesienia (zasilania lub masy). Jest to złota zasada kontrolowania impedancji i zapewnienia integralności sygnału.

-. Płaszczyzny zasilania i uziemienia powinny być ściśle połączone. Oznacza to użycie cienkiego dielektryka (np. 4 mil) do oddzielenia sąsiednich warstw zasilania i uziemienia w celu utworzenia skutecznego kondensatora odsprzęgającego.

-. Sygnały o dużej szybkości powinny być preferencyjnie kierowane po warstwach wewnętrznych (liniach paskowych) w celu uzyskania lepszej wydajności EMC.

V. Obszary zastosowań—Przewoźnicy technologii z najwyższej półki

Płyty wielowarstwowe są absolutnym koniem pociągowym w następujących dziedzinach:

-. Komputery i centra danych: płyty główne, karty graficzne, serwery i dyski SSD.

-. Sprzęt komunikacyjny: stacje bazowe 5G, routery rdzeniowe i przełączniki światłowodowe.

-. Elektronika użytkowa: smartfony, tablety, smartwatche i wysokiej klasy konsole do gier.

-. Elektronika samochodowa: kontrolery domeny autonomicznej jazdy, inteligentne kokpity i samochodowe systemy rozrywki.

-. Lotnictwo i obrona: systemy radarowe, sprzęt nawigacyjny i systemy sterowania lotem, które stawiają niezwykle wysokie wymagania w zakresie niezawodności i liczby warstw.

-. Sprzęt medyczny: Wysokiej klasy sprzęt do obrazowania (CT, MRI) i systemy monitorowania życia.

VI. Jak oszacować koszt produkcji: Zrozum czynniki wpływające na koszt

Koszt wielowarstwowych płytek drukowanych jest znacznie wyższy niż w przypadku dwustronnych płytek drukowanych; Na koszt wpływają łącznie następujące czynniki;

Liczba warstw:Wraz ze wzrostem liczby warstw materiał, czas obróbki i trudność rosną nieliniowo.

Rozmiar deski:Im większy rozmiar deski, tym wyższy koszt.

Rodzaje materiałów:materiał o wysokiej częstotliwości i dużej prędkości, taki jak Rogers, Taconic, materiały o wysokim tg są znacznie droższe niż normalny FR-4

Grubość i proporcje płyty (współczynnik proporcji):Im grubsza płyta, tym większy współczynnik kształtu (grubość deski/średnica otworu) wiercenia, tym większe wyzwanie dla procesów wiercenia i galwanizacji oraz wyższy koszt.

Proces HDI:To, czy używać ślepych zakopanych przelotek, przelotek laserowych, przelotek ułożonych w stos, przelotek naprzemiennych i innych procesów, jest głównym czynnikiem zwiększającym koszty.

Minimalna ilość śladu/przestrzeni:Im dokładniejsze wymagania (np. 3/3 mil), tym wyższy koszt.

Waga miedzi:Wymagania dotyczące grubości miedzi dla warstw wewnętrznych i zewnętrznych, zwłaszcza gdy wymagana jest grubość miedzi 2 uncje lub grubsza.

Wykończenie powierzchni:ENIG, ENEPIG, twarde złoto i inne wykończenia są droższe niż HASL.

Wymagania techniczne:Kontrola impedancji (kontrolowanie tolerancji i liczby kanałów), wiercenie wsteczne (eliminowanie króćców), przelotka w podkładce i inne specjalne wymagania.

Ilość zamówienia:Duże ilości mogą znacznie obniżyć koszty NRE i oprzyrządowania.

Najlepszy sposób na uzyskanie dokładnej wyceny: Podaj swoje pliki Gerber, diagram stosu i specyfikacje techniczne (wymagania dotyczące impedancji, specjalne procesy itp.). Przeprowadzimy analizę DFM i przedstawimy szczegółową wycenę. Jerico PCB od prawie 20 lat zajmuje się profesjonalną produkcją wielowarstwowych płytek drukowanych. Dzięki naszemu oddanemu zespołowi inżynierów i nowoczesnemu zapleczu możemy wykonać deskę tak, jak chcesz, w rozsądnej cenie i niewiarygodnej jakości. Zapraszamy do przesyłania projektów w dowolnym momencie, zespół Jerico jest zawsze w gotowości.

Porozmawiajmy dziś o PCB!