В наш век электронных устройств, будь то сервер центра обработки данных, выполняющий триллионы операций в секунду, или мощный смартфон в кармане, по своей сути все они имеют общую черту: высокоинтегрированную, невероятно сложную многослойную печатную плату (PCB).

Если двусторонняя плата — это улица с двусторонним движением, соединяющая точку А с точкой Б, то многослойная плата — это современный мегаполис с эстакадами, подземными тоннелями, скоростными автомагистралями и выделенными полосами для аварийных полос. Он представляет собой вершину технологии проектирования и производства печатных плат и является незаменимым краеугольным камнем высококачественных электронных устройств. Сегодня давайте развеем мифы о многослойных печатных платах и исследуем сложность и художественность, стоящие за ними.

I. Что такое многослойная печатная плата? Чудо инженерной мысли за пределами измерений

1.1 Основное определение

Многослойная плата представляет собой сложную печатную плату, состоящую из трех или более слоев проводящих узоров (медной фольги), ламинированных вместе с препрегом (препрегом, ПП) и соединенных между собой через металлизированные сквозные отверстия (ПТХ). Общее количество слоев включает 4, 6, 8 и даже 100 и более, как в суперкомпьютерах и больших коммутаторах связи.

1.2 Основная структура

Яркая аналогия: представьте себе «пространственный карман» в научно-фантастическом романе.

Верхний/нижний слои:Вход и выход кармана, используется для размещения наиболее важных узлов и внешних соединений.

Внутренние плоскости:многомерное пространство внутри кармана. Они всегда назначаются плоскости питания и плоскости заземления и обеспечивают стабильную подачу энергии с низким уровнем шума и обратный маршрут для всех компонентов.

Внутренние сигнальные слои:Спрячьтесь в секретном тракте в кармане, специально используемом для настройки высокоскоростных, чувствительных сигнальных линий и предотвращения внешних помех.

Препрег:Волшебный клей для склеивания каждого измерения, он действует как изолятор и структурная поддержка.

Вьяс:«Портал», соединяющий различные измерения, в том числе сквозные отверстия, проходящие через всю конструкцию, глухие переходные отверстия, идущие только от поверхности к внутреннему слою, и скрытые переходные отверстия, полностью скрытые во внутреннем слое.

Эта трехмерная структура решает основные проблемы, такие как высокая плотность межсоединений (HDI), целостность сигнала (SI), целостность питания (PI) и электромагнитная совместимость (EMC), с которыми двусторонние печатные платы не справляются.

II. Почему многослойные печатные платы? 4 неотразимых преимущества

Переход от двусторонних плат к многослойным платам — это не только увеличение пространства для проводки; Он предлагает значительный скачок вперед:

1. Беспрецедентная плотность проводки и межсоединений высокой плотности (HDI)

Это самое очевидное преимущество. Добавляя внутренние слои, проектировщики получают экспоненциально больше пространства для проводов, что позволяет проектировать чрезвычайно сложные ИС (например, большие корпуса BGA с более чем 1000 контактов). В сочетании с технологией глухих и скрытых сквозных соединений это позволяет создавать более точные межсоединения, отвечая тенденции к миниатюризации и облегчению в современных электронных продуктах.

2. Превосходная целостность сигнала

Высокоскоростные цифровые сигналы (такие как PCIe, DDR и USB 3.0+) чрезвычайно чувствительны к путям передачи. Многослойные платы позволяют использовать полосковую трассировку (сигнальные линии, зажатые между двумя плоскостями отсчета). По сравнению с микрополосковой трассировкой двусторонних плат (сигнальных линий на поверхности) это обеспечивает лучшее экранирование, снижает перекрестные помехи и внешнее излучение, а также обеспечивает чистый сигнал без искажений.

3. Прочная целостность питания

Выделенные уровни питания и заземления обеспечивают каналы питания с чрезвычайно низким импедансом. Это эффективно снижает шум источника питания, предотвращает логические ошибки схемы, вызванные колебаниями напряжения, и поддерживает переходные высокие требования к току при высокоскоростной коммутации микросхем. Стабильная распределительная сеть (PDN) является краеугольным камнем надежности системы.

4. Отличная электромагнитная совместимость (ЭМС)

Плотные плоскости питания/заземления создают эффективный эффект клетки Фарадея, экранируя электромагнитные поля, генерируемые высокоскоростными сигналами внутри платы. Это не только снижает электромагнитные помехи (ЭМП) во внешнем мире, но и повышает присущую плате устойчивость к внешним помехам. Это имеет решающее значение для продуктов, которые должны пройти строгие сертификаты ЭМС, такие как CE и FCC.

III. Знакомство с процессом производства многослойных плат — симфония точности и совместной работы

Производство многослойных плит является чрезвычайно сложным процессом, гораздо более сложным, чем производство двухслойных плит. Ошибки на любом этапе могут привести к тому, что целая партия плат будет отправлена в утиль.

1. Изготовление ядра внутреннего слоя

Резка: Резка больших листов CCL (ламината, плакированного медью) по производственным размерам.

Перенос рисунка внутреннего слоя: Шаблон контура внутреннего слоя переносится на медную фольгу путем нанесения покрытия, воздействия и проявки.

Травление внутреннего слоя: Протравите ненужную медь, чтобы сформировать контуры внутреннего слоя.

AOI (автоматизированный оптический контроль): используется высокоточная камера для сканирования цепей внутреннего слоя, сравнения их с оригинальной конструкцией для обнаружения любых обрывов, короткого замыкания или дефектов. Это имеет решающее значение для обеспечения качества внутренних слоев.

2. Ламинация — волшебный момент

Это основной этап, уникальный для многослойных плит.

Укладка: Подготовленный внутренний основной слой, препрег и медная фольга (для внешнего слоя) точно выровнены и уложены как слоеный пирог.

Ламинирование: При высокой температуре (170-180°C) и высоком давлении препрег плавится и течет, заполняя зазоры между линиями, и затвердевает после охлаждения, прочно скрепляя все слои в единое целое.

3. Сверление

С помощью очень тонкого сверла (размером до 0,1 мм) или лазера в ламинированной плите просверливаются сквозные отверстия, глухие переходные отверстия и скрытые переходные отверстия. Точность отверстий и качество стенок имеют решающее значение для последующего осаждения меди.

4. Металлизированные сквозные отверстия (PTH) и вторичное покрытие

Несмотря на то, что принцип работы аналогичен двусторонним печатным платам, большее соотношение сторон отверстий требует чрезвычайно высокой равномерности осаждения меди и нанесения покрытия. Это обеспечивает достаточное количество отложений меди как на верхней, так и на нижней стенках скважины, чтобы избежать фатального дефекта отсутствия меди (прорыва отверстия).

5. Перенос рисунка внешнего слоя и нанесение покрытия

Процесс аналогичен процессу внутренних слоев, но для утолщения меди на следах и стенках отверстий используется покрытие узором, чтобы выдержать последующие этапы обработки.

6. Паяльная маска, шелкография и обработка поверхности

Аналогичен двустороннему процессу обработки печатных плат, но с более высокими требованиями к точности выравнивания.

7. Испытание летающего зонда/тестера и окончательная проверка

Из-за большого количества цепей необходимо проводить 100% тестирование электрических характеристик с использованием тестера с большим количеством каналов, чтобы убедиться в правильности всех межсоединений.

IV. Проектирование стека слоев — искусство перформанса

Проектирование Stackup — это душа многослойного проектирования печатных плат. Хорошая конструкция стека максимизирует производительность, в то время как плохая конструкция, даже при идеальной трассировке, не приведет к желаемому результату.

Вот пример классического 8-слойного плана проектирования стека

Количество слоев	Тип слоя	Цель
Слой 1	Сигнальный слой (верхний)	Размещение основных компонентов и высокоскоростных сигнальных линий
Слой 2	Плоскость заземления (плоскость GND)	Обеспечивает полный обратный путь опорного сигнала для слоя 1, экранирующего излучения
Слой 3	Сигнальный слой	Высокоскоростная маршрутизация сигналов
Слой 4	Плоскость электропитания (плоскость PWR)	Распределение напряжения ядра (например, +1,2 В)
Слой 5	Плоскость электропитания (плоскость PWR)	Распределение вспомогательного напряжения (например, +3,3 В, +5 В)
Слой 6	Сигнальный слой	Низкоскоростная схема расположения сигнала
Слой 7	Плоскость заземления (плоскость GND)	Обеспечивает опорное заземление для слоев 8 и 6
Слой 8	Сигнальный слой (внизу)	Размещение основных компонентов и низкоскоростных сигнальных линий

Принципы проектирования:

-. Каждый сигнальный слой должен примыкать к плоскости отсчета (силовой или заземляющей). Это золотое правило для управления импедансом и обеспечения целостности сигнала.

-. Силовые и заземляющие плоскости должны быть тесно связаны. Это означает использование тонкого диэлектрика (например, 4 мил) для разделения соседних слоев питания и заземления для формирования эффективного развязывающего конденсатора.

-. Высокоскоростные сигналы должны преимущественно направляться по внутренним слоям (полосковым линиям) для улучшения характеристик ЭМС.

V. Области применения—Носители высокотехнологичных технологий

Многослойные плиты являются абсолютной рабочей лошадкой в следующих областях:

-. Компьютеры и центры обработки данных: материнские платы, видеокарты, серверы и твердотельные накопители.

-. Коммуникационное оборудование: базовые станции 5G, базовые маршрутизаторы и оптоволоконные коммутаторы.

-. Бытовая электроника: смартфоны, планшеты, умные часы и высококлассные игровые консоли.

-. Автомобильная электроника: контроллеры автономного вождения, умные кабины и автомобильные развлекательные системы.

-. Аэрокосмическая и оборонная промышленность: радиолокационные системы, навигационное оборудование и системы управления полетом, которые предъявляют чрезвычайно высокие требования к надежности и количеству слоев.

-. Медицинское оборудование: Высококлассное оборудование для визуализации (КТ, МРТ) и системы мониторинга жизни.

VI. Как оценить себестоимость изготовления: поймите факторы, влияющие на стоимость

Стоимость многослойных печатных плат значительно выше, чем у двусторонних печатных плат; На стоимость в совокупности влияют следующие факторы:

Количество слоев:По мере увеличения количества слоев материал, время обработки и сложность увеличиваются нелинейно.

Размер доски:Чем больше размер платы, тем выше стоимость.

Типы материалов:высокочастотные и высокоскоростные материалы, такие как Rogers, Taconic, материалы с высоким тг намного дороже, чем обычные FR-4

Толщина доски и соотношение сторон (Aspect Ratio):Чем толще доска, тем больше соотношение сторон (толщина доски/диаметр отверстия) сверления, тем сложнее процессы сверления и гальванического покрытия, а также тем выше стоимость.

Процесс ИЧР:Использование глухих скрытых переходных отверстий, лазерных переходных отверстий, многослойных переходных отверстий, ступенчатых переходных отверстий и других процессов является основным фактором, повышающим затраты.

Минимальная трасса/пространство:Чем выше требования (например, 3/3 мил), тем выше стоимость.

Вес меди:Требования к толщине меди для внутренних и внешних слоев, особенно когда требуется толщина меди 2 унции или толще.

Отделка поверхности:ENIG, ENEPIG, твердое золото и другие отделки стоят дороже, чем HASL.

Технические требования:Контроль импеданса (контроль допусков и количества каналов), обратное высверливание (устранение заглушек), контактное отверстие и другие специальные требования.

Количество заказа:Большие объемы позволяют значительно снизить затраты на NRE и оснастку.

Лучший способ получить точное ценовое предложение: предоставьте файлы Gerber, диаграмму стекапа и технические характеристики (требования к импедансу, специальные процессы и т. д.). Мы выполним DFM-анализ и предоставим подробное ценовое предложение. Jerico PCB работает в области профессионального производства многослойных печатных плат уже почти 20 лет. Благодаря нашей преданной команде инженеров и современному оборудованию, мы можем изготовить доску именно так, как вы хотите, по разумной цене и с невероятным качеством. Добро пожаловать, чтобы отправить свои проекты в любое время, команда Jerico всегда готова помочь вам.

Давайте поговорим о печатных платах сегодня!