Vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) se v moderním elektronickém průmyslu staly všudypřítomnými. Jejich kompaktní design a schopnost efektivně směrovat signály a napájení umožňují zabalit složitější obvody do stále menších rozměrů. Analýzy ukazují, že globální trh s vícevrstvými deskami plošných spojů by mohl vzrůst z 82.36 miliardy USD v roce 2022 na 128.5 miliardy USD do roku 2030, s průměrnou roční mírou růstu 5.68 %.
To umožňuje vývoj pokročilých technologií v různých aplikacích – od spotřební elektroniky až po průmyslové stroje. Složitá vícevrstvá výroba však také představuje značné konstrukční a výrobní výzvy.
Tento článek poskytuje komplexní přehled technologie vícevrstvých desek plošných spojů. Zabývá se jednotlivými výrobními kroky, aspekty vrstvení vrstev a směrováním signálů. Dozvíte se také o výhodách a omezeních spolu se standardními aplikacemi.
Co je vícevrstvá deska plošných spojů
Vícevrstvá deska plošných spojů (PCB) je deska s plošnými spoji, která obsahuje tři nebo více vodivých vrstev mědi nebo jiného kovu, oddělených izolačním materiálem známým jako prepreg nebo jádrový materiál. Zatímco tradiční desky plošných spojů jsou obvykle oboustranné s měděnými stopami nahoře a dole, vícevrstvé desky plošných spojů ukládají mezi vnější vrstvy více vnitřních vrstev obvodů.
Může existovat mnoho vrstev, běžně od 4 do 12 vrstev. Některá zařízení, jako například chytré telefony, mohou používat až 40 vrstev. Aktivní a pasivní součástky jsou umístěny na vnějších horních a dolních vrstvách, zatímco vnitřní vrstvené vrstvy se používají pro směrování tras mezi součástkami.
Tato komplexní vícevrstvá struktura umožňuje mnohem vyšší hustotu obvodů a propojení než běžné jednostranné nebo oboustranné desky.
Díky dalším vnitřním vrstvám mohou vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) pojmout mnohem více elektrických součástek a umožnit složité směrování cest mezi nimi. Vrstvy jsou propojeny pomocí pokovených průchozích otvorů neboli svislých spojení mezi vrstvenými vrstvami. Různé styly, jako jsou průchozí otvory, zapuštěné nebo slepé průchody, dávají návrhářům možnosti optimalizovat směrování obvodů.
Vícevrstvá konstrukce činí desky plošných spojů (PCB) vhodnými pro náročné aplikace, jako je telekomunikační hardware, složité vestavěné systémy a další situace, kde jsou prioritou miniaturizace a vysokorychlostní signalizace. Samozřejmě, dodatečná konstrukční a výrobní složitost také činí vícevrstvé desky dražšími než konvenční jednovrstvé nebo oboustranné PCB.
Jak se vyrábějí vícevrstvé desky plošných spojů
Vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) poskytují vyšší hustotu obvodů ve srovnání s jednostrannými a oboustrannými deskami díky využití více vnitřních vodivých vrstev, které jsou laminovány dohromady s nevodivým materiálem. Tato složitá konstrukce vyžaduje složitější výrobní proces než jednodušší typy desek.
Proces začíná pečlivým vrstvením vrstev surového materiálu podle předem stanoveného pořadí a pokračuje několika vzájemně závislými výrobními fázemi, aby se na všech vrstvách vytvořil hotový obvod.
Zde je podrobný přehled klíčových kroků při výrobě vícevrstvých desek plošných spojů.
Sestava stohování
Prvním krokem při výrobě vícevrstvé desky plošných spojů je stohování vrstev. Různé tenké vrstvy prepregu a měděné fólie se přesně stohují dohromady podle předem stanoveného pořadí stohování vrstev.
Vrstvy obvykle obsahují lichý počet dielektrických vrstev proložených vnitřní měděnou fólií a někdy i plné měděné vrstvy pro napájecí a zemnící roviny.
Laminace
Stohované vrstvy poté procházejí procesem laminace. Během laminace je stoh umístěn do lisu a vystaven vysokému teplu a tlaku. To způsobí roztavení vrstev prepregu a spojení měděných fólií a dielektrických vrstev dohromady.
Také vytlačuje veškeré vzduchové bubliny zachycené mezi vrstvami, což vede k pevné laminované fólii. Správná laminace je zásadní pro dosažení optimálního dielektrického spojení a zamezení problémům s delaminací v budoucnu.
Panelizace
Jakmile je stohování a laminace dokončena, je plný plech panelizován, aby se vytvořily jednotlivé sekce panelu plošných spojů. Numericky řízený stroj prochází plechem a řeže ho na samostatné kusy panelu podle předdefinovaného souboru pro panelizaci.
Přes formaci
Průchodky jsou malé otvory, které spojují různé vrstvy vícevrstvé desky.
Používají se tři hlavní typy průchodů:
● Průchozí otvory: Prochází všemi vrstvami desky.
● Blind vias: Spojuje vnější vrstvu s vnitřní vrstvou, ale ne skrz naskrz.
● Zakopaný Vias: Spojte pouze s vnitřními vrstvami, které nejsou z povrchu viditelné.
Pokovené průchozí otvory se obvykle vytvářejí laserovým vrtáním otvorů na určených místech před pokovením stěn průchodu mědí. U zapuštěných a slepých průchodů se vrtání provádí po vytvoření vzoru vnitřní vrstvy.
Vnitřní vrstva vzorování
Pomocí fotocitlivé fólie nebo fotorezistu je každý panel vnitřní vrstvy selektivně vystaven světlu přes fotomasku s požadovaným vzorem vrstvy. Exponovaný materiál je poté vyvolán nebo rozpuštěn a smyt. Tím se odhalí stopy mědi v zamýšleném vzoru pro danou vrstvu.
Pokovování a leptání
Panel je poté galvanicky pokoven tenkou vrstvou mědi, aby se překlenuly všechny malé mezery v obnažených měděných drahách. Následně je veškerá odkrytá měď vyleptána pomocí chemikálií, čímž zanechá pokovený vzor fotorezistu jako vodivou vrstvu pro daný vnitřní panel. Fotorezist je poté na konci odstraněn.
Zpracování vnější vrstvy
Jakmile jsou všechny vnitřní vrstvy hotové, obvody vnější vrstvy se vytvoří podobným procesem fotorezistového vzorování, pokovování a leptání. Průchozí otvory se také pokovují pro připojení k vnitřním vrstvám v této fázi, pokud je to nutné.
Závěrečné operace
Poslední fáze zahrnují dokončovací operace, jako je pájecí maska a sítotisk, montáž součástek a elektrické testování před odesláním hotových vícevrstvých desek plošných spojů.
Jaké faktory je třeba zvážit při návrhu a výrobě vícevrstvých desek plošných spojů
Návrh a výroba vícevrstvých desek plošných spojů vyžaduje zvážení několika důležitých faktorů, aby se zajistilo, že konečný produkt splňuje specifikace. Více prvků musí bezproblémově spolupracovat od fáze návrhu až po výrobu.
Zde je několik faktorů, které je třeba zvážit.
Počet vrstev
Jedním z prvních rozhodnutí je určení, kolik vnitřních vrstev je potřeba v návrhu vícevrstvé desky plošných spojů. Více vrstev umožňuje vyšší funkčnost, ale také zvyšuje náklady a složitost. Konfigurace stohování by měla tyto faktory vyvážit.
Dielektrický materiál
Dielektrikum hraje klíčovou roli v integritě signálu a řízení impedance. Materiály jako FR-4, polyimid a Rogers mají různé elektrické vlastnosti, které ovlivňují návrh soustavy. Charakteristiky, jako je dielektrická konstanta, musí odpovídat zamýšlené aplikaci.
Trace Width and Spacing
Minimální šířky a rozteče tras maximalizují směrování a zároveň zabraňují obtížím s vyrobitelností nebo spolehlivostí. Zvolený výrobní proces striktně řídí konstrukční pravidla.
Přes Design
Průchodky spojují vrstvy a jejich tvar, velikost a umístění zásadně ovlivňují vyrobitelnost. Pokovené průchodky, zapuštěné a mikroprůchodky ovlivňují vrstvení a hustotu. Je také třeba zvážit jejich vliv na impedanci.
Automatizace a nástroje pro DRC
Rozvržení desek plošných spojů, výrobní proces a pravidla návrhu by měly být kompatibilní s automatizací, aby se maximalizovala vyrobitelnost. Efektivní nástroje pro rychlé a rychlé řízení (DRC) jsou klíčové pro včasné odhalení a opravu problémů.
Dokončení a montáž
Faktory, jako jsou povrchové úpravy vnějších vrstev, otvory a výrobní tolerance, určují budoucí kroky zpracování, jako je montáž, integrace krytu a utěsnění proti vlivům prostředí.
Výhody vícevrstvých DPS
Vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) poskytují oproti tradičním jedno- a dvouvrstvým deskám několik výhod. Využitím více vnitřních vrstev lze obvody stohovat vertikálně, což vede k obrovské úspoře místa.
Mezi klíčové výhody vícevrstvých desek plošných spojů patří:
● Zmenšená velikost desky plošných spojů. Použití více vnitřních vrstev umožňuje součástkám a vodivým prvkům využívat vertikální prostor namísto pouze horizontálního. To výrazně snižuje celkovou zastavěnou plochu desky.
● Lehká váha. Díky vícevrstvé konstrukci lze desky vyrobit tenčí a zároveň si zachovat složité obvody. Díky tomu jsou mnohem lehčí než ekvivalentní funkčně jedno-/dvouvrstvé desky.
● Vysoká kvalita a hustota. Umístění součástek a vodičů na vnitřní vrstvy zvyšuje hustotu trasování a kvalitu spojení mezi součástkami ve srovnání s konvenčními vrstvenými deskami.
● Lepší odolnost a flexibilita. Kompaktní vícevrstvá konstrukce činí desky odolnějšími, protože součástky jsou chráněny mezi vrstvami. Jsou také flexibilnější ve svých aplikacích.
● Výkonný s jedním připojovacím bodem. Stopy lze směrovat napříč vrstvami, což umožňuje, aby všechny I/O operace ukončovaly nebo procházely na jednom povrchu. To zjednodušuje připojení.
Nevýhody vícevrstvých DPS
Vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) poskytují mnoho výhod, jako je zvýšená hustota obvodů a zkrácené signálové cesty. Jejich složitost však představuje i nevýhody ve srovnání s jednoduššími jedno- nebo dvouvrstvými deskami.
● Vyšší výrobní a výrobní náklady: Další vrstvy obvodů a registrační procesy, které jsou součástí vícevrstvých desek, zvyšují náklady na materiál a práci.
● Složitý návrh a výroba: S interními signálovými vrstvami, napájecími rovinami a slepými/zapuštěnými průchody vyžadují vícevrstvé desky mnohem sofistikovanější CAD nástroje a výrobní techniky.
● Omezený počet výrobců: Pouze kartonářské dílny s rozsáhlými možnostmi vícevrstvé výroby mohou vyrábět složité vícevrstvé konstrukce. To soustřeďuje výrobu do menšího počtu zařízení.
● Jsou vyžadováni vysoce kvalifikovaní a vyškolení designéři: Efektivní návrh vnitřních vrstev a směrování v rámci vícevrstvé vrstvy vyžaduje zkušené inženýry desek plošných spojů obeznámené s 3D návrhem obvodů.
● Zvýšená doba výroby: Dodatečné kroky registrace vrstev, výroby vnitřních vrstev, laminace a vrtání nevyhnutelně prodlužují dobu potřebnou k výrobě vícevrstvé desky ve srovnání s jednodušší vícevrstvou deskou.
Vícevrstvé aplikace PCB
Vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) se široce používají v elektronice díky svým možnostem pouzdření s vysokou hustotou. Podívejte se na některé klíčové aplikace technologie vícevrstvých desek plošných spojů v různých odvětvích.
Počítače
Vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) umožňují osadit složité obvody s mnoha součástkami na kompaktní základní desku. Umožňují rychlejší přenos dat mezi CPU, pamětí, grafickou kartou a dalšími periferiemi. Desky plošných spojů s vysokým počtem vrstev a zapuštěnými propojovacími otvory efektivně vedou napájecí a signálové stopy ve stolních počítačích, noteboocích a dalších výpočetních zařízeních.
Mobilní telefony
Desky plošných spojů mobilních telefonů využívají těsně zabalené vícevrstvé konstrukce, které umožňují osazení rozsáhlého seznamu komponent, jako jsou procesory, paměťové čipy, rádiové obvody, ovladače dotykových obrazovek a fotoaparáty. Umožňují pokročilé funkce smartphonu, jako je připojení 4G/5G, WiFi, Bluetooth, GPS a NFC. Kompaktní desky plošných spojů opakovačů s zapuštěnými průchody zesilují signál mobilních telefonů v oblastech se slabým příjmem.
Průmyslové kontroly
Vícevrstvé řídicí desky s technologií povrchové montáže integrují mikroprocesory, senzory, akční členy a I/O v programovatelných logických automatech, CNC strojích, průmyslových robotech a generátorech. Spolehlivě řídí složité vestavěné procesy v průmyslové automatizaci.
Systémy GPS
GPS přijímače využívají vícevrstvé rozložení desek plošných spojů k přesné synchronizaci vysokofrekvenčních elektronických signálů z více satelitních zdrojů. To usnadňuje rychlou triangulaci polohových dat pro navigační aplikace v letadlech, plavidlech a vozidlech.
Testovací a měřicí zařízení
Přesné přístroje pro výzkum, vývoj a výrobu, jako jsou osciloskopy, spektrální analyzátory a generátory funkcí, se spoléhají na vícevrstvou konstrukci desek plošných spojů pro přesné směrování mikrovlnných a vysokofrekvenčních testovacích signálů. To zajišťuje přesnost měření při vysokých provozních frekvencích.
Zdravotnictví
Vícevrstvé desky plošných spojů se díky své schopnosti efektivně distribuovat nízkoúrovňové biologické signály používají v různých zdravotnických zařízeních, jako jsou ultrazvukové a rentgenové přístroje, monitory EKG/EEG a defibrilátory. Jejich spolehlivost a miniaturizace umožňují přenositelnost záchranných zařízení.
Jaderné aplikace
Techniky zakopaných přenosových vedení na vícevrstvých deskách umožňují stabilní směrování vysoce výkonných signálů v systémech jaderné detekce a zabezpečení. Bezpečně přenášejí citlivá data ze senzorů záření do řídicích rozhraní.
Letecký a kosmický průmysl
Kosmické družice využívají robustní vícevrstvé konstrukce smažené ve vakuu. Složité trasy jsou dosahovány hustě uspořádanými vrstvami pro zpracování příkazů/dat, řízení výkonu a přístrojové vybavení v družicích, vesmírných stanicích a sondách.
Řízení dopravy
Inteligentní dopravní systémy využívají vícevrstvé sítě desek plošných spojů k propojení dopravních senzorů, kamer a informačních tabulí. Usnadňují efektivní koordinaci dopravy v rámci infrastruktury chytrých měst.
To zahrnuje některé hlavní aplikace technologie vícevrstvých desek plošných spojů v počítačích, spotřební elektronice, průmyslové automatizaci, testování a měření, zdravotnických zařízeních, obraně, leteckém průmyslu a dopravních systémech. Díky svým možnostem miniaturizace a těsného balení součástek je nepostradatelná v moderní elektronice.
Často kladené otázky o vícevrstvých deskách plošných spojů
1). Proč se běžně používají vícevrstvé desky plošných spojů (PCB)?
Vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) se běžně používají, protože umožňují mnohem vyšší hustotu součástek a funkčnost než tradiční jednostranné a oboustranné desky. Přidáním vnitřních vrstev umožňují vícevrstvé desky plošných spojů vertikální směrování obvodových stop, což šetří značné množství místa na desce, a proto jsou ideální pro aplikace vyžadující miniaturizaci, jako je spotřební elektronika, telekomunikační zařízení a různé řídicí systémy.
Vysoká hustota dosažitelná s vícevrstvými deskami plošných spojů také znamená menší velikosti produktů, lepší výkon díky kratším signálovým cestám a lepší distribuci energie.
2). Kolik stojí vícevrstvá deska plošných spojů?
Cena vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) závisí na několika faktorech: počtu vrstev, velikosti desky, složitosti návrhu obvodů, výběru materiálů atd. Obecně jsou vícevrstvé desky plošných spojů dražší než jednostranné nebo oboustranné desky kvůli zvýšené složitosti návrhu a výroby.
Základní deska se 4–6 vrstvami může stát 150 až 300 dolarů za čtvereční stopu v závislosti na množství. Desky s vysokou hustotou s 8–16 vrstvami se často pohybují v cenovém rozmezí od 300 do 800 dolarů za čtvereční stopu. Složité desky s více než 16 vrstvami stojí přes 1000 XNUMX dolarů za čtvereční stopu. Celkově má nárůst nákladů na vrstvu tendenci klesat s rostoucím počtem vrstev, jak se zvyšuje efektivita výroby.
3). Může mít deska plošných spojů 3 vrstvy?
Ano, deska plošných spojů může mít tři vrstvy. Třívrstvé desky jsou poměrně běžné a představují základní konfiguraci vícevrstvých desek plošných spojů po oboustranných deskách. Tyto tři vrstvy umožňují horizontální umístění součástek na horní a spodní vrstvě s interními vodivými stopami mezi nimi.
Tato úroveň vertikální integrace umožňuje řešit problémy se složitostí, kterým čelí oboustranné desky. Třívrstvé desky dosahují dobré rovnováhy mezi možnostmi a náklady, díky čemuž jsou vhodné pro mnoho aplikací, které vyžadují základní vícevrstvou funkcionalitu bez požadavků na vysokou hustotu.
4). Jaké materiály se používají ve vícevrstvých deskách plošných spojů?
Mezi nejběžnější materiály používané při výrobě vícevrstvých desek plošných spojů patří epoxidový laminát ze skelných vláken FR-4, polyimidové lamináty a různé specializované vysokofrekvenční a vysokoteplotní materiály.
FR-4 je nejpoužívanější laminát díky své vynikající rovnováze mezi elektrickými vlastnostmi, mechanickou pevností a cenovou dostupností. Polyimidové materiály nabízejí vyšší tepelnou odolnost, rozměrovou stabilitu a splňují vojenské specifikace, což je užitečné pro obranné a letecké aplikace.
Keramicky plněné PTFE lamináty poskytují extrémně vysoké výdržné napětí potřebné ve výkonové elektronice. Vícevrstvé desky také používají prepregové dielektrické materiály, často složené z tkané tkaniny ze skelných vláken zalité částečně vytvrzenou epoxidovou pryskyřicí, ke spojení jednotlivých vrstev během laminace. Drahé kovy pokovené otvory a vodiči s použitím mědi, zlata nebo jiných kovů umožňují elektrická spojení mezi vrstvenými vrstvami.
5). Jaké jsou vlastnosti vícevrstvých desek plošných spojů?
Mezi klíčové vlastnosti vícevrstvých desek plošných spojů patří:
● Zvýšený počet vrstev (běžně 4–16+ vrstev) pro vysoce složité 3D návrhy obvodů;
● Vertikální směrování pro minimalizaci prostoru na desce a délky vodičů;
● Velmi vysoká hustota komponent a integrační možnosti;
● Zlepšený elektrický výkon díky zkráceným vodičům;
● Současná montáž komponentů na více povrchů;
● Robustní napájecí/uzemňovací desky pro nízkou impedanci a prevenci elektromagnetického rušení;
● Kompatibilita s kombinací povrchově montovaných a otvorově montovaných součástek;
● Zvětšená využitelná plocha vnitřních vrstev;
● Jednotnost a opakovatelnost díky automatizovaným procesům laminování;
● Široká škála aplikací zahrnující elektroniku, lékařství, automobilový průmysl atd.
Závěr
Vícevrstvé desky plošných spojů se staly nedílnou součástí našeho stále technologicky rozvíjejícího se světa. Vícevrstvé desky umožnily inovace, jako jsou chytré telefony, pokročilé zdravotnické přístroje, autonomní vozidla a další, protože umožnily těsnější uspořádání prvků obvodů a vytváření složitějších návrhů obvodů.
Vzhledem k tomu, že se elektronika stále zmenšuje a zároveň roste její kapacita, zůstanou vícevrstvé desky plošných spojů (PCB) důležitou technologií pro umístění stále většího počtu funkcí do menších prostorů. Zatímco návrh a výroba vícevrstvých desek představuje výzvy, schopnost sestavovat vrstvené obvody vytváří nové možnosti.
Dokud bude existovat poptávka po pokročilejší elektronice, budou vícevrstvé desky plošných spojů i nadále hrát ústřední roli v dosahování větší integrace a výkonu. Staly se skutečně základem inovací v mnoha odvětvích.
