Omfattande guide till flerskikts-PCB

I dagens era, där elektroniska produkter finns överallt, förlitar sig kärnan i nästan alla avancerade enheter på flerskiktade kretskort. Faktum är att det inte finns något standardiserat kretskort. Varje kretskort är specialdesignat för en specifik produkt, med olika funktioner och strukturer.

I takt med att elektroniska produkter blir mindre, snabbare och kraftfullare kan traditionella enskikts- eller tvåskikts-PCB inte längre uppfylla kraven på komplex routing, höghastighetssignalöverföring och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). I detta fall har flerskikts-PCB-kort gradvis blivit den vanligaste lösningen.

Den här artikeln ger dig en omfattande förståelse av flerskiktade kretskort på ett lättförståeligt sätt, inklusive deras grundläggande struktur, utvecklingsbakgrund, tekniska egenskaper, tillämpningsområden, designöverväganden och produktionsprocess. Oavsett om du är ingenjör, produktutvecklare eller ansvarig för upphandling och projektledning kan du genom den här artikeln få en tydligare förståelse för flerskiktade kretskorts roll i modern elektronisk tillverkning.

Vad är en flerskikts PCB?

Ett flerskikts-PCB är ett kort med flera lager av kopparkretsar staplade i ett enda kretskort. Dess kopparlager är vanligtvis fler än tre, separerade av isolerande material i mitten, och sedan sammanfogade genom en lamineringsprocess.

Dess övre och nedre lager liknar de på ett dubbelsidigt kort och används huvudsakligen för montering av komponenter. De inre lagren ansvarar huvudsakligen för signalvägledning, kraftfördelning och jordplan.

Ett vanligt flerskikts-PCB-kort innehåller vanligtvis:

• Signallager

• Marklager

• Kraftlager

• Isolerande lager

• Pläterade genomgående hål (PTH)

• Blinda vias

• Nedgrävda vias

Under tillverkningen av flerskiktade kretskort justeras dessa lager noggrant först och lamineras sedan samman under hög temperatur och tryck, vilket slutligen bildar ett komplett och integrerat flerskiktskretskort.

Beroende på produktkraven består vanliga flerskiktade kretskort av 4, 6 och 8 lager. De kan också ha 20 lager, 40 lager eller ännu fler, främst beroende på kretsens komplexitet och prestandakrav.

Historisk utveckling av flerskiktade PCB:er

Flerskiktade kretskort började användas i stor utsträckning på 1980-talet. Från och med den tiden har elektroniska produkter blivit mindre och mindre, men har fler och fler funktioner. Med den kontinuerliga utvecklingen av chipteknik behöver fler och fler signaler överföras i kretsar, men kretskortens fysiska storlek kan inte utökas i all oändlighet.

Enkelsidiga och dubbelsidiga kort räckte inte längre. Lösningen som ingenjören kom fram till var att stapla kretslagren vertikalt. På så sätt kan mer routingutrymme skapas utan att öka kortets yta. Denna metod ledde så småningom till utvecklingen av flerskiktade kretskort. Genom vias kan spår på olika lager anslutas till varandra.

Senare mognade teknikerna för pläterade genomgående hål, blinda vior och nedgrävda vior gradvis, vilket gjorde flerskiktade PCB-design mer flexibel. Dessutom, med den kontinuerliga förbättringen av lamineringstekniken och den ökande stabiliteten i tillverkningsprocessen för flerskiktade PCB, kan flerskiktade kretskort med högt lagerantal nu massproduceras, och kostnaden blir gradvis kontrollerbar.

Hittills har flerskiktade kretskort blivit standardkonfigurationen i många högpresterande elektroniska produkter, såsom digitala höghastighetsenheter, RF-system, fordonselektronik, flyg- och rymdutrustning och industriella styrsystem.

Anatomi av ett flerskikts-PCB

För att slutföra en effektiv flerskikts-PCB-design är det först nödvändigt att förstå hur ett flerskikts-PCB-kort är strukturerat.

Om man tar det vanliga 4-lagers flerlagers-PCB:t som exempel, inkluderar den typiska staplingen vanligtvis:

•  Översta signalskiktet

•  Kraftlager

•  Markskikt

•  Nedersta signalskiktet

Enkelt uttryckt bär de övre och nedre lagren signaler, medan de inre lagren används för jordning och kraftdistribution. Naturligtvis justerar olika produkter staplingsstrukturen efter behov.

Mellan varje kopparlager läggs ett isolerande material, såsom standard FR-4 eller högfrekventa material som Rogers för högfrekventa tillämpningar. Dessa material fungerar inte bara som elektrisk isolering utan binder också varje lager ordentligt samman.

Huvudkomponenter i ett flerskikts-PCB

Kopparlager

De används för att leda signaler och strömförsörjningsspår och fungerar som en väg för elektrisk ström.

Dielektriska material (prepreg och kärna)

Dessa används för att separera kopparlagren och hålla ihop dem under lamineringsprocessen.

vias

• Genomgående hålvior: sammanfoga alla lager uppifrån och ner

• Blinda vias: koppla ett yttre lager till ett specifikt inre lager

• Nedgrävda vias: anslut endast de inre lagren

Vid tillverkning av flerskiktade kretskort måste dessa lager justeras exakt och sedan lamineras till en helhet under hög temperatur och tryck. Endast på detta sätt kan signalöverföringen från flerskiktade kretskortet vara stabil och dess struktur vara tillräckligt tillförlitlig.

Ju fler lager det finns, desto mer komplex blir strukturen hos ett flerskikts-PCB. Därför är det viktigt att planera staplingsstrukturen i förväg under designfasen av flerskikts-PCB:n.

Om PCBasic

Tid är pengar i dina projekt – och PCBasic får det. PCGrundläggande är en PCB monteringsföretag som ger snabba, felfria resultat varje gång. Vår omfattande PCB monteringstjänster inkludera expertkunskapsstöd i varje steg, vilket säkerställer högsta kvalitet på varje kretskort. Som en ledande Tillverkare av PCB-montage, Vi erbjuder en komplett lösning som effektiviserar din leveranskedja. Samarbeta med våra avancerade PCB-prototypfabrik för snabba leveranser och överlägsna resultat du kan lita på.

Teknologiska egenskaper hos flerskiktade PCB:er

Moderna flerskiktade kretskort handlar inte bara om att stapla flera kopparlager; de använder också några viktiga tekniker för att förbättra den totala prestandan.

1. Högdensitetssammankoppling, HDI

I flerskikts-PCB-design, om fler komponenter behöver placeras, kommer HDI-teknik att användas. Genom att använda mindre mikrovias och finare spår kan fler kretsar placeras på ett kort av samma storlek, vilket förbättrar integrationstätheten.

2. Kontrollerad impedans

För höghastighetskretsar är signalstabilitet viktig. Vid tillverkning av flerskiktade kretskort planeras staplingsstrukturen och den dielektriska tjockleken i förväg för att säkerställa att spåren uppnår den erforderliga impedansen, vilket säkerställer en mer stabil signalöverföring.

3. Elektromagnetisk kompatibilitet, EMC

Ett flerskiktat kretskort har vanligtvis solida jord- och effektplan inuti strukturen. Dessa lager fungerar som skärmning, vilket minskar elektromagnetisk störning (EMI) och gör kretsen mer stabil.

4. Värmehantering

Under tillverkningsprocessen för flerskiktade kretskort kan metalllager eller dedikerade värmeavledningslager läggas till för att hjälpa kretsar att avleda värme mer effektivt. Detta är mycket viktigt för produkter med högre effekt.

5. Hybrida materialstrukturer

I vissa högfrekventa eller höghastighetstillämpningar kombinerar tillverkning av flerskiktade kretskort standard FR-4-material med högfrekventa material (som Rogers) för att skapa ett flerskiktat kretskort med en hybridstruktur. På så sätt kan kostnaderna kontrolleras samtidigt som prestandakraven uppfylls.

Fördelar med flerskiktade PCB:er

Numera blir elektroniska produkter mindre och mindre, men de har fler och fler funktioner. Det är anledningen till att flerskiktade kretskort används i stor utsträckning.

Kompakt storlek

Genom att stapla kretsarna i lager vertikalt kan ett flerskikts-PCB rymma fler kretsar utan att öka kortet sitt yta.

Förbättrad signalintegritet

I en flerskiktsstruktur är signallagren och jordlagren närmare varandra, vilket kan minska störningar och göra signalöverföringen mer stabil.

Minskad EMI

Inuti ett flerskiktat kretskort finns det vanligtvis solida jordplan. Dessa lager fungerar som skärmar och kan minska elektromagnetisk störning (EMI).

Högre funktionalitet

Ett enda flerskikts-PCB-kort kan integrera funktioner som tidigare krävde flera kort i ett, vilket gör dess struktur enklare och mer tillförlitlig.

Lätt konstruktion

Även om antalet lager har ökat, kan den totala produkten faktiskt bli lättare genom en rimlig flerskikts-PCB-design.

Det är just på grund av dessa fördelar som tillverkning av flerskiktade kretskort har blivit en oumbärlig del av många avancerade elektroniska produkter, särskilt i branscher som har höga krav på hastighet, storlek och tillförlitlighet.

Nackdelar med multilayer PCB

Även om flerskiktade kretskort har många fördelar, finns det också några praktiska problem som måste beaktas:

Tillämpningar av flerskiktskretskort

Flerskiktade kretskort har ett brett användningsområde och används inom många branscher.

Hemelektronik

Produkter som mobiltelefoner, surfplattor och smartklockor har små interna utrymmen men många funktioner. Därför används flerskiktade kretskort för att koncentrera kretsar tillsammans.

Telekommunikationer

5G-utrustning, basstationer och olika nätverksenheter kräver höghastighets- och stabil dataöverföring, vilket är oskiljaktigt från flerskiktskretskortsteknik.

Bilindustrin

System som ADAS, motorstyrenheter och underhållningssystem i fordon kräver alla komplexa och stabila kretsdesigner, och därför används flerskikts-PCB-design (multilayer PCB design).

Medicintekniska produkter

Medicintekniska produkter som datortomografi och bildskärmar har mycket höga krav på stabilitet, så pålitliga tillverkningslösningar för flerskiktade kretskort kommer att väljas.

Flyg-och försvarsindustri

Utrustning som arbetar i höga temperaturer, vibrationer eller andra tuffa miljöer kräver mycket tillförlitliga flerskiktade kretskort. Flerskiktsstrukturen kan bättre säkerställa stabilitet.

Produktionsprocess för flerskikts-PCB

Processen för tillverkning av flerskikts-PCB liknar den för enskikts-PCB, men den har några ytterligare procedurer.

1. Förproduktion

Genomför först en teknisk granskning för att kontrollera om dokumenten är lämpliga för produktion (DFM), och förbered samtidigt de material som krävs för tillverkning av flerskikts-PCB.

2. Bearbetning av inre lager

Gör först den inre kopparkretsen. Genom avbildning och etsning överförs kretsmönstret till kopparlagren för att bilda den interna strukturen hos flerskiktskretskortet.

3. Laminering

Alla kretsskikt och isoleringsmaterial staplas tillsammans och limmas under hög temperatur och högt tryck för att bilda en enda solid struktur.

4. Borrning

Borra hål i skivan för att skapa kopplingar mellan olika lager.

5. Plätering

Koppar är pläterad inuti de borrade hålväggarna för att säkerställa elektrisk ledningsförmåga mellan varje lager.

6. Yttre lager avbildning

Gör det slutliga kretsmönstret på det yttre lagret av flerskikts-PCB-kortet.

7. Lödmask

Applicera ett skyddande lager på ytan för att förhindra kortslutning och även skydda kopparytan från oxidation.

8. Ytfinish

Applicera ytbehandlingar som ENIG, HASL eller OSP för att förbättra lödbarhet och tillförlitlighet.

9. Profilering

Skivan bearbetas till sina slutliga dimensioner genom CNC-fräsning eller V-skårning.

10. Kvalitetskontroll

Utför elektriska tester och visuella inspektioner på varje flerskikts-kretskort för att säkerställa att det uppfyller specifikationerna.

Hela tillverkningsprocessen för flerskiktade kretskort måste kontrolleras noggrant. Eventuella problem i vilket steg som helst kommer att påverka slutproduktens stabilitet.

Slutsats

Flerskiktade kretskort gör det möjligt att tillverka elektroniska produkter mindre och kraftfullare, och har därmed förändrat utvecklingsriktningen för hela elektronikindustrin. Från rimlig design av flerskiktade kretskort till stabila och mogna tillverkningsprocesser för flerskiktade kretskort har den nuvarande tillverkningen av flerskiktade kretskort kunnat uppfylla de högre kraven på elektroniska produkter vad gäller hastighet, storlek och tillförlitlighet.

Med den kontinuerliga uppgraderingen av 5G, sakernas internet (IoT), fordonselektronik och medicintekniska produkter kommer vikten av flerskiktade kretskort bara att öka. Att välja professionell design av flerskiktade kretskort och tillförlitliga tillverkningslösningar för flerskiktade kretskort kan göra produkten mer stabil vid långvarig användning och minska risken för fel.

Vanliga frågor om flerskiktade kretskort

F1: Hur många lager kan ett flerskikts-PCB ha?

Ett flerskikts-PCB varierar vanligtvis från 4 till 40 lager, även om avancerad tillverkning av flerskikts-PCB kan överstiga detta.

F2: Varför är flerskiktade kretskort dyrare?

Eftersom tillverkning av flerskikts-PCB kräver flera lamineringscykler och exakta borrprocesser.

F3: Vilka material används i flerskiktade kretskort?

Vanliga material inkluderar FR-4 och högfrekventa laminat som används i avancerad flerskikts-PCB-design.

F4: Kan flerskiktade kretskort stödja höghastighetssignaler?

Ja, korrekt utformade flerskiktskretskort ger utmärkt impedanskontroll och EMI-skärmning.

F5: Vilka branscher förlitar sig på flerskikts-PCB-teknik?

Telekommunikation, fordonsindustrin, flyg- och rymdindustrin, medicin och konsumentelektronik är alla beroende av flerskiktade kretskort.