Flerskiktade kretskort (PCB) har blivit allestädes närvarande inom den moderna elektronikindustrin. Deras kompakta design och förmåga att effektivt dirigera signaler och ström gör att mer komplexa kretsar kan packas i allt mindre format. Analyser visar att den globala marknaden för flerskiktade kretskort kan växa från 82.36 miljarder USD år 2022 till 128.5 miljarder USD år 2030, med en årlig tillväxttakt (CAGR) på 5.68 %.
Detta möjliggör utveckling av avancerad teknik för olika tillämpningar – från konsumentprodukter till industrimaskiner. Den komplicerade flerskiktstillverkningen innebär dock också betydande design- och tillverkningsutmaningar.
Den här artikeln ger en omfattande översikt över flerskikts-PCB-teknik. Den utforskar tillverkningsstegen, överväganden vid lageruppbyggnad och signalrouting. Du får också lära dig om fördelarna och begränsningarna med standardapplikationer.
Vad är ett flerskikts-PCB
Ett flerskikts-PCB är ett kretskort som innehåller tre eller flera ledande lager av koppar eller annan metall, separerade av isolerande material som kallas prepreg eller kärnmaterial. Medan traditionella kretskort vanligtvis är dubbelsidiga med kopparspår på toppen och botten, staplar flerskikts-PCB flera inre lager av kretsar mellan de yttre lagren.
Det kan finnas många lager, vanligtvis mellan 4 och 12 lager. Vissa enheter, som smartphones, kan använda upp till 40 lager. De aktiva och passiva komponenterna placeras på de yttre övre och nedre lagren, medan de inre staplade lagren används för att dirigera spår mellan komponenter.
Denna komplexa flerskiktsstruktur möjliggör kretsar och sammankopplingar med mycket högre densitet än konventionella enkel- eller dubbelsidiga kort.
Med ytterligare interna lager kan flerskiktade kretskort rymma många fler elektriska komponenter och möjliggöra komplicerad routing av banor mellan dem. Skikten är sammankopplade med hjälp av pläterade genomgående hål eller vias, vertikala anslutningar mellan de staplade lagren. Olika stilar som genomgående hål, nedgrävda eller blinda vias ger konstruktörer alternativ för att optimera kretsroutningen.
Flerskiktskonstruktionen gör kretskort väl lämpade för krävande tillämpningar som telekommunikationshårdvara, komplexa inbyggda system och andra situationer där miniatyrisering och höghastighetssignalering är prioriterade. Naturligtvis gör den extra design- och tillverkningskomplexiteten också flerskiktskort dyrare än konventionella enkelskikts- eller dubbelsidiga kretskort.
Hur tillverkas flerskiktade PCB:er
Flerskiktade kretskort ger en högre kretstäthet jämfört med enkel- och dubbelsidiga kort genom att använda flera inre ledande lager som är laminerade tillsammans med icke-ledande material. Denna komplexa konstruktion kräver en mer komplicerad tillverkningsprocess än enklare korttyper.
Processen börjar med att råmateriallagren noggrant staplas enligt en förutbestämd sekvens och fortsätter genom flera ömsesidigt beroende tillverkningssteg för att bygga den färdiga kretslösningen på alla lager.
Här är en djupgående överblick över de viktigaste stegen i att producera ett flerskikts-PCB.
Staplingsmontering
Det första steget i tillverkningen av ett flerskikts-PCB är staplingsmontering. Olika tunna lager av prepreg- och kopparfolieark staplas exakt tillsammans enligt den förutbestämda lagerstaplingsordningen.
Staplarna innehåller vanligtvis ett udda antal dielektriska lager sammanflätade med inre kopparfolie och ibland solida kopparlager för kraft- och jordplan.
lamine
De staplade lagren skickas sedan genom en lamineringsprocess. Under lamineringen placeras stapeln i en press och utsätts för hög värme och tryck. Detta gör att prepreg-lagren smälter och binder samman kopparfolierna och de dielektriska lagren.
Det driver också ut eventuella luftbubblor som fastnat mellan lagren, vilket resulterar i en solid laminerad skiva. Korrekt laminering är avgörande för att uppnå optimal dielektrisk bindning och undvika problem med delaminering i framtiden.
Panelisering
När staplingen och lamineringen är klar, paneliseras den solida arket för att skapa individuella PCB-panelsektioner. En numeriskt styrd maskin kör genom arket och skär det i separata paneldelar enligt den fördefinierade paneliseringsfilen.
Via formation
Vior är små hål som förbinder olika lager av ett flerskiktskort.
Det finns tre huvudtyper av vias som används:
● Vias genomgående hål: Passerar genom alla lager av skivan.
● Blind Vias: Ansluter ett yttre lager till ett inre lager men inte helt igenom.
● Begravda Vias: Anslut endast till inre lager, som inte är synliga från ytan.
Genomgående hålpläterade vias formas vanligtvis genom laserborrning av hål på de angivna platserna innan viaväggarna pläteras med koppar. För nedgrävda och blinda vias görs borrningen efter det inre lagrets mönster.
Mönstring av inre lager
Med hjälp av en ljuskänslig film eller fotoresist exponeras varje inre lagerpanel selektivt för ljus genom en fotomask med det önskade lagermönstret. Det exponerade materialet framkallas sedan bort eller görs lösligt och tvättas bort. Detta avslöjar kopparspåren i det avsedda mönstret för det lagret.
Plätering och etsning
Panelen elektropläteras sedan med ett tunt kopparlager för att överbrygga eventuella små glipor i de exponerade kopparspåren. Därefter etsas all otäckt koppar bort med kemikalier, vilket lämnar kvar det pläterade fotoresistmönstret som ett ledande lager för den inre panelen. Fotoresisten skalas sedan bort i slutet.
Bearbetning av yttre lager
När alla inre lager är färdiga formas kretsarna i det yttre lagret genom en liknande process med fotoresistmönster, plätering och etsning. Genomgående hål-vias pläteras också för att ansluta till de inre lagren i detta skede om det behövs.
Slutliga operationer
De sista stegen innefattar efterbehandling som lödmask- och silkscreentryck, komponentmontering och elektrisk testning innan de färdiga flerskikts-PCB-panelerna skickas ut.
Vilka faktorer bör beaktas vid design och tillverkning av flerskiktade PCB
Att designa och tillverka ett flerskikts-PCB kräver att man beaktar flera viktiga faktorer för att säkerställa att slutprodukten uppfyller specifikationerna. Flera element måste fungera sömlöst tillsammans från designfasen till produktionsfasen.
Här är några faktorer att beakta.
Antal lager
Ett av de första besluten är att avgöra hur många interna lager som behövs i en flerskiktad PCB-design. Fler lager möjliggör ökad funktionalitet men driver också upp kostnader och komplexitet. Stack-up-konfigurationen bör balansera dessa faktorer.
Dielektriskt material
Dielektrikumet spelar en nyckelroll i signalintegritet och impedanskontroll. Material som FR-4, polyimid och Rogers har olika elektriska egenskaper som påverkar stack-up-designen. Egenskaper som dielektricitetskonstant måste matcha den avsedda tillämpningen.
Spåra bredd och avstånd
Minimala spårbredder och avstånd maximerar routingen samtidigt som man undviker svårigheter med tillverkningsbarhet eller tillförlitlighet. Den valda tillverkningsprocessen styr noggrant designreglerna.
Via Design
Vior kopplar samman lager, och deras form, storlek och placering påverkar tillverkningsbarheten markant. Pläterade hålmonterade, nedgrävda och mikrovior påverkar alla stapelbarhet och densitet. Deras inverkan på impedansen måste också beaktas.
Automation och DRC-verktyg
Kretskortslayouten, tillverkningsprocessen och designreglerna bör vara kompatibla med automatisering för att maximera tillverkningsbarheten. Effektiva DRC-verktyg är avgörande för att upptäcka och korrigera problem tidigt.
Efterbehandling och montering
Faktorer som ytbehandlingar på yttre lager, hål och tillverkningstoleranser avgör framtida bearbetningssteg som montering, integration av kapsling och miljötätning.
Fördelar med flerskiktskretskort
Flerskiktade kretskort ger flera fördelar jämfört med traditionella en- och tvåskiktskort. Genom att använda flera inre lager kan kretsar staplas vertikalt, vilket resulterar i enorma utrymmesbesparingar.
Några av de viktigaste fördelarna med flerskiktade kretskort inkluderar:
● Minskad kretskortsstorlek. Genom att använda flera inre lager kan komponenter och spår utnyttja vertikalt utrymme istället för bara horisontellt utrymme. Detta minskar kortet avsevärt.
● Lättvikts. Med flerskiktskonstruktion kan kort göras tunnare samtidigt som komplexa kretsar bibehålls. Detta gör dem mycket lättare än motsvarande funktionalitet hos kort med ett eller två lager.
● Hög kvalitet och densitet. Att placera komponenter och spår på inre lager ökar routingstätheten och kvaliteten på anslutningarna mellan komponenter jämfört med konventionella lagerkort.
● Bättre hållbarhet och flexibilitet. Den kompakta flerskiktsdesignen gör korten mer hållbara eftersom komponenterna är skyddade mellan lagren. De är också mer flexibla i sina tillämpningar.
● Kraftfull med enda anslutningspunkt. Spår kan dirigeras genom lagren, vilket gör att all I/O kan avslutas eller passera igenom på en enda yta. Detta förenklar anslutningar.
Nackdelar med multilayer PCB
Flerskiktade kretskort ger många fördelar, såsom ökad kretstäthet och förkortade signalvägar. Deras komplexitet har dock också nackdelar jämfört med enklare kort med ett eller två lager.
● Högre tillverknings- och produktionskostnad: De ytterligare kretslagren och registreringsprocesserna som är involverade i flerskiktskort driver upp material- och arbetskostnaderna.
● Komplicerad design och produktion: Med interna signallager, effektplan och blinda/nedgrävda vias kräver flerskiktskort mycket mer sofistikerade CAD-verktyg och produktionstekniker.
● Begränsade tillverkare: Endast kartongverkstäder med omfattande kapacitet för flerskiktstillverkning kan producera komplexa flerskiktsdesigner. Detta koncentrerar produktionen till färre anläggningar.
● Mycket skickliga och utbildade designers behövs: Effektiv design av interna lager och routing inom en flerlagersstack kräver erfarna kretskortsingenjörer som är bekanta med 3D-kretsdesign.
● Ökad produktionstid: De extra stegen med lagerregistrering, tillverkning av det inre lagret, laminering och borrning förlänger oundvikligen den tid som behövs för att tillverka en flerskiktskort jämfört med en enklare flerskiktskort.
Flerskiktade PCB-applikationer
Flerskiktade kretskort (PCB) används ofta inom elektronik på grund av deras högdensitetskapningsförmåga. Titta på några viktiga tillämpningar av flerskiktade kretskortsteknik inom olika branscher.
Datorer
Flerskiktade kretskort möjliggör montering av komplexa kretskonstruktioner med många komponenter på ett kompakt moderkort. De underlättar snabbare dataöverföring mellan processor, minne, grafikkort och annan kringutrustning. Kretskort med högt lagertal och nedgrävda vior leder effektivt ström- och signalspår inom stationära datorer, bärbara datorer och andra datorenheter.
Mobiltelefoner
Mobiltelefonkretskort använder tätt packade flerskiktsdesigner för att rymma en omfattande lista av komponenter som processorer, minneschip, radiokretsar, pekskärmsdrivrutiner och kameror. De möjliggör avancerade smartphonefunktioner som 4G/5G-anslutning, WiFi, Bluetooth, GPS och NFC. Kompakta repeater-kretskort byggda med nedgrävda vior förstärker mobilsignaler i områden med svag mottagning.
Industriella kontroller
Flerskiktade styrkort med ytmonteringsteknik integrerar mikroprocessorer, sensorer, ställdon och I/O i programmerbara logiska styrenheter, CNC-maskiner, industrirobotar och kraftgeneratorer. De hanterar komplexa inbyggda processer inom industriell automation på ett tillförlitligt sätt.
GPS-system
GPS-mottagare använder flerskiktade PCB-layouter för att synkronisera högfrekventa elektroniska signaler från flera satellitkällor exakt. Detta underlättar snabb triangulering av positionsdata för navigationstillämpningar i flygplan, fartyg och fordon.
Test- och mätutrustning
Precisionsinstrument för forskning och utveckling och tillverkning, som oscilloskop, spektrumanalysatorer och funktionsgeneratorer, förlitar sig på flerskiktade kretskort för att exakt dirigera mikrovågs- och RF-testsignaler. Detta säkerställer mätnoggrannhet vid höga driftsfrekvenser.
Medicintekniska produkter
Flerskiktade kretskort används i diverse medicinska apparater som ultraljuds- och röntgenapparater, EKG/EEG-monitorer och defibrillatorer på grund av deras förmåga att effektivt distribuera biologiska signaler på låg nivå. Deras tillförlitlighet och miniatyrisering möjliggör portabilitet av livräddande utrustning.
Nukleära tillämpningar
Nedgrävda transmissionsledningstekniker på flerskiktskort möjliggör stabil routing av högeffektssignaler i kärnvapendetekterings- och säkerhetssystem. De överför säkert känslig data från strålningssensorer till kontrollgränssnitt.
Flyg-och rymdteknik
Rymdfarkostssatelliter använder robusta flerskiktskonstruktioner som friterats under vakuum. Komplexa rutter uppnås genom tätt packade lager för kommando-/datahantering, effektreglering och instrumentering i satelliter, rymdstationer och sonder.
Trafikledning
Intelligenta transportsystem använder flerskiktade kretskortsnätverk för att länka samman trafiksensorer, kameror och meddelandeskyltar. De underlättar effektiv trafikkoordinering över smarta stadsinfrastrukturer.
Det täcker några viktiga tillämpningar av flerskikts-PCB-teknik inom datorer, konsumentelektronik, industriell automation, testning och mätning, medicintekniska apparater, försvar, flyg- och rymdfart samt transportsystem. Dess kapacitet för miniatyrisering och tät komponentkapsling har gjort den oumbärlig inom modern elektronik.
Vanliga frågor om flerskiktade kretskort
1). Varför används flerskiktade kretskort ofta?
Flerskiktade kretskort används ofta eftersom de möjliggör mycket högre komponentdensitet och funktionalitet än traditionella enkel- och dubbelsidiga. Genom att lägga till interna lager möjliggör flerskiktade kretskort vertikal routing av kretsspår, vilket sparar en betydande mängd kortutrymme, vilket gör dem idealiska för applikationer som kräver miniatyrisering, som konsumentelektronik, telekomutrustning och olika styrsystem.
Den höga densiteten som kan uppnås med flerskiktade kretskort innebär också minskade produktstorlekar, förbättrad prestanda genom kortare signalvägar och förbättrad effektfördelning.
2). Hur mycket kostar ett flerskikts-PCB?
Kostnaden för ett flerskikts-PCB beror på flera faktorer: antalet lager, kortstorleken, komplexiteten i kretsdesignen, materialval etc. Generellt sett är flerskikts-kretskort dyrare än enkel- eller dubbelsidiga kort på grund av den ökade komplexiteten i design och tillverkning.
En grundläggande skiva med 4–6 lager kan kosta mellan 150 och 300 dollar per kvadratfot, beroende på kvantitet. Högdensitetsskivor med 8–16 lager kostar ofta mellan 300 och 800 dollar per kvadratfot. Komplexa skivor med fler än 16 lager kostar över 1000 XNUMX dollar per kvadratfot. Sammantaget tenderar kostnadsökningen per lager att minska med ökande antal lager i takt med att tillverkningseffektiviteten förbättras.
3). Kan ett kretskort ha 3 lager?
Ja, ett kretskort kan ha tre lager. Trelagerskort är ganska vanliga och representerar den grundläggande flerlagerskonfigurationen för kretskort efter dubbelsidiga kort. De tre lagren möjliggör horisontell placering av komponenter på de övre och nedre lagren, med kretsspår internt dragna däremellan.
Denna nivå av vertikal integration möjliggör hantering av komplexitetsproblem som dubbelsidiga kort står inför. Treskiktskort skapar en bra balans mellan kapacitet och kostnader, vilket gör dem lämpliga för många tillämpningar som kräver grundläggande flerskiktsfunktionalitet utan krav på hög densitet.
4). Vilka material används i flerskiktade kretskort?
De vanligaste materialen som används vid tillverkning av flerskiktade kretskort inkluderar FR-4 glasfiberepoxilaminat, polyimidlaminat och olika specialiserade högfrekventa och högtemperaturmaterial.
FR-4 är det mest använda laminatet tack vare dess överlägsna balans mellan elektriska egenskaper, mekanisk hållfasthet och överkomliga priser. Polyimidmaterial erbjuder högre värmebeständighet, dimensionsstabilitet och överensstämmelse med militära specifikationer, vilket är användbart för försvars- och rymdtillämpningar.
Keramikfyllda PTFE-laminat ger extremt höga motståndsspänningar som behövs inom kraftelektronik. Flerskiktskort använder också prepreg-dielektriska material, ofta bestående av vävd glasfiberduk inbäddad med delvis härdad epoxiharts, för att binda samman enskilda lager under laminering. Ädelmetaller pläterade genomgående hål och spår med koppar, guld eller andra metaller möjliggör elektriska anslutningar mellan staplade lager.
5). Vilka är egenskaperna hos flerskikts-PCB?
Viktiga funktioner hos flerskiktade PCB:er inkluderar:
● Ökat antal lager (4–16+ lager är vanligt) för mycket komplexa 3D-kretsdesigner;
● Vertikal routing för att minimera kortutrymme och spårlängder;
● Mycket hög komponenttäthet och integrationsmöjligheter;
● Förbättrad elektrisk prestanda tack vare förkortade spår;
● Samtidig montering av komponenter på flera ytor;
● Robusta kraft-/jordplan för låg impedans och EMI-förebyggande;
● Kompatibilitet med en blandning av ytmonterade och hålmonterade komponenter;
● Ökad användbar yta på inre lager;
● Enhetlighet och repeterbarhet från automatiserade lamineringsprocesser;
● Brett utbud av tillämpningar inom elektronik, medicin, fordon etc.
Slutsats
Flerskiktade kretskort har blivit en viktig del av vår alltmer teknologiska värld. Flerskiktskort har möjliggjort innovationer som smartphones, avancerad medicinteknisk utrustning, autonoma fordon och mer genom att möjliggöra tätare packning av kretselement och skapandet av mer komplexa kretsdesigner.
I takt med att elektronik fortsätter att krympa i skala samtidigt som den växer i kapacitet, kommer flerskiktade kretskort att förbli en viktig teknik för att anpassa allt större funktioner till mindre utrymmen. Medan design och tillverkning av flerskiktade kretskort innebär utmaningar, skapar möjligheten att bygga staplade kretsar nya möjligheter.
Så länge efterfrågan finns på mer avancerad elektronik kommer flerskiktade kretskort att fortsätta spela en central roll för att uppnå bättre integration och prestanda. De har faktiskt blivit grunden för innovation inom många branscher.
