Многослойное производство печатных плат: пошаговое руководство и проблемы прототипирования

Изображения, создаваемые клиентами

Многослойные печатные платы (PCB) являются основой современной электроники, что позволяет использовать компактные, высокопроизводительные конструкции, используемые в смартфонах, медицинских устройствах, электромобилях (EV),и инфраструктуры 5GВ отличие от однослойных или двуслойных ПКБ, многослойные платы складывают 4+ проводных слоев меди, отделенных изоляционными диэлектрическими материалами.резко уменьшает размер устройства при одновременном повышении скорости сигнала и обработки энергии.

По прогнозам, к 2028 году мировой рынок многослойных печатных плат достигнет 85,6 миллиарда долларов США (Grand View Research), что обусловлено спросом на электромобили и 5G.Производство этих пластин намного сложнее, чем стандартные печатные платы, требующие точного выравнивания.В этом руководстве подробно описывается процесс производства многослойных печатных плат, подчеркиваются проблемы с созданием прототипов и объясняется, как их преодолеть.с акцентом на лучшие отраслевые практики и информационные данные.

Ключевые выводы
1.Многослойные печатные платы (более 4 слоев) уменьшают объем устройства на 40-60% и улучшают целостность сигнала на 30% по сравнению с двуслойными конструкциями,что делает их необходимыми для высокоскоростных (25Gbps+) и высокомощных (10A+) приложений..
2Производственный процесс требует 7 критических шагов: дизайн/выбор материала, выравнивание слоев/ламинирование, гравирование, бурение, покрытие, отделка поверхности,и испытания качества с строгими допущениями (± 5μm для выравнивания слоев).
3Проблемы с созданием прототипов включают в себя неправильное выравнивание слоев (что вызывает 20% неудач прототипов), несоответствия материалов (затрагивающие 15% плат),и ограниченная видимость испытаний (скрытие 30% дефектов внутреннего слоя).
4Продвинутые производители, такие как LT CIRCUIT, используют лазерное бурение (сокращение времени производства на 40%) и автоматизированную оптическую инспекцию (AOI) (снижение дефектов до < 1%) для оптимизации производства.

Многослойный производственный процесс ПКБ
Производство многослойных печатных плат представляет собой последовательный, точно управляемый рабочий процесс, который преобразует сырье в функциональные, слоистые схемы..Подробное разбивку приведем ниже:

1Дизайн и выбор материалов: основа успеха
Первый шаг определяет производительность, производительность и стоимость доски.

Конструкция сборки
Инженеры создают план "накопления", который содержит:

a.Число уровней: 4 ∼ 12 уровней для большинства коммерческих приложений (например, 6 уровней для смартфонов, 12 уровней для базовых станций 5G).
b.Функция слоя: Какие слои являются сигналом, питанием или заземлением (например, "сигнал-земля-мощь-земля-сигнал" для 5-слойных плат).
c. Контроль импеданса: критически важен для высокоскоростных сигналов, трамваи имеют размер 50Ω (однокончательный) или 100Ω (дифференциальные пары).

Ключевое правило: соедините каждый слой сигнала с прилегающей земной плоскостью, чтобы уменьшить пересечение на 50%.

Выбор материала
Материалы выбираются на основе предполагаемого использования платы (например, температуры, частоты, мощности).

Пример: ПКБ инвертора для электромобилей использует 10-слойный сборник с FR4 ядром (Tg 170 °C), 2 унциями медных мощных слоев и FR4 препрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепрепре.

2- Выровнение и ламинирование слоев: точное связывание слоев
Ламинация объединяет медные слои и диэлектрические материалы в одну жесткую доску.

Шаг за шагом ламинирование
1. Препрег-резка: листы препрег (резиноимпренированного стекловолокна) разрезаются, чтобы соответствовать размеру ядра.
2.Строительство стека: слои складываются в заданном порядке (например, медь → препрег → ядро → препрег → медь) с использованием штифтов инструмента для первоначального выравнивания.
3.Вакуумное прессование: стек помещается в пресс, который применяет:
a.Температура: 170-180°C (очищает препрег-резину).
b. Давление: 300-500 psi (устраняет пузыри воздуха).
c. Время: 60−90 минут (в зависимости от количества слоев).
4Охлаждение: доска охлаждается до комнатной температуры (25°C) для предотвращения деформации.

Критическая толерантность: выравнивание слоев должно быть ±5μm (достигается с помощью оптических систем выравнивания), чтобы соответствовать стандартам IPC-6012 для многослойных ПКБ.

Общая проблема: несбалансированные свертывания (например, больше меди с одной стороны) вызывают искривление.

3- Этировка: создание следов цепей
Для многослойных печатных пластин сначала вырисовываются внутренние слои, а затем внешние слои после ламинирования.

Процесс гравировки
1Фоторезистентное применение: на медные слои наносится фоточувствительная пленка.
2.Облучение: УФ-луч проецируется через фотомаску (штанцевую конструкцию схемы), затвердевая фоторезист в местах следа.
3Развитие: незажженный фоторезист смывается, излагая медь для гравирования.
4.Графография: доску погружают в графограф (например, персульфат аммония), который растворяет обнаруженную медь.
5.Отрыв сопротивления: оставшийся фоторезист удаляется, выявляя последние следы.

Проверка качества: автоматизированная оптическая инспекция (AOI) проверяет ширину и расстояние между отталкивающими платами с отклонениями > 10% от конструктивных характеристик.

4Сверление и создание: соединение слоев
Многослойные печатные платы используют три типа:

Процесс бурения
1.Лазерное бурение: используется для слепых/зарытых проемов (0,05 - 0,2 мм), лазерное бурение достигает точности ±2 мкм и избегает повреждения внутренних слоев.
2.Механическое бурение: используется для проходных отверстий (0,2 ∼ 0,5 мм), сверла с ЧПУ работают на скорости более 10 000 оборотов в минуту.
3.Back Drilling: Удаление неиспользованных через ступы (слева от проходки) для уменьшения отражения сигнала в высокоскоростных конструкциях (25Gbps +).

Данные: лазерное бурение уменьшает дефекты, связанные с трафиком, на 35% по сравнению с механическим бурением для микровиа (< 0,1 мм).

5- Покрытие: обеспечение проводимости
Покрытие покрытий через стены и следы меди тонким слоем металла для повышения проводимости и предотвращения коррозии.

Ключевые этапы покрытия
a.Обезглаживание: химические вещества (например, перманганат) удаляют эпоксидные остатки из стен, обеспечивая металлическую адгезию.
b.Бесэлектрическая медная покрытие: тонкий слой меди (0,5μm) откладывается через стены без электричества, создавая проводящую основу.
c. Электропластика: доска погружается в ванну с сульфатом меди, и на траектории и каналы подается ток на густую медь (15-30μm).
d.Необязательное покрытие: для применения с высокой надежностью добавляется никель (2 5 μm) или золото (0, 05 0, 1 μm) для улучшения сварной способности.

6Поверхностная отделка: защита доски
Поверхностные отделки защищают подверженную окислению медь от окисления и улучшают сварную способность.

Пример: ПКБ базовой станции 5G использует ENIG для поддержания целостности сигнала и сопротивления наружной коррозии.

7Обеспечение качества и тестирование: проверка производительности
Многослойные печатные платы требуют строгих испытаний для обнаружения скрытых дефектов (например, шорты внутреннего слоя).

Данные: всеобъемлющее тестирование снижает уровень неисправностей на поле с 10% (без тестирования) до < 1% (полное тестирование).

Проблемы создания прототипов в многослойных печатных пластинках
Прототипирование многослойных печатных плат гораздо сложнее, чем однослойные платы, причем 30% прототипов терпят неудачу из-за проблем, которых можно было избежать.
1Неправильное выравнивание слоя.
a.Причина: изнашивание штифтов инструментов, неравномерный поток смолы препрег или искривление доски во время ламинирования.
b.Влияние: нарушенные соединения, короткое замыкание и 20% неисправностей прототипа.
c. Раствор:
Использование оптических систем выравнивания (точность ±2μm) вместо механических штифтов инструмента.
Предварительно ламинировать небольшие испытательные панели для проверки выравнивания до полного производства.
Выбирайте симметричные сборки (например, 6 слоев), чтобы минимизировать искривление.

2Материальные несоответствия
a.Причина: изменение диэлектрической константы (Dk) или толщины меди у поставщиков; поглощение влаги в препрег.
b.Влияние: потеря сигнала (на 25% выше при 28 ГГц), неравномерное гравирование и слабая адгезия слоя.
c. Раствор:
Материалы, полученные от поставщиков, сертифицированных по стандарту ISO 9001 (например, Rogers, Isola) с строгими допустимыми значениями Dk (± 5%).
Испытать поступающие материалы: измерить Dk сетевым анализатором; проверить толщину меди микрометром.
Хранить препрег в сухой среде (≤ 50% RH) для предотвращения поглощения влаги.

3Ограниченная видимость испытаний
Причина: внутренние слои скрыты от визуального осмотра; микровиа слишком малы для ручного зондирования.
b.Влияние: 30% дефектов внутреннего слоя (например, шорты) остаются незамеченными до окончательной сборки.
c. Раствор:
Используйте рентгеновскую инспекцию для внутренних слоев и виасы обнаруживает пустоты размером до 5 мкм.
Внедрить испытания летящих зондов для испытаний электрической непрерывности 1000+ пунктов в минуту
Добавление точек испытания во внутренние слои (через слепые виасы) для упрощения отладки.

4. Затраты и временные ограничения
a.Причина: многослойные прототипы требуют специализированных инструментов (лазерные сверла, рентгеновские аппараты); небольшие партии (10-50 единиц) увеличивают стоимость единицы.
b.Влияние: стоимость прототипов в 3×5 раз выше, чем у стандартных ПХБ; сроки выполнения работ увеличиваются до 2×3 недель.
c. Раствор:
Упростите ранние прототипы: используйте 4 слоя вместо 6; избегайте микровиа, если это возможно.
Партнерство с производителями, предлагающими "быстрое" создание прототипов (5-7 дней) для сокращения сроков производства.
Объедините небольшие партии в одну панель, чтобы снизить затраты на установку.

Опыт LT CIRCUIT в производстве многослойных ПКБ
LT CIRCUIT решает проблемы производства и прототипирования с помощью передовых технологий и контроля процессов, что делает его надежным партнером для высоконадежных приложений:
1Усовершенствованное оборудование для производства
a.Лазерное бурение: использует УФ-лазерные сверла для микровиа 0,05 - 0,2 мм, сокращая время производства на 40% и через дефекты на 35%.
b.Автоматизированная ламинировка: системы оптического выравнивания (± 2μm) обеспечивают точность слоя; вакуумные пресы устраняют пузыри воздуха.
c.АОИ + рентгеновская интеграция: 100% досок проходят испытания на AOI (дефекты поверхности) и рентгеновские (внутренние слои), снижая дефекты до < 1%.

2Прототипные решения
a.Быстрая итерация: предлагает быстрое создание прототипов в течение 5-7 дней для пластин с 4-12 слоями, с онлайн-проверками дизайна для раннего обнаружения сбоев в выравнивании или проблем с материалами.
b. Гибкость материалов: запасы FR4, Rogers и полиамидных материалов, чтобы избежать задержек поставок; настраивает сборки для уникальных потребностей (например, гибкие многослойные печатные платы).
c. Поддержка отладки: предоставляет подробные отчеты о испытаниях (рентгеновские изображения, данные летательных зондов), чтобы помочь инженерам определить и исправить проблемы с прототипом.

3. Сертификации качества
LT CIRCUIT соответствует мировым стандартам для многослойных ПХБ, включая:

a.ISO 9001:2015 (управление качеством).
b.IPC-6012C (спецификации характеристик для многослойных ПХБ).
c.UL 94 V-0 (устойчивость к огню для потребительского/промышленного использования).
d.IATF 16949 (PCB автомобильного класса для электромобилей/ADAS).

Часто задаваемые вопросы о производстве многослойных печатных плат
Вопрос: Сколько слоев у большинства многослойных ПХБ?
Ответ: Коммерческие приложения обычно используют 412 слоев. Смартфоны используют 68 слоев; базовые станции 5G и инверторы EV используют 1012 слоев; аэрокосмические системы могут использовать более 20 слоев.

Вопрос: Почему многослойные печатные платы дороже однослойных?
Ответ: Они требуют больше материалов (мед, препрег), специализированного оборудования (лазерные сверла, рентгеновские машины) и рабочей силы (точное выравнивание, тестирование) ¢ стоимостью в 3 ¢ 5 раз больше, чем однослойные доски.их меньшие размеры и лучшие характеристики часто снижают общие затраты на систему.

Вопрос: Могут ли многослойные ПХБ быть гибкими?
Ответ: Да, гибкие многослойные печатные платы используют полиамидные субстраты и тонкую медь (1 унция), что позволяет иметь радиус изгиба всего 0,5 мм. Они распространены в носимых устройствах (умных часах) и складываемых телефонах.

Вопрос: Как выбрать правильное количество слоев для моего дизайна?
О: Используйте следующее правило:

1.4 слои: конструкции с низкой мощностью и низкой скоростью (например, датчики Интернета вещей).
2.6·8 слои: высокоскоростные (10·25 Гбит/с) или среднемощные (5·10 А) конструкции (например, смартфоны, промышленные контроллеры).
3.10+ слои: конструкции высокой мощности (10A+) или высокой частоты (28GHz+) (например, инверторы электромобилей, базовые станции 5G).

Вопрос: Какова максимальная рабочая температура для многослойных ПХБ?
Ответ: зависит от субстрата:

1.FR4 (Tg 170°C): непрерывная работа при 130-150°C.
2Роджерс RO4350 (Tg 280°C): непрерывная работа при 180-200°C.
3Полиамид: -55°C до 200°C (гибкие конструкции).

Заключение
Многослойное производство печатных плат - это искусство точности, которое сочетает в себе сложность дизайна, материаловедение и контроль процессов.Каждый шаг требует внимания к деталям, особенно для высокоскоростныхПроблемы с созданием прототипов (неправильное выравнивание, скрытые дефекты) можно преодолеть с помощью передовых инструментов (лазерное бурение,Рентгеновская инспекция) и опытные партнеры, такие как LT CIRCUIT.

Поскольку электроники продолжают уменьшаться и требовать большей производительности, многослойные печатные платы будут оставаться необходимыми.Инженеры могут проектировать более мелкие доскиЕсли вы строите прототип или масштабируете его в производство, вы можете использовать его для создания более эффективных и более надежных продуктов.Инвестиции в качественные многослойные ПХБ - это инвестиции в успех вашего продукта..