Czym jest PCB wielowarstwowe: produkcja i projektowanie

W przeciwieństwie do płytek PCB jedno- lub dwuwarstwowych, płytki wielowarstwowe składają się z trzech lub nawet 60 warstw miedzi, oddzielonych materiałami izolacyjnymi i laminowanych pod wpływem ciepła i ciśnienia. Te dodatkowe warstwy umożliwiają tworzenie bardziej złożonych i gęstych projektów obwodów, mieszczących większą liczbę komponentów na mniejszej płytce. Ta możliwość jest kluczowa we współczesnej elektronice, gdzie urządzenia stają się coraz bardziej kompaktowe, a jednocześnie wydajniejsze. Rozwój płytek PCB wielowarstwowych był napędzany zapotrzebowaniem na bardziej wydajne, niezawodne i zminiaturyzowane produkty elektroniczne. W przypadku płyt RO4450T bondply do wielowarstwowych płytek RF , grubość warstwy wiążącej musi być sprawdzona w gotowym stacku, a nie traktowana jedynie jako parametr zakupu.

Typowe konstrukcje wielowarstwowe

• 4-6 warstw – niska do średniej złożoność
• 8-10 warstw – bardziej złożone płytki cyfrowe
• 12-16 warstw – zaawansowane przetwarzanie RF i danych
• Ponad 20 warstw – niezwykle gęste połączenia
• Ponad 60 warstw – najnowocześniejsza technologia HDI

Proces produkcyjny płytek PCB wielowarstwowych

1. Formowanie się warstwy wewnętrznej

Wzornictwo fotolitograficzne jest stosowane do laminatów pokrytych miedzią w celu zdefiniowania ścieżek obwodów, po czym następuje wytrawianie niechcianej miedzi, dodawanie celów rejestracji warstw i otworów narzędziowych, testowanie elektryczne ścieżek i przygotowanie powierzchni do laminowania.

2. Laminowanie warstwowe

Wielowarstwowe materiały są łączone za pomocą pras do laminowania arkuszy, przy czym rdzenie, prepregi, miedź i dielektryki są układane warstwowo, utwardzane pod wpływem temperatury i ciśnienia w celu utworzenia litego laminatu.

3. Wywierć otwory

Wiercenie z wysoką precyzją pozwala na tworzenie narzędzi i otworów przelotowych z dokładnym odwzorowaniem każdej warstwy.

4. Powłoka otworowa

Miedziowanie bezprądowe, a następnie miedziowanie elektrolityczne powoduje gromadzenie się miedzi na warstwach wewnętrznych i wywierconych otworach.

5. Przetwarzanie warstwy zewnętrznej

Nakładanie ciekłej maski lutowniczej , nanoszonej metodą fotoobrazowania , drukowanie oznaczeń identyfikacyjnych, wzorowanie i trawienie obwodów warstwy zewnętrznej oraz montaż panelu w poszczególnych płytkach PCB.

6. Testowanie i zapewnienie jakości

Obejmuje automatyczną kontrolę optyczną, testowanie łączności sieciowej, testowanie impedancji, wysokiego napięcia i testowanie funkcjonalne, wraz z kontrolą jakości wymiarowej.

Rozważania dotyczące projektowania płytek PCB wielowarstwowych

Liczba warstw:

Określenie liczby warstw jest pierwszym krokiem w projektowaniu wielowarstwowej płytki PCB. Liczba warstw, która może wynosić od czterech do dziesięciu lub więcej warstw, zależy od złożoności projektu, liczby komponentów i wymagań dotyczących wydajności elektrycznej.

Rozmieszczenie komponentów

Korzystając z oprogramowania do projektowania PCB, projektanci układają komponenty i definiują połączenia elektryczne. Układ powinien optymalizować trasowanie sygnału, minimalizować zakłócenia i zapewniać rozpraszanie ciepła.

Kierowanie sygnału

Trasowanie połączeń elektrycznych obejmuje określenie szerokości, odstępów i przypisania warstw połączeń, zwrócenie uwagi na integralność sygnału, redukcję przesłuchów i zapobieganie odbiciom sygnału.

Zagadnienia dotyczące układania warstw:

Warstwy powinny być ułożone w stosy, preferowane są liczby parzyste, a wszystkie warstwy sygnałowe powinny być jak najbliżej płaszczyzny uziemienia. Kierunek okablowania na tej samej warstwie sygnałowej powinien być spójny. Wybór liczby warstw zależy również od rodzaju sygnału, który muszą przesyłać, sklasyfikowanego jako wysoka częstotliwość, niska częstotliwość, uziemienie lub zasilanie.

Układ komponentów i interfejsu:

W idealnym przypadku komponenty powinny być umieszczone po jednej stronie, a pozycja i orientacja komponentów interfejsu powinny być rozsądnie rozplanowane. Komponenty z bliskimi połączeniami elektrycznymi najlepiej umieszczać razem​​.

Generowanie pliku Gerber:

Po zdefiniowaniu trasowania elektrycznego generowane są pliki Gerber zawierające informacje o układzie warstw, połączeniach elektrycznych, rozmieszczeniu komponentów i inne informacje projektowe.

Produkcja:

Producent używa plików Gerber do tworzenia fotomasek, które są następnie używane do tworzenia poszczególnych warstw PCB. Warstwy te są laminowane w celu utworzenia ostatecznej wielowarstwowej płytki PCB.

Rozważania na temat integralności sygnału w przypadku płytek PCB wielowarstwowych

Układanie warstw: Prawidłowe zaplanowanie układania warstw jest kluczowe. Warstwy sygnału i uziemienia powinny być ściśle sprzężone, aby zminimalizować impedancję i odbicie sygnału.

Trasowanie śladów: Ścieżki powinny być trasowane w celu uniknięcia przesłuchów i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Utrzymywanie krótkich i bezpośrednich ścieżek sygnału poprawia integralność sygnału.

Kontrola impedancji : Utrzymywanie stałej impedancji na całej płytce PCB zapobiega zniekształceniom i odbiciom sygnału.

Kondensatory odsprzęgające: Mają kluczowe znaczenie dla zarządzania integralnością zasilania i minimalizowania szumów na płaszczyznach zasilania.

Projekt przelotek: Projekt i rozmieszczenie przelotek mają wpływ na ścieżki sygnału i powinny być zoptymalizowane w celu zachowania integralności sygnału.

Rozważania nad kosztami płytek PCB wielowarstwowych

Złożoność i liczba warstw: Więcej warstw i złożoność projektu zwiększają koszty produkcji.

Zastosowane materiały: Materiały wysokiej jakości lub specjalistyczne mogą podnieść całkowity koszt.

Techniki produkcyjne: Zaawansowane techniki produkcyjne stosowane w przypadku skomplikowanych projektów mogą również wiązać się ze wzrostem kosztów.

Rozmiar płytki PCB: Większe płytki PCB wymagają większej ilości materiałów i obróbki, co zwiększa koszty.

Ilość: Większe serie produkcyjne mogą obniżyć koszt jednostkowy dzięki efektowi skali.