Введение
Многослойная печатная плата (ПП) состоит из двух или более проводящих медных слоев, разделенных диэлектрическими материалами, такими как FR-4. Эти ПП повышают плотность компонентов, позволяя размещать их с обеих сторон и внутри скрытых слоев, что делает их идеальными для сложных цифровых схем, систем ВЧ/СВЧ, высокоскоростных вычислений и других приложений, требующих высокой взаимосвязанности.
В этой статье представлен подробный обзор технологии многослойных ПП, охватывающий:
1. Процессы производства многослойных ПП
2. Материалы и конструкция
3. Основные соображения по проектированию
4. Моделирование и анализ
5. Управление температурой
6. Целостность сигнала
7. Компромиссы по стоимости
8. Факторы надежности
Понимание возможностей и передовых методов проектирования многослойных ПП имеет важное значение для использования их преимуществ при разработке электронных продуктов.
-
Что такое многослойная печатная плата: производство, проектирование и стоимость?
-
6-слойная печатная плата
-
8-слойная печатная плата
-
10-слойная печатная плата
-
12-слойная печатная плата
Процесс производства многослойных печатных плат
Изготовление многослойной печатной платы включает специализированные последовательные процессы ламинирования для соединения нескольких двухсторонних слоев схемы в одну объединенную плату. Типичные этапы производства включают:
1. Формирование внутреннего слоя
Фотолитографическое формирование рисунка для определения дорожек схемы на обработанном ламинате с медным покрытием.
Травление для удаления нежелательной меди, оставляя дорожки.
Добавление мишеней для регистрации слоев и отверстий для оснастки.
Проведение электрических испытаний дорожек.
Подготовка поверхности для ламинирования.
2. Ламинирование слоев
Использование прессов для ламинирования листов для соединения слоев.
Организация штабеля сердечников, препрегов, меди и диэлектриков.
Отверждение под температурой и давлением для формирования ламината.
3. Сверление отверстий
Высокоточное сверление для создания отверстий для оснастки и переходных отверстий.
Обеспечение точной регистрации для точного сверления каждого слоя.
4. Покрытие отверстий
Покрытие медью методом химического восстановления в виде тонкого проводящего слоя.
Электролитическое покрытие медью для достижения желаемой толщины.
Медь нарастает на внутренних слоях и просверленных отверстиях.
5. Обработка внешнего слоя
Нанесение жидкой фотоформируемой (LPI) паяльной маски.
Печать надписей с идентификационными маркировками.
Формирование рисунка и травление схем внешнего слоя.
Маршрутизация панелей на отдельные печатные платы.
6. Тестирование и обеспечение качества
Автоматизированный оптический контроль (AOI).
Тестирование сетевых соединений.
Тестирование импеданса, высокого напряжения и функциональности.
Контроль качества размеров.
Эти этапы обеспечивают производство высококачественных, надежных многослойных печатных плат, подходящих для широкого спектра современных электронных приложений.
Материалы и конструкция многослойных печатных плат
Многослойные платы состоят из проводящих медных слоев, разделенных диэлектрическим препрегом и слоями сердцевины. Вот некоторые типичные
варианты материалов:
Проводящие слои:
Прокатная отожженная медная фольга (толщиной от 1/2 до 3 унций)
Электрически осажденная медная фольга
Покрытия: серебряное, золотое или никелевое покрытие
Диэлектрические слои:
FR-4 (армированная стекловолокном эпоксидная смола)
Высокотемпературная эпоксидная смола (для высокой температурной стабильности)
PTFE (тефлон) для плат RF/wireless
Полиимид (для гибких печатных плат)
Цианатный эфир (для радиолокационных и оборонных приложений)
Связующие слои:
Препреги FR-4 (частично отвержденная смола)
Препреги Rogers
Фторполимерные клеевые пленки
Армированные и неармированные варианты
Обычные многослойные конструкции:
4–6 слоев: низкая или средняя сложность
8–10 слоев: более сложные цифровые платы
12-16 слоев: передовые радиочастоты и обработка данных
20+ слоев: чрезвычайно плотные соединения
60+ слоев: передовая технология HDI
Соображения по проектированию многослойных печатных плат
Проектирование многослойных печатных плат представляет собой проблему из-за более высокой плотности межсоединений, тепловых характеристик, ограничений на изготовление и факторов целостности сигнала. Вот основные рекомендации по проектированию многослойных печатных плат:
Стек платы:
Выберите диэлектрические материалы на основе электрических, тепловых и CTE свойств.
Моделируйте производительность с различными комбинациями ламинатов.
По возможности используйте симметричную конструкцию.
Включайте опорные плоскости для каждого сигнального слоя.
Назначайте слои плоскостей разумно (земля, питание, сигнал).
Высокоскоростная трассировка:
Используйте управляемую импедансом трассировку для высокоскоростных сетей.
Размещайте чувствительные трассы между плоскостями заземления/питания.
Соответствуйте ширине трасс и интервалу для дифференциальных пар.
Минимизируйте резкие изгибы, заглушки и несоответствия длины.
Моделируйте производительность в прикладной среде.
Тепловой дизайн:
Моделируйте горячие точки и слои, распределяющие тепло.
Включайте тепловые переходы для теплопроводности.
Используйте более толстые медные плоскости для распределения тепла.
Выбирайте диэлектрики с хорошей теплопроводностью.
Обеспечьте правильное расстояние между компонентами и воздушный поток.
Целостность сигнала:
Оптимизируйте наложение слоев для изоляции шумовой связи.
Назначьте обратные пути для высокоскоростных трасс.
Используйте сквозные отверстия для согласованных возвратов.
Включайте пассивные компоненты, такие как конденсаторы и резисторы.
Включите положения для развязки и терминации.
Распределение питания:
Предоставьте адекватную распиновку для количества источников питания.
Используйте отдельные области регулятора для аналоговых и цифровых цепей.
Обеспечьте объемную развязку вблизи источников питания.
Распределите плоскости питания, чтобы минимизировать длину ответвлений.
Компоновка компонентов:
Размещайте компоненты с обеих сторон для более высокой плотности.
Группируйте компоненты по типу, чтобы упростить трассировку.
Убедитесь, что компоненты вписываются в контур платы.
Обеспечьте доступное пространство для доработки при необходимости.
Оставьте зазор для каналов трассировки.
Переходы слоев:
Минимизируйте изменения слоев, когда это возможно.
Используйте глухие/скрытые переходные отверстия для переходов слоев.
Уменьшайте ширину дорожек при смене слоев.
Обеспечьте плавные переходы импеданса.
Тестируемость:
Включите контрольные точки, порты и потенциальные зонды.
Предоставьте сетку тестовых площадок для тестирования методом «ложа гвоздей».
Добавьте встроенные тестовые структуры, когда это возможно.
Облегчите доступ к портам интерфейса отладки.
Эти рекомендации обеспечивают надежность, производительность и технологичность многослойных печатных плат, решая сложные проблемы современных электронных конструкций.
Моделирование и анализ
Учитывая множественные взаимодействия между свойствами материалов, стеком, компоновкой компонентов и плотностью трассировки, инструменты моделирования необходимы для эффективной разработки многослойных печатных плат:
Электромагнитное моделирование:
Моделирование излучения, связи и резонансов.
Выявление проблем с стеком, геометрией трассировки и разделениями.
Определение необходимых экранирующих и заземляющих плоскостей.
Целостность сигнала:
Анализ разрывов импеданса и отражений.
Проверка стратегий терминации и эффектов линии передачи.
Учет потерь, шума и связи.
Целостность питания:
Моделирование характеристик питания постоянного и переменного тока.
Подтверждение конструкции сети подачи питания.
Включение эффектов развязки и PDN.
Термический анализ:
Прогнозирование температурных профилей под нагрузкой.
Определение горячих точек в компоновке компонентов.
Моделирование воздействия теплоотвода и распространения.
Анализ вибрации/ударов:
Оценка режимов вибрации и резонансов.
Определение необходимого механического усиления.
Проверка монтажа компонентов и надежности паяных соединений.
Анализ DFX (Проектирование для совершенства):
Проверка проекта на предмет изготовления, сборки и тестирования.
Оценка удобства обслуживания и доработки.
Повышение технологичности, выхода годных и стоимости.
Эти инструменты моделирования обеспечивают надежность, производительность и технологичность многослойных печатных плат, устраняя сложности, присущие современным электронным конструкциям.
Рассмотрение стоимости
Увеличение сложности многослойной печатной платы приводит к более высоким затратам на изготовление. Ключевые факторы включают:
Количество слоев: каждый дополнительный проводящий слой увеличивает затраты из-за большего количества этапов процесса для визуализации, гальванизации и ламинирования.
Размер платы: для больших плат требуется оборудование с большей производительностью, обычно от 24”x36” до 28”x44”.
Более высокая плотность: более жесткие допуски на трассировку и зазоры, меньшие размеры отверстий и использование более тонких материалов для большего количества слоев — все это способствует увеличению затрат. Сложная панельизация и разводка также увеличивают расходы.
Усовершенствованные материалы: специализированные материалы, такие как ламинаты с низкими потерями, тонкие сердцевины/препреги, более толстая медь и многослойные микроотверстия, стоят дороже.
Низкий объем: единовременные инженерные расходы применяются к небольшим производственным циклам, которые не могут использовать экономию масштаба.
Понимание этих факторов имеет решающее значение для эффективного управления затратами при изготовлении многослойных печатных плат.
Рассмотрение стоимости
Ключевые факторы, влияющие на надежность многослойной печатной платы, включают:
Контроль процесса изготовления:
1. Исключительная точность регистрации сверления.
2. Строгое качество ламинирования для предотвращения пустот.
3. Целостность покрытия для непрерывности и адгезии.
Качество ламината:
1. Высокая температура стеклования (Tg).
2. Низкий коэффициент теплового расширения (CTE).
3. Минимальные характеристики поглощения влаги.
Факторы проектирования:
1. Эффективное рассеивание тепла внутреннего слоя.
2. Адекватное механическое армирование и жесткость.
3. Оптимальная компоновка и плотность компонентов.
Тестирование и проверка:
1. Автоматизированный оптический контроль (AOI).
2. Всестороннее сетевое соединение, внутрисхемное и функциональное тестирование.
3. Рентгеновский анализ для оценки внутренней структуры.
4. Поперечное сечение для оценки качества покрытия.
5. Экологические стресс-тесты на устойчивость к температуре, влажности и вибрации.
Эти факторы имеют решающее значение для обеспечения надежности и производительности многослойных печатных плат.
Рассмотрение стоимости
Технология многослойных печатных плат облегчает создание более плотных, высокопроизводительных электронных конструкций за счет использования слоев многослойных схем, соединенных между собой металлизированными отверстиями и переходными отверстиями. Достижение этих преимуществ требует мастерства в выборе и использовании специализированных материалов, использования передовых инструментов моделирования и внедрения сложных методов обеспечения целостности тепловых и сигнальных цепей. Кроме того, критически важным является обеспечение надежности посредством строгого тестирования и освоения передовых производственных процессов. В этой статье представлен подробный обзор возможностей многослойных печатных плат, что дает инженерам знания для эффективного проектирования, анализа и производства надежных многослойных плат, которые отвечают строгим требованиям современной электроники.