Многослойные печатные платы (ПП) стали повсеместными в современной электронной промышленности. Их компактная конструкция и способность эффективно маршрутизировать сигналы и питание позволяют упаковывать более сложные схемы во все более малые форм-факторы. Анализ показывает, что мировой рынок многослойных ПП может вырасти с 82.36 млрд долларов США в 2022 году до 128.5 млрд долларов США к 2030 году при среднегодовом темпе роста 5.68%.
Это позволяет разрабатывать передовые технологии в различных приложениях — от потребительских устройств до промышленного оборудования. Однако сложное многослойное производство также создает существенные проблемы проектирования и производства.
В этой статье представлен всесторонний обзор технологии многослойных печатных плат. В ней рассматриваются этапы производства, вопросы наложения слоев и маршрутизация сигналов. Вы также узнаете о преимуществах и ограничениях, а также о стандартных приложениях.
Что такое многослойная печатная плата
Многослойная печатная плата — это печатная плата, которая содержит три или более проводящих слоев меди или другого металла, разделенных изоляционным материалом, известным как препрег или основной материал. В то время как традиционные печатные платы обычно двухсторонние с медными дорожками сверху и снизу, многослойные печатные платы укладывают несколько внутренних слоев схем между внешними слоями.
Может быть много слоев, обычно от 4 до 12. Некоторые устройства, такие как смартфоны, могут использовать до 40 слоев. Активные и пассивные компоненты размещаются на внешних верхних и нижних слоях, в то время как внутренние слои, сложенные в стопку, используются для маршрутизации трасс между компонентами.
Эта сложная многослойная структура обеспечивает гораздо более высокую плотность схем и взаимосвязей, чем обычные односторонние или двухсторонние платы.
С дополнительными внутренними слоями многослойные печатные платы могут вмещать гораздо больше электрических компонентов и позволять сложную трассировку путей между ними. Слои соединены между собой с помощью металлизированных сквозных отверстий или переходных отверстий, вертикальных соединений между уложенными слоями. Различные стили, такие как сквозные, скрытые или глухие переходные отверстия, дают проектировщикам возможность оптимизировать трассировку цепей.
Многослойная конструкция делает печатные платы хорошо подходящими для требовательных приложений, таких как телекоммуникационное оборудование, сложные встроенные системы и другие ситуации, где миниатюризация и высокоскоростная передача сигналов являются приоритетами. Конечно, дополнительная сложность проектирования и производства также делает многослойные платы более дорогими, чем обычные однослойные или двухсторонние печатные платы.
Как изготавливаются многослойные печатные платы
Многослойные печатные платы обеспечивают более высокую плотность схем по сравнению с одно- и двухсторонними платами за счет использования нескольких внутренних проводящих слоев, которые ламинируются вместе с непроводящим материалом. Эта сложная конструкция требует более сложного процесса изготовления, чем более простые типы плат.
Процесс начинается с аккуратной укладки слоев исходного материала в соответствии с заданной последовательностью и проходит через несколько взаимозависимых этапов производства для сборки готовой схемы на всех слоях.
Ниже представлен подробный обзор ключевых этапов производства многослойной печатной платы.
Сборка стека
Первым шагом в изготовлении многослойной печатной платы является сборка стека. Различные тонкие слои препрега и листы медной фольги точно укладываются вместе в соответствии с заданным порядком укладки слоев.
Обычно пакеты содержат нечетное количество диэлектрических слоев, перемежающихся внутренней медной фольгой, а иногда и сплошными медными слоями для силовых и заземляющих плоскостей.
Расслоение
Затем сложенные слои отправляются на процесс ламинирования. Во время ламинирования стопка помещается в пресс и подвергается воздействию высокой температуры и давления. Это заставляет слои препрега плавиться и соединять медную фольгу и диэлектрические слои вместе.
Он также вытесняет любые пузырьки воздуха, застрявшие между слоями, в результате чего получается цельный ламинированный лист. Правильное ламинирование имеет решающее значение для достижения оптимального диэлектрического соединения и предотвращения проблем с расслоением в будущем.
Критерий панелизации
После завершения укладки и ламинирования сплошной лист панелируется для создания отдельных секций панели печатной платы. Машина с числовым программным управлением проходит через лист и разрезает его на отдельные части панели в соответствии с предопределенным файлом панельизации.
Через формирование
Переходные отверстия — это небольшие отверстия, соединяющие разные слои многослойной платы.
Используются три основных типа переходных отверстий:
●&苍产蝉辫;Сквозные отверстия: Проходит через все слои доски.
●&苍产蝉辫;Слепые переходы: Соединяет внешний слой с внутренним, но не насквозь.
●&苍产蝉辫;Погребенный Виас: Подключайтесь только к внутренним слоям, которые не видны с поверхности.
Сквозные металлизированные переходные отверстия обычно формируются путем лазерного сверления отверстий в указанных местах перед покрытием стенок переходных отверстий медью. Для скрытых и глухих переходных отверстий сверление выполняется после формирования внутреннего слоя.
Внутренний слой рисунка
Используя светочувствительную пленку или фоторезист, каждая панель внутреннего слоя выборочно экспонируется светом через фотошаблон желаемого рисунка слоя. Затем экспонированный материал проявляют или делают растворимым и смывают. Это выявляет медные следы в предполагаемом рисунке для этого слоя.
Покрытие и травление
Затем панель покрывается гальваническим слоем меди, чтобы заполнить любые небольшие зазоры в открытых медных дорожках. Затем вся непокрытая медь вытравливается с помощью химикатов, оставляя после себя рисунок фоторезиста в качестве проводящего слоя для этой внутренней панели. Затем фоторезист удаляется в конце.
Обработка внешнего слоя
После завершения всех внутренних слоев внешние слои формируются с помощью аналогичного процесса нанесения рисунка фоторезиста, металлизации и травления. Сквозные отверстия также металлизируются для соединения с внутренними слоями на этом этапе, если это необходимо.
Заключительные операции
Последние этапы включают в себя финишные операции, такие как нанесение паяльной маски и шелкография, монтаж компонентов и электрические испытания перед отправкой готовых многослойных печатных плат.
Какие факторы следует учитывать при проектировании и производстве многослойных печатных плат
Проектирование и производство многослойной печатной платы требует учета нескольких важных факторов, чтобы гарантировать, что конечный продукт соответствует спецификациям. Несколько элементов должны работать вместе без сбоев от этапа проектирования до производства.
Вот некоторые факторы, которые следует учитывать.
Количество слоев
Одним из первых решений является определение того, сколько внутренних слоев необходимо для многослойной конструкции печатной платы. Большее количество слоев обеспечивает большую функциональность, но также увеличивает стоимость и сложность. Конфигурация стека должна уравновешивать эти факторы.
Диэлектрический материал
Диэлектрик играет ключевую роль в целостности сигнала и контроле импеданса. Такие материалы, как FR-4, полиимид и Rogers, обеспечивают различные электрические свойства, которые влияют на конструкцию стека. Такие характеристики, как диэлектрическая проницаемость, должны соответствовать предполагаемому применению.
Ширина трассы и интервал
Минимальная ширина трассы и интервалы максимизируют маршрутизацию, избегая при этом трудностей в технологичности или проблем надежности. Выбранный процесс изготовления жестко регламентирует правила проектирования.
Через дизайн
Сквозные отверстия соединяют слои, а их форма, размер и расположение отчаянно влияют на технологичность. Металлизированные сквозные отверстия, скрытые и микросквозные отверстия влияют на стек и плотность. Их влияние на импеданс также необходимо учитывать.
Инструменты автоматизации и DRC
Макет печатной платы, процесс изготовления и правила проектирования должны быть совместимы с автоматизацией, чтобы максимизировать технологичность. Эффективный инструментарий DRC имеет решающее значение для раннего обнаружения и исправления проблем.
Отделка и сборка
Такие факторы, как отделка внешнего слоя, отверстия и допуски на изготовление, определяют будущие этапы обработки, такие как сборка, интеграция корпуса и герметизация от воздействия окружающей среды.
Преимущества многослойных печатных плат
Многослойные печатные платы обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с традиционными одно- и двухслойными платами. Благодаря использованию нескольких внутренних слоев схемы можно размещать вертикально, что обеспечивает колоссальную экономию пространства.
Некоторые из основных преимуществ многослойных печатных плат включают в себя:
●&苍产蝉辫;Уменьшенный размер печатной платы. Использование нескольких внутренних слоев позволяет компонентам и дорожкам использовать вертикальное пространство вместо только горизонтального. Это значительно уменьшает общую площадь платы.
●&苍产蝉辫;Легкий. Благодаря многослойной конструкции платы можно сделать тоньше, сохранив при этом сложную схему. Это делает их намного легче, чем эквивалентная функциональность одно-/двухслойных плат.
●&苍产蝉辫;Высокое качество и плотность. Размещение компонентов и дорожек на внутренних слоях увеличивает плотность разводки и качество соединений между компонентами по сравнению с обычными многослойными платами.
●&苍产蝉辫;Повышенная прочность и гибкость. Компактная многослойная конструкция делает платы более долговечными, поскольку компоненты защищены между слоями. Они также более гибки в своих применениях.
●&苍产蝉辫;Мощный с одной точкой подключения. Трассировки могут быть проложены по слоям, что позволяет всем вводам/выводам завершаться или проходить через одну поверхность. Это упрощает соединения.
Недостатки многослойных печатных плат
Многослойные печатные платы обеспечивают множество преимуществ, таких как повышенная плотность схем и укороченные пути сигналов. Однако их сложность также имеет недостатки по сравнению с более простыми одно- или двухслойными платами.
●&苍产蝉辫;Более высокие затраты на производство и выпуск продукции: Дополнительные слои схемы и процессы регистрации, используемые в многослойных платах, увеличивают затраты на материалы и рабочую силу.
●&苍产蝉辫;Сложная конструкция и производство: Многослойные платы с внутренними сигнальными слоями, плоскостями питания и глухими/скрытыми переходными отверстиями требуют гораздо более сложных инструментов САПР и технологий производства.
●&苍产蝉辫;Ограниченные производители: Только цеха по производству плит с широкими возможностями многослойного производства могут производить сложные многослойные конструкции. Это концентрирует производство на меньшем количестве объектов.
●&苍产蝉辫;Требуются высококвалифицированные и обученные дизайнеры: Эффективное проектирование внутренних слоев и трассировки в многослойном стеке требует наличия опытных инженеров-разработчиков печатных плат, знакомых с трехмерным проектированием схем.
●&苍产蝉辫;Увеличенное время производства: Дополнительные этапы регистрации слоев, изготовления внутренних слоев, ламинирования и сверления неизбежно увеличивают время, необходимое для изготовления многослойной платы по сравнению с более простой многослойной платой.
Применение многослойных печатных плат
Многослойные печатные платы (ПП) широко используются в электронике благодаря возможности высокоплотной упаковки. Рассмотрим некоторые ключевые применения технологии многослойных ПП в различных отраслях.
компьютеры
Многослойные печатные платы позволяют размещать сложные схемы с многочисленными компонентами на компактной материнской плате. Они ускоряют передачу данных между ЦП, памятью, видеокартой и другими периферийными устройствами. Высокослоистые печатные платы с заглубленными переходными отверстиями эффективно распределяют питание и сигнальные трассы в настольных компьютерах, ноутбуках и других вычислительных устройствах.
Сотовые телефоны
Печатные платы сотовых телефонов используют плотно упакованные многослойные конструкции для размещения обширного списка компонентов, таких как процессоры, чипы памяти, радиосхемы, драйверы сенсорных экранов и камеры. Они обеспечивают расширенные функции смартфонов, такие как подключение 4G/5G, WiFi, Bluetooth, GPS и NFC. Компактные ретрансляторные печатные платы, построенные со скрытыми переходными отверстиями, усиливают сигналы сотовой связи в зонах со слабым приемом.
Промышленный контроль
Многослойные платы управления с технологией поверхностного монтажа интегрируют микропроцессоры, датчики, исполнительные механизмы и вводы/выводы в программируемые логические контроллеры, станки с ЧПУ, промышленные роботы и генераторы электроэнергии. Они надежно управляют сложными встроенными процессами в промышленной автоматизации.
Системы GPS
GPS-приемники используют многослойные схемы печатных плат для точной синхронизации высокочастотных электронных сигналов от нескольких спутниковых источников. Это облегчает быструю триангуляцию позиционных данных для навигационных приложений в самолетах, судах и транспортных средствах.
Испытательное и измерительное оборудование
Точные приборы для НИОКР и производства, такие как осциллографы, анализаторы спектра и функциональные генераторы, используют многослойную конструкцию печатной платы для точной маршрутизации микроволновых и радиочастотных тестовых сигналов. Это обеспечивает точность измерений на высоких рабочих частотах.
Медицинские приборы
Многослойные печатные платы используются в различных медицинских приборах, таких как ультразвуковые и рентгеновские аппараты, мониторы ЭКГ/ЭЭГ и дефибрилляторы, благодаря их способности эффективно распределять биологические сигналы низкого уровня. Их надежность и миниатюризация обеспечивают портативность спасательного оборудования.
Ядерные приложения
Методы скрытых линий передачи на многослойных платах обеспечивают стабильную маршрутизацию мощных сигналов в системах обнаружения и безопасности ядерных материалов. Они надежно передают конфиденциальные данные от датчиков радиации к интерфейсам управления.
Аэрокосмическая техника
Спутники космических аппаратов используют прочные многослойные конструкции, обжаренные в вакууме. Сложные маршруты достигаются за счет плотно упакованных слоев для обработки команд/данных, управления питанием и приборостроения в спутниках, космических станциях и зондах.
Управление движением
Интеллектуальные транспортные системы используют многослойную сеть печатных плат для связи датчиков дорожного движения, камер и информационных знаков. Они способствуют эффективной координации движения в инфраструктурах умных городов.
Это охватывает некоторые основные приложения многослойной технологии печатных плат в компьютерах, потребительской электронике, промышленной автоматизации, тестировании и измерении, медицинских приборах, обороне, аэрокосмической отрасли и транспортных системах. Ее возможности миниатюризации и плотной упаковки компонентов сделали ее незаменимой в современной электронике.
Часто задаваемые вопросы о многослойных печатных платах
1). Почему широко используются многослойные печатные платы?
Многослойные печатные платы широко используются, поскольку они обеспечивают гораздо более высокую плотность компонентов и функциональность, чем традиционные одно- и двухсторонние. Добавляя внутренние слои, многослойные печатные платы позволяют осуществлять вертикальную трассировку цепей, что значительно экономит место на плате, что делает их идеальными для приложений, требующих миниатюризации, таких как бытовая электроника, телекоммуникационное оборудование и различные системы управления.
Высокая плотность, достигаемая с помощью многослойных печатных плат, также означает уменьшение размеров изделия, повышение производительности за счет сокращения путей прохождения сигнала и улучшенное распределение мощности.
2) Сколько стоит многослойная печатная плата?
Стоимость многослойной печатной платы зависит от нескольких факторов: количества слоев, размера платы, сложности конструкции схемы, выбора материалов и т. д. В целом многослойные печатные платы дороже одно- или двухсторонних из-за повышенной сложности проектирования и производства.
Базовая плата из 4-6 слоев может стоить от 150 до 300 долларов за квадратный фут в зависимости от количества. Платы высокой плотности с 8-16 слоями часто стоят от 300 до 800 долларов за квадратный фут. Сложные платы с более чем 16 слоями стоят более 1000 долларов за квадратный фут. В целом, прирост стоимости за слой имеет тенденцию к снижению с увеличением количества слоев по мере повышения эффективности производства.
3) Может ли печатная плата иметь 3 слоя?
Да, печатная плата может иметь три слоя. Трехслойные платы довольно распространены и представляют собой базовую конфигурацию многослойной печатной платы после двухсторонних плат. Три слоя позволяют горизонтально размещать компоненты на верхнем и нижнем слоях, а дорожки цепей прокладываются внутри между ними.
Этот уровень вертикальной интеграции позволяет решать проблемы сложности, с которыми сталкиваются двухсторонние платы. Трехслойные платы обеспечивают хороший баланс между возможностями и затратами, что делает их подходящими для многих приложений, которым требуется базовая многослойная функциональность без требований высокой плотности.
4) Какие материалы используются в многослойных печатных платах?
Наиболее распространенными материалами, используемыми при изготовлении многослойных печатных плат, являются стеклопластиковый эпоксидный ламинат FR-4, полиимидные ламинаты, а также различные специализированные высокочастотные и высокотемпературные материалы.
FR-4 является наиболее широко используемым ламинатом благодаря превосходному балансу электрических свойств, механической прочности и доступности. Полиимидные материалы обеспечивают более высокую термостойкость, размерную стабильность и соответствие Mil-Spec, что полезно для оборонных и аэрокосмических применений.
Керамически заполненные ПТФЭ-ламинаты обеспечивают чрезвычайно высокие выдерживаемые напряжения, необходимые в силовой электронике. Многослойные платы также используют препреговые диэлектрические материалы, часто состоящие из тканого стекловолокна, залитого частично отвержденной эпоксидной смолой, для склеивания отдельных слоев во время ламинирования. Драгоценный металл, покрытый через отверстия и дорожки с использованием меди, золота или других металлов, обеспечивает электрические соединения между уложенными слоями.
5) Каковы особенности многослойной печатной платы?
Ключевые особенности многослойных печатных плат включают в себя:
● Увеличенное количество слоев (обычно 4–16+ слоев) для очень сложных трехмерных схем;
● Вертикальная маршрутизация для минимизации пространства на плате и длины дорожек;
● Очень высокая плотность компонентов и возможности интеграции;
● Улучшение электрических характеристик за счет укороченных трасс;
● Одновременный монтаж компонентов на нескольких поверхностях;
● Надежные силовые/заземляющие плоскости для низкого импеданса и предотвращения электромагнитных помех;
● Совместимость с различными компонентами для поверхностного монтажа и монтажа в отверстия;
● Увеличенная полезная площадь поверхности внутренних слоев;
● Однородность и повторяемость автоматизированных процессов ламинирования;
● Широкий спектр применения, охватывающий электронику, медицину, автомобилестроение и т. д.
Заключение
Многослойные печатные платы стали важной частью нашего все более технологического мира. Многослойные платы сделали возможными такие инновации, как смартфоны, передовые медицинские устройства, автономные транспортные средства и многое другое, позволяя более плотно упаковывать элементы схемы и создавать более сложные конструкции схем.
Поскольку электроника продолжает уменьшаться в масштабах, одновременно увеличивая свои возможности, многослойные печатные платы останутся важной технологией для размещения все большего количества функций в меньших пространствах. Хотя проектирование и производство многослойных плат представляет собой трудности, способность создавать многослойные схемы создает новые возможности.
Пока существует спрос на более продвинутую электронику, многослойные печатные платы будут продолжать играть центральную роль в достижении большей интеграции и производительности. Они действительно стали основой для инноваций во многих отраслях.
