Váš další projekt vyžaduje 10vrstvou desku plošných spojů, ale přemýšlíte o tom, jak výrobci ve skutečnosti vyrábějí složité desky. Wonderful PCB poskytuje vám informace o návrhu stohování, výběru materiálu, výrobních krocích a o tom, jak vybrat správnou továrnu na stohování 10 vrstev desek plošných spojů pro vaše potřeby.

Základy technologie 10vrstvých desek plošných spojů

Přehled vícevrstvých desek plošných spojů

Vícevrstvé desky vrství měď a izolační materiál do sendviče. Dvě vrstvy? Jednoduché. Čtyři vrstvy? Stále zvládnutelné.

Ale deset vrstev?

Nyní vstupujete do oblasti, kde na přesnosti záleží v každém kroku. Každá přidaná vrstva přináší více prostoru pro směrování. Lepší stínění. Vylepšené rozložení energie. Složitost však rychle roste. Zarovnání mezi vrstvami musí být v řádu mikronů, jinak vaše deska selže.

10vrstvá deska plošných spojů vs. jiné vícevrstvé desky

Proč zvolit deset vrstev místo osmi nebo dvanácti?

Šestivrstvé desky fungují dobře pro návrhy se střední hustotou, ale s rostoucím počtem signálů jim dochází místo. Osm vrstev pomáhá, i když někdy trpí integrita napájení. Dvanáct vrstev? Pro většinu aplikací je to zbytečné a navíc se zvyšují náklady.

Deset vrstev se trefuje do ideálního bodu. Získáte čtyři signálové vrstvy, dvě zemnící roviny, dvě napájecí roviny a dvě vnější směrovací vrstvy. Tato rovnováha funguje pro vysokorychlostní digitální obvody, RF moduly a husté rozložení součástek, aniž by to narušilo váš rozpočet.

Porovnejte to se čtyřvrstvou deskou, kde neustále bojujete s přetížením tras. Desetivrstvá konstrukce desek plošných spojů poskytuje prostor přesně tam, kde ho potřebujete.

Standardní konfigurace stack-upu a vrstvy materiálů

Signální vrstvy

Signálové vrstvy nesou vaše trasy, datové linky, hodiny a adresové sběrnice. V desetivrstvé konfiguraci probíhá směrování signálu na vrstvách 1, 3, 4, 6, 7 a 10.

Vnější vrstvy zpracovávají nízkorychlostní signály. Vnitřní vrstvy fungují lépe pro vysokorychlostní diferenciální páry, protože se nacházejí mezi referenčními rovinami.

Někteří návrháři umisťují pomalé signály ven a rychlé signály dovnitř. Jiní je kombinují na základě požadavků na délku trasy. Neexistuje jediný správný přístup. Prioritu určuje vaše aplikace.

Napájení a pozemní letadla

Vrstvy 2 a 9 se často používají jako zemnící roviny. Vrstvy 5 a 8 slouží jako napájecí roviny, ačkoli vrstvu 5 můžete rozdělit do více napěťových domén.

Zemnící roviny by měly zůstat pokud možno pevné.

Rozdělení uzemnění vytváří problémy se zpětnou cestou, které zhoršují integritu signálu. Napájecí roviny se mohou rozdělit, ale dělejte to opatrně. Stopy protínající rozdělené hranice vykazují nespojitosti impedance. 

Dielektrické a jádrové materiály

FR-4 zůstává pro většinu desetivrstvých materiálů nejpoužívanějším materiálem. Výroba DPS projekty. Standardní FR-4 je levnější a má dobrý výkon až do několika gigahertzů. FR-4 s vysokou teplotou tepelné úpravy zvládá teploty bezolovnatého pájení bez delaminace.

Potřebujete lepší vysokofrekvenční výkon?

Lamináty Rogers mají nižší tangens ztrát a stabilní dielektrickou konstantu napříč teplotními výkyvy. Polyimid odolává extrémním tepelným cyklům. Materiály na bázi PTFE fungují pro mikrovlnné frekvence, ale jsou podstatně dražší.

Prepregové desky spojují vrstvy jádra během laminace. Tloušťka se liší – například prepreg 2116 měří asi 4 mil, 7628 má kolem 7 mil. Kombinujte různé typy prepregů, abyste dosáhli cílové tloušťky 10 vrstev desky plošných spojů.

Konstrukční aspekty specifické pro 10vrstvé struktury

Kontrola impedance

Jakmile signály překročí několik stovek megahertzů, narazíte na problémy s impedancí. To je nezbytné. Vaše první vysokorychlostní deska může být katastrofální, pokud ignorujete dielektrickou konstantu. Proč? Šířka vodičů a hmotnost mědi nejsou jen čísla; je to zákon. 

Desetivrstvé vrstvení umožňuje vložit signály mezi roviny. A co? Díky tomu fungují 50ohmové stopy. Vnitřní vrstvy zůstávají blízko své reference, zatímco vnější vrstvy jsou vzdálené, osamělé a nepředvídatelné.

 To znamená, že potřebujete širší stopy na vrstvách 1 a 10, aby odpovídaly stejné impedanci jako užší stopy na vrstvě 3 nebo 6.

Kalkulátory pro stackup vám pomohou, ale vždy si vyžádejte testování impedance od výrobce vaší 10vrstvé desky plošných spojů.

Integrita signálu

Vysokorychlostní signály nenávidí diskontinuity.

Propojovací vodiče zvyšují kapacitu. Přechody mezi vrstvami vytvářejí odrazy. Přeslechy mezi sousedními stopami zkreslují průběhy. Deset vrstev vám dává možnosti, jak tyto problémy zmírnit.

Zpětný proud teče v rovině přímo pod vaší signální stopou. Když stopa mění vrstvy, musí si zpětný proud najít cestu přes prostupy nebo kondenzátory do nové referenční roviny.

Špatné zpětné cesty způsobují elektromagnetické rušení a odrážení od země.

Umístěte propojovací otvory poblíž přechodů vrstev, aby smyčky zpětného proudu zůstaly těsné.

Distribuce energie a tepelný management

Více vrstev znamená lepší rozložení energie. Vyhrazené napájecí roviny snižují stejnosměrný odpor a rovnoměrně rozkládají proud.

Teplo se ale stává problémem, protože měď dobře vede teplo, zatímco FR-4 izoluje. Deset vrstev materiálu zachycuje teplo uvnitř desky.

Tepelné průchodky pod horkými součástkami odvádějí teplo do vnějších vrstev, kde ho rozptyluje vzduch nebo chladiče. Dimenzujte napájecí desky tak, aby zvládly proud bez nadměrného nárůstu teploty.

Výrobní proces 10vrstvých desek plošných spojů

1. Design a prototypování

  Začněte se schématem zapojení. Proč čekat? Převeďte ho do rozvržení Altium nebo KiCad. Definujte si strukturu v návaznosti brzy, nebo jste mrtví. Exportujte Gerbery, vrtáky a výrobní výkresy – specifikujte hmotnosti a tolerance mědi.

Nejdříve postavte prototyp. Hned teď se dozvíte, jaký je problém. Pokud budete čekat na plnou výrobu, náklady na drobnou chybu budou tížit váš bankovní účet.

2. Příprava a výběr materiálu

Výrobci mají skladem jádrové lamináty a role prepregu. Řežou desky na velikost panelu. Pro desetivrstvou desku potřebujete více jádrových vrstev a desky prepregu k jejich spojení.

Výběr materiálu ovlivňuje výkon a cenu.

Standardní FR-4 je vhodný pro většinu digitálních návrhů. Vysokofrekvenční obvody potřebují nízkoztrátové lamináty. Aplikace s vysokým proudem vyžadují silnější měď.

3. Výroba vnitřní vrstvy

Vnitřní vrstvy se před laminací vzorují. Proces začíná jádrem potaženým mědí. Měď je potažena vrstvou fotorezistu.

UV světlo exponuje rezist pomocí filmu nebo laserového přímého snímkování. Vyvolání odstraňuje neexponovaný rezist a zanechává holou měď v nežádoucích oblastech. Leptání tuto měď rozpouští.

Každá vrstva je kontrolována v režimu AOI, aby se ověřila šířka stop, rozteč a registrační značky.

4. Zarovnání a registrace vrstev

Registrační značky, malé terče vyleptané do každé vrstvy, pomáhají zarovnat jádra a prepreg během stohování. Nesprávné zarovnání o více než několik mil způsobí, že propojky minou kontaktní plošky nebo se stopy zkratují s rovinami.

Některé továrny na stohování 10 vrstev desek plošných spojů používají pinovou laminaci, kde nástrojové kolíky prorážejí všechny vrstvy, aby zajistily zarovnání. Jiné se spoléhají pouze na systémy počítačového vidění.

Požadavky na tolerance se zpřísňují s zmenšováním rozměrů průchodů, mikroprůchody vyžadují zarovnání v rozmezí ±2 mil nebo lepší.

5. Proces laminace

Stohování probíhá v čisté místnosti. Vrstvy vstupují do lisu postupně. Vakuum odstraňuje vzduchové kapsy.

Prepregová pryskyřice se vytvrdí teplem a tlakem, čímž se vše spojí do pevného panelu.

Chlazení musí probíhat pomalu, aby se zabránilo deformaci. Nerovnoměrné chlazení vytváří vnitřní pnutí, které desku prohýbá.

6. Vrtací operace

Po laminaci máte prázdný vícevrstvý panel. Nyní vyvrtejte otvory pro propojky a vývody součástek.

CNC vrtačky používají karbidové nebo diamantem potažené vrtáky. Tolerance průměru otvoru se pohybují v rozmezí ±2 mil pro průchozí otvory a jsou menší pro mikrootvory.

Vysoký poměr stran otvorů představuje problém pro procesy pokovování. Desetivrstvá deska o tloušťce 2 mm s 0.2mm průchody má poměr stran 10:1, což je na hranici standardních možností.

7. Pokovování a nanášení mědi

 Holé epoxidové stěny jsou k ničemu, dokud se na ně bezproudovým nanášením mědi nevytvoří vodivá vrstva. Poté se galvanickým pokovováním zvětší o tloušťku 25 mikronů. Proč? Je to elektrický můstek mezi vrstvami. Pokud je střed tenký, tepelné namáhání může způsobit prasknutí průchodu. Jednotnost je život.

8. Zobrazování a leptání obvodových vzorů

 Vnější vrstvy se po pokovení vzorují. Suchý film rezistu, masky a leptání – stejně jako vnitřní vrstvy. Proč? Přesnost. Stopy s jemnou roztečí vyžadují přesnou kontrolu, jinak signál zmizí v měděné polévce.

9. Aplikace pájecí masky

Pájecí maska ​​je obvykle zelená, i když jsou k dispozici i jiné barvy pro pokrytí vnějších vrstev, čímž se odhalí kontaktní plošky a průchodky.

Tekutá fotodetektorovatelná pájecí maska ​​se nanáší v tenkých vrstvách, vystaví se UV záření a vyvolá se. Chrání měď před oxidací a zabraňuje vzniku pájecích můstků během montáže.

10. povrchové úpravy

Holá měď rychle oxiduje. Povrchová úprava chrání kontaktní plošky až do montáže.

HASL ponořuje desku do roztavené pájky, která je levná, ale nerovnoměrná. ENIG pokovuje niklem a poté pozlacuje kontaktní plošky, ploché, vhodné pro součástky s jemnou roztečí, ale dražší.

Vaše volba závisí na procesu montáže a době skladování. ENIG je vhodný pro většinu projektů výroby 10vrstvých desek plošných spojů, zejména tam, kde je vyžadováno spojování vodičů nebo dlouhá trvanlivost.

11. Elektrické zkoušky

Každá deska musí projít elektrickými zkouškami.

 Testery s létajícími sondami používají pohyblivé jehly – skvělé pro prototypy. Ale pro velké série? Testery s upínacím zařízením a piny jsou rychlejší, i když toto vlastní upínací zařízení není zadarmo. Proč hádat, jestli to funguje? Reflektometr v časové doméně vysílá signály podél linky, aby ověřil, zda vaše 50ohmové stopy skutečně splňují specifikaci. Na přesnosti záleží.

12. Závěrečná kontrola a kontrola kvality

Vizuální kontroly odhalí nepříjemné věci – škrábance nebo mezery v pájecí masce – ale proč se tím zastavit? Rozměrové kontroly ověřují, zda deska skutečně pasuje do krabice. Rentgenové snímky nahlížejí dovnitř na průchodky a hledají nesouosost nebo skryté mezery. Norma ISO 9001 znamená, že dodržují pravidla, ale skutečným šéfem jsou třídy IPC. Třída 2 akceptuje drobné nedostatky, zatímco třída 3 vyžaduje dokonalost.

Důležité aspekty výroby

Tolerance registrace mezi vrstvami

Chyby se hromadí rychle. Posun vnitřní vrstvy o 2 mil plus 3 mil z laminace a 2 mil odchylky vrtáku? To je 7 mil chaosu. Najednou váš vrták úplně mine destičku. Rozpojený obvod. Konec hry. Přísné tolerance nejsou zadarmo, protože vyžadují pomalejší a sofistikovanější stroje.

Správa poměru stran

Toto je pouze hloubka otvoru dělená průměrem. Deska o tloušťce 1.6 mm s průchody o průměru 0.2 mm má poměr 8:1. S rostoucím poměrem klesá kvalita pokovování. Nad 12:1? Koledujete po tenké mědi nebo dutinách uprostřed. K ošizení hloubky použijte pulzní pokovování nebo slepé průchody.

Kvalita a spolehlivost průchozích otvorů

Průchodky odumřou při praskání pokovování vlivem tepelného namáhání. Měď a epoxid se roztahují různou rychlostí – bojují spolu. IPC-6012 stanoví pravidla pro tloušťku pokovování. Pokud je pro vás spolehlivost duší, požadujte od své továrny zprávy o mikroskopických řezech.

Materiály používané při výrobě 10vrstvých desek plošných spojů

 Standardní třída FR-4

Je to levná klasika ze skloepoxidu. Proč používat cokoli jiného na základní věci? S teplotou téměř 130 °C měkne, pokud se věci příliš zahřejí. Dielektrická konstanta se pohybuje kolem 4.4, ale mění se s frekvencí.

Materiály FR-4 s vysokou teplotou topení (Tg)

Zvýšení teploty tepelné úpravy (Tg) na 180 °C mění pravidla hry pro bezolovnaté reflow. Odolává tepelným cyklům, což je běžný rys levnějších desek. Automobilové a průmyslové zařízení tento materiál milují, protože se jednoduše odmítá zahřát.

Rogers Vysokofrekvenční lamináty

Pro RF nebo rychlosti 10 Gb/s+ je standardní FR-4 příliš netěsný. Rogers nabízí těsný a nízkoztrátový přenos. Tip pro profesionály: Použijte hybridní stackup – Rogers pro vysokorychlostní trasy, FR-4 pro zbytek. Proč platit za plnou desku Rogers?

Polyimid pro vysoké teploty

Toto je letecký průmysl, odolává teplotám 260 °C. Je flexibilní a zvládá tepelnou roztažnost jako šampion. Háček? Stojí pětkrát tolik než FR-4. Dodací lhůty se prodlužují, protože ne každá továrna má toto drahé zlato skladem.

Možnosti tloušťky měděné fólie

Hmotnost se měří v uncích. 1 unce je 35 mikronů. Půl unce je standard pro signály, ale výkonové roviny potřebují 1 nebo 2 unce. Silnější měď zvládá proud, ale leptání jemných čar je noční můrou. Je to kompromis.

Těžká měď pro vrstvy s vysokým proudem

Máte 10 ampérů? Zvolte větší proud. Ničí to tepelné a odporové ztráty, ale pozor na „podřezání“ při leptání, kde se boční stěny svažují. Také to nafukuje váš rozpočet na 10 vrstev tloušťky. Naplánujte si to, jinak se vám deska do konektoru nevejde.

Úvahy a pokyny k návrhu

Nejlepší postupy pro návrh Stackup

Symetrické uspořádání vrstev

Vyvážené vrstvení má zrcadlově orientované dvojice vrstev kolem středu. Tato symetrie udržuje desku během laminování rovnou a snižuje deformaci během pájení.

Asymetrické vrstvy materiálu desku ohýbají, protože měď se roztahuje jinak než FR-4.

Polohování pozemní a výkonové roviny

Umístěte zemnící plochy co nejblíže k vnějším vrstvám. Tím se sníží elektromagnetické rušení a zajistí se nízkoimpedanční návratová cesta pro signály na vrstvách 1 a 10.

Napájecí roviny by měly být umístěny mezi signálovými vrstvami, aby se oddělil vysokofrekvenční šum.

Dělení zemních rovin je obvykle špatný nápad. Signály procházející rozdělením vykazují nespojité zpětné cesty, což způsobuje vyzařované emise a přeslechy.

Požadavky na řízenou impedanci

Vysokorychlostní signály vyžadují chování přenosového vedení. To znamená, že řízená impedance je obvykle 50 ohmů v jednom směru nebo 100 ohmů v diferenciálním směru.

Impedance závisí na šířce a tloušťce stopy, vzdálenosti od referenční roviny a Dk.

Během návrhu stohování použijte kalkulačku impedance. Po výrobě ověřte impedanční testováním. Většina výrobců 10vrstvých stohovaných desek plošných spojů si za kontrolu impedance účtuje příplatek, ale u gigabitových návrhů se to vyplatí.

Prostřednictvím technologie

Průchozí otvory

Průchozí otvory vrtají od vrstvy 1 do vrstvy 10 a propojují všechny vrstvy. Jsou levné, spolehlivé a snadno se kontrolují.

Nevýhoda: zabírají místo a vytvářejí pahýly pod nejnižším bodem připojení. Pahýly fungují jako antény a odrážejí vysokofrekvenční signály.

Slepé Vias

Slepé průchodky spojují vnější vrstvu s vnitřní vrstvou, ale neprocházejí celou vrstvou. Příklad: vrstva 1 s vrstvou 4.

Šetří místo a eliminují pahýly.

Ale jsou dražší, protože vyžadují několik kroků vrtání a pokovování.

Pohřben Vias

Zapuštěné prostupy spojují dvě vnitřní vrstvy, aniž by dosáhly vnějších vrstev. Ty se vytvářejí před finální laminací, což zvyšuje složitost procesu.

Zapuštěné průchody jsou běžné u desek HDI, ale vzácné u standardních desetivrstvých provedení, pokud není trasa extrémně těsná.

Tepelné řízení

Umístění tepelných průchodek

Výkonové součástky, regulátory napětí, FPGA a VF zesilovače generují teplo. Tepelné průchodky pod těmito součástkami vedou teplo z horní vrstvy přes desku do zemnící roviny nebo rozvaděče tepla ve spodní vrstvě.

Pod tepelnou podložku součástky umístěte 20–50 malých propojovacích otvorů. Více propojovacích otvorů snižuje tepelný odpor.

Strategie rozptylu tepla

Silné měděné desky odvádějí teplo lépe než tenké vodiče. Pokud je tepelné zatížení vysoké, použijte na napájecí desky 2 ml mědi.

Pro usnadnění pájení přidejte na napájecí desky tepelné reliéfy, které však zvyšují tepelný odpor.

Proudění vzduchu pomáhá. Pokud má vaše skříň ventilátory, natočte desku tak, abyste maximalizovali proudění vzduchu nad horkými částmi.

Úvahy o integritě signálu

Vysokorychlostní směrování signálu

Signály nad 1 Gb/s vyžadují pečlivé směrování.

Udržujte trasy krátké. Vyhněte se pahýlům. Shodujte délky diferenciálních párů a vícebitových sběrnic. Vysokorychlostní signály veďte pokud možno na vnitřních vrstvách; páskové vedení má lepší stínění než mikropáskové vedení.

Diferenciální směrování párů

USB, HDMI, PCIe a Ethernet používají diferenciální páry. Dvě stopy nesou opačné signály.

Aby to fungovalo, musí být stopy pevně propojeny a jejich délky musí být shodné.

Většina párů má cílový rozdíl 100 ohmů. Spojte páry dohromady, tím je neoddělíte. Vyhněte se propojkám uprostřed páru.

Výběr Wonderful PCB Výrobce

Dokončili jste návrh desetivrstvé desky plošných spojů. Nyní potřebujete továrnu na její výrobu.

Jak si vybíráte?

Cena je důležitá, ale stejně tak kvalita, dodací lhůta a podpora.

Výrobní kapacity a kapacity

Zvládne továrna deset vrstev? Zeptejte se na maximální počet vrstev, minimální šířku stopy, minimální velikost otvoru a limity poměru stran.

Pokud váš návrh posouvá hranice 3milových tras, 6milových průchodů a poměru stran 12:1, potřebujete výrobce s pokročilým vybavením.

Kapacita ovlivňuje dodací lhůtu. Továrna pracující na plnou kapacitu může dodat dodací lhůtu šest týdnů. Ta s volnou kapacitou může dodat dodací lhůtu tři.

Zkušenosti se složitými vícevrstvými deskami

Léta v podnikání nezaručují vícevrstvé odborné znalosti.

Požádejte o příklady vrstvení 10 vrstev desek plošných spojů, fotografie hotových desek, zákaznické reference nebo případové studie. Pokud je to možné, požádejte o prohlídku továrny.

Certifikace IPC dokazuje, že továrna dodržuje oborové standardy. ISO 9001 znamená dokumentované procesy kvality. Přizpůsobte certifikace svému odvětví.

Certifikace a standardy kvality

Třída IPC 2 se vztahuje na běžné komerční elektronické výrobky, kde jsou přijatelné drobné kosmetické vady. Třída IPC 3 se týká vysoce spolehlivých aplikací v leteckém průmyslu, lékařství a armádě, kde nelze vady tolerovat.

Zeptejte se, zda továrna provádí 100% elektrické testování nebo testování vzorků. U důležitých aplikací se 100% testování vyplatí za příplatek.

Dodací lhůta a výkonnost dodání

Standardní dodací lhůta pro desetivrstvou desku je 2–4 týdny. Rychlé dodání tuto lhůtu zkracuje na 5–10 dní, ale stojí o 50–100 % více.

Včasné dodání je stejně důležité jako uvedená dodací lhůta.

Továrna, která slibuje dva týdny, ale odesílá za tři, narušuje váš harmonogram. Zkontrolujte recenze nebo si vyžádejte údaje o výkonu dodávek.

Dostupnost prototypovacích služeb

Výroba prototypů a výroba se liší. Prototypy se vyrábějí v malých sériích (1–10 desek) pro ověření návrhů. Výroba se střídá ve stovkách nebo tisících kusů.

Výrobny zaměřené na prototypy reagují rychle, přijímají malé objednávky a tolerují změny designu. Náklady na desku jsou však vysoké.

V ideálním případě najděte továrnu na výrobu 10vrstvých desek plošných spojů, která s nimi dokáže jak prototypovat, tak i škálovat do výroby bez nutnosti změny dodavatele.

Technická podpora a asistence DFM

Návrh pro vyrobitelnost zachycuje chyby před výrobou.

Dobrý výrobce zkontroluje vaše soubory Gerber a označí problémy, jako jsou příliš úzké trasy, příliš malé mezery a příliš malé prostupy.

Technická podpora odpovídá na otázky během návrhu. Jaký souvrství mám použít? Lze vytvořit 4milové trasy na 2 oz mědi?

Responzivní podpora urychlí váš projekt.

Konkurenční Ceny

Cena se značně liší. Desetivrstvý prototyp stál 200–500 dolarů za desku z domácí rychloobráběcí dílny nebo 50–150 dolarů ze zahraniční továrny.

Ceny při větším objemu klesají. 100 desek může stát 20–40 dolarů za kus. Získejte nabídky na 10vrstvé stohování desek plošných spojů od více dodavatelů pro porovnání.

Pozor na nízké nabídky. Pokud jedna továrna nabízí poloviční cenu než všichni ostatní, zeptejte se proč.

Minimální objednací množství

Minimální objednané množství určuje nejmenší počet desek, které si můžete objednat. Prototypové dílny často mívají minimální objednávkové množství 1–5 desek. Výrobní závody budou vyžadovat 50, 100 nebo více.

Pokud vaše aplikace potřebuje jen několik desek, zvolte výrobce desetivrstvých desek plošných spojů s nízkým minimálním objednávacím množstvím (MOQ). U spotřebního zboží směřujícího do hromadné výroby není vyšší MOQ problém.

Výroba desetivrstvé desky plošných spojů vyžaduje přesnost v každém kroku, od návrhu souvrství až po finální testování. Potřebujete správné materiály, přísnou kontrolu procesu a výrobce s prokázanými zkušenostmi s vícevrstvou výrobou. Pochopení tloušťky a řízení impedance desetivrstvých desek plošných spojů vám pomůže navrhnout desky, které fungují hned napoprvé.