Для вашего следующего проекта требуется 10-слойная печатная плата, но вы задумываетесь о том, как производители на самом деле изготавливают сложные платы. Wonderful PCB Предоставляет информацию о проектировании многослойных печатных плат, выборе материалов, этапах изготовления и о том, как выбрать подходящий завод по производству 10-слойных печатных плат для ваших нужд.

Основы 10-слойной технологии печатных плат

Обзор многослойных печатных плат

Многослойные платы представляют собой многослойную конструкцию, в которой медь и изоляционный материал уложены слоями, образующими «сэндвич». Два слоя? Просто. Четыре слоя? Тоже вполне выполнимо.

Но десять слоев?

Теперь вы вступаете в область, где точность имеет значение на каждом этапе. Каждый добавленный слой увеличивает пространство для трассировки, улучшает экранирование и распределение питания. Однако сложность быстро растет. Выравнивание между слоями должно быть в пределах микрон; в противном случае ваша плата выйдет из строя.

Десятислойная печатная плата против других многослойных плат

Почему нужно выбрать десять слоев вместо восьми или двенадцати?

Шестислойные платы хорошо подходят для схем средней плотности, но им не хватает места по мере увеличения количества сигналов. Восемь слоев помогают, хотя иногда страдает целостность питания. Двенадцать слоев? Избыточность для большинства приложений, к тому же стоимость резко возрастает.

Десять слоев – это оптимальный вариант. Вы получаете четыре сигнальных слоя, две плоскости заземления, две плоскости питания и два внешних слоя трассировки. Такой баланс подходит для высокоскоростных цифровых схем, радиочастотных модулей и плотной компоновки компонентов, не выходя за рамки бюджета.

Сравните это с четырехслойной платой, где вы постоянно боретесь с перегрузкой трассировки. Десятислойная структура печатной платы обеспечивает достаточно пространства именно там, где это необходимо.

Стандартные конфигурации укладки и слои материалов

Сигнальные слои

Сигнальные слои содержат трассы, линии данных, тактовые сигналы и адресные шины. В десятислойной конфигурации трассировка сигналов происходит на слоях 1, 3, 4, 6, 7 и 10.

Внешние слои обрабатывают сигналы низкой скорости. Внутренние слои лучше подходят для высокоскоростных дифференциальных пар, поскольку они расположены между опорными плоскостями.

Некоторые разработчики размещают медленные сигналы снаружи, а быстрые — внутри. Другие смешивают их в зависимости от требований к длине трассы. Единого правильного подхода не существует. Приоритет определяется вашим приложением.

Плоскости питания и заземления

Слои 2 и 9 часто используются в качестве заземляющих плоскостей. Слои 5 и 8 служат силовыми плоскостями, хотя слой 5 можно разделить на несколько областей напряжения.

По возможности, плоскости земли должны оставаться твердыми.

Разделение заземления создает проблемы на обратном пути, что ухудшает целостность сигнала. Разделение силовых плоскостей возможно, но делать это следует осторожно. На дорожках, пересекающих границы разделения, возникают разрывы импеданса. 

Диэлектрические и сердечниковые материалы

FR-4 остается основным материалом для большинства 10-слойных покрытий. Производство печатных плат проекты. Стандартный FR-4 стоит дешевле и хорошо работает на частотах до нескольких гигагерц. Высокотемпературный FR-4 выдерживает температуры бессвинцовой пайки без расслоения.

Нужны более высокие частоты?

Ламинаты Роджерса обеспечивают более низкий тангенс угла диэлектрических потерь и стабильную диэлектрическую постоянную при колебаниях температуры. Полиимид выдерживает экстремальные температурные циклы. Материалы на основе ПТФЭ подходят для микроволновых частот, но стоят значительно дороже.

Листы препрега скрепляют основные слои во время ламинирования. Толщина варьируется — например, препрег 2116 имеет толщину около 4 мил, а 7628 — около 7 мил. Комбинируйте различные типы препрегов, чтобы получить желаемую толщину печатной платы из 10 слоев.

Особенности проектирования, характерные именно для 10-слойных конструкций.

Контроль импеданса

Когда частота сигналов превышает несколько сотен мегагерц, вы столкнетесь с проблемами импеданса. Это не обсуждается. Ваша первая высокоскоростная плата может оказаться катастрофической, если вы проигнорируете диэлектрическую постоянную. Почему? Ширина дорожек и толщина меди — это не просто цифры; это закон. 

Десятислойная структура позволяет размещать сигналы между плоскостями. И что? Благодаря ей 50-омные дорожки действительно работают. Внутренние слои остаются близко к опорному сигналу, в то время как внешние находятся далеко, изолированы и непредсказуемы.

 Это означает, что для достижения того же импеданса, что и при более узких дорожках на слое 3 или 6, вам потребуются более широкие дорожки на слоях 1 и 10.

Калькуляторы структуры слоев полезны, но всегда запрашивайте тестирование импеданса у производителя 10-слойной печатной платы.

Целостность сигнала

Высокоскоростные сигналы плохо переносят разрывы.

Переходные отверстия добавляют емкость. Переходы между слоями создают отражения. Перекрестные помехи между соседними трассами искажают форму сигнала. Десять слоев предоставляют возможности для смягчения этих проблем.

Обратный ток протекает в плоскости, расположенной непосредственно под сигнальной дорожкой. При смене слоя дорожки обратный ток должен найти путь через переходные отверстия или конденсаторы к новой опорной плоскости.

Плохие обратные пути приводят к электромагнитным помехам и колебаниям заземления.

Размещайте переходные отверстия для сшивания вблизи переходов между слоями, чтобы петли обратного тока были плотными.

Распределение электроэнергии и управление температурным режимом

Большее количество слоев означает лучшее распределение мощности. Специальные силовые плоскости снижают сопротивление постоянному току и равномерно распределяют его.

Однако проблема перегрева возникает из-за того, что медь хорошо проводит тепло, а FR-4 обеспечивает изоляцию. Десять слоев материала удерживают тепло внутри платы.

Теплопроводящие переходные отверстия под нагревающимися компонентами передают тепло внешним слоям, где оно рассеивается воздухом или радиаторами. Рассчитывайте размеры силовых плоскостей таким образом, чтобы они выдерживали ток без чрезмерного повышения температуры.

Процесс производства 10-слойной печатной платы

1. Дизайн и прототипирование

  Начните со схемы. Зачем ждать? Перенесите её в Altium или KiCad. Определите структуру слоев на раннем этапе, иначе всё пропало. Экспортируйте файлы Gerber, чертежи сверления и чертежи для изготовления — укажите плотность меди и допуски.

Сначала создайте прототип. Выявите возможные проблемы уже сейчас. Если вы будете ждать полномасштабного производства, стоимость малейшей ошибки будет иметь серьезные последствия для вашего банковского счета.

2. Подготовка и выбор материала

Производители хранят на складе рулоны ламината и препрега. Они нарезают листы по размеру панели. Для десятислойной плиты требуется несколько слоев ламината плюс листы препрега для их склеивания.

Выбор материалов влияет на производительность.

Стандартный FR-4 подходит для большинства цифровых схем. Для высокочастотных схем требуются ламинаты с низкими потерями. Для сильноточных применений необходима более толстая медная прослойка.

3. Изготовление внутреннего слоя

Внутренние слои формируются перед ламинированием. Процесс начинается с медного покрытия основы. На медь наносится слой фоторезиста.

Ультрафиолетовый свет засвечивает резист через пленку или с помощью лазерной прямой визуализации. Проявка удаляет незасвеченный резист, оставляя голую медь в нежелательных областях. Травление растворяет эту медь.

Каждый слой проверяется с помощью автоматического оптического контроля для подтверждения ширины трасс, расстояния между ними и меток совмещения.

4. Выравнивание и регистрация слоев

Регистрационные метки — небольшие метки, вытравленные на каждом слое, — помогают выравнивать сердечники и препрег во время многослойной сборки. Смещение более чем на несколько мил приводит к тому, что переходные отверстия не попадают на контактные площадки или дорожки замыкаются на плоскости.

На некоторых заводах, производящих печатные платы с 10-слойной структурой, используется штыревое ламинирование, при котором инструментальные штифты прокалывают все слои для обеспечения выравнивания. Другие же полагаются исключительно на системы машинного зрения.

По мере уменьшения размеров переходных отверстий требования к допускам ужесточаются, а микропереходные отверстия требуют выравнивания в пределах ±2 мил или лучше.

5. Процесс ламинирования

Укладка осуществляется в чистом помещении. Слои последовательно помещаются в пресс. Вакуум удаляет воздушные пробки.

Нагрев и давление отверждают препреговую смолу, скрепляя все компоненты в сплошную панель.

Охлаждение должно происходить медленно, чтобы избежать деформации. Неравномерное охлаждение создает внутреннее напряжение, которое приводит к изгибу платы.

6. Буровые работы

После ламинирования у вас получается пустая многослойная панель. Теперь просверлите отверстия для переходных отверстий и выводов компонентов.

В сверлильных станках с ЧПУ используются твердосплавные или алмазные сверла. Допуски по диаметру отверстий составляют ±2 мил для сквозных отверстий и более жесткие для микроотверстий.

Отверстия с высоким соотношением сторон создают сложности для процессов нанесения покрытий. Десятислойная плата толщиной 2 мм с переходными отверстиями диаметром 0.2 мм имеет соотношение сторон 10:1, что находится на пределе стандартных возможностей.

7. Гальванопокрытие и осаждение меди

 Гладкие эпоксидные стенки бесполезны, пока химическое осаждение меди не создаст проводящий слой. Затем электролитическое осаждение увеличивает его толщину до 25 микрон. Почему? Потому что это электрический мост между слоями. Если центр тонкий, термическое напряжение может привести к растрескиванию переходного отверстия. Однородность – залог успеха.

8. Создание изображений и травление схемных шаблонов

 Внешние слои формируются после нанесения покрытия. Используется сухой пленочный резист, маски и травление — точно так же, как и внутренние слои. Почему? Из-за точности. Мелкошаговые дорожки требуют жесткого контроля, иначе сигнал растворится в медной жиже.

9. Применение паяльной маски

Обычно защитная маска для пайки имеет зеленый цвет, хотя доступны и другие цвета для покрытия внешних слоев, оставляя контактные площадки и переходные отверстия открытыми.

Жидкая фоточувствительная паяльная маска наносится тонкими слоями, подвергается воздействию УФ-излучения и проявляется. Она защищает медь от окисления и предотвращает образование паяных перемычек во время сборки.

10. Качество финишной обработки

Непокрытая медь быстро окисляется. Поверхностное покрытие защищает контактные площадки до момента сборки.

HASL погружает плату в расплавленный припой, что дешево, но неравномерно. ENIG наносит никелевое покрытие, а затем золото на контактные площадки, получается ровная поверхность, подходящая для компонентов с малым шагом выводов, но более дорогая.

Ваш выбор зависит от процесса сборки и времени хранения. ENIG подходит для большинства проектов по изготовлению 10-слойных печатных плат, особенно когда требуется проволочное соединение или длительный срок хранения.

11. Электрические испытания

Каждая плата должна пройти электрические испытания.

 Тестеры с летающим щупом используют подвижные стрелки — отлично подходят для прототипов. Но для больших партий? Тестеры на основе приспособлений с контактами быстрее, хотя изготовление такого приспособления не бесплатно. Зачем гадать, работает ли оно? Рефлектометр временной области посылает сигналы по линии, чтобы проверить, соответствуют ли ваши 50-омные дорожки техническим требованиям. Точность имеет значение.

12. Заключительная проверка и контроль качества

Визуальный осмотр выявляет самые неприятные дефекты — царапины или пустоты в паяльной маске, — но зачем останавливаться на этом? Проверка размеров подтверждает, что плата действительно помещается в корпус. Рентгеновский снимок позволяет заглянуть внутрь, осмотреть переходные отверстия на предмет смещения или скрытых пустот. Стандарт ISO 9001 означает, что они следуют правилам, но классы IPC — это действительно строгий критерий. Класс 2 допускает некоторые незначительные дефекты, в то время как класс 3 требует совершенства.

Важные производственные аспекты

Допуск на совмещение слоев

Ошибки накапливаются быстро. Смещение внутреннего слоя на 2 мила плюс 3 мила из-за ламинирования и 2 мила смещения сверла? Это 7 милов хаоса. Внезапно сверло полностью промахивается мимо контактной площадки. Разрыв цепи. Конец игры. Жесткие допуски не бесплатны, потому что требуют более медленного и сложного оборудования.

Управление соотношением сторон

Это просто глубина отверстия, деленная на диаметр. Для платы толщиной 1.6 мм с переходными отверстиями 0.2 мм соотношение составляет 8:1. По мере увеличения этого числа качество покрытия ухудшается. Если соотношение выше 12:1? Это чревато тонким слоем меди или пустотами в центре. Используйте импульсное покрытие или глухие переходные отверстия, чтобы уменьшить глубину.

Качество и надежность сквозных отверстий

Переходные отверстия выходят из строя, когда покрытие трескается под воздействием термического напряжения. Медь и эпоксидная смола расширяются с разной скоростью — они противодействуют друг другу. Стандарт IPC-6012 устанавливает правила для толщины покрытия. Если надежность для вас превыше всего, требуйте от своего завода микросрезы.

Материалы, используемые при производстве 10-слойных печатных плат.

 Стандартный класс FR-4

Это дешевый, классический стеклоэпоксидный материал. Зачем использовать что-то другое для простых задач? При температуре около 130°C он размягчается при перегреве. Диэлектрическая постоянная колеблется в районе 4.4, но изменяется в зависимости от частоты.

Высокотемпературные материалы FR-4

Повышение температуры стеклования до 180 °C кардинально меняет правила игры в бессвинцовом оплавлении. Он выдерживает термические циклы, что является распространенной особенностью более дешевых плат. Автомобильное и промышленное оборудование обожают этот материал, потому что он просто не выходит из строя при высоких температурах.

Высокочастотные ламинаты Роджерса

Для радиочастот или скоростей 10 Гбит/с и выше стандартный FR-4 слишком сильно пропускает сигнал. Rogers предлагает низкую плотность и минимальные потери. Совет профессионала: используйте гибридную схему — Rogers для высокоскоростных дорожек, FR-4 для остальных. Зачем платить за полноценную плату Rogers?

Полиамид для высоких температур

Это материал, используемый в аэрокосмической отрасли, выдерживающий температуру до 260°C. Он гибкий и отлично справляется с термическим расширением. В чем подвох? Он стоит в пять раз дороже, чем FR-4. Сроки поставки увеличиваются, потому что не на каждом заводе есть этот дорогостоящий материал в наличии.

Варианты толщины медной фольги

Вес измеряется в унциях. 1 унция равна 35 микронам. Пол-унции — стандартный вес для сигнальных проводников, но для силовых проводников требуется 1 или 2 унции. Более толстая медь лучше пропускает ток, но делает травление тонких линий настоящим кошмаром. Это компромисс.

Толстостенная медь для сильноточных слоев

У вас 10 ампер? Тогда используйте более толстый слой. Это снизит тепловые потери и потери на сопротивление, но остерегайтесь «подрезки» во время травления, где боковые стенки имеют наклон. Это также увеличит ваш бюджет на толщину в 10 слоев. Планируйте заранее, иначе на вашей плате не поместится разъем.

Рекомендации и соображения по проектированию

Рекомендации по проектированию стеков

Симметричное расположение слоев

Сбалансированная структура слоев предполагает зеркальное отображение пар слоев относительно центра. Такая симметрия обеспечивает ровность платы во время ламинирования и уменьшает деформацию при пайке.

Асимметричная структура слоев приводит к прогибу платы, поскольку медь расширяется иначе, чем FR-4.

Позиционирование наземной и силовой плоскости

Размещайте заземляющие плоскости как можно ближе к внешним слоям. Это снижает электромагнитные помехи и обеспечивает низкоимпедансный обратный путь для сигналов на слоях 1 и 10.

Для развязки высокочастотных шумов силовые плоскости должны располагаться между сигнальными слоями.

Разделение заземляющих плоскостей обычно является плохой идеей. Сигналы, пересекающие разделительную линию, проходят по прерывистым обратным путям, вызывая излучение и перекрестные помехи.

Требования к контролируемому импедансу

Для передачи высокоскоростных сигналов необходимы характеристики, характерные для линий передачи. Это означает, что управляемое сопротивление обычно составляет 50 Ом в однополярном режиме или 100 Ом в дифференциальном режиме.

Импеданс зависит от ширины и толщины дорожки, расстояния до опорной плоскости и диэлектрической проницаемости Dk.

При проектировании многослойной структуры печатных плат используйте калькулятор импеданса. Затем, после изготовления, проверьте импеданс с помощью измерений. Большинство производителей 10-слойных печатных плат взимают дополнительную плату за контроль импеданса, но это оправдано для гигабитных схем.

Через технологию

Сквозные отверстия

Сквозные отверстия (via) сверлятся от слоя 1 до слоя 10, соединяя все слои. Они дешевы, надежны и просты в проверке.

Недостаток: они занимают место и образуют выступы ниже самой нижней точки подключения. Выступы действуют как антенны, отражая высокочастотные сигналы.

Слепой виас

Слепые переходные отверстия соединяют внешний слой с внутренним, но не проходят насквозь. Пример: слой 1 со слоем 4.

Они экономят место и устраняют лишние отходы.

Но они стоят дороже, потому что требуют нескольких этапов сверления и нанесения покрытий.

Похоронен Vias

Скрытые переходные отверстия соединяют два внутренних слоя, не достигая внешних. Они формируются до окончательного ламинирования, что усложняет процесс.

В печатных платах с высокой плотностью размещения компонентов часто встречаются скрытые переходные отверстия, но они редко используются в стандартных десятислойных конструкциях, за исключением случаев, когда трассировка выполняется с предельной точностью.

Термическое управление

Размещение термических отверстий

Силовые компоненты, стабилизаторы напряжения, ПЛИС и радиочастотные усилители выделяют тепло. Теплопроводящие переходные отверстия под этими компонентами передают тепло от верхнего слоя через плату к заземляющей плоскости или нижнему теплоотводящему элементу.

Разместите 20-50 небольших переходных отверстий под термопрокладкой компонента. Чем больше переходных отверстий, тем ниже тепловое сопротивление.

Стратегии рассеивания тепла

Толстые медные пластины рассеивают тепло лучше, чем тонкие дорожки. При высокой тепловой нагрузке используйте медь толщиной 2 унции на силовых платах.

Для облегчения пайки следует добавить теплоотводящие элементы на силовые плоскости, хотя они и увеличивают тепловое сопротивление.

Циркуляция воздуха важна. Если в вашем корпусе есть вентиляторы, расположите плату так, чтобы обеспечить максимальный приток воздуха к нагревающимся частям.

Вопросы целостности сигнала

Высокоскоростная маршрутизация сигналов

Для сигналов со скоростью выше 1 Гбит/с требуется тщательная маршрутизация.

Не укорачивайте дорожки. Избегайте коротких ответвлений. Подбирайте длину дорожки под дифференциальные пары и многоразрядные шины. По возможности прокладывайте высокоскоростные сигналы на внутренних слоях; полосковая линия имеет лучшую экранировку, чем микрополосковая.

Дифференциальная маршрутизация пар

USB, HDMI, PCIe и Ethernet используют дифференциальные пары. Две дорожки передают сигналы противоположного направления.

Для этого необходимо, чтобы трассы были тесно связаны и имели одинаковую длину.

Большинство пар проводников рассчитаны на дифференциальное сопротивление 100 Ом. Соединение пар проводников не должно их разделять. Избегайте использования переходных отверстий посередине пары.

Выбор Wonderful PCB Производитель

Вы завершили разработку своей 10-слойной печатной платы. Теперь вам нужен завод для её изготовления.

Как вы выбираете?

Цена важна, но не менее важны качество, сроки поставки и поддержка.

Производственные возможности и мощности

Может ли завод обрабатывать десять слоев? Уточните максимальное количество слоев, минимальную ширину дорожки, минимальный размер отверстия и ограничения по соотношению сторон.

Если ваш проект выходит за рамки стандартных решений, таких как 3-миллиметровые дорожки, 6-миллиметровые переходные отверстия и соотношение сторон 12:1, вам нужен производитель с передовым оборудованием.

Производственная мощность влияет на сроки выполнения заказа. Завод, работающий на полную мощность, может указать срок в шесть недель. Завод с резервными мощностями может указать срок в три недели.

Опыт работы со сложными многослойными платами.

Многолетний опыт работы в бизнесе не гарантирует многоуровневой экспертизы.

Запросите примеры 10-слойных печатных плат, фотографии готовых плат, отзывы клиентов или примеры выполненных проектов. По возможности запросите экскурсию на завод.

Сертификация IPC подтверждает соответствие завода отраслевым стандартам. ISO 9001 означает наличие документированных процессов обеспечения качества. Подберите сертификаты, соответствующие вашей отрасли.

Сертификаты качества и стандарты

Класс IPC 2 применяется к коммерческой электронной продукции общего назначения, где допустимы незначительные косметические дефекты. Класс IPC 3 предназначен для высоконадежных применений в аэрокосмической, медицинской и военной отраслях, где дефекты недопустимы.

Уточните, проводит ли завод 100% электрические испытания или выборочные испытания. Для важных применений 100% тестирование оправдывает дополнительные затраты.

Сроки выполнения и эффективность доставки

Стандартный срок изготовления десятислойной платы составляет 2-4 недели. Услуги по ускоренному изготовлению сокращают этот срок до 5-10 дней, но стоят на 50-100% дороже.

Своевременная доставка имеет такое же значение, как и заявленные сроки.

Фабрика, которая обещает доставку за две недели, но отправляет товар за три, нарушает ваши планы. Проверьте отзывы или запросите данные о сроках доставки.

Доступность услуг по прототипированию

Процессы создания прототипов и серийного производства различаются. Прототипы изготавливаются в небольших количествах (1-10 плат) для проверки конструкции. Серийное производство выпускает сотни или тысячи экземпляров.

Предприятия, ориентированные на создание прототипов, быстро реагируют на запросы, принимают небольшие заказы и допускают изменения в дизайне. Но стоимость одной платы высока.

В идеале, нужно найти завод по производству печатных плат с 10-слойной структурой, который сможет как создавать прототипы с их использованием, так и масштабировать производство без смены поставщиков.

Техническая поддержка и помощь в проектировании с учетом технологичности производства (DFM).

Проектирование с учетом технологичности производства позволяет выявлять ошибки до начала изготовления.

Хороший производитель проверяет ваши Gerber-файлы и выявляет проблемы, такие как слишком узкие дорожки, слишком малые зазоры и слишком маленькие переходные отверстия.

Техническая поддержка отвечает на вопросы на этапе проектирования. Какую структуру слоев мне следует использовать? Можно ли наносить дорожки толщиной 4 мил на медную пленку толщиной 2 унции?

Оперативная поддержка ускоряет реализацию вашего проекта.

Конкурентоспособные цены

Цена сильно варьируется. Прототип из десяти слоев стоит от 200 до 500 долларов за плату в отечественном цехе быстрого изготовления или от 50 до 150 долларов на зарубежном заводе.

Снижение цен при больших объемах: 100 плат могут стоить от 20 до 40 долларов каждая. Получите предложения по 10-слойным печатным платам от нескольких поставщиков для сравнения.

Остерегайтесь заниженных цен. Если один завод предлагает цену вдвое ниже, чем все остальные, спросите, почему.

Количество минимального заказа

Минимальный объем заказа определяет наименьшее количество плат, которое вы можете заказать. В цехах по изготовлению прототипов минимальный объем заказа часто составляет от 1 до 5 плат. На производственных предприятиях потребуется 50, 100 или более плат.

Если для вашего приложения требуется всего несколько плат, выберите производителя печатных плат с 10-слойной структурой и низким минимальным объемом заказа (MOQ). Для потребительских товаров, предназначенных для массового производства, более высокий MOQ не является проблемой.

Создание десятислойной печатной платы требует точности на каждом этапе, от проектирования структуры слоев до окончательного тестирования. Вам необходимы правильные материалы, строгий контроль технологического процесса и производитель с проверенным опытом работы с многослойными платами. Понимание толщины 10-слойных печатных плат и контроля импеданса помогает проектировать платы, которые будут работать с первого раза.