你的下一個專案需要一塊 10 層 PCB，但你卻在思考製造商是如何實際製造複雜電路板的。 Wonderful PCB 為您提供有關疊層設計、材料選擇、製造步驟以及如何根據您的需求選擇合適的 10 層 PCB 疊層工廠的資訊。
十層PCB技術基礎
多層PCB概述
多層板將銅和絕緣材料層疊在一起，形成三明治結構。兩層？簡單。四層？也還在可控範圍內。
但十層？
現在，您進入了一個每一步都至關重要的領域。每增加一層，佈線空間就會更大，屏蔽效果也會更好，電源分配也會更優化。然而，複雜性也會迅速成長。層與層之間的對準精度必須達到微米級，否則，您的電路板就會失效。
10層PCB與其他多層板的比較
為什麼選擇十層而不是八層或十二層？
六層電路板適用於中等密度的設計，但隨著訊號數量的增加，空間就會捉襟見肘。八層電路板有所改善，但有時會影響電源完整性。十二層電路板呢？對於大多數應用來說過於複雜，而且成本也會大幅增加。
十層結構恰到好處。它包含了四個訊號層、兩個接地層、兩個電源層和兩個外部佈線層。這種平衡設計既適用於高速數位電路、射頻模組和高密度元件佈局，又不會超出預算。
相較之下，四層電路板需要不斷應對佈線擁塞問題。十層PCB疊層結構則能在你需要的地方提供足夠的空間。
標準疊層結構與材料層
訊號層
訊號層承載著各種走線、資料線、時脈和位址匯流排。在十層架構中，訊號佈線發生在第 1、3、4、6、7 和 10 層。
外層處理低速訊號。內層更適合高速差分訊號，因為它們位於參考平面之間。
有些設計人員將慢速訊號放在外部，快速訊號放在內部。另一些則根據走線長度要求將它們混合放置。沒有唯一正確的方法。最終的優先順序取決於您的應用程式場景。
電源層和接地層
第 2 層和第 9 層通常用作接地層。第 5 層和第 8 層用作電源層，不過可以將第 5 層分割成多個電壓域。
地面應盡可能保持堅實。
分割地線會造成回流路徑問題，進而降低訊號完整性。電源層可以分割，但必須謹慎操作。穿過分割邊界的走線會出現阻抗不連續。
介電材料和芯材
FR-4 仍然是大多數 10 層結構的主力材料。 PCB製造 適用於各種項目。標準 FR-4 成本更低，在幾吉赫茲的頻率範圍內表現良好。高 Tg FR-4 可承受無鉛焊接溫度而不發生分層。
需要更好的高頻性能？
Rogers層壓板具有更低的損耗角正切和在溫度變化範圍內穩定的介電常數。聚醯亞胺能夠承受極端的熱循環。 PTFE基材料適用於微波頻率，但成本要高得多。
預浸料在層壓過程中將芯層黏合在一起。厚度各不相同－例如，2116 型預浸料的厚度約為 4 密耳，7628 型預浸料的厚度約為 7 密耳。混合搭配不同類型的預浸料，即可獲得所需的 10 層 PCB 厚度。
十層結構特有的設計考量
阻抗控制
一旦訊號頻率超過幾百兆赫茲，就會遇到阻抗問題。這是無法迴避的。如果你忽略介電常數，你的第一塊高速電路板可能會遭遇災難性的後果。為什麼？因為走線寬度和銅箔厚度不僅僅是數字，它們是決定性的因素。
十層堆疊結構可以將訊號夾在各層之間。那又怎樣？它能讓 50 歐姆的走線真正發揮作用。內層訊號始終接近其參考阻抗，而外層訊號遠離參考阻抗，孤立無援，且難以預測。
這意味著，為了與第 3 層或第 6 層上較窄的走線匹配相同的阻抗，您需要在第 1 層和第 10 層上使用更寬的走線。
疊層計算器很有幫助，但請務必向您的 10 層 PCB 疊層製造商索取阻抗測試報告。
信號完整性
高速訊號最怕斷點。
過孔短截線會增加電容。層間過渡會產生反射。相鄰走線之間的串擾會使波形失真。十層結構為您提供了多種緩解這些問題的方案。
回流電流在訊號走線正下方的平面內流動。當走線改變層數時，回流電流必須透過過孔或電容找到通往新的參考層的路徑。
不良的回流路徑會導致電磁幹擾和地面彈跳。
在層間過渡處附近放置縫合過孔，以保持回流迴路緊密。
配電和熱管理
層數越多，電源分配越均勻。專用電源層可降低直流電阻，並使電流分佈更均勻。
但散熱問題就出現了，因為銅導熱性好，而FR-4卻有絕緣性。十層材料會將熱量滯留在電路板內。
發熱元件下方的導熱過孔會將熱量傳導至外層，然後由空氣或散熱片將其散發出去。設計電源層時，應確保其能承受電流，且不會造成過大的溫度升高。
六層PCB製造工藝
- 設計和原型製作
先從原理圖開始。何必等待？直接導入 Altium 或 KiCad 進行佈局。儘早確定疊層結構，否則就前功盡棄了。匯出 Gerber 文件、鑽孔圖和製造圖——明確銅箔厚度和公差。
先做個原型。現在就把問題找出來。如果等到全面量產才做，一個小小的錯誤都可能會讓你損失慘重。
- 材料準備與選擇
製造商備有芯材層壓板及預浸料卷材。他們將板材切割成面板尺寸。對於十層板，需要多層芯材層以及用於粘合它們的預浸料。
材料選擇會影響性能和價格。
標準FR-4適用於大多數數位電路設計。高頻電路需要低損耗層壓板。大電流應用則需要更厚的銅箔。
- 內層製造
內層在層壓前進行圖案化處理。該工藝始於覆銅芯材。在銅層上塗覆一層光阻。
紫外光透過薄膜或雷射直接成像方式曝光光阻。顯影過程可去除未曝光的光阻，在不需要的區域留下裸露的銅。蝕刻過程溶解這些銅。
在AOI下檢查每一層，以驗證走線寬度、間距和對準標記。
- 圖層對齊和配準
定位標記是蝕刻在每一層上的小型目標標記，用於在堆疊過程中對準芯材和預浸料。超過幾密耳的錯位會導致過孔錯過焊盤或走線與平面短路。
有些生產十層PCB板的工廠採用引腳層壓技術，即用工裝引腳刺穿所有層以保持對準。而另一些工廠則完全依賴視覺系統。
隨著通孔尺寸的縮小，公差要求也越來越嚴格，微通孔要求對準精度達到±2密耳或更高。
- 層壓工藝
堆疊過程在無塵室中進行。各層材料依序進入壓機。真空去除氣泡。
預浸料經高溫高壓固化，將所有材料黏合成一塊堅固的面板。
冷卻必須緩慢進行，以避免翹曲。冷卻不均勻會產生內部應力，導致電路板彎曲。
- 鑽井作業
層壓完成後，您將得到一塊空白的多層板。現在，鑽孔用於過孔和元件引腳。
數控鑽床使用硬質合金或鑽石塗層鑽頭。通孔的孔徑公差為±2密耳，微孔的公差較小。
高縱橫比孔對電鍍工藝提出了挑戰。一塊厚度為 2 毫米、孔徑為 0.2 毫米的十層電路板，其縱橫比為 10:1，幾乎達到了標準製程能力的極限。
- 電鍍和銅沉積
裸露的環氧樹脂壁毫無用處，直到化學鍍銅形成導電層。然後，透過電鍍將其厚度增加到 25 微米。為什麼？因為它是層間導電的橋樑。如果中心層太薄，熱應力會導致過孔開裂。均勻性至關重要。
- 電路圖案成像和蝕刻
外層在電鍍後進行圖案化。與內層一樣，也需要乾膜光阻、掩模和蝕刻製程。為什麼？因為精度要求高。細間距走線需要嚴格的控制，否則訊號就會消失在銅箔中。
- 阻焊層應用
阻焊層通常為綠色，但也可以使用其他顏色來塗覆外層，使焊盤和過孔裸露在外。
液態光成像焊錫掩膜以薄層形式塗覆，經紫外光曝光後顯影。它能保護銅免受氧化，並防止組裝過程中出現焊錫橋接。
- 表面處理
裸露的銅容易氧化。表面處理可以保護焊盤直到組裝完成。
HASL製程是將電路板浸入熔融焊料中，成本低但焊料分佈不均勻。 ENIG製程是在焊盤上先鍍鎳再鍍金，焊盤平整，適用於小間距元件，但成本較高。
您的選擇取決於組裝工藝和儲存時間。 ENIG 適用於大多數 10 層 PCB 製造項目，特別適用於需要引線鍵合或較長保質期的情況。
- 電氣測試
每塊電路板都必須通過電氣測試。
飛針式電阻測試儀使用移動的探針——非常適合原型測試。但對於大批量生產呢？使用帶引腳的夾具式電阻測試儀速度更快，但定制夾具並非免費。何必猜測它是否有效？時域反射器會沿著線路發射訊號，以驗證您的 50 歐姆線路是否確實符合規格。精度至關重要。
- 最終檢驗和品質控制
目視檢查可以發現瑕疵——例如刮痕或阻焊層空隙——但為什麼要止步於此？尺寸檢查可以驗證電路板是否真正裝入封裝盒。 X射線可以深入偵測過孔內部，找出錯位或隱藏的空隙。 ISO 9001認證意味著他們遵循相關規範，但IPC等級才是真正的評判標準。 2級允許存在一些輕微缺陷，而3級則要求完美無瑕。
重要的製造注意事項
層間對準公差
誤差會迅速累積。 2 mil 的內層偏移，加上層壓造成的 3 mil 偏差，以及 2 mil 的鑽孔偏移？總共 7 mil 的誤差，簡直是災難。突然間，鑽頭完全偏離了焊盤。電路開路。一切結束。嚴格的公差要求並不低，因為它們需要更慢、更精密的機器。
寬高比管理
孔深除以孔徑就是孔深與孔徑之比。例如，一塊 1.6 毫米厚的電路板，若過孔直徑為 0.2 毫米，則孔深與孔徑之比為 8:1。隨著這個比例的增加，電鍍品質會急劇下降。超過 12:1 的話，銅層就會很薄，或是中心會出現空隙。可以使用脈衝電鍍或盲孔來彌補孔深不足的問題。
通孔品質和可靠性
過孔失效是由於鍍層在熱應力作用下開裂所造成的。銅和環氧樹脂的膨脹係數不同，它們會相互抵消。 IPC-6012 標準規定了鍍層厚度。如果可靠性是您工作的重中之重，請務必要求工廠提供微觀截面分析報告。
10層PCB製造所使用的材料
FR-4 標準級
這是價格低廉的經典玻璃環氧樹脂。做些基礎工作，為什麼還要用別的呢？它的熔點接近130°C，溫度過高時會軟化。介電常數約為4.4，但會隨頻率變化。
高Tg FR-4材料
將玻璃化轉變溫度 (Tg) 提升至 180°C 徹底改變了無鉛回流焊接的格局。它能經得起熱循環的考驗，而熱循環是廉價電路板的常見缺陷。汽車和工業設備尤其青睞這種材料，因為它在高溫下仍性能穩定可靠。
羅傑斯高頻層壓板
對於射頻或 10 Gbps 以上的傳輸速率，標準的 FR-4 電纜洩漏過大。 Rogers 電纜則提供小巧且低損耗的特性。專業建議：採用混合疊層結構－高速走線使用 Rogers 電纜，其餘部分使用 FR-4 電纜。何必購買整條 Rogers 電纜呢？
用於高溫的聚醯亞胺
這是航空航太領域常用的材料，能承受260°C的高溫。它柔韌性極佳，熱膨脹性能也十分出色。缺點是什麼？它的價格是FR-4的五倍。而且由於並非所有工廠都備有這種昂貴的材料，交貨週期也會延長。
銅箔厚度選項
重量以盎司為單位。 1盎司等於35微米。訊號層通常使用半盎司，但電源層需要1盎司或2盎司。較厚的銅層可以承受更大的電流，但會使蝕刻細線變得非常困難。這是一種權衡。
用於高電流層的重銅
需要 10 安培電流？那就用厚板。厚板能有效降低發熱和電阻損耗，但要注意蝕刻過程中側壁傾斜處可能出現的「倒切」。厚板也會超出你 10 層板的厚度預算。務必事先規劃，否則你的電路板可能裝不上連接器。
設計考慮因素和指南
Stackup 設計最佳實踐
對稱層狀排列
平衡疊層結構在中心兩側具有鏡像對稱的層對。這種對稱性在層壓過程中能保持電路板平整，並在焊接過程中減少翹曲。
不對稱疊層會使電路板彎曲，因為銅的膨脹方式與 FR-4 不同。
地面和電源平面定位
盡可能將接地層放置在靠近外層的位置。這可以降低電磁幹擾，並為第 1 層和第 10 層上的訊號提供低阻抗回流路徑。
電源層應位於訊號層之間，以隔離高頻雜訊。
分割地平面通常是個壞主意。當訊號穿過分割處時，回流路徑會不連續，導致輻射發射和串擾。
受控阻抗要求
高速訊號需要傳輸線特性。這意味著受控阻抗通常為單端 50 歐姆或差分 100 歐姆。
阻抗取決於走線寬度、厚度、到參考平面的距離以及介電常數 Dk。
在疊層設計階段使用阻抗計算器。然後，在製造完成後進行阻抗測試驗證。大多數十層PCB疊層製造商會對阻抗控制收取額外費用，但對於千兆級設計而言，這是值得的。
威盛科技
通孔
通孔從第 1 層鑽孔至第 10 層，連接所有層。它們價格低廉、可靠且易於檢查。
缺點：它們佔用空間，並在最低連接點下方形成短截線。這些短截線就像天線一樣，會反射高頻訊號。
盲孔
盲孔連接外層和內層，但不貫穿。例如：第 1 層到第 4 層。
它們節省空間，並且不會留下殘樁。
但它們的成本更高，因為它們需要多次鑽孔和電鍍工序。
埋孔
埋孔連接兩個內層，但不延伸至外層。這些埋孔在最終層壓之前形成，這增加了製程的複雜性。
埋孔在 HDI 板中很常見，但在標準的十層板設計中很少見，除非佈線非常緊湊。
熱管理
熱通孔佈局
功率元件、穩壓器、FPGA 和射頻放大器都會產生熱量。這些元件下方的導熱過孔會將熱量從頂層經由電路板傳導至接地層或底層散熱器。
在元件散熱墊下方排列 20-50 個小過孔。過孔越多，熱阻越低。
散熱策略
較厚的銅層比細銅線散熱效果更好。如果熱負載較高，電源層應使用 2 盎司銅線。
在電源層上增加散熱片以方便焊接，但散熱片會增加熱阻。
空氣流通很重要。如果你的機殼有風扇，請調整主機板方向，讓熱部件能獲得最佳氣流。
訊號完整性考量因素
高速訊號路由
速率超過 1 Gbps 的訊號需要謹慎佈線。
保持走線短小。避免使用短截線。差分對和多位總線的走線長度要保持一致。盡可能將高速訊號走內層；帶狀線比微帶線具有更好的屏蔽性能。
差分對佈線
USB、HDMI、PCIe 和乙太網路都使用差分線對。兩條線路傳輸相反的訊號。
要實現這一點，線路必須緊密耦合且長度匹配。
大多數線對的目標阻抗差為 100 歐姆。佈線時應將線對連接在一起，不要將它們分開。避免在線對中間使用過孔。
選擇 Wonderful PCB 生產廠家
您已經完成了10層PCB疊層設計。現在您需要一家工廠來生產它。
你如何選擇？
價格固然重要，但品質、交貨時間和售後支援也同樣重要。
製造能力及產能
工廠能處理十層結構嗎？詢問最大層數、最小線寬、最小孔徑和長寬比限制。
如果你的設計突破了極限（3mil 走線、6mil 過孔、12:1 縱橫比），你需要一家擁有先進設備的製造商。
產能會影響交貨週期。滿載運轉的工廠可能需要六週才能交貨，而有剩餘產能的工廠可能三週就能完成。
複雜多層板經驗
多年的從業經驗並不能保證具備多層架構的專業知識。
索取10層PCB疊層結構範例、成品電路板照片、客戶評估或案例研究。如果可能，申請參觀工廠。
IPC認證表明工廠符合行業標準。 ISO 9001意味著品質管理流程有文件記錄。請根據您的行業選擇合適的認證。
品質認證和標準
IPC 2級適用於一般電子商業產品，允許有輕微的外觀缺陷。 IPC 3級適用於高可靠性的航空航太、醫療和軍事應用，此類產品不允許有任何缺陷。
詢問工廠是否進行100%電氣測試或抽樣測試。對於重要應用，100%測試是值得的，即使成本更高。
交貨週期和交貨表現
十層板材的標準交貨週期為2-4週。加急服務可將交貨週期縮短至5-10天，但費用將增加50-100%。
準時交貨與承諾的交貨週期同樣重要。
工廠承諾兩週交貨卻拖延了三週，這會打亂你的計畫。查看評價或索取交貨績效數據。
原型製作服務可用性
原型製作和量產有所不同。原型製作通常小批量生產（1-10塊電路板），用於驗證設計。而量產則以數百或數千塊電路板為單位。
專注於原型製作的廠商反應速度快，接受小訂單，並且能夠容忍設計變更。但單塊電路板的成本很高。
理想情況下，找到一家能夠進行原型製作並能大規模生產而無需更換供應商的 10 層 PCB 疊層工廠。
技術支援和DFM協助
面向可製造性的設計可以在製造之前發現錯誤。
優秀的製造商會審核您的 Gerber 文件，並指出問題，例如走線過窄、間隙過小、過孔過小等。
技術支援人員會在設計過程中解答問題。我該使用哪種疊層結構？你們能在 2 盎司銅箔上製作 4 mil 的走線嗎？
及時回應的支援能夠加快您的專案進度。
競爭力的價格
價格差異很大。在國內的快工店，一塊十層板的樣板價格為每塊200-500美元，而在海外工廠，價格則為每塊50-150美元。
大量訂購可享折扣，100塊板塊每塊價格可能在20-40美元之間。建議從多家供應商取得10層PCB疊層結構的報價進行比較。
警惕低價報價。如果一家工廠的報價只有其他工廠的一半，一定要問清楚原因。
最小起訂量
最小起訂量是指您可以訂購的最小電路板數量。原型製作店的最小起訂量通常為 1-5 塊電路板。生產工廠則需要 50 塊、100 塊或更多。
如果您的應用只需要少量電路板，請選擇低起訂量的10層PCB疊層板製造商。對於即將量產的消費品，較高的起訂量則不成問題。
製造一塊十層電路板，從疊層設計到最終測試，每一步都需要精準把控。您需要合適的材料、嚴格的製程控制，以及擁有豐富多層電路板製造經驗的製造商。了解十層PCB的厚度和阻抗控制，有助於您設計一次就能成功運作的電路板。