Multi-layer PCB-productieproces: stap-voor-stap gids & prototyping uitdagingen

Klant-geantroiseerd beeldmateriaal

Multi-layer printed circuit boards (PCB's) vormen de ruggengraat van de moderne elektronica en maken het mogelijk om de compacte, hoogwaardige ontwerpen van smartphones, medische apparaten, elektrische voertuigen (EV's),en 5G-infrastructuurIn tegenstelling tot enkel- of dubbellagige PCB's, stapelen meerlaagse PCB's 4~40+ geleidende koperlagen op, gescheiden door isolerende dielektrische materialen.drastisch de grootte van het apparaat verminderen en tegelijkertijd de signaalsnelheid en het vermogen verhogen.

De wereldwijde markt voor meerlagige PCB's zal naar verwachting in 2028 $ 85,6 miljard bereiken (Grand View Research), gedreven door de vraag naar elektrische voertuigen en 5G.De productie van deze platen is veel complexer dan bij standaard PCB's, die een nauwkeurige uitlijning vereisen.Deze gids beschrijft het productieproces van meerlaags PCB's, benadrukt de uitdagingen bij het maken van prototypes en legt uit hoe deze te overwinnen.met de nadruk op de beste praktijken in de industrie en op gegevens gebaseerde inzichten.

Belangrijkste lessen
1.Multi-layer PCB's (4+ lagen) verminderen het toestelvolume met 40~60% en verbeteren de signaalintegrititeit met 30% in vergelijking met dubbellagig ontwerp,waardoor ze essentieel zijn voor toepassingen met hoge snelheid (25 Gbps+) en hoge vermogen (10 A+).
2Het productieproces vereist 7 kritieke stappen: ontwerp/materiaal selectie, laaglijning/laminatie, etsen, boren, platteren, oppervlakteafwerking,en kwaliteitsonderzoek – elk met strikte toleranties (± 5 μm voor laagopstelling).
3De uitdagingen bij het maken van prototypes zijn onder meer laagverstoringen (die 20% van de prototypefouten veroorzaken), materialeninconsistenties (die 15% van de boards treffen),en beperkte testzichtbaarheid (het verbergen van 30% van de defecten in de binnenste laag).
4.Geavanceerde fabrikanten zoals LT CIRCUIT gebruiken laserboren (die de productietijd met 40% verkort) en geautomatiseerde optische inspectie (AOI) (defecten tot < 1%) om de productie te stroomlijnen.

Het meerlaagse PCB-productieproces
De productie van meerlaags pcb's is een sequentiële, nauwkeurig gedreven werkstroom die grondstoffen transformeert in functionele, gelaagde circuits..In de eerste plaats is het van belang dat de in het kader van het onderzoek geïmplementeerde methoden worden toegepast.

1Ontwerp en materiaalkeuze: de basis van succes
De eerste stap is het definiëren van de prestaties, de fabricage- en de kosten van het bord.

Ontwerp van stapels
De ingenieurs maken een "stack-up" blauwdruk die:

a.Aantal lagen: 4 ∼12 lagen voor de meeste commerciële toepassingen (bijv. 6 lagen voor smartphones, 12 lagen voor 5G-basisstations).
b.Layerfunctie: welke lagen signaal, vermogen of grond zijn (bijv. "signaal-grond-kracht-grondsignaal" voor 5-laagplaten).
c. Impedantiebeheersing: cruciaal voor hogesnelheidssignalen. De traces zijn ingedeeld om 50Ω (eenvoudig) of 100Ω (differentiële paren) te behouden.

Belangrijkste regel: verbind elke signaalaag met een aangrenzend grondvlak om de overspel met 50% te verminderen.

Materiaalkeuze
De materialen worden gekozen op basis van het beoogde gebruik van het bord (bijv. temperatuur, frequentie, vermogen).

Voorbeeld: Een EV-omvormer-PCB maakt gebruik van een 10-laag stack-up met FR4-kern (Tg 170 °C), 2 oz koperen vermogen lagen, en FR4 prepreg ̇balancing kosten en hitte weerstand (150 °C bedrijfstemperatuur).

2. Layer Alignment & Lamination: Binding van lagen nauwkeurig
Laminatie fuseert koperschichten en dielektrische materialen in één, stijf bord.

Stap-voor-stap lamineren
1.Prepreg snijden: Platen van prepreg (hars geïmpregneerd glasvezel) worden gesneden om aan de kerngrootte te voldoen.
2.Stack Building: lagen worden in de ontworpen volgorde gestapeld (bijv. koper → prepreg → kern → prepreg → koper) met behulp van gereedschapspenen voor de eerste uitlijning.
3Vacuümpers: de stapel wordt in een pers geplaatst die:
a. Temperatuur: 170°C tot 180°C (hardt de prepreghars).
b.Druk: 300 ‰ 500 psi (verwijdert luchtbelletjes).
c.Tijd: 60 ∼ 90 minuten (afhankelijk van het aantal lagen).
4.Koeling: het bord wordt gekoeld tot kamertemperatuur (25°C) om vervorming te voorkomen.

Critische tolerantie: de laagbalans moet ±5 μm zijn (bereikt via optische uitlijningssystemen) om te voldoen aan de IPC-6012-normen voor meerlagige PCB's.

Gewoon probleem: onevenwichtige stapels (bijv. meer koper aan één kant) veroorzaken vervorming.

3Etsen: Circuitsporen maken
Bij meerlagige PCB's worden eerst de binnenste lagen geëtst, daarna de buitenste lagen na laminatie.

Etsenproces
1.Fotoresist Applicatie: een lichtgevoelige film wordt aangebracht op koperlagen.
2Blootstelling: UV-licht wordt geprojecteerd door een fotomask (schabloon van het circuitontwerp), waardoor de fotoresist in sporengebieden verhard wordt.
3Ontwikkeling: ongeharde fotoresist wordt weggespoeld, waardoor koper wordt blootgesteld aan etsen.
4.Etsen: het bord wordt ondergedompeld in een etser (bijv. ammoniumpersulfaat) dat blootgesteld koper oplost.
5.Resist Stripping: Overgebleven fotoresist wordt verwijderd, waardoor de laatste sporen worden onthuld.

Kwaliteitscontrole: geautomatiseerde optische inspectie (AOI) verifieert de spoorbreedte en de afstand tussen afwijzingsplaten met afwijkingen van > 10% van de ontwerpspecificaties.

4. Boren & Via Creatie: verbinding van lagen
Vias (gaten) verbinden koperschichten, waardoor elektrische continuïteit over het hele bord mogelijk is.

Boorproces
1.Laserboren: gebruikt voor blinde/begraven vias (0,05 ∼0,2 mm), laserboren bereikt ±2 μm nauwkeurigheid en voorkomt beschadiging van de binnenste lagen.
2.Mechanische boor: gebruikt voor door-gaten (0,2 ∼0,5 mm), CNC-boormachines werken bij 10.000+ RPM voor snelheid.
3.Back Drilling: verwijdert ongebruikte via stubs (links van doorboorgat) om de signaalreflectie bij hoge snelheidontwerpen (25Gbps+) te verminderen.

Gegevenspunt: Laserboren vermindert via-gerelateerde defecten met 35% in vergelijking met mechanisch boren voor microvias (< 0,1 mm).

5- Plating: Beveiliging van geleidbaarheid
Platering van laagjes via muren en kopersporen met een dunne laag metaal om geleidbaarheid te verbeteren en corrosie te voorkomen.

Sleutelplaatingsstappen
a. Afschimming: chemische stoffen (bijv. permanganaat) verwijderen epoxyresidu's via de wanden, waardoor de metaaladhesie wordt gewaarborgd.
b.Elektrolose koperplatering: een dunne koperschaal (0,5 μm) wordt via wanden zonder elektriciteit aangebracht, waardoor een geleidende basis ontstaat.
c. Elektroplatering: het plaatje wordt ondergedompeld in een kopersulfaatbad en er wordt stroom toegepast op dikker koper (15 ‰ 30 μm) op sporen en vias.
d.Factieve plating: voor toepassingen met een hoge betrouwbaarheid wordt nikkel (2 5 μm) of goud (0, 05 0, 1 μm) toegevoegd om de lasbaarheid te verbeteren.

6Oppervlakteafwerking: Bescherming van het bord
Oppervlakteafwerking beschermt blootgesteld koper tegen oxidatie en verbetert de soldeerbaarheid.

Voorbeeld: een 5G-basisstation PCB maakt gebruik van ENIG om de signaalintegrititeit te behouden en buiten corrosie te weerstaan.

7Kwaliteitsborging en testen: verificatie van prestaties
Multi-layer PCB's vereisen rigoureuze tests om verborgen defecten op te sporen (bijv. binnenste laag shorts).

Gegevens: Uitgebreide testen verminderen het aantal veldfalen van 10% (geen testen) tot < 1% (volledige testen).

Uitdagingen bij het maken van prototypes voor meerlagige PCB's
Het maken van prototypes voor meerlagige PCB's is veel complexer dan voor eenlaagse PCB's, waarbij 30% van de prototypes mislukt als gevolg van vermijdbare problemen.
1. Verkeerde uitlijning van de laag
a.Oorsaken: slijtage van de speld van het gereedschap, onevenwichtige voortstroming van de hars van de prepreg of vervorming van het bord tijdens het lamineren.
b. Impact: Gebroken verbindingen, kortsluitingen en 20% van de prototypefouten.
c.Oplossing:
Gebruik optische uitlijningssystemen (nauwkeurigheid ± 2 μm) in plaats van mechanische gereedschapspenen.
Voor-lamineren van kleine testpanelen om de uitlijning vóór de volledige productie te valideren.
Kies voor symmetrische stapels (bijv. 6 lagen) om vervorming te minimaliseren.

2. Incoherenties in materie
a. Oorzaak: variaties in dielectrische constante (Dk) of koperdikte van leveranciers; vochtabsorptie in prepreg.
b.Impact: Signaalverlies (25% hoger bij 28 GHz), ongelijke etsen en zwakke laagadhesie.
c.Oplossing:
Bronmaterialen van ISO 9001-gecertificeerde leveranciers (bv. Rogers, Isola) met strakke Dk-toleranties (±5%).
Test de inkomende materialen: meet Dk met een netwerkanalysator; controleer de koperdikte met een micrometer.
Voor het opslaan van de prepreg dient de stof te worden bewaard in een droge omgeving (≤ 50% RH) om vochtopname te voorkomen.

3Beperkte zichtbaarheid
a.Oorzaak: de binnenste lagen zijn voor visuele inspectie verborgen; microvias zijn te klein voor handmatig onderzoek.
b.Impact: 30% van de gebreken aan de binnenste laag (bv. shorts) worden niet ontdekt tot de eindassemblage.
c.Oplossing:
Gebruik röntgenonderzoek voor de binnenste lagen en vias­detecteert leegtes van slechts 5 μm.
Implementeer vliegende proeftoetsingen voor elektrische continuïteitstests 1000+ punten per minuut.
Voeg testpunten toe aan de binnenste lagen (via blinde vias) voor een gemakkelijker debugging.

4. Kosten en tijdsbeperkingen
a.Oorsaken: Voor prototypes met meerdere lagen zijn gespecialiseerde hulpmiddelen nodig (laserboormachines, röntgenmachines); kleine batchgroottes (10-50 eenheden) verhogen de kosten per eenheid.
b.Impact: prototyping kost 3×5x meer dan standaard PCB's; de doorlooptijden zijn tot 2×3 weken.
c.Oplossing:
Vroege prototypes vereenvoudigen: gebruik 4 lagen in plaats van 6; vermijd indien mogelijk microvias.
Werk samen met fabrikanten die “snel-turn” prototyping aanbieden (5­7 dagen) om de doorlooptijd te verkorten.
Combineer kleine partijen in één paneel om de installatiekosten te verlagen.

LT CIRCUIT's expertise in multi-layer PCB productie
LT CIRCUIT gaat de uitdagingen van productie en prototyping aan met geavanceerde technologie en procescontrole, waardoor het een betrouwbare partner is voor toepassingen met een hoge betrouwbaarheid:
1Geavanceerde productieapparatuur.
a.Laserboren: gebruik van UV-laserboren voor microvia van 0,05 ∼0,2 mm, waardoor de productietijd met 40% en de productietijd voor defecten met 35% wordt verkort.
b.Automatische laminatie: optische uitlijningssystemen (± 2 μm) zorgen voor de nauwkeurigheid van de laag; vacuümpers elimineren luchtbelletjes.
c.AOI + röntgenintegratie: 100% van de platen wordt onderworpen aan AOI- (oppervlaktefouten) en röntgenproeven (binnenlagen), waardoor de defecten tot < 1% worden verlaagd.

2. Prototyping Solutions
a.Snelle iteratie: biedt een snel prototypingproces van 5 ‰ 7 dagen voor 4 ‰ 12 laagplaten, met online ontwerpcontroles om onregelmatigheden of materiaalproblemen vroegtijdig op te sporen.
b.Materiële flexibiliteit: voorraad FR4, Rogers en polyimide materialen om vertragingen in de levering te voorkomen; aanpassing van stapels voor unieke behoeften (bijv. flexibele meerlagige PCB's).
c.Debug-ondersteuning: verstrekt gedetailleerde testrapporten (röntgenfoto's, data van vliegende sondes) om ingenieurs te helpen bij het identificeren en oplossen van prototypeproblemen.

3. Kwaliteitscertificeringen
LT CIRCUIT voldoet aan wereldwijde normen voor meerlagige PCB's, waaronder:

a.ISO 9001:2015 (kwaliteitsbeheer).
b.IPC-6012C (prestatiespecificaties voor meerlagige PCB's).
c.UL 94 V-0 (vlamvertrager voor consumenten/industrieel gebruik).
d.IATF 16949 (PCB's voor elektrische voertuigen/ADAS voor de automobielindustrie).

Veelgestelde vragen over PCB-productie met meerdere lagen
V: Hoeveel lagen hebben de meeste meerlaagse PCB's?
A: Commerciële toepassingen gebruiken meestal 4 ′′ 12 lagen. Smartphones gebruiken 6 ′′ 8 lagen; 5G basisstations en EV-omvormers gebruiken 10 ′′ 12 lagen; ruimtesystemen kunnen 20+ lagen gebruiken.

V: Waarom zijn meerlagige PCB's duurder dan enkellagige PCB's?
A: Ze vereisen meer materialen (koper, prepreg), gespecialiseerde apparatuur (laserboormachines, röntgenmachines) en arbeid (precisie-uitlijning, testen) die 3×5x meer kosten dan eenlaagse platen.hun kleinere grootte en betere prestaties verminderen vaak de totale systeemkosten.

V: Kunnen meerlaagse PCB's flexibel zijn?
A: Ja, flexibele meerlagige PCB's maken gebruik van polyimide-substraten en dun koper (1 oz), waardoor de buigradius zo klein is als 0,5 mm.

V: Hoe kies ik het juiste aantal lagen voor mijn ontwerp?
A: Gebruik deze vuistregel:

1.4 lagen: ontwerpen met een laag vermogen en een lage snelheid (bv. IoT-sensoren).
2.6·8 lagen: High-speed (10·25 Gbps) of middenvermogen (5·10 A) ontwerpen (bijv. smartphones, industriële controllers).
3.10+ lagen: High-power (10A+) of high-frequency (28GHz+) ontwerpen (bijv. EV-omvormers, 5G-basisstations).

V: Wat is de maximale werktemperatuur voor meerlagige PCB's?
A: Het hangt af van het substraat:

1.FR4 (Tg 170°C): 130°C tot 150°C continue werking.
2.Rogers RO4350 (Tg 280°C): 180~200°C continue werking.
3.Polyimide: -55°C tot 200°C (flexibel ontworpen).

Conclusies
Multi-layer PCB-productie is een precisie-kunst die de complexiteit van ontwerp, materiaalwetenschap en procescontrole in balans brengt.Elke stap vereist aandacht voor detail, vooral voor hogesnelheid.De uitdagingen van het maken van prototypes (verkeerde uitlijning, verborgen defecten) kunnen worden overwonnen met geavanceerde instrumenten (laserboren,De Commissie heeft in het kader van haar programma's voor onderzoek en technologische ontwikkeling een aantal initiatieven ondernomen..

Als elektronica blijft krimpen en meer prestaties vereist, zullen meerlagige PCB's essentieel blijven.Ingenieurs kunnen boards ontwerpen die kleiner zijnHet is belangrijk dat u de kosten en de doorlooptijden onder controle houdt.Investeren in kwaliteitsvolle meerlagige PCB's is een investering in het succes van uw product.