Flerlagers pcb konstrueras genom att växelvis binda och laminera tre eller flera ledande mönster med isolerande material. Denna struktur underlättar inte bara den elektriska kontinuiteten mellan skikten utan ger också elektrisk isolering mellan dem. Vanliga flerskiktskortkonfigurationer inkluderar signallager, interna strömplan (som upprätthåller interna strömskikt) och jordplan.
Antalet lager i flerlagers kretskort är vanligtvis jämnt, till exempel 4, 6 eller 8 lager. Detta beror på att symmetriska strukturer hjälper till att minimera problem med skevhet under tillverkningsprocessen. Elektriska anslutningar mellan varje lager uppnås genom via, som inkluderar genomgående hål, blinda via och begravda via, som alla uppfyller olika krav på anslutning mellan lagren.
Grundläggande uppbyggnad av Flerlagers pcb
Flerlagers pcb har en laminerad struktur av sandwich-typ, byggd genom att växelvis stapla ledande skikt, isolerande skikt, vior, ytbehandlingsskikt och andra komponenter. Deras grundläggande uppbyggnad består av följande huvuddelar:
Ledande skikt
Sammansättning: högren kopparfolie (elektrodeponerad kopparfolie eller valsad kopparfolie) där kretsspår bildas genom etsning.
Funktion: signalöverföring och kraftfördelning. Indelas efter funktion enligt nedan:
Signalskikt: placerade på översta skiktet, nedersta skiktet eller inre skikt och används för dragning av signalspår samt montering av elektroniska komponenter.
Kraftplan och jordplan: placerade i de inre skikten. De tillhandahåller stabil strömförsörjning och referensjordpotential för kretsarna och fungerar samtidigt som elektromagnetisk skärmning för att minska störningar.
Isolerande skikt
Sammansättning: kärnor (Core) och prepreg.
Funktion: tillhandahålla elektrisk isolering och mekaniskt stöd samt bibehålla en jämn tjocklek mellan skikten.
Kärna (Core): styv mellanliggande underlag tillverkat av glasväv impregnerad med epoxiharts (till exempel FR-4), belagd med kopparfolie på båda sidor för att ge grundläggande mekanisk hållfasthet.
Prepreg: halvhårdnad epoxiimpregnerad glasväv som placeras mellan kärnor eller kopparfolier. Under laminering vid hög temperatur och tryck smälter prepreg och härdar och fungerar som lim och fyllmaterial för att säkerställa elektrisk isolering mellan skikten.
Vior
Sammansättning: metalliserade hål inbäddade i kretskortet med koppar avsatt på hålväggarna.
Funktion: skapa elektriska förbindelser mellan olika ledande skikt. Indelas efter placering: genomgående vior som går genom hela kortet; blinda vior som förbinder ytskikt med inre skikt; begravda vior som endast förbinder inre skikt med varandra.
Ytbehandling och hjälpskikt
Lödmask: beläggning av bläck som täcker de ledande skikten utom kontaktplattorna (ofta grön). Den förhindrar lödbroar och kortslutningar samt markerar vilka områden som ska lödas.
Silkscreenskikt: text och grafik tryckt ovanpå lödmasken (vanligtvis vit) som visar komponentbeteckningar, polaritetsmarkörer, versionsinformation med mera för att underlätta montering och underhåll av komponenter.
Ytbehandling: beläggningar som appliceras på kontaktplattorna (till exempel ENIG, HASL, OSP) för att förhindra kopparoxidation och förbättra lödbarheten.
Staplingslogik (Stackup)
Flerskiktskretskort tillverkas genom att växelvis stapla kärnor, prepreg och kopparfolier varefter laminering sker vid hög temperatur och tryck. Metalliserade vior skapar elektriska förbindelser mellan de enskilda skikten och bildar komplexa flerskiktsförbindelsestrukturer.
Vanliga underlagsmaterial för flerskikts kretskort
Generella standardunderlag (mest använda)
FR-4 (epoxibaserad glaslaminat): det dominerande underlagsmaterialet för flerskiktskretskort. Materialet tillverkas med glasväv förstärkt epoxiharts och erbjuder utmärkt elektrisk isolering, hög mekanisk hållfasthet, bra värmebeständighet och stabila dielektriska egenskaper till ett konkurrenskraftigt pris. Det används i stor utsträckning för industriell styrutrustning, konsumentelektronik, allmänna strömförsörjningsenheter och de flesta konventionella tillämpningar för flerskiktskretskort.
Högfrekvens- och höghastighetsunderlag (för högfrekvens- och höghastighetstillämpningar)
PTFE-underlag (polytetrafluoreten): extremt låg dielektricitetskonstant (2,0–3,0) och mycket låg förlustfaktor vilket minskar signaldämpning avsevärt. Materialet är det förstahandsvalet för RF, mikrovåg, satellitkommunikation och flerskiktskretskort som arbetar över 10 GHz, trots en relativt hög kostnad.
Högfrekvensmaterial baserade på modifierad epoxi eller kolväteharts (till exempel RO4350, S1139): stabil dielektricitetskonstant och låg förlustfaktor med bearbetbarhet jämförbar med FR-4. Materialet lämpar sig för flerskiktskretskort som arbetar under 3 GHz inklusive 5G-kommunikationsutrustning, avancerade servrar och millimetervågsradar. Kostnaden är lite högre än för FR-4.
Hög-Tg och värmebeständiga underlag (för driftmiljöer med hög effekt och höga temperaturer)
Hög-Tg FR-4 (till exempel Tg150, Tg170): förbättrad glasövergångstemperatur jämfört med standard FR-4 och ger bättre värmebeständighet och dimensionsstabilitet. Lämpligt för högeffekttillämpningar med kraftig värmeutveckling eller höga krav på tillförlitlighet såsom fordonselektronik, industriell styrning och laminering av kretskort med många skikt.
Metallbaserade underlag (aluminiumbaserade / kopparbaserade kretskort): utmärkt värmeledningsförmåga och används för tillämpningar med höga strömmar och kraftig värme såsom LED-belysning, elektroniska styrsystem för elfordon och högeffektsströmförsörjning. Dessa är specialkort och inte det huvudsakliga underlagsmaterialet för konventionella flerskikts kretskort.
Billigare underlag med lägre prestanda (för tillämpningar med måttliga prestandakrav)
Pappersbaserade och kompositunderlag (till exempel FR-1, FR-2, CEM-1, CEM-3): lågt materialpris men sämre mekanisk hållfasthet, värmebeständighet och isoleringsförmåga jämfört med FR-4. Används huvudsakligen för enkla kort med få skikt och måttliga krav, till exempel hushållsapparater, elektroniska leksaker och enklare styrenheter. Materialet används sällan i professionella konstruktioner av flerskiktskretskort.
Specialunderlag (för speciella miljö- och konstruktionskrav)
Polyimidunderlag (PI): utmärkt värmebeständighet och flexibilitet, används främst för flexibla flerskiktskretskort (FPC) eller styv-flex-kretskort som kablar till mobiltelefoner, kameramoduler och bärbar elektronik.
Keramiska underlag: kombinerar hög värmeledningsförmåga och utmärkt isoleringsförmåga för krafthalvledare och avancerad kapslingsteknik. Materialkostnaden är extremt hög varför användningen i flerskiktskretskort är begränsad.
Fördelar med flerlagers pcb
Hög integration och komplex konstruktionsförmåga
Genom att öka antalet interna ledande lager möjliggör flerlagers kretskort kretslayouter med högre densitet inom begränsade utrymmen, vilket uppfyller konstruktionskraven för komplexa elektroniska system. Smartphones är ett exempel på detta, där högintegrerade komponenter och intrikata kretsar är beroende av flerlagerskortteknik för funktionell konsolidering.
Överlägsen optimering av elektriska egenskaper
Den flerlagersstrukturen innehåller jordplan och skärmande lager, vilket avsevärt förbättrar kvaliteten på höghastighetssignalöverföringen. Denna design dämpar effektivt elektromagnetisk störning (EMI) och skyddar signalintegriteten för både högfrekventa digitala och analoga kretsar. Samtidigt minimerar den reducerade signalöverföringsvägen fördröjningen, vilket accelererar systemets svarstider. Typiska tillämpningar inkluderar höghastighetsmoderkort för datorer, som är beroende av flerlagersarkitektur för att säkerställa stabila dataöverföringshastigheter och tillförlitlighet.
Kompakt och lätt design
Jämfört med enkel-/dubbla lagerkort rymmer multilayer pcb fler kretsar inom samma yta, vilket minskar kretskort dimensionerna och vikten. Denna egenskap är särskilt viktig för utrymmesbegränsade enheter såsom bärbara enheter och elektronik för rymdindustrin. Ta Apple Watch Series 8 som exempel: dess flerlagerskortdesign integrerar komplexa funktioner som biosensorik och trådlös kommunikation i ett miniatyriserat hölje samtidigt som den bibehåller sina lätta egenskaper.
Förbättrad strukturell tillförlitlighet
Trots tillverkningskomplexiteten förbättrar den tredimensionella sammankopplingsstrukturen hos flerlagers kretskort (som uppnås genom via-anslutningar mellan lagren) mekanisk hållfasthet och vibrationsmotstånd avsevärt. Denna strukturella egenskap säkerställer stabila elektriska anslutningar även i tuffa miljöer, vilket gör flerlagerskretskort lämpliga för industriell styrning och fordonselektronik där kraven på tillförlitlighet är stränga.
Tillverkningsprocess för flerskikts kretskort
Tillverkning av kärnor: framställning av mönster på inre skikt, etsning och AOI-kontroll av kärnkort.
Stapling och laminering: placera kärnor och prepreg i den planerade ordningen och utför sedan laminering vid hög temperatur och tryck.
Borrning och metallisering: borra vior och utför kemisk kopparplätering för skiktförbindelser.
Tillverkning av yttre skikt: framställ mönster för de ledande spåren på över- och underskikt genom exponering och etsning.
Ytbehandling: applicera HASL, ENIG, OSP eller IAg för att förhindra kopparoxidation.
Lödmask och silkscreen: applicera lödmask och tryck textbeteckningar för komponenter.
Konturbearbetning och provning: skär korten till önskad form, utför elektrisk provning, impedanskontroll och visuell inspektion före leverans.
Användningsområden för multilayer pcb:
Kommunikationssektorn är en av de viktigaste och mest omfattande branscherna för multilayer pcb.
I moderna kommunikationsenheter, såsom smartphones och Wi-Fi-routrar, har flerlagers pcb blivit viktiga komponenter som ligger till grund för deras tekniska utveckling. Genom tredimensionell routningsdesign uppnår denna teknik hög densitet av komponentintegration inom begränsade utrymmen. Samtidigt skapar dess skiktade struktur signalvägar med låg impedans, vilket avsevärt förbättrar dataöverföringshastigheten. Detta stämmer exakt överens med branschtrenden mot miniatyrisering och hög prestanda i kommunikationsenheter.
Avgörande är att de skärmande skikten och jordningssystemen som är integrerade i flerlagers kretskort bildar en effektiv elektromagnetisk isoleringsstruktur. Detta minskar avsevärt påverkan av extern störning på signalintegriteten. Denna störningsresistenta egenskap säkerställer stabila kommunikationslänkar i komplexa elektromagnetiska miljöer och ger tillförlitligt hårdvarustöd för kärnfunktioner som röstsamtal och dataöverföring. Detta förbättrar direkt användarnas kommunikationskvalitet och tillfredsställelse.
Konsumentelektroniksektorn:
Från smartphones, surfplattor och tv-apparater till hushållsapparater – praktiskt taget all konsumentelektronik är beroende av flerskiktade kretskort för att ansluta och kommunicera mellan funktionella moduler. Den höga routningsdensiteten och den kompakta designen hos flerlagers kretskort gör att dessa enheter kan bli tunnare, lättare och mer bärbara, samtidigt som deras prestanda och funktionalitet förbättras.
Fordonselektronik:
I takt med att fordonsintelligensen fortsätter att utvecklas integreras allt fler elektroniska komponenter i fordon, där multilayer pcb fungerar som en viktig bro för sammankoppling och kommunikation mellan dessa komponenter. Deras höga temperaturtolerans och vibrationsbeständighet säkerställer stabil drift i tuffa fordonsmiljöer och skyddar tillförlitligheten hos fordonets elektroniksystem.
Inom industriella styrningsapplikationer används flerlagers kretskort i olika styrenheter och automatiseringsutrustning. Dessa enheter kräver precis signalstyrning och signalbehandling. Flerlagers kretskorte höga noggrannhet och tillförlitlighet uppfyller de stränga kraven i industriella miljöer och säkerställer stabila och säkra produktionsprocesser.
Inom rymdindustrin föredras multilayer pcb för sin kompakta storlek, lätta konstruktion och stabila prestanda. Exempel på detta är elektroniska system och navigationsutrustning för flygplan, där dessa kort uppfyller stränga krav på storlek och vikt samtidigt som de säkerställer tillförlitlig drift under extrema förhållanden.
Inom medicinsk utrustning, såsom magnetisk resonanstomografi (MRT) och datortomografi, utgör flerlagers kretskort centrala komponenter. Dessa enheter bearbetar stora mängder medicinsk bilddata och komplexa styrsignaler, vilket gör multilayer pcb höga prestanda och stabilitet avgörande för diagnostisk noggrannhet och utrustningens säkerhet.
