Многослойные печатные платы

I. Что такое многослойная печатная плата?

Определение: Печатная плата, состоящая из трёх или более слоёв проводящих структур и изоляционного материала, попеременно наслоенных друг на друга, с электрическими соединениями между слоями через переходные отверстия.

Простая аналогия: «тысячеслойное тесто» или «сэндвич»-структура, где проводящие слои (медная фольга) служат «начинкой», а изоляционные слои (препрег и печатная плата) — «тестом».

II. Зачем нужны многослойные печатные платы? Основные преимущества

Высокая плотность разводки

Решение проблемы: Сложные микросхемы (например, процессоры и ПЛИС в корпусе BGA) имеют сотни или даже тысячи выводов, которые просто не поместятся на одно- или двухсторонних платах. Многослойные печатные платы обеспечивают достаточно места.

Повышенная целостность сигнала

Выделенные сигнальные слои: Чувствительные сигнальные линии (например, высокоскоростные дифференциальные линии и линии синхронизации) могут быть проложены во внутренних слоях и окружены опорными слоями (слоями питания/заземления), обеспечивая экранирование и снижая влияние электромагнитных помех и внешних шумов.

Контроль импеданса: Благодаря точной конструкции ламинированной структуры можно строго контролировать характеристическое сопротивление проводников, что критически важно для высокоскоростных цифровых и радиочастотных схем.

Стабильное распределение питания

Полноценные слои питания/заземления: На многослойных платах можно выделить целый слой как для питания, так и для заземления. Это обеспечивает:

Низкоимпедансные цепи питания: обеспечивают стабильное и чистое питание микросхемы.

Хорошая развязка: естественная планарная емкость, образующаяся между плоскостями питания и заземления, может действовать как развязывающий конденсатор для высокочастотных шумов.

Чистые цепи возврата сигнала: обеспечивают кратчайший и наиболее полный путь возврата для высокоскоростных сигналов, снижая электромагнитное излучение и перекрестные помехи.

Уменьшенные размеры и вес

Высокая плотность межсоединений, достигаемая за счет вертикального стекирования, значительно уменьшает размер и вес конечного продукта по сравнению с соединением нескольких плат кабелями.

Повышение надежности

Стандартизированные структуры ламинирования и конструкция с контролируемым импедансом обеспечивают более стабильную общую работу схемы и более высокую помехоустойчивость.

III. Типичные структуры слоев многослойных плат

Стандартная многослойная плата (например, 4-слойная, 6-слойная или 8-слойная) имеет тщательно разработанную последовательность слоев для достижения оптимальных электрических характеристик и технологичности.

4-слойная плата: наиболее распространённая недорогая многослойная плата.

Типичная структура: Верхний слой -> Препрег -> Слой заземления -> Сердцевина -> Слой питания -> Препрег -> Нижний слой

Преимущества: Обеспечивает полноценные слои питания и заземления; качество сигнала значительно улучшено по сравнению с двухсторонними платами.

6-слойная плата: Обеспечивает баланс между производительностью и стоимостью.

Отличная структура: Верхний слой -> Препрег -> Слой заземления -> Сердцевина -> Сигнальный слой 1 -> Препрег -> Сигнальный слой 2 -> Сердцевина -> Слой питания -> Препрег -> Нижний слой

Преимущества: Размещает критически важный сигнальный слой между двумя слоями, образуя две полосковые структуры с превосходным экранированием.

8 слоёв и более: Используется в сложных устройствах высокого класса.

Возможно использование нескольких слоев питания/заземления и нескольких сигнальных слоёв, что обеспечивает достаточно места для высокоскоростных схем с высокой плотностью размещения компонентов.

IV. Основные проблемы процесса производства многослойных плат
Производство многослойных плат гораздо сложнее, чем одно-/двусторонних плат. Основные этапы включают в себя:

Фотография и травление внутренних слоев: сначала создается рисунок схемы каждого внутреннего слоя.

Окисление: повышает адгезию между медной фольгой внутреннего слоя и препрегом.

Ламинация: выравнивание основной платы, препрега и медной фольги в соответствии с заданной структурой и их сжатие под высоким давлением и температурой для создания единого целого. Это один из самых важных и сложных этапов.

Сверление: сверление сквозных, скрытых и глухих переходных отверстий. Чем больше слоев и толще плата, тем выше требования к инструментам для сверления и процессам сверления.

Металлизация отверстий: нанесение слоя меди на непроводящие стенки отверстий методом химического осаждения и гальванизации для обеспечения межслоевого электрического соединения. Это еще один важный и сложный этап, особенно для отверстий с высоким соотношением сторон.

Перенос рисунка на внешний слой и гальванопокрытие

Паяльная маска, шелкография и финишная обработка поверхности

V. Ключевая концепция: Типы переходных отверстий
Для соединения схем на разных слоях многослойные платы используют сложную систему переходных отверстий:

Сквозное отверстие: просверлено сверху вниз, проходя через всю плату. Это наиболее распространенный тип переходных отверстий, но он занимает место на всех слоях.

Глухое переходное отверстие: соединяет поверхностный слой с внутренним, не проходя через всю плату. Это экономит место, но процесс производства более сложный и дорогой.

Скрытое переходное отверстие: соединяет два или более внутренних слоев, полностью скрытых внутри платы. Используется в конструкциях с очень высокой плотностью монтажа и является самым дорогим.

Использование глухих и скрытых переходных отверстий — важный метод улучшения возможностей трассировки на платах с высокой плотностью монтажа.

VI. Факторы, которые следует учитывать при проектировании многослойных плат

Количество слоев и стоимость: Количество слоев напрямую определяет стоимость. Каждые дополнительные два слоя значительно увеличивают стоимость. Необходимо найти компромисс между эффективностью трассировки и стоимостью.

Планирование стека: Это не просто расположение сигнальных слоёв в стеке. Необходимо спланировать, какие слои будут сигнальными, какие – силовыми, какие – заземляющими, и их порядок. Хорошая структура стека – это половина успеха.

Правила DFM: Необходимо полностью проработать с производителем печатных плат их технологические возможности, включая минимальную ширину линии/зазор, минимальную апертуру, соотношение сторон и другие факторы, чтобы гарантировать технологичность конструкции.

Моделирование SI/PI: Для высокоскоростных схем моделирование целостности сигнала и питания необходимо проводить на этапе проектирования, чтобы проверить рациональность структуры стека, управления импедансом и схемы распределения питания.