Design og fremstilling af 6-lags PCB-stabling

Elektroniske produkter udvikler sig hurtigt, og Trykte kredsløb (PCB) har udviklet sig fra simple enkelt- eller dobbeltlagsstrukturer til komplekse flerlagskort med seks eller flere lag for at imødekomme de voksende krav til komponenttæthed og højhastighedsforbindelser.

PCB'er med seks lag giver ingeniørerne større routing-fleksibilitet, bedre muligheder for lagadskillelse og optimerede løsninger til opdeling af kredsløb på tværs af lagene. En veldesignet seks-lags PCB-stackup-konfiguration, tykkelsesberegning, fremstillingsproces og signalintegritet er kritiske trin i forbedringen af produktets ydeevne og pålidelighed.

6-lags PCB-stakkonfiguration

De seks ledende kobberlag i en PCB i flere lag skal arrangeres i en omhyggeligt designet rækkefølge og adskilles af dielektriske materialer. Et fornuftigt stakningsdesign er grundlaget for at sikre signalintegritet, strømintegritet og elektromagnetisk kompatibilitet.

Standard lagrækkefølge og funktionel allokering

En typisk 6-lags PCB-stackup har følgende lagstruktur:

1. Lag 1 (øverste lag): Komponentmonteringslag til primære enheder og delvis routing
2. Lag 2: Referenceplan (typisk jordlag GND)
3. Lag 3: Indre signal-routing-lag
4. Lag 4: Indre signalroutinglag eller effektplan
5. Lag 5: Referenceplan (strøm- eller jordlag)
6. Lag 6 (nederste lag): Lag til montering og routing af komponenter

Denne lagdelte struktur udnytter fuldt ud fordelene ved 6-lags kort og giver komplette referenceplaner og optimerede returveje til højhastighedssignaler.

Sammenligning af tre primære opstablingsløsninger

Afhængigt af applikationskravene har 6-lags PCB'er primært tre opstablingsmetoder:

Løsning 1: Symmetrisk layout (prioritering af signallag)

Lag 1: Signal (øverst)
Lag 2: Jord
Lag 3: Signal
Lag 4: Strøm
Lag 5: Signal
Lag 6: Jord (nederst)

Karakteristika:

• Identisk referenceplanstruktur over og under mellemlagene
• Fremragende signalintegritet
• Udbredt i blandede digitale, analoge og RF-designs
• Høj routing-tæthed velegnet til komplekse designs

Løsning 2: Asymmetrisk layout (strømoptimeret)

Lag 1: Signal (øverst)
Lag 2: Jord
Lag 3: Signal
Lag 4: Strøm
Lag 5: Strøm
Lag 6: Jord (nederst)

Karakteristika:

• Giver mulighed for at opdele effektplanet i flere regioner
• Et diskontinuerligt jordplan kan påvirke signalkvaliteten
• Velegnet til design, der kræver kompleks strømfordeling
• Relativt lavere pris, men lidt ringere EMC-ydelse

Løsning 3: Hybridlayout (signalintegritetsprioritet)

Lag 1: Signal (øverst)
Lag 2: Jord
Lag 3: Signal
Lag 4: Jord
Lag 5: Strøm
Lag 6: Jord (nederst)

Karakteristika:

• Hvert signallag har et tilstødende referenceplan
• Tæt kobling mellem strøm- og jordlag
• Optimalt miljø for transmission af højhastighedssignaler
• Ofrer nogle routinglag for bedre SI-ydelse

Gyldne regler for stackup-design

1. Signallagets tilknytning til referenceplanerne: Sørg for, at hvert signallag har mindst et tilstødende komplet referenceplan (GND eller Power) for at give lavimpedante returveje til højhastighedssignaler.
2. Princip for parring af strøm-jordplan: Anbring strøm- og jordlag på tilstødende lag (typisk 0,1-0,2 mm afstand) for at danne naturlig afkoblingskapacitans og reducere strømstøj.
3. Symmetrisk design: Oprethold stakkesymmetri, hvor det er muligt, for at forhindre, at pladerne vrider sig på grund af uoverensstemmende varmeudvidelseskoefficienter.
4. Beskyttelse af kritiske signallag: Før de mest følsomme højhastighedssignaler gennem de indre lag (lag 3/4), og udnyt de ydre lag til naturlig afskærmning.

Pro-tipTil højhastighedsdesign på GHz-niveau anbefales Solution 3-stackup. Selv om det ofrer et routinglag, giver det optimal signalintegritet og EMC-ydelse.

Beregning af 6-lags PCB-tykkelse og materialevalg

PCB's samlede tykkelse er en parameter, der skal bestemmes tidligt i designet, og som direkte påvirker valg af stik, mekanisk styrke og den endelige produkttykkelse.

Tykkelse Sammensætning Faktorer

Tre primære faktorer bestemmer den samlede tykkelse på et 6-lags printkort:

• Tykkelse af kobberlag:

• Ydre lag folie: Typisk 1 oz (35 μm), 0,5 oz til højfrekvente anvendelser
• Indre lag folie: 1 oz eller 0,5 oz (18 μm)
• Planlag: Anbefalet 2 oz (70 μm) for højere strømkapacitet

• Dielektrisk lagtykkelse:

• Typiske værdier: 8-14 mil (200-350 μm)/lag
• Materialer: FR4, højhastighedsmaterialer (f.eks. Rogers, Isola)
• Tyndere dielektrikum hjælper med at reducere krydstale mellem lagene

• Lamineringsproces:

• 2 pressecyklusser: Først presses de nederste 3 lag, derefter de øverste 3 lag
• 3 pressecyklusser:Pres 2 lag hver gang for mere præcis tykkelseskontrol til en højere pris

Eksempel på typisk 6-lags pladetykkelse

Nedenfor ses en tykkelsesfordeling for et symmetrisk designet 6-lags printkort:

Guide til valg af dielektrisk materiale

Almindelige dielektriske materialer til 6-lags printkort omfatter:

• Standard FR4:

• Bedste forhold mellem pris og ydelse
• Tg-værdi 130-140 ℃
• Velegnet til de fleste forbrugerprodukter

• FR4 med høj hastighed (f.eks. Isola FR408, Panasonic Megtron6):

• Mere stabile Dk/Df-værdier
• Velegnet til signaler på GHz-niveau
• 30-50% højere pris end standard FR4

• Specialiserede materialer (f.eks. Rogers RO4350B):

• Ultra-lavt tab
• Til applikationer med millimeterbølger
• 5-10 gange dyrere end FR4

Overvejelser om materialevalg:

• Signalfrekvens: >5GHz anbefaler højhastighedsmaterialer
• Budget:Højhastighedsmaterialer øger BOM-omkostningerne betydeligt
• Termisk ydeevne:Materialer med høj Tg passer til miljøer med høje temperaturer
• Forarbejdningsvanskeligheder:Nogle højfrekvente materialer kræver særlige processer

Procesflow for fremstilling af 6-lags printkort

Fremstilling af 6-lags printkort er en præcis og kompleks proces, der involverer flere kritiske trin:

1. Design og teknisk forberedelse

• Komplet skematisk design og layout-routing
• Bestem lagopbygningsstruktur og materialespecifikationer
• Udfør kontrol af designregler (DRC) og analyse af signalintegritet
• Generere Gerber-, bore- og netlistefiler

Nøglepunkt: Kommuniker stackup-løsningen med producenten tidligt for at sikre, at designet passer til fabrikkens muligheder.

2.Overførsel af mønster i det indre lag

1. Rengøring af kobberbelagt laminat: Fjern overfladeoxider og forureninger
2. Tørfilm-lamineringPåfør lysfølsom tør film på kobberoverfladen
3. EksponeringOverfør kredsløbsmønster til tør film ved hjælp af laser eller fotoplotter
4. UdviklingOpløs ueksponerede tørre filmområder
5. ÆtsningFjern ubeskyttet kobber
6. Stripping: Fjern resterende tør film for at danne indre lagkredsløb

3.Lamineringsproces

1. Justering af lag: Juster lagene i rækkefølge med prepreg imellem
2. Præ-laminering: Indledende binding ved lav temperatur og tryk
3. Varm presning: Fuldstændig hærdning ved høj temperatur (180-200 ℃) og tryk
4. Køling og formning: Kontrollér kølehastigheden for at undgå skævvridning

4.Boring og metallisering af huller

1. Mekanisk boringBor gennemgående huller med hårdmetalbor
2. Afsmitning: Fjern harpiksrester fra hulvægge
3. Elektroløs kobberaflejring: Påfør et 0,3-0,5 μm kobberlag på hulvæggene.
4. Galvanisering: Fortyk hullet i kobber til 25-30 μm.

5.Overførsel af mønster i det yderste lag

Processen svarer til de indre lag, men med en bemærkning:

• Det ydre lag folie er tykkere (typisk 1 oz)
• Højere krav til linjebredde/rumstyring
• Skal tage højde for loddemaskeåbning og overfladefinish

6.Overfladefinish og slutbehandling

1. Påføring af loddemaske: Beskyt områder, der ikke skal loddes
2. OverfladefinishValgmulighederne omfatter HASL, ENIG, OSP osv.
3. SilketrykTilføj komponentbetegnelser og -markeringer
4. Konturbearbejdning: Fræsning af pladekanter, V-skæring af riller
5. Elektrisk testning: Åben/kortslutningstest og impedanstest

Teknikker til optimering af signalintegritet

Kerneudfordringen i 6-lags PCB-design ligger i at sikre højhastigheds-signalintegritet.Nedenfor er de vigtigste optimeringsstrategier:

1. Design af impedansstyring

• Brug feltløsningsværktøjer (f.eks. Polar SI9000) til at foretage nøjagtige beregninger:
• Mikrostrip (ydre lag) impedans
• Stripline (indre lag) impedans
• Differentiel par-impedans
• Typiske impedansværdier:
• Enkelt-ended: 50 Ω
• Differential: 100 Ω (USB, PCIe osv.)

Væsentlige elementer i design:

• Oprethold en ensartet sporbredde
• Undgå retvinklede sving (brug 45° eller kurver)
• Match differentielle parlængder (±5 mil tolerance)

2.Optimering af strømintegritet

• PDN-design med lav impedans:

• Brug tynde dielektrika (3-4 mil) for at forbedre koblingen mellem strøm- og jordplan
• Placer afkoblingskondensatorer korrekt (kombination af store og små værdier)

• Teknikker til segmentering af fly:

• Undgå signalspor, der krydser opdelte områder
• Sørg for tilstrækkelig afkobling for hvert effektdomæne
• Brug “ø” segmentering til følsom analog strøm

3.Strategier for EMC-design

• Afskærmning mellem lagene:

• Rute højhastighedssignaler på de indre lag (lag 3/4)
• Udnyt ydre jordplaner til afskærmning

• Behandling af kanter:

• Placer jordforbindelser med en afstand på λ/20
• Hold følsomme signaler væk fra kortets kanter (>3 mm)

• Zoneinddeling Layout:

• Strengt adskilte digitale/analoge områder
• Isolér højfrekvente kredsløb

6-lags PCB vs. 4-lags PCB: Hvordan vælger man?

Hvornår skal man vælge et 4-lags printkort?

• Mellem-lav kompleksitetsdesign
• Mindre pladestørrelse (<150 cm²)
• Signalhastigheder <1Gbps
• Omkostningsfølsomme projekter
• Kun 2-3 hovedkraftdomæner

Hvornår skal man opgradere til 6-lags PCB:

• Behov for sammenkoblinger med høj tæthed (f.eks. BGA-komponenter)
• Flere strømsystemer (>3 spændingsdomæner)
• Højhastighedssignaler (>2Gbps)
• Design med blandede signaler (analog+digital+RF)
• Strenge EMC-krav
• Behov for bedre varmestyring

Sammenligning af omkostninger6-layer boards koster typisk 30-50% mere end 4-layer boards, men et optimeret stackup-design kan reducere boardstørrelsen og dermed delvist opveje omkostningsstigningen.

Anbefalinger om professionelt design og ofte stillede spørgsmål

Tjekliste for design

1. Er stackup-symmetri rimelig?
2. Har hvert signallag et tilstødende referenceplan?
3. Er afstanden mellem strøm- og jordplan tilstrækkelig lille?
4. Undgår kritiske signaler at krydse delte områder?
5. Stemmer impedansberegningen overens med producentens proces?
6. Er der taget højde for produktionstolerancer (±10%)?

Ofte stillede spørgsmål

Q1: Hvordan vælger man dielektriske materialer til 6-lags boards?

A1: Overvej disse faktorer:

• Signalfrekvens: Høj frekvens kræver materialer med lav Df
• Termisk ydeevne:Materialer med høj Tg til miljøer med høje temperaturer
• Budget:Højhastighedsmaterialer øger omkostningerne betydeligt
• Forarbejdningsvanskeligheder:Nogle materialer kræver særlige processer

Spørgsmål 2: Hvordan bestemmer man tykkelsen af et dielektrisk lag?

A2: Baser beslutningen på:

• Krav til målimpedans
• Behov for at kunne modstå mellemlagets spænding
• Producentens proceskapacitet
• Begrænsninger i den samlede tykkelse
• Krav til signalisolering

Q3: Hvad er de mest almindelige fejl i 6-lags printdesign?

A3: De mest almindelige fejl er:

1. Diskontinuerlige referenceplaner
2. Højhastighedssignaler, der krydser delte områder
3. For stor afstand mellem strøm- og jordplan
4. Forsømmelse af design af returvej
5. Unøjagtige impedansberegninger

Professionel PCB-fremstilling Anbefaling af service

For printkort med 6 lag og derover er det afgørende at vælge en erfaren producent. Vi anbefaler at overveje tjenester med:

✅ Professionel flerlagspladefunktion (op til 30 lag)
✅ ±7 % nøjagtighed i impedanskontrol
✅ Flere overfladebehandlingsmuligheder (ENIG, OSP, Immersion Silver osv.)
✅ Gratis DFM-kontrol og teknisk support
✅ Hurtig prototyping (så hurtigt som 48 timer)

Få øjeblikkeligt tilbud på fremstilling af 6-lags printkort: Indsend dine krav

6-lags PCB-design er en kompleks teknisk opgave, der kræver omfattende overvejelser om signalintegritet, strømintegritet, EMC-ydelse og produktionsomkostninger. Ved at anvende et fornuftigt stablingsskema (som f.eks. det anbefalede skema 3), præcis impedansstyring og optimerede routing-strategier kan fordelene ved 6-lags printkort udnyttes fuldt ud.