Herstellung und Qualitätskontrolle von Multilayer-Leiterplatten

Im digitalen Hochgeschwindigkeitszeitalter sind mehrlagige Leiterplatten der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung elektronischer Systeme geworden. Die Anzahl der Lagen ist jedoch nicht unbedingt mit der Qualität gleichzusetzen. Eine 6-Lagen-Leiterplatte für militärische Zwecke kann weitaus zuverlässiger sein als eine 12-Lagen-Leiterplatte für Verbraucher. Der Unterschied liegt in der tieferen Logik der Materialwissenschaft, der Prozesskontrolle und des Systemdesigns.

Ebenen-Stapelung

• Grundlegende Anwendungen: Doppelseitige Leiterplatten reichen für die meisten Leistungsmodule (z. B. LED-Treiber) aus, bei denen das Kupfergewicht (1 oz vs. 2 oz) die Stromkapazität stärker beeinflusst als die Anzahl der Lagen.
• Leistungsschwellen: Bei Signalen über 5 Gbps kann eine 4-Lagen-Platine mit optimiertem Aufbau (z. B. "Signal-Masse-Strom-Signal") eine Nebensprechunterdrückung von -30 dB erreichen.
• Komplexe Systeme: Eine 20-Lagen-Schalttafel kann "3-2-3"-Strukturen mit beliebigen Lagen verwenden, um eine Dichte von mehr als 100.000 Durchkontaktierungen zu erreichen - hier wird die Lagenzahl zu einer echten Notwendigkeit.

Anzahl der Schichten ≠ Qualität

1. Design-Kompatibilität

Die Anzahl der Schichten muss der Komplexität der Schaltung entsprechen. Eine blinde Erhöhung der Lagen erhöht die Kosten und birgt Fertigungsrisiken.

2. Optimierung des Stackup-Designs

Ein unsachgemäßer Lagenaufbau kann zu Signalreflexionen und Übersprechen führen (z. B. Hochgeschwindigkeitssignale, die nicht an Masselagen angrenzen).

3. Auswahl des Materials

Hochfrequenzanwendungen erfordern Materialien mit niedrigem Dk/Df-Wert (z. B. Rogers, Isola). Dicke Kupferplatten benötigen ein Prepreg mit hohem Harzgehalt.

4. Prozesskontrolle

Hauptkritikpunkte: Ausrichtung von Schicht zu Schicht (±75μm), Bohrgenauigkeit (Lochrauhigkeit ≤25μm), Fehlstellen in der Laminierung (Röntgenprüfung).

5. Prüfung und Verifizierung

100% elektrische Prüfung (Flying Probe/AOI), Impedanzprüfung (±10% Toleranz) und CAF-Zuverlässigkeitsprüfung.

PCB Auswahl des Materials

• Hochfrequenzmaterialien Bei Frequenzen über 1 GHz verursacht der Verlustfaktor von Standard-FR4 (Df > 0,02) einen starken Signalverlust, sodass Hochfrequenzmaterialien wie Rogers RO4350B (Df = 0,0037) erforderlich sind.
• Kupfer-Folie: Umgekehrt behandelte Folie (RTF) reduziert die Oberflächenrauhigkeit von 3μm auf 0,3μm und senkt den 28-Gbps-Signaleinfügungsverlust um 40%.
• Dielektrikum: Bei einem Satellitenprojekt kam es zu einer Impedanzabweichung von 15Ω aufgrund einer Toleranz von ±10% bei der dielektrischen Dicke (im Gegensatz zu den erforderlichen ±3%), was kostspielige Nacharbeiten zur Folge hatte.

Wichtige Prozesse in der Qualitätskontrolle

• Präzision: Die LDI-Laserbebilderung steigerte die Genauigkeit der Registrierung von 6-Lagen-Platten von ±50μm auf ±15μm - das entspricht der Lokalisierung eines Sesamsamkorns auf einem Fußballfeld.
• Laminierungsprozess: Die Ausbeute einer Kfz-Steuergeräteplatine stieg von 65% auf 92%, indem die Laminiergeschwindigkeit von 3°C/min auf 1,5°C/min gesenkt wurde, wodurch das Harz gleichmäßig fließen konnte.
• Präzisionsinstrumente: Bei 18-Lagen-Platten mit 0,1-mm-Bohrern ist die Werkzeugstandzeit bei 500 Löchern begrenzt, bevor die Rauheit von 8μm auf 25μm abnimmt.

Kernprozess

• Druckklebeverfahren: TG-Wert-Anpassung, Harzflusskontrolle (Füllmenge ≥ 80%).

• Rückbohrtechnik: Stub-Länge ≤ 6 mil, Verbesserung der High-Speed-Signalintegrität.

• Oberflächenbehandlung: Die elektrolytische Vergoldung (ENIG) ist der Heißluftvergoldung (HASL) überlegen und eignet sich für BGAs mit kleinem Pitch.

Überprüfung der Verlässlichkeit

• Zerstörende Querschnittsuntersuchung: Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung (Ziel: 18-25μm Kupfer in Durchkontaktierungen).
• 3D-Röntgeninspektion: Erkennt die Integrität von 0,05 mm² Microvia-Füllungen.
• Beschleunigte Alterung: 1.000 Stunden bei 85°C/85% RH simuliert 5 Jahre Betriebsbelastung.

Trends in der Industrie

• Hochfrequente Materialien: PTFE-Substrate (Millimeterwellen-Radar/Satellitenkommunikation).

• Schlüsselfertige Dienstleistungen: Wählen Sie Lieferanten mit IPC-6012 Klasse 3-Zertifizierung (wie Jiali Creation).

4 Wichtige Herausforderungen bei der Herstellung und Lösungen für Leiterplatten mit hoher Lagenzahl (10+ Lagen)