Ontwerp en productie van 6-lagige PCB-stapeling

Elektronische producten evolueren snel en printplaten (PCB's) zijn geëvolueerd van eenvoudige enkellaagse of dubbellaagse structuren naar complexe meerlaagse printplaten met zes of meer lagen om te voldoen aan de groeiende vraag naar componentendichtheid en hogesnelheidsinterconnecties.

PCB's met zes lagen bieden ingenieurs een grotere routeringsflexibiliteit, betere mogelijkheden om lagen te scheiden en geoptimaliseerde oplossingen om circuits over meerdere lagen te verdelen. Een goed ontworpen zeslaagse PCB-configuratie, dikteberekening, fabricageproces en signaalintegriteit zijn kritieke stappen in het verbeteren van productprestaties en betrouwbaarheid.

6-lagige PCB-stapelconfiguratie

De zes geleidende koperlagen in een meerlagige PCB moeten in een zorgvuldig ontworpen volgorde worden geplaatst en worden gescheiden door diëlektrische materialen. Een redelijk stapelontwerp vormt de basis voor het garanderen van signaalintegriteit, stroomintegriteit en elektromagnetische compatibiliteit.

Standaard laagvolgorde en functionele toewijzing

Een typische printplaat met 6 lagen heeft de volgende lagenstructuur:

1. Laag 1 (bovenste laag): Componentenmontagelaag voor primaire apparaten en gedeeltelijke routering
2. Laag 2: Referentievlak (meestal aardlaag GND)
3. Laag 3: Binnenste laag voor signaalroutering
4. Laag 4: Binnenste signaalrouteringslaag of voedingsvlak
5. Laag 5: Referentievlak (voedings- of aardlaag)
6. Laag 6 (onderste laag): Laag voor montage en routing van componenten

Deze gelaagde structuur maakt volledig gebruik van de voordelen van 6-lagige printplaten en biedt volledige referentievlakken en geoptimaliseerde retourpaden voor hogesnelheidssignalen.

Vergelijking van drie stapeloplossingen

Afhankelijk van de toepassingseisen zijn er voor 6-lagige PCB's hoofdzakelijk drie manieren van stapelen:

Oplossing 1: symmetrische lay-out (signaallaagprioriteit)

Laag 1: Signaal (boven)
Laag 2: Aarde
Laag 3: Signaal
Laag 4: Voeding
Laag 5: Signaal
Laag 6: Aarde (onder)

Kenmerken:

• Identieke referentievlakstructuur boven en onder de middelste lagen
• Uitstekende prestaties op het gebied van signaalintegriteit
• Op grote schaal gebruikt in digitale, analoge en RF gemengde ontwerpen
• Hoge freesdichtheid geschikt voor complexe ontwerpen

Oplossing 2: asymmetrische lay-out (geoptimaliseerd vermogen)

Laag 1: Signaal (boven)
Laag 2: Aarde
Laag 3: Signaal
Laag 4: Voeding
Laag 5: Voeding
Laag 6: Aarde (onder)

Kenmerken:

• Hiermee kan het vermogensvlak worden opgesplitst in meerdere regio's
• Een onderbroken massaplaat kan de signaalkwaliteit beïnvloeden
• Geschikt voor ontwerpen met complexe stroomverdeling
• Relatief lagere kosten maar iets mindere EMC-prestaties

Oplossing 3: hybride lay-out (signaalintegriteitsprioriteit)

Laag 1: Signaal (boven)
Laag 2: Aarde
Laag 3: Signaal
Laag 4: Aarde
Laag 5: Voeding
Laag 6: Aarde (onder)

Kenmerken:

• Elke signaallaag heeft een aangrenzend referentievlak
• Nauwe koppeling tussen voedings- en aardlagen
• Optimale omgeving voor signaaloverdracht met hoge snelheid
• Biedt enkele routeringslagen op voor betere SI-prestaties

Gouden regels voor stapelontwerp

1. Signaallaag Nabijheid tot referentievlakken: Zorg ervoor dat elke signaallaag ten minste één aangrenzend volledig referentievlak heeft (GND of Power) om retourpaden met lage impedantie te bieden voor snelle signalen.
2. Power-Ground Plane koppelingsprincipe: Schik voedings- en aardlagen op aangrenzende lagen (meestal 0,1-0,2 mm tussenruimte) om een natuurlijke ontkoppelingscapaciteit te vormen en vermogensruis te verminderen.
3. Symmetrisch ontwerp: Zorg waar mogelijk voor symmetrische stapeling om te voorkomen dat de printplaat kromtrekt als gevolg van niet op elkaar afgestemde thermische uitzettingscoëfficiënten.
4. Bescherming kritieke signaallaag: Routeer de meest gevoelige hogesnelheidssignalen op de binnenste lagen (laag 3/4) en gebruik de buitenste vlakken voor natuurlijke afscherming.

Pro TipVoor snelle ontwerpen op GHz-niveau wordt oplossing 3 stackup aanbevolen. Hoewel het één routinglaag opoffert, levert het optimale signaalintegriteit en EMC-prestaties.

6-lagen PCB-dikteberekening en materiaalselectie

De totale dikte van de printplaat is een parameter die vroeg in het ontwerp moet worden bepaald en die rechtstreeks van invloed is op de keuze van de connector, de mechanische sterkte en de dikte van het eindproduct.

Dikte Samenstellingsfactoren

Drie primaire factoren bepalen de totale dikte van een 6-lagige PCB:

• Dikte koperlaag:

• Outer layer foil: Typically 1oz (35μm), 0.5oz for high-frequency applications
• Inner layer foil: 1oz or 0.5oz (18μm)
• Plane layers: Recommended 2oz (70μm) for higher current capacity

• Diëlektrische laagdikte:

• Typical values: 8-14mil (200-350μm)/layer
• Materialen: FR4, hogesnelheidsmaterialen (bijv. Rogers, Isola)
• Dunnere diëlektrica helpen overspraak tussen lagen te verminderen

• Lamineerproces:

• 2 perscycli: Pers eerst de onderste 3 lagen, dan de bovenste 3 lagen.
• 3 perscycli:Pers telkens 2 lagen voor nauwkeurigere dikteregeling tegen hogere kosten

Voorbeeld van 6-laagse plaatdikte

Hieronder staat een dikteverdeling voor een symmetrisch ontworpen printplaat met 6 lagen:

Selectiegids voor diëlektrisch materiaal

Gebruikelijke diëlektrische materialen voor 6-laags PCB's zijn onder andere:

• Standaard FR4:

• Beste kosten-prestatieverhouding
• Tg value 130-140℃
• Geschikt voor de meeste consumentenproducten

• FR4 met hoge snelheid (bijv. Isola FR408, Panasonic Megtron6):

• Stabielere Dk/Df-waarden
• Geschikt voor signalen op GHz-niveau
• 30-50% hogere kosten dan standaard FR4

• Speciale materialen (bijvoorbeeld Rogers RO4350B):

• Ultralaag verlies
• Voor millimetergolftoepassingen
• 5-10x kosten van FR4

Overwegingen bij materiaalselectie:

• Signaalfrequentie: >5GHz raadt hogesnelheidsmaterialen aan
• Budget:Snelle materialen verhogen de BOM-kosten aanzienlijk
• Thermische prestaties:Materialen met een hoge Tg zijn geschikt voor omgevingen met hoge temperaturen
• Moeilijke verwerking:Sommige hoogfrequente materialen vereisen speciale processen

6-lagige PCB productieprocesstroom

De productie van 6-lagige PCB's is een nauwkeurig en complex proces waarbij meerdere kritieke stappen komen kijken:

1. Ontwerp en engineeringvoorbereiding

• Volledig schematisch ontwerp en layout routing
• Laagopbouwstructuur en materiaalspecificaties bepalen
• Ontwerpregelcontroles (DRC) en signaalintegriteitsanalyse uitvoeren
• Gerber-, boor- en netlistbestanden genereren

Belangrijkste punt: Communiceer stapeloplossingen vroegtijdig met de fabrikant om ervoor te zorgen dat het ontwerp aansluit op de mogelijkheden van de fabriek.

2.Patroonoverdracht binnenste laag

1. Koper bekleed laminaat schoonmaken: Oppervlakte oxiden en verontreinigingen verwijderen
2. Droge film laminerenBreng een lichtgevoelige droge film aan op het koperoppervlak
3. Blootstelling ~4.3-4.8)Circuitpatroon overbrengen op droge film met laser of fotoplotter
4. Ontwikkelingsant ~4,3-4,8)Niet-blootgestelde droge filmgebieden oplossen
5. EtsVerwijder onbeschermd koper
6. Strippen: Verwijder de resterende droge film om binnenste laagcircuits te vormen

3.Lamineerproces

1. Lagen uitlijnen: Lagen in volgorde uitlijnen met prepreg ertussen
2. Voorlamineren: Initiële binding bij lage temperatuur en druk
3. Warm persen: Complete curing at high temperature (180-200℃) and pressure
4. Koelen en vormen: Regel de koelsnelheid om kromtrekken te voorkomen

4.Boren en metalliseren van gaten

1. Mechanisch borenBoor doorlopende gaten met hardmetalen boren
2. Ontsmeren: Harsresten van gaatjeswanden verwijderen
3. Afzetting van elektrolytisch koper: Deposit a 0.3-0.5μm copper layer on the hole walls
4. Galvanisch verzinken: Thicken the hole copper to 25-30μm

5.Overdracht van het patroon van de buitenste laag

Proces vergelijkbaar met de binnenste lagen, maar dan met notities:

• De buitenste laag folie is dikker (meestal 1oz)
• Hogere eisen voor lijndikte/ruimtecontrole
• Moet rekening houden met soldeermaskeropening en oppervlakteafwerking

6.Oppervlakteafwerking en eindverwerking

1. Soldeermasker toepassing: Bescherm de niet-soldeerbare delen
2. Afwerking oppervlakOpties zijn onder andere HASL, ENIG, OSP, enz.
3. ZeefdrukComponentaanduidingen en markeringen toevoegen
4. Contourbewerking: Randen frezen, V-snijden
5. Elektrische testen: Open/kortsluitingstesten en impedantietesten

Technieken voor optimalisatie van signaalintegriteit

De belangrijkste uitdaging bij het ontwerpen van 6-lagen PCB's ligt in het garanderen van de signaalintegriteit op hoge snelheid.Hieronder staan de belangrijkste optimalisatiestrategieën:

1. Ontwerp impedantieregeling

• Gebruik tools voor veldoplossingen (bijv. Polar SI9000) om nauwkeurig te berekenen:
• Microstrip (buitenste laag) impedantie
• Striplijn (binnenlaag) impedantie
• Impedantie differentieel paar
• Typische impedantiewaarden:
• Single-ended: 50Ω
• Differential: 100Ω (USB, PCIe, etc.)

Essentiële ontwerpen:

• Consistente spoorbreedte behouden
• Avoid right-angle turns (use 45° or curves)
• Match differential pair lengths (±5mil tolerance)

2.Stroomintegriteitsoptimalisatie

• PDN-ontwerp met lage impedantie:

• Gebruik dunne diëlektrica (3-4mil) om de koppeling tussen voedings- en massavlak te verbeteren
• Juiste plaatsing van ontkoppelingscondensatoren (combinatie van grote en kleine waarden)

• Segmentatietechnieken voor vlakken:

• Vermijd signaalsporen die door gesplitste gebieden lopen
• Zorg voor voldoende ontkoppeling voor elk vermogensdomein
• Gebruik “eiland” segmentatie voor gevoelig analoog vermogen

3.EMC-ontwerpstrategieën

• Afscherming tussen lagen:

• Route van hogesnelheidssignalen op binnenlagen (lagen 3/4)
• Gebruik buitenste grondvlakken voor afscherming

• Rand Behandeling ~4.3-4.8):

• Place ground vias every λ/20 spacing
• Houd gevoelige signalen weg van de randen van de printplaat (>3mm)

• Bestemmingsindeling:

• Strikt gescheiden digitale/analoge gebieden
• Hoogfrequente circuits isoleren

6-lagige PCB vs 4-lagige PCB: Hoe te kiezen?

Wanneer een 4-lagige PCB kiezen?

• Ontwerpen met gemiddelde en lage complexiteit
• Smaller board size (<150cm²)
• Signaalsnelheden <1Gbps
• Kostengevoelige projecten
• Slechts 2-3 hoofdstroomgebieden

Wanneer upgraden naar een 6-laags PCB?

• Interconnectiebehoeften met hoge dichtheid (bijv. BGA-componenten)
• Meerdere voedingssystemen (>3 spanningsdomeinen)
• Signalen met hoge snelheid (>2Gbps)
• Gemengde signaalontwerpen (analoog+digitaal+RF)
• Strenge EMC-eisen
• Beter thermisch beheer

Kostenvergelijking6-lagige borden kosten doorgaans 30-50% meer dan 4-lagige borden, maar een geoptimaliseerd stapelontwerp kan de grootte van het bord beperken om de kostenstijging gedeeltelijk te compenseren.

Professionele ontwerpaanbevelingen en FAQ

Checklist ontwerp

1. Is stapelsymmetrie redelijk?
2. Heeft elke signaallaag een aangrenzend referentievlak?
3. Is de afstand tussen het voedings- en massavlak voldoende klein?
4. Vermijden kritische seinen het doorkruisen van gesplitste gebieden?
5. Komt de impedantieberekening overeen met het proces van de fabrikant?
6. Have manufacturing tolerances (±10%) been considered?

Veelgestelde vragen

V1: Hoe kies ik diëlektrische materialen voor borden met 6 lagen?

A1: Neem deze factoren in overweging:

• Signaalfrequentie: Hoge frequentie vereist materialen met lage Df
• Thermische prestaties:Materialen met een hoge Tg voor omgevingen met hoge temperaturen
• Budget:Snelle materialen verhogen de kosten aanzienlijk
• Moeilijke verwerking:Sommige materialen vereisen speciale processen

V2: Hoe bepaal je de dikte van de diëlektrische laag?

A2: Beslissing baseren op:

• Vereisten voor doelimpedantie
• Spanning tussen de lagen moet weerstaan
• Procesmogelijkheden fabrikant
• Beperkingen totale dikte
• Vereisten voor signaalisolatie

V3: Wat zijn de meest voorkomende fouten bij het ontwerpen van een 6-laagse printplaat?

A3: De meest voorkomende fouten zijn:

1. Discontinue referentievlakken
2. Hogesnelheidsseinen doorkruisen gesplitste gebieden
3. Te grote afstand tussen vermogens- en massavlak
4. Verwaarlozing van het ontwerp van het retourpad
5. Onnauwkeurige impedantieberekeningen

Professioneel PCB Productie Service-aanbeveling

Voor 6-laags en hogere PCB's is het kiezen van een ervaren fabrikant cruciaal. We raden aan diensten te overwegen met:

✅ Professional multilayer board capability (up to 30 layers)
✅ ±7% impedance control accuracy
✅ Multiple surface finish options (ENIG, OSP, Immersion Silver, etc.)
✅ Free DFM check and engineering support
✅ Quick-turn prototyping (as fast as 48 hours)

Krijg Instant 6-Layer PCB Productie Citaat: Uw vereisten indienen

Het ontwerpen van 6-lagige PCB's is een complexe technische taak waarbij uitgebreid rekening moet worden gehouden met signaalintegriteit, stroomintegriteit, EMC-prestaties en productiekosten. Door een redelijk stapelschema (zoals het aanbevolen schema 3), nauwkeurige impedantieregeling en geoptimaliseerde routingstrategieën toe te passen, kunnen de prestatievoordelen van 6-laags printplaten volledig worden gerealiseerd.