Проектирование и производство 6-слойной укладки печатных плат

Электронные продукты быстро развиваются, и печатные платы Печатные платы (ПП) прошли путь от простых однослойных или двухслойных структур до сложных многослойных плат с шестью и более слоями, чтобы удовлетворить растущие требования к плотности компонентов и высокоскоростным межсоединениям.

Шестислойные печатные платы предлагают инженерам большую гибкость маршрутизации, улучшенные возможности разделения слоев и оптимизированные решения по разделению межслойных цепей. Хорошо продуманная конфигурация шестислойной печатной платы, расчет толщины, производственный процесс и целостность сигнала являются критическими шагами в повышении производительности и надежности изделия.

Конфигурация 6-слойной печатной платы

Шесть проводящих медных слоев в многослойная печатная плата должны быть расположены в тщательно продуманной последовательности и разделены диэлектрическими материалами. Разумная конструкция укладки является основой для обеспечения целостности сигнала, целостности питания и электромагнитной совместимости.

Стандартная последовательность слоев и распределение функций

Типичная 6-слойная печатная плата имеет следующую структуру слоев:

1. Слой 1 (верхний слой): Монтажный уровень компонентов для первичных устройств и частичной маршрутизации
2. Уровень 2: Опорная плоскость (обычно слой земли GND)
3. Уровень 3: Внутренний уровень маршрутизации сигналов
4. Уровень 4: Внутренний слой маршрутизации сигналов или плоскость питания
5. Слой 5: Опорная плоскость (слой питания или заземления)
6. Слой 6 (нижний слой): Уровень монтажа и прокладки компонентов

Эта многослойная структура полностью использует преимущества 6-слойных плат, обеспечивая полные опорные плоскости и оптимизированные обратные пути для высокоскоростных сигналов.

Сравнение трех основных решений для штабелирования

В зависимости от требований приложения, 6-слойные печатные платы в основном имеют три подхода к укладке:

Решение 1: Симметричная компоновка (приоритет сигнального слоя)

Уровень 1: сигнал (верхний)
Уровень 2: земля
Уровень 3: сигнал
Уровень 4: питание
Уровень 5: сигнал
Уровень 6: земля (нижний)

Характеристики:

• Идентичная структура опорной плоскости над и под средними слоями
• Отличные показатели целостности сигнала
• Широко используется в цифровых, аналоговых и радиочастотных смешанных конструкциях
• Высокая плотность маршрутизации подходит для сложных конструкций

Решение 2: Асимметричная компоновка (оптимизированная по мощности)

Уровень 1: сигнал (верхний)
Уровень 2: земля
Уровень 3: сигнал
Уровень 4: питание
Уровень 5: питание
Уровень 6: земля (нижний)

Характеристики:

• Позволяет разделить плоскость питания на несколько областей
• Прерывистая плоскость заземления может повлиять на качество сигнала
• Подходит для конструкций, требующих сложного распределения питания
• Относительно более низкая стоимость, но несколько худшие характеристики ЭМС

Решение 3: Гибридная компоновка (приоритет целостности сигнала)

Уровень 1: сигнал (верхний)
Уровень 2: земля
Уровень 3: сигнал
Уровень 4: земля
Уровень 5: питание
Уровень 6: земля (нижний)

Характеристики:

• Каждый сигнальный слой имеет смежную опорную плоскость
• Плотная связь между слоями питания и заземления
• Оптимальная среда передачи высокоскоростного сигнала
• Жертвует некоторыми уровнями маршрутизации ради лучшей производительности SI

Золотые правила проектирования стеков

1. Примыкание сигнального уровня к опорным плоскостям: Убедитесь, что каждый сигнальный слой имеет по крайней мере одну смежную полную опорную плоскость (GND или Power), чтобы обеспечить низкоомные пути возврата для высокоскоростных сигналов.
2. Принцип сопряжения плоскости питания и грунта: Расположите слои питания и заземления на соседних слоях (обычно с шагом 0,1-0,2 мм), чтобы сформировать естественную развязывающую емкость и снизить уровень силовых помех.
3. Симметричный дизайн: По возможности сохраняйте симметрию штабеля, чтобы предотвратить коробление платы из-за несовпадения коэффициентов теплового расширения.
4. Защита критического сигнального слоя: Прокладывайте наиболее чувствительные высокоскоростные сигналы по внутренним слоям (слои 3/4), используя внешние плоскости для естественного экранирования.

Совет профессионалаДля высокоскоростных конструкций на уровне ГГц рекомендуется использовать стекирование Solution 3. Хотя при этом жертвуется один уровень маршрутизации, он обеспечивает оптимальную целостность сигнала и электромагнитную совместимость.

Расчет толщины 6-слойной печатной платы и выбор материала

Общая толщина печатной платы - это параметр, который должен быть определен на ранней стадии проектирования, непосредственно влияющий на выбор разъемов, механическую прочность и толщину конечного изделия.

Толщина Факторы состава

Три основных фактора определяют общую толщину 6-слойной печатной платы:

• Толщина медного слоя:

• 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

• Толщина диэлектрического слоя:

• Typical values: 8-14mil (200-350μm)/layer
• Материалы: FR4, высокоскоростные материалы (например, Rogers, Isola)
• Более тонкие диэлектрики помогают снизить межслойные перекрестные помехи

• Процесс ламинирования:

• 2 цикла прессования: Сначала прессуют 3 нижних слоя, затем 3 верхних.
• 3 цикла прессования:Прессование 2 слоев каждый раз для более точного контроля толщины при более высокой стоимости

Пример типичной толщины 6-слойной платы

Ниже приведена разбивка по толщине для симметрично спроектированной 6-слойной печатной платы:

Руководство по выбору диэлектрических материалов

Обычные диэлектрические материалы для 6-слойных печатных плат включают в себя:

• Стандартный FR4:

• Лучшее соотношение цены и качества
• Tg value 130-140℃
• Подходит для большинства потребительских товаров

• Высокоскоростной FR4 (например, Isola FR408, Panasonic Megtron6):

• Более стабильные значения Dk/Df
• Подходит для сигналов уровня ГГц
• На 30-50% дороже, чем стандартный FR4

• Специальные материалы (например, Rogers RO4350B):

• Сверхнизкие потери
• Для применения в миллиметровых волнах
• 5-10-кратная стоимость FR4

Соображения по выбору материала:

• Частота сигнала: >5 ГГц рекомендует высокоскоростные материалы
• Бюджет:Высокоскоростные материалы значительно увеличивают стоимость спецификации
• Тепловые характеристики:Материалы с высокой Tg подходят для высокотемпературных сред
• Сложность обработки:Некоторые высокочастотные материалы требуют специальной обработки

Технологический процесс изготовления 6-слойной печатной платы

Производство 6-слойных печатных плат - это точный и сложный процесс, включающий множество критических этапов:

1. Проектирование и инженерная подготовка

• Полное проектирование схем и маршрутизация макетов
• Определите структуру укладки слоев и спецификации материалов
• Выполняйте проверки правил проектирования (DRC) и анализ целостности сигнала
• Генерация файлов Gerber, сверловки и нетлистов

Ключевой момент: Заранее сообщите производителю решение по штабелированию, чтобы убедиться, что проект соответствует возможностям завода.

2.Перенос рисунка внутреннего слоя

1. Чистка ламината с медным покрытием: Удаление поверхностных окислов и загрязнений
2. Сухое пленочное ламинированиеНанесите фоточувствительную сухую пленку на медную поверхность
3. ЭкспозицияПеренос рисунка схемы на сухую пленку с помощью лазера или фотоплоттера
4. РазработкаРастворить неэкспонированные участки сухой пленки
5. ТравлениеУдалите незащищенную медь
6. Стриппинг: Удалите оставшуюся сухую пленку, чтобы сформировать контуры внутреннего слоя

3.Процесс ламинирования

1. Выравнивание слоев: Выравнивание слоев в последовательности с препрегом между ними
2. Предварительная ламинация: Начальное склеивание при низкой температуре и давлении
3. Горячее прессование: Complete curing at high temperature (180-200℃) and pressure
4. Охлаждение и придание формы: Контроль скорости охлаждения для предотвращения деформации

4.Сверление и металлизация отверстий

1. Механическое бурениеСверление сквозных отверстий с помощью твердосплавных сверл
2. Опустошение: Удалите остатки смолы со стенок отверстий
3. Осаждение меди электролитическим способом: Deposit a 0.3-0.5μm copper layer on the hole walls
4. Гальваническое покрытие: Thicken the hole copper to 25-30μm

5.Перенос рисунка внешнего слоя

Процесс аналогичен внутренним слоям, но отличается от них:

• Внешний слой фольги толще (обычно 1 унция).
• Повышенные требования к ширине линии/пространству
• Необходимо учитывать отверстие под паяльную маску и качество поверхности

6.Финишная обработка поверхности и окончательная обработка

1. Нанесение паяльной маски: Защитите зоны, не подлежащие пайке
2. Отделка поверхностиОпции включают HASL, ENIG, OSP и т.д.
3. ШелкографияДобавьте обозначения и маркировку компонентов
4. Контурная обработка: Фрезеровка краев доски, V-образный пропил
5. Электрические испытания: Тестирование на обрыв/короткое замыкание и тестирование импеданса

Методы оптимизации целостности сигнала

Основная проблема при проектировании 6-слойных печатных плат заключается в обеспечении целостности высокоскоростных сигналов.Ниже приведены ключевые стратегии оптимизации:

1. Проектирование импедансного контроля

• Используйте инструменты для решения полевых задач (например, Polar SI9000) для точного расчета:
• Импеданс микрополоскового (внешнего) слоя
• Импеданс страйплайна (внутренний слой)
• Импеданс дифференциальной пары
• Типичные значения импеданса:
• Single-ended: 50Ω
• Differential: 100Ω (USB, PCIe, etc.)

Основы дизайна:

• Поддерживайте постоянную ширину трассы
• Avoid right-angle turns (use 45° or curves)
• Match differential pair lengths (±5mil tolerance)

2.Оптимизация целостности питания

• Низкоимпедансная конструкция PDN:

• Используйте тонкие диэлектрики (3-4 мкм) для улучшения связи между плоскостью питания и землей
• Правильное расположение развязывающих конденсаторов (сочетание больших и малых значений)

• Методы сегментации плоскости:

• Избегайте пересечения сигнальных трасс с зонами разделения
• Обеспечьте достаточную развязку для каждого домена питания
• Использование “островной” сегментации для чувствительного аналогового питания

3.Стратегии проектирования ЭМС

• Межслойное экранирование:

• Маршрутизация высокоскоростных сигналов на внутренних слоях (слои 3/4)
• Использование внешних плоскостей для экранирования

• Обработка краев:

• Place ground vias every λ/20 spacing
• Держите чувствительные сигналы подальше от краев платы (>3 мм)

• Схема зонирования:

• Строгое разделение цифровых и аналоговых областей
• Изоляция высокочастотных цепей

6-слойная печатная плата против 4-слойной печатной платы: как выбрать?

Когда следует выбирать 4-слойную печатную плату:

• Конструкции средней и низкой сложности
• Smaller board size (<150cm²)
• Скорость передачи сигнала <1 Гбит/с
• Проекты, чувствительные к затратам
• Всего 2-3 основных домена питания

Когда переходить на 6-слойные печатные платы:

• Потребности в межсоединениях высокой плотности (например, компоненты BGA)
• Многочисленные системы питания (>3 доменов напряжения)
• Высокоскоростные сигналы (>2 Гбит/с)
• Разработки смешанных сигналов (аналоговые+цифровые+РЧ)
• Строгие требования к электромагнитной совместимости
• Улучшенная терморегуляция

Сравнение стоимости6-слойные платы обычно стоят на 30-50% дороже 4-слойных, но оптимизированный дизайн стека может уменьшить размер платы, что частично компенсирует увеличение стоимости.

Рекомендации по профессиональному дизайну и часто задаваемые вопросы

Контрольный список для проектирования

1. Является ли симметрия штабеля разумной?
2. Имеет ли каждый сигнальный слой смежную опорную плоскость?
3. Достаточно ли мало расстояние между плоскостью питания и землей?
4. Избегают ли критические сигналы пересечения разделенных зон?
5. Соответствует ли расчет импеданса технологическому процессу производителя?
6. Have manufacturing tolerances (±10%) been considered?

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Как выбрать диэлектрические материалы для 6-слойных плат?

A1: Учитывайте эти факторы:

• Частота сигнала: Высокая частота требует материалов с низким Df
• Тепловые характеристики:Материалы с высокой Tg для высокотемпературных сред
• Бюджет:Высокоскоростные материалы значительно увеличивают стоимость
• Сложность обработки:Некоторые материалы требуют специальных процессов

Вопрос 2: Как определить толщину диэлектрического слоя?

A2: Основывайтесь на решении:

• Требования к целевому импедансу
• Потребность в выдерживании межслойного напряжения
• Технологические возможности производителя
• Ограничения по общей толщине
• Требования к изоляции сигналов

Вопрос 3: Каковы наиболее распространенные ошибки при проектировании 6-слойных плат?

A3: К наиболее распространенным ошибкам относятся:

1. Непрерывные опорные плоскости
2. Высокоскоростные сигналы, пересекающие разделенные зоны
3. Чрезмерное расстояние между плоскостью питания и землей
4. Пренебрежение проектированием обратного пути
5. Неточные расчеты импеданса

Профессия Производство ПХД Рекомендация по обслуживанию

Для 6-слойных и более печатных плат выбор опытного производителя имеет решающее значение. Мы рекомендуем рассматривать услуги с:

✅ 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)

Получить мгновенный 6-слойных печатных плат производства Цитата: Отправьте ваши требования

Разработка 6-слойной печатной платы - сложная инженерная задача, требующая всестороннего учета целостности сигнала, целостности питания, характеристик ЭМС и стоимости производства. При использовании разумной схемы укладки (например, рекомендуемой схемы 3), точного контроля импеданса и оптимизированных стратегий маршрутизации можно полностью реализовать преимущества 6-слойных плат.