Design och tillverkning av stapling av 6-lagers kretskort

Utvecklingen av elektroniska produkter går snabbt och tryckta kretskort (PCB) har utvecklats från enkla en- eller tvålagersstrukturer till komplexa flerlagerkort med sex eller fler lager för att möta de växande kraven på komponenttäthet och höghastighetsförbindelser.

Sexlagers mönsterkort ger ingenjörerna större flexibilitet i routningen, förbättrade möjligheter till lagerseparation och optimerade lösningar för kretsindelning mellan lager. En väl utformad stackupkonfiguration för sexlagerskretskort, tjockleksberäkning, tillverkningsprocess och signalintegritet är kritiska steg för att förbättra produktens prestanda och tillförlitlighet.

6 lager PCB stack konfiguration

De sex ledande kopparlagren i en PCB med flera lager måste ordnas i en noggrant utformad sekvens och separeras av dielektriska material. En rimlig staplingsdesign är grunden för att säkerställa signalintegritet, effektintegritet och elektromagnetisk kompatibilitet.

Standardlagerföljd och funktionell tilldelning

En typisk 6-lagers PCB-stackup antar följande lagerstruktur:

1. Lager 1 (översta lagret): Komponentmonteringslager för primära enheter och partiell routing
2. Lager 2: Referensplan (typiskt jordlager GND)
3. Lager 3: Inre lager för signalrouting
4. Lager 4: Inre lager för signalrouting eller effektplan
5. Lager 5: Referensplan (kraft- eller jordlager)
6. Lager 6 (nedersta lagret): Skikt för montering och dirigering av komponenter

Denna lagerstruktur utnyttjar till fullo fördelarna med 6-lagers kretskort och ger kompletta referensplan och optimerade returvägar för höghastighetssignaler.

Jämförelse av tre huvudsakliga stackup-lösningar

Beroende på applikationskraven har 6-lagers mönsterkort huvudsakligen tre staplingsmetoder:

Lösning 1: Symmetrisk layout (prioritering av signalskikt)

Lager 1: Signal (överst)
Lager 2: Jord
Lager 3: Signal
Lager 4: Ström
Lager 5: Signal
Lager 6: Jord (nederst)

Egenskaper:

• Identisk referensplansstruktur över och under mellanlagren
• Utmärkt signalintegritetsprestanda
• Används ofta i blandade digitala, analoga och RF-konstruktioner
• Hög routingdensitet lämplig för komplexa konstruktioner

Lösning 2: Asymmetrisk layout (effektoptimerad)

Lager 1: Signal (överst)
Lager 2: Jord
Lager 3: Signal
Lager 4: Ström
Lager 5: Ström
Lager 6: Jord (nederst)

Egenskaper:

• Möjliggör uppdelning av kraftplanet i flera regioner
• Ett oavbrutet jordplan kan påverka signalkvaliteten
• Lämplig för konstruktioner som kräver komplex strömdistribution
• Relativt lägre kostnad men något sämre EMC-prestanda

Lösning 3: Hybridlayout (signalintegritetsprioritet)

Lager 1: Signal (överst)
Lager 2: Jord
Lager 3: Signal
Lager 4: Jord
Lager 5: Ström
Lager 6: Jord (nederst)

Egenskaper:

• Varje signalskikt har ett angränsande referensplan
• Tät koppling mellan kraft- och jordlager
• Optimal miljö för överföring av höghastighetssignaler
• Offrar vissa routningslager för bättre SI-prestanda

Gyllene regler för stackup-design

1. Signalskiktets angränsning till referensplan: Se till att varje signalskikt har minst ett intilliggande komplett referensplan (GND eller Power) för att tillhandahålla returvägar med låg impedans för höghastighetssignaler.
2. Princip för parning av Power-Ground-plan: Placera ström- och jordlager på intilliggande lager (typiskt 0,1-0,2 mm avstånd) för att skapa en naturlig avkopplingskapacitet och minska strömbruset.
3. Symmetrisk design: Behåll symmetrin i staplingen där så är möjligt för att förhindra att korten vrids på grund av ojämna värmeutvidgningskoefficienter.
4. Skydd av kritiska signalskikt: Förlägga de känsligaste höghastighetssignalerna till de inre lagren (lager 3/4) och använda de yttre lagren för naturlig avskärmning.

ProffstipsFör höghastighetskonstruktioner på GHz-nivå rekommenderas Solution 3 stackup. Även om det innebär att ett routningslager offras, ger det optimal signalintegritet och EMC-prestanda.

Beräkning av tjocklek och materialval för 6-lagers mönsterkort

Kretskortets totala tjocklek är en parameter som måste bestämmas tidigt i konstruktionen och som direkt påverkar valet av kontaktdon, mekanisk styrka och slutproduktens tjocklek.

Tjocklek Sammansättning Faktorer

Tre primära faktorer avgör den totala tjockleken på ett 6-lagers mönsterkort:

• Kopparskiktets tjocklek:

• 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

• Dielektrisk skikttjocklek:

• Typical values: 8-14mil (200-350μm)/layer
• Material: FR4: FR4, höghastighetsmaterial (t.ex. Rogers, Isola)
• Tunnare dielektrikum hjälper till att minska överhörning mellan skikten

• Lamineringsprocess:

• 2 pressningscykler: Först pressas de nedre 3 lagren, sedan de övre 3 lagren
• 3 pressningscykler:Pressa 2 lager varje gång för mer exakt tjocklekskontroll till en högre kostnad

Typiskt exempel på tjocklek på 6-lagers kretskort

Nedan visas en tjockleksfördelning för ett symmetriskt utformat 6-lagers mönsterkort:

Guide för val av dielektriskt material

Vanliga dielektriska material för 6-lagers mönsterkort är bl.a:

• Standard FR4:

• Bästa förhållandet mellan kostnad och prestanda
• Tg value 130-140℃
• Lämplig för de flesta konsumentprodukter

• Höghastighets FR4 (t.ex. Isola FR408, Panasonic Megtron6):

• Mer stabila Dk/Df-värden
• Lämplig för signaler på GHz-nivå
• 30-50% högre kostnad än standard FR4

• Specialiserade material (t.ex. Rogers RO4350B):

• Ultra-låg förlust
• För millimetervågstillämpningar
• 5-10 gånger högre kostnad än FR4

Överväganden om materialval:

• Signalfrekvens: >5GHz rekommenderar höghastighetsmaterial
• Budget:Höghastighetsmaterial ökar BOM-kostnaden avsevärt
• Termisk prestanda:Material med högt Tg passar för miljöer med höga temperaturer
• Bearbetningssvårigheter:Vissa högfrekventa material kräver speciella processer

Processflöde för tillverkning av 6-lagers mönsterkort

Tillverkning av 6-lagers mönsterkort är en exakt och komplex process som omfattar flera kritiska steg:

1. Design och teknisk förberedelse

• Komplett schematisk design och layout-routing
• Bestämning av lagerstruktur och materialspecifikationer
• Utföra kontroll av konstruktionsregler (DRC) och signalintegritetsanalys
• Generera Gerber-, drill- och nätlistfiler

Viktig punkt: Kommunicera stackup-lösningen med tillverkaren i ett tidigt skede för att säkerställa att konstruktionen överensstämmer med fabrikens kapacitet.

2.Mönsteröverföring för inre lager

1. Rengöring av kopparpläterat laminat: Avlägsnar ytoxider och föroreningar
2. TorrfilmslamineringApplicera ljuskänslig torrfilm på kopparytan
3. ExponeringÖverför kretsmönster till torr film med hjälp av laser eller fotoplotter
4. UtvecklingLös upp oexponerade torra filmområden
5. EtsningTa bort oskyddad koppar
6. Strippning: Ta bort kvarvarande torr film för att bilda inre lagerkretsar

3.Lamineringsprocess

1. Justering av lager: Rikta in skikten i sekvens med prepreg emellan
2. Förlaminering: Initial bindning vid låg temperatur och lågt tryck
3. Varmpressning: Complete curing at high temperature (180-200℃) and pressure
4. Kylning och formning: Kontrollera kylhastigheten för att förhindra skevhet

4.Borrning och metallisering av hål

1. Mekanisk borrningBorra genomgående hål med hårdmetallborrkronor
2. Avsmältning: Avlägsna hartsrester från hålväggar
3. Elektrolös kopparbeläggning: Deposit a 0.3-0.5μm copper layer on the hole walls
4. Elektroplätering: Thicken the hole copper to 25-30μm

5.Överföring av mönster för yttre lager

Processen liknar de inre lagren, men är mer detaljerad:

• Det yttre folielagret är tjockare (vanligtvis 1 oz)
• Högre krav på linjebredd/utrymmeskontroll
• Måste ta hänsyn till lödmaskens öppning och ytfinish

6.Ytfinish och slutbearbetning

1. Applicering av lödmask: Skydda områden som inte är lödningsbara
2. YtfinishBland alternativen finns HASL, ENIG, OSP etc.
3. SilkscreentryckLägg till komponentbeteckningar och märkningar
4. Konturbearbetning: Fräsning av brädkanter, V-skärning
5. Elektrisk provning: Test av öppna/korta förbindelser och impedansmätning

Tekniker för optimering av signalintegritet

Kärnutmaningen i 6-lagers PCB-design ligger i att säkerställa signalintegritet med hög hastighet.Nedan följer viktiga optimeringsstrategier:

1. Design av impedansreglering

• Använd fältlösningsverktyg (t.ex. Polar SI9000) för att göra korrekta beräkningar:
• Impedans för mikrostrip (yttre lager)
• Stripline (inre lager) impedans
• Differentiell parimpedans
• Typiska impedansvärden:
• Single-ended: 50Ω
• Differential: 100Ω (USB, PCIe, etc.)

Grundläggande design:

• Upprätthålla konsekvent spårbredd
• Avoid right-angle turns (use 45° or curves)
• Match differential pair lengths (±5mil tolerance)

2.Optimering av effektintegritet

• PDN-design med låg impedans:

• Använd tunna dielektrika (3-4mil) för att förbättra kopplingen mellan kraft- och jordplan
• Korrekt placerade avkopplingskondensatorer (kombination av stora och små värden)

• Tekniker för segmentering av plan:

• Undvik signalspår som korsar delade områden
• Säkerställ tillräcklig frikoppling för varje effektdomän
• Använd “island”-segmentering för känslig analog kraft

3.Strategier för EMC-konstruktion

• Skärmning mellan skikt:

• Dirigera höghastighetssignaler i de inre lagren (lager 3/4)
• Utnyttja yttre markplan för avskärmning

• Kantbehandling:

• Place ground vias every λ/20 spacing
• Håll känsliga signaler borta från kortets kanter (>3 mm)

• Zonindelning Layout:

• Strikt åtskillnad mellan digitala och analoga områden
• Isolera högfrekventa kretsar

6-lagers PCB vs 4-lagers PCB: Hur man väljer?

När ska man välja ett 4-lagers kretskort?

• Konstruktioner med medelhög och låg komplexitet
• Smaller board size (<150cm²)
• Signalhastigheter <1Gbps
• Kostnadskänsliga projekt
• Endast 2-3 huvudkraftdomäner

När ska man uppgradera till 6-lagers PCB?

• Behov av sammankopplingar med hög densitet (t.ex. BGA-komponenter)
• Flera kraftsystem (>3 spänningsdomäner)
• Höghastighetssignaler (>2Gbps)
• Blandsignalkonstruktioner (analog+digital+RF)
• Stränga EMC-krav
• Bättre behov av termisk hantering

Kostnadsjämförelse: 6-lagers kort kostar normalt 30-50% mer än 4-lagers kort, men en optimerad stackupdesign kan minska kortstorleken och delvis kompensera för kostnadsökningen.

Rekommendationer för professionell design och vanliga frågor

Checklista för design

1. Är stackupsymmetri rimlig?
2. Har varje signalskikt ett angränsande referensplan?
3. Är avståndet mellan ström- och jordplan tillräckligt litet?
4. Undviker kritiska signaler att korsa delade områden?
5. Stämmer impedansberäkningen överens med tillverkarens process?
6. Have manufacturing tolerances (±10%) been considered?

Vanliga frågor och svar

F1: Hur väljer man dielektriska material för 6-lagers kort?

A1: Tänk på dessa faktorer:

• Signalfrekvens: Hög frekvens kräver material med låg Df
• Termisk prestanda:Material med högt Tg för miljöer med höga temperaturer
• Budget:Höghastighetsmaterial ökar kostnaden avsevärt
• Bearbetningssvårigheter:Vissa material kräver speciella processer

F2: Hur bestämmer man tjockleken på ett dielektriskt lager?

A2: Grunda beslutet på:

• Krav på målimpedans
• Krav på spänningshållfasthet mellan skikten
• Tillverkarens processkapacitet
• Begränsningar av total tjocklek
• Krav på signalisolering

F3: Vilka är de vanligaste misstagen vid design av 6-lagers kort?

A3: De vanligaste misstagen inkluderar:

1. Diskontinuerliga referensplan
2. Höghastighetssignaler som korsar delade områden
3. För stort avstånd mellan strömförsörjning och jordplan
4. Försummelse av design av returväg
5. Felaktiga impedansberäkningar

Professionell Tillverkning av kretskort Rekommendation för service

För kretskort med 6 lager och högre är det avgörande att välja en erfaren tillverkare. Vi rekommenderar att man överväger tjänster med:

✅ 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)

Få en omedelbar offert för tillverkning av 6-lagers mönsterkort: Skicka in dina krav

Design av 6-lagers mönsterkort är en komplex teknisk uppgift som kräver omfattande hänsyn till signalintegritet, effektintegritet, EMC-prestanda och tillverkningskostnader. Genom att använda ett rimligt staplingsschema (t.ex. det rekommenderade schema 3), exakt impedansstyrning och optimerade routingstrategier kan prestandafördelarna med 6-lagers kretskort utnyttjas fullt ut.