6-kerroksisen PCB-pinoamisen suunnittelu ja valmistus

Elektroniset tuotteet kehittyvät nopeasti, ja painetut piirilevyt (PCB) ovat kehittyneet yksinkertaisista yksi- tai kaksikerroksisista rakenteista monimutkaisiksi monikerroksisiksi levyiksi, joissa on kuusi tai useampia kerroksia, jotta voidaan vastata komponenttitiheyden ja nopeiden yhteyksien kasvaviin vaatimuksiin.

Kuusikerroksiset piirilevyt tarjoavat insinööreille suurempaa reititysjoustavuutta, parempia kerrosten erottelumahdollisuuksia ja optimoituja ristikkäisiä piirinjakoratkaisuja. Hyvin suunniteltu kuusikerroksisen piirilevyn pinoamiskonfiguraatio, paksuuslaskenta, valmistusprosessi ja signaalin eheys ovat kriittisiä vaiheita tuotteen suorituskyvyn ja luotettavuuden parantamisessa.

6-kerroksisen PCB-pinon kokoonpano

Kuusi johtavaa kuparikerrosta monikerroksinen PCB on järjestettävä huolellisesti suunniteltuun järjestykseen ja erotettava toisistaan dielektrisillä materiaaleilla. Järkevä pinoamissuunnittelu on perusta signaalin eheyden, tehon eheyden ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden varmistamiselle.

Standardikerrosjärjestys ja toimintojen jakaminen

Tyypillinen 6-kerroksinen PCB-pinoaminen hyväksyy seuraavan kerrosrakenteen:

1. Kerros 1 (ylin kerros): Ensisijaisten laitteiden komponenttien asennuskerros ja osittainen reititys.
2. Kerros 2: Vertailutaso (tyypillisesti maadoituskerros GND)
3. Kerros 3: Sisempi signaalin reitityskerros
4. Kerros 4: Sisempi signaalin reitityskerros tai tehotaso
5. Kerros 5: Vertailutaso (teho- tai maadoituskerros)
6. Kerros 6 (alin kerros): Komponenttien kiinnitys- ja reitityskerros

Tässä kerroksellisessa rakenteessa hyödynnetään täysin 6-kerroslevyjen edut, jotka tarjoavat täydelliset vertailutasot ja optimoidut paluureitit nopeille signaaleille.

Kolmen tärkeimmän pinoamisratkaisun vertailu

Sovellusvaatimuksista riippuen 6-kerroksisilla piirilevyillä on ensisijaisesti kolme pinoamismenetelmää:

Ratkaisu 1: Symmetrinen asettelu (signaalikerroksen etusija)

Kerros 1: Signaali (ylhäällä)
Kerros 2: Maa
Kerros 3: Signaali
Kerros 4: Teho
Kerros 5: Signaali
Kerros 6: Maa (alhaalla)

Ominaisuudet:

• Identtinen vertailutasorakenne keskikerrosten ylä- ja alapuolella.
• Erinomainen signaalin eheys
• Käytetään laajalti digitaalisissa, analogisissa ja RF-sekoitussuunnitelmissa.
• Korkea reititystiheys soveltuu monimutkaisiin malleihin

Ratkaisu 2: Epäsymmetrinen asettelu (teho-optimoitu)

Kerros 1: Signaali (ylhäällä)
Kerros 2: Maa
Kerros 3: Signaali
Kerros 4: Teho
Kerros 5: Teho
Kerros 6: Maa (alhaalla)

Ominaisuudet:

• Mahdollistaa tehotasojen jakamisen useisiin alueisiin.
• Epäjatkuva maataso voi vaikuttaa signaalin laatuun.
• Soveltuu monimutkaista virranjakelua vaativiin malleihin
• Suhteellisesti alhaisemmat kustannukset, mutta hieman huonompi EMC-suorituskyky.

Ratkaisu 3: Hybridiasettelu (signaalin eheyden prioriteetti)

Kerros 1: Signaali (ylhäällä)
Kerros 2: Maa
Kerros 3: Signaali
Kerros 4: Maa
Kerros 5: Teho
Kerros 6: Maa (alhaalla)

Ominaisuudet:

• Kullakin signaalikerroksella on viereinen vertailutaso
• Tiivis kytkentä teho- ja maakerrosten välillä
• Optimaalinen suurnopeussignaalin siirtoympäristö
• Uhraa joitakin reitityskerroksia paremman SI-suorituskyvyn vuoksi.

Stackup-suunnittelun kultaiset säännöt

1. Signaalikerroksen vierekkäisyys viitetasojen kanssa: Varmista, että jokaisella signaalikerroksella on vähintään yksi viereinen täydellinen vertailutaso (GND tai Power), jotta nopeille signaaleille saadaan matalaimpedanssiset paluureitit.
2. Power-Ground Plane -pariliitoksen periaate: Järjestä virta- ja maadoituskerrokset vierekkäisille kerroksille (tyypillisesti 0,1-0,2 mm:n välein), jotta muodostuu luonnollinen purkauskapasitanssi ja vähennetään tehokohinaa.
3. Symmetrinen muotoilu: Säilytä symmetrinen pinoaminen mahdollisuuksien mukaan, jotta vältytään lämpölaajenemiskertoimien epäsuhtaisuudesta johtuvalta laudan vääntymiseltä.
4. Kriittisen signaalikerroksen suojaus: Reititä herkimmät suurnopeussignaalit sisempiin kerroksiin (kerrokset 3/4) ja käytä ulompia tasoja luonnolliseen suojaukseen.

Ammattilaisen vinkkiGHz-tason suurnopeussuunnittelussa suositellaan ratkaisun 3 pinoamista. Vaikka se uhraa yhden reitityskerroksen, se tarjoaa optimaalisen signaalin eheyden ja EMC-suorituskyvyn.

6-kerroksisen PCB-paksuuden laskeminen ja materiaalin valinta

Piirilevyn kokonaispaksuus on parametri, joka on määritettävä suunnittelun alkuvaiheessa ja joka vaikuttaa suoraan liittimen valintaan, mekaaniseen lujuuteen ja lopputuotteen paksuuteen.

Paksuus Koostumustekijät

Kolme ensisijaista tekijää määrittää 6-kerroksisen piirilevyn kokonaispaksuuden:

• Kuparikerroksen paksuus:

• Ulkokerroksen kalvo: Tyypillisesti 1 oz (35 μm), 0,5 oz korkeataajuuksisille sovelluksille
• Sisäkerroksen kalvo: 1oztai 0,5 oz (18μm)
• Tasokerrokset: Suositeltava paksuus 2oz(70 μm) suuremmallevirrankulutukselle

• Dielektrisen kerroksen paksuus:

• Tyypilliset arvot: 8–14 mil (200–350 μm)/kerros
• Materiaalit: FR4, nopeat materiaalit (esim. Rogers, Isola).
• Ohuemmat dielektriset aineet vähentävät kerrosten välistä ristikkäisviestintää.

• Laminointiprosessi:

• 2 puristusjaksoa: Paina ensin 3 alinta kerrosta, sitten 3 ylintä kerrosta.
• 3 puristusjaksoa:Paina 2 kerrosta joka kerta tarkempaa paksuuden säätöä varten korkeammilla kustannuksilla.

Tyypillinen 6-kerroksisen levyn paksuus esimerkki

Alla on symmetrisesti suunnitellun 6-kerroksisen piirilevyn paksuusjakauma:

Dielektrisen materiaalin valintaopas

Yleisiä 6-kerroksisten piirilevyjen dielektrisiä materiaaleja ovat:

• Standardi FR4:

• Paras hinta-laatusuhde
• Tg value 130-140℃
• Sopii useimpiin kuluttajatuotteisiin

• Nopea FR4 (esim. Isola FR408, Panasonic Megtron6):

• Vakaammat Dk/Df-arvot
• Soveltuu GHz-tason signaaleille
• 30-50 % kalliimpi kuin tavallinen FR4

• Erikoismateriaalit (esim. Rogers RO4350B):

• Erittäin pieni häviö
• Millimetriaaltosovelluksia varten
• 5-10 kertaa kalliimpi kuin FR4

Materiaalin valintaan liittyviä näkökohtia:

• Signaalin taajuus: >suosittelee nopeita materiaaleja.
• Talousarvio:Nopeat materiaalit lisäävät merkittävästi BOM-kustannuksia
• Lämpötehokkuus:Korkean Tg:n materiaalit sopivat korkeisiin lämpötiloihin.
• Käsittelyn vaikeus:Vaikeudet: Jotkin suurtaajuusmateriaalit vaativat erikoisprosesseja.

6-kerroksinen PCB-valmistusprosessin virtaus

6-kerroksisen piirilevyn valmistus on tarkka ja monimutkainen prosessi, johon kuuluu useita kriittisiä vaiheita:

1. Suunnittelu ja tekninen valmistelu

• Täydellinen kaavamainen suunnittelu ja asettelun reititys
• Määritä kerrosrakenne ja materiaalierittelyt
• Suorita suunnittelusääntöjen tarkistukset (DRC) ja signaalin eheyden analyysi.
• Gerber-, poraus- ja verkkolistatiedostojen luominen

Avainkohta: Kommunikoi pinoamisratkaisusta valmistajan kanssa varhaisessa vaiheessa varmistaaksesi, että suunnittelu on linjassa tehtaan valmiuksien kanssa.

2.Sisäkerroksen kuvion siirto

1. Kuparipintaisen laminaatin puhdistus: Pintaoksidien ja epäpuhtauksien poistaminen
2. Kuivan kalvon laminointiLevitä valoherkkä kuiva kalvo kuparin pinnalle.
3. AltistuminenSiirrä piirikuvio kuivalle kalvolle laserilla tai valokuvauslaitteella.
4. KehitysLiuottaa valottamattomat kuivat kalvoalueet
5. EtsausPoista suojaamaton kupari
6. Strippaus: Poista jäljellä oleva kuiva kalvo, jotta muodostuu sisäkerroksen virtapiirit.

3.Laminointiprosessi

1. Kerroksen kohdistus: Kohdista kerrokset peräkkäin, kun niiden välissä on prepregiä.
2. Esilaminointi: Alkuperäinen sitoutuminen alhaisessa lämpötilassa ja paineessa
3. Kuumapuristus: Täydellinen kovettuminen korkeassa lämpötilassa(180–200 °C) ja paineessa
4. Jäähdytys ja muotoilu: Jäähdytysnopeuden säätö vääntymisen estämiseksi

4.Poraus ja reiän metallointi

1. Mekaaninen porausPoraa läpivientireiät kovametalliporanterillä.
2. Desmearing: Poista hartsijäämät reikien seinämistä
3. Sähkösuojattu kuparin laskeutuminen: Kerrostetaan 0,3–0,5μm:n kuparikerrosreiän seinämiin.
4. Galvanointi: Paksunna kuparireikä25–30 μm:iin.

5.Ulomman kerroksen kuvion siirto

Prosessi samanlainen kuin sisäkerroksissa, mutta huomioiden:

• Ulomman kerroksen folio on paksumpi (tyypillisesti 1 oz).
• Korkeammat vaatimukset rivin leveyden ja välilyönnin valvonnalle
• On otettava huomioon juotosmaskin aukko ja pinnan viimeistely

6.Pintakäsittely ja loppukäsittely

1. Juotosmaskin käyttö: Suojaa muut kuin juotosalueet
2. Pinnan viimeistelyVaihtoehtoja ovat HASL, ENIG, OSP jne.
3. SilkkipainoLisää komponenttien tunnukset ja merkinnät
4. Kontuurin työstö: Levyn reunojen jyrsintä, V-leikkaus
5. Sähköinen testaus: Avointen/lyhytulkintojen testaus ja impedanssitestaus

Signaalin eheyden optimointitekniikat

6-kerroksisen piirilevysuunnittelun keskeinen haaste on varmistaa nopean signaalin eheys.Alla on esitetty keskeisiä optimointistrategioita:

1. Impedanssin ohjauksen suunnittelu

• Käytä kenttäratkaisutyökaluja (esim. Polar SI9000) tarkkojen laskelmien tekemiseen:
• Mikroliuskaimpedanssi (ulkokerros)
• Liuskajohdon (sisäkerros) impedanssi
• Differentiaaliparin impedanssi
• Tyypilliset impedanssiarvot:
• Yksipäinen: 50 Ω
• Differentiaali: 100 Ω (USB, PCIe jne.)

Suunnittelun perusteet:

• Säilytä johdonmukainen jäljen leveys
• Vältä suorakulmaisia käännöksiä (käytä 45°:n käännöksiä taikaarevia käännöksiä)
• Sovita eripituiset parit (±5 milin toleranssi)

2.Virran eheyden optimointi

• Low-Impedance PDN-suunnittelu:

• Käytä ohuita dielektrisiä aineita (3-4mil) tehon ja maatason kytkennän parantamiseksi.
• Oikea paikka kytkentäkondensaattoreille (suurten ja pienten arvojen yhdistelmä).

• Tason segmentointitekniikat:

• Vältä merkkijälkiä, jotka ylittävät jaetut alueet.
• Varmistetaan riittävä irrotus kutakin tehoaluetta varten.
• Käytä “island” -segmentointia herkkää analogista tehoa varten

3.EMC-suunnittelustrategiat

• Välikerroksen suojaus:

• Suurnopeussignaalien reititys sisemmissä kerroksissa (kerrokset 3/4).
• Hyödynnetään ulompia maatasoja suojaukseen.

• Reunan käsittely:

• Sijoita maadoitetut läpiviennit λ/20 välein
• Pidä herkät signaalit kaukana piirilevyn reunoista (> 3 mm).

• Kaavoitus Layout:

• Tiukasti erilliset digitaaliset/analogiset alueet
• Korkeataajuuspiirien eristäminen

6-kerroksinen PCB vs 4-kerroksinen PCB: Miten valita?

Milloin valita 4-kerroksinen PCB:

• Keskipitkän ja matalan monimutkaisuuden mallit
• Pienempilevyn koko (<150cm²)
• Signaalinopeudet <1Gbps
• Kustannusherkät hankkeet
• Vain 2-3 tärkeintä tehoaluetta

Milloin päivittää 6-kerroksiseen PCB:hen:

• Suuren liitäntätiheyden tarpeet (esim. BGA-komponentit).
• Useita tehojärjestelmiä (>3 jännitealuetta)
• Nopeat signaalit (>2 Gbps)
• Sekasignaalisuunnittelu (analoginen+digitaalinen+RF)
• Tiukat EMC-vaatimukset
• Parempi lämmönhallinta

Kustannusvertailu: 6-kerroksiset levyt maksavat tyypillisesti 30-50 % enemmän kuin 4-kerroksiset levyt, mutta optimoidulla pinoamissuunnittelulla voidaan pienentää levyn kokoa niin, että kustannusten nousu korvataan osittain.

Ammattimaisen suunnittelun suositukset ja usein kysytyt kysymykset

Suunnittelun tarkistuslista

1. Onko pinoamisen symmetria järkevää?
2. Onko jokaisella signaalikerroksella viereinen vertailutaso?
3. Onko tehon ja maatason väli riittävän pieni?
4. Vältetäänkö kriittisillä signaaleilla jaettujen alueiden ylittämistä?
5. Vastaako impedanssin laskenta valmistajan prosessia?
6. Onko valmistustoleranssit(±10 %) otettuhuomioon?

Usein kysytyt kysymykset

Q1: Miten valita dielektriset materiaalit 6-kerroksisille levyille?

A1: Ota huomioon nämä tekijät:

• Signaalin taajuus: Korkea taajuus edellyttää matalia Df-materiaaleja
• Lämpötehokkuus:Korkean Tg:n materiaalit korkean lämpötilan ympäristöihin.
• Talousarvio:Nopeat materiaalit nostavat kustannuksia merkittävästi
• Käsittelyn vaikeus:Jotkut materiaalit vaativat erityisiä prosesseja

Q2: Miten määritetään dielektrisen kerroksen paksuus?

A2: Päätöksenteon perustana:

• Kohdeimpedanssivaatimukset
• Kerrosten välisen jännitteen kestotarpeet
• Valmistajan prosessivalmiudet
• Kokonaispaksuutta koskevat rajoitukset
• Signaalin eristysvaatimukset

Kysymys 3: Mitkä ovat yleisimmät virheet 6-kerroksisen levyn suunnittelussa?

A3: Yleisimpiä virheitä ovat:

1. Epäjatkuvat vertailutasot
2. Jakautuneiden alueiden ylittävät suurnopeussignaalit
3. Liian suuri teho-maadoitustason etäisyys toisistaan
4. Paluureitin suunnittelun laiminlyönti
5. Epätarkat impedanssilaskelmat

Ammattilainen PCB-valmistus Palvelusuositus

Kokeneen valmistajan valinta on ratkaisevan tärkeää 6-kerroksisille ja sitä korkeammille piirilevyille. Suosittelemme harkitsemaan palveluja, joissa on:

✅ Ammattimainen monikerroksisten levyjenvalmistuskapasiteetti (jopa 30 kerrosta)
✅ ±7 % impedanssin säätötarkkuus
✅ Useitapintakäsittelyvaihtoehtoja (ENIG, OSP, upotettu hopea jne.)
✅ Ilmainen DFM-tarkistus ja tekninen tuki
✅ Nopea prototyyppien valmistus (jopa48tunnissa)

Hanki välitön 6-kerroksisen PCB-valmistuksen tarjous: Lähetä vaatimuksesi

6-kerroksisen piirilevyn suunnittelu on monimutkainen tekninen tehtävä, joka edellyttää signaalin eheyden, tehon eheyden, EMC-suorituskyvyn ja valmistuskustannusten kattavaa tarkastelua. Käyttämällä järkevää pinoamisjärjestelmää (kuten suositeltu järjestelmä 3), tarkkaa impedanssin hallintaa ja optimoituja reititysstrategioita voidaan 6-kerroslevyjen suorituskykyedut hyödyntää täysimääräisesti.