فرآیند تولید PCB چند لایه: راهنمای گام به گام و چالش‌های نمونه‌سازی اولیه

تصاویر تایید شده توسط مشتری

بردهای مدار چاپی چند لایه (PCB) ستون فقرات الکترونیک مدرن هستند و طراحی‌های فشرده و با کارایی بالا را در تلفن‌های هوشمند، دستگاه‌های پزشکی، وسایل نقلیه الکتریکی (EV) و زیرساخت‌های 5G امکان‌پذیر می‌کنند. بر خلاف PCBهای تک لایه یا دو لایه، بردهای چند لایه 4 تا 40+ لایه مسی رسانا را که توسط مواد عایق دی‌الکتریک از هم جدا شده‌اند، روی هم قرار می‌دهند و اندازه دستگاه را به شدت کاهش می‌دهند و در عین حال سرعت سیگنال و توانایی تحمل توان را افزایش می‌دهند.

پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی PCB چند لایه تا سال 2028 به 85.6 میلیارد دلار (Grand View Research) برسد که ناشی از تقاضا برای EV و 5G است. با این حال، ساخت این بردها بسیار پیچیده‌تر از PCBهای استاندارد است و به تراز دقیق، مواد تخصصی و آزمایش‌های دقیق نیاز دارد. این راهنما فرآیند تولید PCB چند لایه را تشریح می‌کند، چالش‌های نمونه‌سازی را برجسته می‌کند و توضیح می‌دهد که چگونه بر آنها غلبه کنید، با تمرکز بر بهترین شیوه‌های صنعت و بینش‌های مبتنی بر داده.

نکات کلیدی
1. PCBهای چند لایه (4+ لایه) حجم دستگاه را 40 تا 60 درصد کاهش می‌دهند و یکپارچگی سیگنال را 30 درصد در مقایسه با طرح‌های دو لایه بهبود می‌بخشند و آنها را برای برنامه‌های با سرعت بالا (25 گیگابیت بر ثانیه+) و توان بالا (10 آمپر+) ضروری می‌سازند.
2. فرآیند تولید به 7 مرحله حیاتی نیاز دارد: طراحی/انتخاب مواد، تراز/لمیناسیون لایه، اچ کردن، حفاری، آبکاری، پرداخت سطح و تست کیفیت - هر کدام با تلرانس‌های سختگیرانه (±5 میکرومتر برای تراز لایه).
3. چالش‌های نمونه‌سازی شامل عدم تراز لایه (که باعث 20 درصد از خرابی‌های نمونه اولیه می‌شود)، ناسازگاری مواد (که بر 15 درصد از بردها تأثیر می‌گذارد) و دید محدود آزمایش (پنهان کردن 30 درصد از نقص‌های لایه داخلی) است.
4. تولیدکنندگان پیشرفته‌ای مانند LT CIRCUIT از حفاری لیزری (کاهش زمان تولید تا 40 درصد) و بازرسی نوری خودکار (AOI) (کاهش نقص‌ها به <1%) برای ساده‌سازی تولید استفاده می‌کنند.

فرآیند تولید PCB چند لایه
تولید PCB چند لایه یک گردش کار متوالی و دقیق است که مواد خام را به مدارهای لایه‌ای کاربردی تبدیل می‌کند. هر مرحله بر اساس مرحله قبلی ساخته می‌شود - اشتباهات در مراحل اولیه (به عنوان مثال، عدم تراز) به خرابی‌های پرهزینه در مراحل بعدی منجر می‌شود. در زیر یک تجزیه و تحلیل دقیق آمده است:

1. طراحی و انتخاب مواد: بنیاد موفقیت
اولین گام عملکرد، قابلیت ساخت و هزینه برد را تعریف می‌کند. این شامل دو کار اصلی است:

طراحی Stack-Up
مهندسان یک طرح «stack-up» ایجاد می‌کنند که نقشه‌برداری می‌کند:

الف. تعداد لایه‌ها: 4 تا 12 لایه برای اکثر برنامه‌های تجاری (به عنوان مثال، 6 لایه برای تلفن‌های هوشمند، 12 لایه برای ایستگاه‌های پایه 5G).
ب. عملکرد لایه: کدام لایه‌ها سیگنال، توان یا زمین هستند (به عنوان مثال، «سیگنال-زمین-توان-زمین-سیگنال» برای بردهای 5 لایه).
ج. کنترل امپدانس: برای سیگنال‌های پرسرعت حیاتی است - ردیابی‌ها برای حفظ 50 اهم (تک سر) یا 100 اهم (جفت‌های دیفرانسیل) اندازه می‌شوند.

قانون کلیدی: هر لایه سیگنال را با یک صفحه زمین مجاور جفت کنید تا تداخل متقابل را 50 درصد کاهش دهید.

انتخاب مواد
مواد بر اساس استفاده مورد نظر برد (به عنوان مثال، دما، فرکانس، توان) انتخاب می‌شوند. جدول زیر گزینه‌های رایج را مقایسه می‌کند:

مثال: یک PCB اینورتر EV از یک stack-up 10 لایه با هسته FR4 (Tg 170 درجه سانتی‌گراد)، لایه‌های مسی 2 اونس و FR4 prepreg استفاده می‌کند - تعادل هزینه و مقاومت در برابر حرارت (دمای عملیاتی 150 درجه سانتی‌گراد).

2. تراز و لمیناسیون لایه: اتصال لایه‌ها با دقت
لمیناسیون لایه‌های مسی و مواد دی‌الکتریک را به یک برد واحد و سفت و سخت متصل می‌کند. عدم تراز در اینجا فاجعه‌بار است - حتی ±10 میکرومتر می‌تواند اتصالات الکتریکی را بشکند.

لمیناسیون گام به گام
1. برش Prepreg: ورقه‌های prepreg (فایبرگلاس آغشته به رزین) برای مطابقت با اندازه هسته برش داده می‌شوند.
2. ساخت Stack: لایه‌ها به ترتیب طراحی شده (به عنوان مثال، مس → prepreg → هسته → prepreg → مس) با استفاده از پین‌های ابزار برای تراز اولیه روی هم قرار می‌گیرند.
3. پرس خلاء: پشته در یک پرس قرار می‌گیرد که اعمال می‌کند:
الف. دما: 170 تا 180 درجه سانتی‌گراد (رزین prepreg را پخت می‌کند).
ب. فشار: 300 تا 500 psi (حباب‌های هوا را از بین می‌برد).
ج. زمان: 60 تا 90 دقیقه (بسته به تعداد لایه‌ها متفاوت است).
4. خنک‌سازی: برد تا دمای اتاق (25 درجه سانتی‌گراد) خنک می‌شود تا از تاب خوردن جلوگیری شود.

تلرانس بحرانی: تراز لایه باید ±5 میکرومتر باشد (از طریق سیستم‌های تراز نوری به دست می‌آید) تا با استانداردهای IPC-6012 برای PCBهای چند لایه مطابقت داشته باشد.

مشکل رایج: stack-up های نامتعادل (به عنوان مثال، مس بیشتر در یک طرف) باعث تاب خوردن می‌شوند. راه‌حل: از تعداد لایه‌های متقارن استفاده کنید (به عنوان مثال، 6 لایه به جای 5).

3. اچ کردن: ایجاد ردیابی مدار
اچ کردن مس ناخواسته را از لایه‌ها حذف می‌کند تا ردیابی‌های رسانا ایجاد شود. برای PCBهای چند لایه، لایه‌های داخلی ابتدا اچ می‌شوند، سپس لایه‌های بیرونی پس از لمیناسیون.

فرآیند اچ کردن
1. استفاده از فتو رزیست: یک فیلم حساس به نور روی لایه‌های مسی اعمال می‌شود.
2. نوردهی: نور UV از طریق یک فتوماسک (شابلون طراحی مدار) تابیده می‌شود و فتو رزیست را در مناطق ردیابی سخت می‌کند.
3. توسعه: فتو رزیست سخت نشده شسته می‌شود و مس را برای اچ کردن در معرض دید قرار می‌دهد.
4. اچ کردن: برد در یک ماده اچ کننده (به عنوان مثال، پرسولفات آمونیوم) غوطه‌ور می‌شود که مس در معرض دید را حل می‌کند.
5. حذف رزیست: فتو رزیست باقی‌مانده حذف می‌شود و ردیابی‌های نهایی را نشان می‌دهد.

بررسی کیفیت: بازرسی نوری خودکار (AOI) عرض و فاصله ردیابی را تأیید می‌کند - رد کردن بردها با انحراف >10٪ از مشخصات طراحی.

4. حفاری و ایجاد Via: اتصال لایه‌ها
Via (سوراخ‌ها) لایه‌های مسی را به هم متصل می‌کنند و تداوم الکتریکی را در سراسر برد امکان‌پذیر می‌کنند. PCBهای چند لایه از سه نوع via استفاده می‌کنند:

فرآیند حفاری
1. حفاری لیزری: برای vias blind/buried (0.05 تا 0.2 میلی‌متر) استفاده می‌شود، حفاری لیزری به دقت ±2 میکرومتر می‌رسد و از آسیب رساندن به لایه‌های داخلی جلوگیری می‌کند.
2. حفاری مکانیکی: برای through-hole (0.2 تا 0.5 میلی‌متر) استفاده می‌شود، مته‌های CNC با سرعت 10000+ دور در دقیقه برای سرعت کار می‌کنند.
3. Back Drilling: استاب‌های via استفاده نشده (باقی مانده از حفاری through-hole) را حذف می‌کند تا انعکاس سیگنال را در طرح‌های پرسرعت (25 گیگابیت بر ثانیه+) کاهش دهد.

نقطه داده: حفاری لیزری نقص‌های مرتبط با via را 35 درصد در مقایسه با حفاری مکانیکی برای میکروویاها (<0.1 میلی‌متر) کاهش می‌دهد.

5. آبکاری: اطمینان از رسانایی
آبکاری دیواره‌های via و ردیابی‌های مسی را با یک لایه نازک از فلز می‌پوشاند تا رسانایی را افزایش داده و از خوردگی جلوگیری کند.

مراحل کلیدی آبکاری
الف. Desmearing: مواد شیمیایی (به عنوان مثال، پرمنگنات) باقیمانده اپوکسی را از دیواره‌های via حذف می‌کنند و از چسبندگی فلز اطمینان حاصل می‌کنند.
ب. آبکاری مس بدون الکترولیز: یک لایه نازک مس (0.5 تا 1 میکرومتر) بدون برق روی دیواره‌های via رسوب می‌کند - ایجاد یک پایه رسانا.
ج. آبکاری الکتریکی: برد در یک حمام سولفات مس غوطه‌ور می‌شود و جریان اعمال می‌شود تا مس (15 تا 30 میکرومتر) روی ردیابی‌ها و vias ضخیم شود.
د. آبکاری اختیاری: برای برنامه‌های با قابلیت اطمینان بالا، نیکل (2 تا 5 میکرومتر) یا طلا (0.05 تا 0.1 میکرومتر) اضافه می‌شود تا قابلیت لحیم‌کاری را بهبود بخشد.

6. پرداخت سطح: محافظت از برد
پرداخت سطح، مس در معرض دید را از اکسیداسیون محافظت می‌کند و قابلیت لحیم‌کاری را بهبود می‌بخشد. انتخاب به هزینه، کاربرد و طول عمر بستگی دارد:

مثال: یک PCB ایستگاه پایه 5G از ENIG برای حفظ یکپارچگی سیگنال و مقاومت در برابر خوردگی در فضای باز استفاده می‌کند.

7. تضمین کیفیت و آزمایش: تأیید عملکرد
PCBهای چند لایه به آزمایش‌های دقیقی نیاز دارند تا نقص‌های پنهان (به عنوان مثال، اتصال کوتاه لایه داخلی) را شناسایی کنند. در زیر مهم‌ترین آزمایش‌ها آمده است:

داده‌ها: آزمایش جامع نرخ خرابی میدانی را از 10٪ (بدون آزمایش) به <1٪ (تست کامل) کاهش می‌دهد.

چالش‌های نمونه‌سازی در PCBهای چند لایه
نمونه‌سازی PCBهای چند لایه بسیار پیچیده‌تر از بردهای تک لایه است - با 30٪ از نمونه‌های اولیه به دلیل مشکلات قابل اجتناب شکست می‌خورند. در زیر چالش‌های اصلی و راه‌حل‌ها آمده است:
1. عدم تراز لایه
الف. علت: سایش پین ابزار، جریان رزین prepreg ناهموار یا تاب خوردن برد در حین لمیناسیون.
ب. تأثیر: اتصالات شکسته، اتصال کوتاه و 20٪ از خرابی‌های نمونه اولیه.
ج. راه‌حل:
از سیستم‌های تراز نوری (دقت ±2 میکرومتر) به جای پین‌های ابزار مکانیکی استفاده کنید.
پانل‌های آزمایشی کوچک را از قبل لمینیت کنید تا تراز را قبل از تولید کامل تأیید کنید.
stack-up های متقارن را انتخاب کنید (به عنوان مثال، 6 لایه) تا تاب خوردن به حداقل برسد.

2. ناسازگاری مواد
الف. علت: تغییرات در ثابت دی‌الکتریک (Dk) یا ضخامت مس از تامین‌کنندگان؛ جذب رطوبت در prepreg.
ب. تأثیر: از دست رفتن سیگنال (25٪ بالاتر در 28 گیگاهرتز)، اچ کردن ناهموار و چسبندگی ضعیف لایه.
ج. راه‌حل:
مواد را از تامین‌کنندگان دارای گواهی ISO 9001 (به عنوان مثال، Rogers، Isola) با تلرانس‌های Dk سخت (±5٪) تهیه کنید.
مواد ورودی را آزمایش کنید: Dk را با یک آنالایزر شبکه اندازه‌گیری کنید. ضخامت مس را با یک میکرومتر بررسی کنید.
prepreg را در یک محیط خشک (≤50٪ RH) نگهداری کنید تا از جذب رطوبت جلوگیری شود.

3. دید محدود آزمایش
الف. علت: لایه‌های داخلی از بازرسی بصری پنهان هستند؛ میکروویاها برای کاوش دستی بسیار کوچک هستند.
ب. تأثیر: 30٪ از نقص‌های لایه داخلی (به عنوان مثال، اتصال کوتاه) تا مونتاژ نهایی شناسایی نمی‌شوند.
ج. راه‌حل:
از بازرسی با اشعه ایکس برای لایه‌های داخلی و vias استفاده کنید - حفره‌های به کوچکی 5 میکرومتر را تشخیص می‌دهد.
تست پروب پرنده را برای تداوم الکتریکی پیاده‌سازی کنید - 1000+ نقطه در دقیقه را آزمایش می‌کند.
نقاط تست را به لایه‌های داخلی (از طریق vias blind) اضافه کنید تا اشکال‌زدایی آسان‌تر شود.

4. محدودیت‌های هزینه و زمان
الف. علت: نمونه‌های اولیه چند لایه به ابزارهای تخصصی (مته‌های لیزری، دستگاه‌های اشعه ایکس) نیاز دارند؛ اندازه‌های دسته کوچک (10 تا 50 واحد) هزینه‌های هر واحد را افزایش می‌دهد.
ب. تأثیر: نمونه‌سازی 3 تا 5 برابر بیشتر از PCBهای استاندارد هزینه دارد؛ زمان تحویل به 2 تا 3 هفته افزایش می‌یابد.
ج. راه‌حل:
نمونه‌های اولیه اولیه را ساده کنید: از 4 لایه به جای 6 استفاده کنید؛ در صورت امکان از میکروویاها اجتناب کنید.
با تولیدکنندگانی که نمونه‌سازی «سریع» (5 تا 7 روز) ارائه می‌دهند، همکاری کنید تا زمان تحویل را کاهش دهید.
دسته‌های کوچک را در یک پانل واحد ترکیب کنید تا هزینه‌های راه‌اندازی را کاهش دهید.

تخصص LT CIRCUIT در تولید PCB چند لایه
LT CIRCUIT چالش‌های تولید و نمونه‌سازی را با فناوری پیشرفته و کنترل فرآیند برطرف می‌کند و آن را به یک شریک مورد اعتماد برای برنامه‌های با قابلیت اطمینان بالا تبدیل می‌کند:
1. تجهیزات تولید پیشرفته
الف. حفاری لیزری: از مته‌های لیزری UV برای میکروویاهای 0.05 تا 0.2 میلی‌متری استفاده می‌کند و زمان تولید را 40٪ و نقص‌های via را 35٪ کاهش می‌دهد.
ب. لمیناسیون خودکار: سیستم‌های تراز نوری (±2 میکرومتر) دقت لایه را تضمین می‌کنند؛ پرس‌های خلاء حباب‌های هوا را از بین می‌برند.
ج. ادغام AOI + اشعه ایکس: 100٪ از بردها تحت آزمایش AOI (نقص‌های سطح) و اشعه ایکس (لایه‌های داخلی) قرار می‌گیرند و نقص‌ها را به <1٪ کاهش می‌دهند.

2. راه‌حل‌های نمونه‌سازی
الف. تکرار سریع: نمونه‌سازی سریع 5 تا 7 روزه را برای بردهای 4 تا 12 لایه ارائه می‌دهد، با بررسی‌های طراحی آنلاین برای شناسایی عدم تراز یا مشکلات مواد در مراحل اولیه.
ب. انعطاف‌پذیری مواد: مواد FR4، Rogers و پلی‌ایمید را ذخیره می‌کند تا از تاخیر در عرضه جلوگیری شود؛ stack-up ها را برای نیازهای منحصر به فرد سفارشی می‌کند (به عنوان مثال، PCBهای چند لایه انعطاف‌پذیر).
ج. پشتیبانی از اشکال‌زدایی: گزارش‌های تست دقیق (تصاویر اشعه ایکس، داده‌های پروب پرنده) را ارائه می‌دهد تا به مهندسان در شناسایی و رفع مشکلات نمونه اولیه کمک کند.

3. گواهینامه‌های کیفیت
LT CIRCUIT استانداردهای جهانی برای PCBهای چند لایه، از جمله موارد زیر را رعایت می‌کند:

الف. ISO 9001:2015 (مدیریت کیفیت).
ب. IPC-6012C (مشخصات عملکرد برای PCBهای چند لایه).
ج. UL 94 V-0 (مقاومت در برابر شعله برای مصارف مصرفی/صنعتی).
د. IATF 16949 (PCBهای درجه خودرو برای EV/ADAS).

سوالات متداول در مورد تولید PCB چند لایه
س: اکثر PCBهای چند لایه چند لایه دارند؟
پاسخ: برنامه‌های تجاری معمولاً از 4 تا 12 لایه استفاده می‌کنند. تلفن‌های هوشمند از 6 تا 8 لایه استفاده می‌کنند؛ ایستگاه‌های پایه 5G و اینورترهای EV از 10 تا 12 لایه استفاده می‌کنند؛ سیستم‌های هوافضا ممکن است از 20+ لایه استفاده کنند.

س: چرا PCBهای چند لایه گران‌تر از PCBهای تک لایه هستند؟
پاسخ: آنها به مواد بیشتری (مس، prepreg)، تجهیزات تخصصی (مته‌های لیزری، دستگاه‌های اشعه ایکس) و نیروی کار (تراز دقیق، آزمایش) نیاز دارند - 3 تا 5 برابر بیشتر از بردهای تک لایه هزینه دارد. با این حال، اندازه کوچکتر و عملکرد بهتر آنها اغلب هزینه‌های کل سیستم را کاهش می‌دهد.

س: آیا PCBهای چند لایه می‌توانند انعطاف‌پذیر باشند؟
پاسخ: بله - PCBهای چند لایه انعطاف‌پذیر از زیرلایه‌های پلی‌ایمید و مس نازک (1 اونس) استفاده می‌کنند و شعاع‌های خمشی به کوچکی 0.5 میلی‌متر را امکان‌پذیر می‌کنند. آنها در پوشیدنی‌ها (ساعت‌های هوشمند) و تلفن‌های تاشو رایج هستند.

س: چگونه تعداد لایه‌های مناسب را برای طراحی خود انتخاب کنم؟
پاسخ: از این قانون سرانگشتی استفاده کنید:

1. 4 لایه: طرح‌های کم مصرف و کم سرعت (به عنوان مثال، سنسورهای IoT).
2. 6 تا 8 لایه: طرح‌های پرسرعت (10 تا 25 گیگابیت بر ثانیه) یا متوسط ​​توان (5 تا 10 آمپر) (به عنوان مثال، تلفن‌های هوشمند، کنترل‌کننده‌های صنعتی).
3. 10+ لایه: طرح‌های پرقدرت (10 آمپر+) یا با فرکانس بالا (28 گیگاهرتز+) (به عنوان مثال، اینورترهای EV، ایستگاه‌های پایه 5G).

س: حداکثر دمای عملیاتی برای PCBهای چند لایه چقدر است؟
پاسخ: به زیرلایه بستگی دارد:

1. FR4 (Tg 170 درجه سانتی‌گراد): عملکرد مداوم 130 تا 150 درجه سانتی‌گراد.
2. Rogers RO4350 (Tg 280 درجه سانتی‌گراد): عملکرد مداوم 180 تا 200 درجه سانتی‌گراد.
3. پلی‌ایمید: -55 درجه سانتی‌گراد تا 200 درجه سانتی‌گراد (طرح‌های انعطاف‌پذیر).

نتیجه
تولید PCB چند لایه یک هنر دقیق است که تعادل بین پیچیدگی طراحی، علم مواد و کنترل فرآیند را حفظ می‌کند. از طراحی stack-up تا آزمایش نهایی، هر مرحله به توجه به جزئیات نیاز دارد - به خصوص برای برنامه‌های پرسرعت و پرقدرت مانند 5G و EV. چالش‌های نمونه‌سازی (عدم تراز، نقص‌های پنهان) با ابزارهای پیشرفته (حفاری لیزری، بازرسی با اشعه ایکس) و شرکای با تجربه مانند LT CIRCUIT قابل حل هستند.

از آنجایی که الکترونیک همچنان در حال کوچک شدن است و عملکرد بیشتری را طلب می‌کند، PCBهای چند لایه ضروری باقی خواهند ماند. با درک فرآیند تولید و بهترین شیوه‌ها، مهندسان می‌توانند بردهایی را طراحی کنند که کوچکتر، سریع‌تر و قابل اطمینان‌تر هستند - در حالی که هزینه‌ها و زمان تحویل را تحت کنترل دارند. چه در حال ساخت یک نمونه اولیه باشید و چه در حال مقیاس‌بندی برای تولید، سرمایه‌گذاری در PCBهای چند لایه با کیفیت، سرمایه‌گذاری در موفقیت محصول شما است.