Mehrschicht-PCB-Fertigungsprozess: Schritt-für-Schritt-Leitfaden und Herausforderungen beim Prototyping

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Mehrschichtige Leiterplatten (PCBs) bilden das Rückgrat der modernen Elektronik und ermöglichen die kompakten, leistungsstarken Designs von Smartphones, Medizinprodukten, Elektrofahrzeugen (EVs),und 5G-InfrastrukturIm Gegensatz zu Einzel- oder Doppelschicht-PCBs stapeln Mehrschichtplatten 4 ̊40+ leitfähige Kupferschichten, die durch isolierende dielektrische Materialien getrennt sind.drastische Verringerung der Gerätegröße bei gleichzeitiger Erhöhung der Signalgeschwindigkeit und des Leistungsmanagements.

Der globale Mehrschicht-PCB-Markt wird voraussichtlich bis 2028 (Grand View Research) 85,6 Milliarden US-Dollar erreichen, was auf die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und 5G zurückzuführen ist.Die Herstellung dieser Platten ist weitaus komplexer als bei Standard-PCBs, die eine präzise Ausrichtung erfordern.Dieser Leitfaden erläutert den Produktionsprozess für mehrschichtige Leiterplatten, stellt die Herausforderungen bei der Prototyping vor und erklärt, wie diese überwunden werden können.mit Schwerpunkt auf bewährten Verfahren der Branche und datenbasierten Erkenntnissen.

Wichtige Erkenntnisse
1.Mehrschichtliche Leiterplatten (4+ Schichten) reduzieren das Gerätemass um 40~60% und verbessern die Signalintegrität um 30% im Vergleich zu Doppelschichtkonstruktionen,sie für Hochgeschwindigkeits- (25Gbps+) und Hochleistungs- (10A+) Anwendungen unerlässlich machen.
2Der Produktionsprozeß erfordert 7 kritische Schritte: Design/Materialwahl, Schichtbereinigung/Lamination, Ätzen, Bohren, Plattieren, Oberflächenveredelung,und Qualitätsprüfungen mit strengen Toleranzen (± 5 μm für die Schichtausrichtung).
3.Die Herausforderungen bei der Prototyping umfassen eine Fehlausrichtung der Schichten (was 20% der Prototypenfehler verursacht), Materialinkonsistenzen (die 15% der Platten betreffen),und eingeschränkte Sichtbarkeit der Prüfungen (Verstecken von 30% der Fehler der inneren Schicht).
4.Vorgerückte Hersteller wie LT CIRCUIT verwenden Laserbohrungen (die die Produktionszeit um 40% verkürzen) und automatisierte optische Inspektionen (AOI) (die Defekte auf < 1% reduzieren), um die Produktion zu optimieren.

Der mehrschichtige PCB-Herstellungsprozess
Bei der Mehrschicht-PCB-Produktion handelt es sich um einen sequentiellen, präzisionsgesteuerten Arbeitsablauf, bei dem Rohstoffe in funktionelle, geschichtete Schaltkreise umgewandelt werden..Die Ergebnisse der Studie zeigen, daß die Ergebnisse der Untersuchung in den letzten Jahren in den meisten Fällen auf die folgenden Punkte zurückzuführen sind:

1Design und Materialwahl: Die Grundlage des Erfolgs
Der erste Schritt definiert die Leistung, Fertigungsfähigkeit und Kosten der Platine.

Konstruktion von Stapeln
Die Ingenieure erstellen einen "Stack-up"-Plan, der abbildet:

a.Schichtzahl: 4 ∼12 Schichten für die meisten kommerziellen Anwendungen (z. B. 6 Schichten für Smartphones, 12 Schichten für 5G-Basisstationen).
b.Schichtfunktion: Welche Schichten sind Signal, Leistung oder Erdung (z. B. “Signal-Ground-Power-Ground-Signal” für 5-Schicht-Boards).
c. Impedanzkontrolle: Kritisch für Hochgeschwindigkeitssignale. Die Spuren sind so ausgelegt, dass sie 50Ω (einfach) oder 100Ω (Differenzpaare) halten.

Schlüsselregel: Paaren Sie jede Signallage mit einer angrenzenden Bodenebene, um den Überschall um 50% zu reduzieren.

Auswahl des Materials
Die Materialien werden auf der Grundlage der beabsichtigten Verwendung der Platine (z. B. Temperatur, Frequenz, Leistung) ausgewählt.

Beispiel: Bei einem EV-Wechselrichter-PCB wird ein 10-Schicht-Stack-up mit FR4-Kern (Tg 170 °C), 2 Unzen Kupfer-Leistungsschichten und FR4-Prepreg ̇balancing-Kosten und Wärmewiderstand (Betriebstemperatur 150 °C) verwendet.

2. Schichtbereinigung & Lamination: Präzise Bindung von Schichten
Die Lamination verschmilzt Kupferschichten und dielektrische Materialien zu einer einzigen, starren Platte.

Schritt für Schritt Lamination
1.Prepreg-Schnitt: Bleche aus Prepreg (harzimpregnierte Glasfaser) werden auf die Kerngröße geschnitten.
2.Stack Building: Die Schichten werden in der entworfenen Reihenfolge gestapelt (z. B. Kupfer → Präpreg → Kern → Präpreg → Kupfer) mit Werkzeugpins für die anfängliche Ausrichtung.
3.Vakuumpressen: Der Stapel wird in eine Presse gelegt, die:
a.Temperatur: 170°C bis 180°C (heizt das Präpregharz).
b.Druck: 300 ∼ 500 psi (Luftschäume entfernt).
c.Zeit: 60 bis 90 Minuten (abhängig von der Anzahl der Schichten).
4Kühlung: Die Platte wird auf Raumtemperatur (25°C) gekühlt, um eine Verformung zu verhindern.

Kritische Toleranz: Die Schichtbereinigung muss ±5 μm (über optische Ausrichtungssysteme erreicht) betragen, um die IPC-6012-Normen für mehrschichtige PCB zu erfüllen.

Häufiges Problem: Ungleichgewichte Stapelungen (z. B. mehr Kupfer auf einer Seite) verursachen Verkrümmung.

3- Ätzen: Kreation von Schaltkreisspuren
Bei mehrschichtigen PCBs werden zuerst die inneren Schichten geätzt, dann die äußeren Schichten nach der Lamierung.

Prozess der Ätzung
1.Fotoresistante Anwendung: Auf Kupferschichten wird ein lichtempfindlicher Film aufgetragen.
2.Exposition: UV-Licht wird durch eine Photomaske projiziert (Schablone des Schaltkreislaufdesigns), wodurch der Photoresist in Spurenbereichen verhärtet wird.
3Entwicklung: Unverhärteter Photoresist wird weggewaschen, wodurch Kupfer zum Ätzen freigelegt wird.
4.Räuterei: Die Platte wird in ein Räutungsmittel (z. B. Ammoniumpersulfat) eingetaucht, das das freiliegende Kupfer auflöst.
5.Widerstandsentfernung: Restfotoresist entfernt und die letzten Spuren offenbart.

Qualitätskontrolle: Die automatisierte optische Inspektion (AOI) überprüft die Spurenbreite und den Abstand zwischen Ablehnplatten mit Abweichungen von > 10% der Konstruktionsspezifikationen.

4. Bohrungen und Schaffung: Verbindung von Schichten
Vias (Löcher) verbinden Kupferschichten und ermöglichen eine elektrische Kontinuität.

Bohrverfahren
1.Laserbohrung: Bei Blind-/Vergraben-Vias (0,05 ∼0,2 mm) erreicht die Laserdrohung eine Genauigkeit von ± 2 μm und vermeidet die Beschädigung der inneren Schichten.
2.Mechanische Bohrungen: Für Durchlöcher (0,2 ∼ 0,5 mm) verwendet, CNC-Bohrmaschinen arbeiten bei mehr als 10.000 Dreh/min für Geschwindigkeit.
3.Back Drilling: Entfernt die nicht verwendeten durch Stubs (links von der Durchbohrung) zur Verringerung der Signalreflexion bei Hochgeschwindigkeitskonstruktionen (25Gbps+).

Datenpunkt: Das Laserdrehen reduziert die mit der Übertragung verbundenen Defekte um 35% im Vergleich zum mechanischen Bohren für Mikrovia (< 0,1 mm).

5Plattierung: Sicherstellung der Leitfähigkeit
Beschichtung von Schichten über Wände und Kupferspuren mit einer dünnen Metallschicht, um die Leitfähigkeit zu erhöhen und Korrosion zu verhindern.

Schlüsselschritte
a. Entfleckung: Chemikalien (z. B. Permanganat) entfernen Epoxidrückstände über Wände und sorgen so für die Haftung von Metallen.
b.Elektrolose Kupferplattierung: Eine dünne Kupferschicht (0,5 μm) wird über Wände ohne Strom gelegt, wodurch eine leitfähige Basis entsteht.
c. Elektroplattierung: Die Platte wird in ein Kupfersulfatbad eingetaucht und Strom wird auf Spuren und Durchläufe auf verdicktes Kupfer (15-30μm) aufgetragen.
d. Optionales Plattieren: Für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit wird Nickel (2 ‰ 5 μm) oder Gold (0,05 ‰ 0,1 μm) zugesetzt, um die Schweißfähigkeit zu verbessern.

6Oberflächenbearbeitung: Schutz der Platte
Die Oberflächenveredelung schützt das exponierte Kupfer vor Oxidation und verbessert die Schweißfähigkeit.

Beispiel: Bei einer 5G-Basisstation verwendet ein PCB ENIG, um die Signalintegrität zu erhalten und der Korrosion im Außenbereich zu widerstehen.

7Qualitätssicherung und -prüfung: Leistungsüberprüfung
Mehrschicht-PCBs erfordern strenge Tests, um versteckte Defekte (z. B. Innenschichtshorts) zu erkennen.

Daten: Durch umfassende Prüfungen sinkt die Feldfehlerquote von 10% (keine Prüfung) auf < 1% (vollständige Prüfung).

Herausforderungen beim Prototyping von Mehrschicht-PCBs
Prototypen für mehrschichtige Leiterplatten sind wesentlich komplexer als für Einschichtplatten, wobei 30% der Prototypen aufgrund vermeidbarer Probleme scheitern.
1. Layer Fehlausrichtung
a. Ursache: Verkleidung der Werkzeugspinne, ungleichmäßiger Harzfluss oder Verformung der Platte während der Lamierung.
b.Einfluss: Unterbrochene Verbindungen, Kurzschlüsse und 20% der Prototypenfehler.
c. Lösung:
Verwendung optischer Ausrichtungssysteme (Genauigkeit ± 2 μm) anstelle von mechanischen Werkzeugpins.
Kleine Prüfplatten vorlaminieren, um die Ausrichtung vor der vollständigen Produktion zu validieren.
Wählen Sie symmetrische Stapelungen (z. B. 6 Schichten), um Verformungen zu minimieren.

2- Wesentliche Unstimmigkeiten
a.Ursache: Abweichungen der dielektrischen Konstante (Dk) oder der Kupferdicke bei den Lieferanten; Feuchtigkeitsabsorption im Prepreg.
b. Auswirkungen: Signalverlust (25% höher bei 28 GHz), ungleichmäßige Ätzung und schwache Schichtadhäsion.
c. Lösung:
Ausgangsmaterialien von ISO 9001-zertifizierten Lieferanten (z. B. Rogers, Isola) mit engen Dk-Toleranzen (± 5%).
Prüfen Sie eingehende Materialien: Messen Sie Dk mit einem Netzwerk-Analysator; überprüfen Sie die Kupferdicke mit einem Mikrometer.
Die Präpregs müssen in einer trockenen Umgebung (≤ 50% RH) aufbewahrt werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern.

3. Begrenzte Sichtbarkeit
a. Ursache: Die inneren Schichten sind für die visuelle Untersuchung verborgen; Mikrovia sind zu klein für manuelle Sondierung.
b.Einfluss: 30% der Mängel der inneren Schicht (z. B. der Unterhose) werden bis zur Endmontage nicht erkannt.
c. Lösung:
Bei der Untersuchung der inneren Schichten mit Röntgenstrahlen und bei Vias­Detektion von Hohlräumen von nur 5 μm.
Führen Sie Flugsonde-Tests für elektrische Kontinuität durch, die mehr als 1.000 Punkte pro Minute testen.
Für eine einfachere Fehlerbehebung werden Testpunkte an innere Schichten (über Blindvias) hinzugefügt.

4Kosten- und Zeitbeschränkungen
a.Ursache: Für Prototypen mit mehreren Schichten sind spezielle Werkzeuge erforderlich (Laserbohrmaschinen, Röntgenmaschinen); kleine Chargen (10-50 Einheiten) erhöhen die Kosten pro Einheit.
b.Wirkung: Die Kosten für die Prototypstellung sind 3 × 5 mal höher als für Standard-PCBs; die Vorlaufzeiten reichen auf 2 × 3 Wochen.
c. Lösung:
Vereinfachen Sie frühe Prototypen: Verwenden Sie 4 Schichten anstelle von 6; vermeiden Sie möglichst Mikrovia.
Partnerschaft mit Herstellern, die "schnelle" Prototypen (5-7 Tage) anbieten, um die Vorlaufzeit zu verkürzen.
Kleine Chargen zu einem einzigen Panel kombinieren, um die Einrichtungskosten zu senken.

LT CIRCUITs Expertise in der Produktion von mehrschichtigen PCBs
LT CIRCUIT befasst sich mit Herausforderungen bei der Herstellung und Prototyping mit fortschrittlicher Technologie und Prozesssteuerung und ist damit ein zuverlässiger Partner für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit:
1. Fortgeschrittene Produktionsanlagen
a.Laserbohrungen: UV-Laserbohrungen für 0,05 ∼0,2 mm Mikrovia, wodurch die Produktionszeit um 40% und durch Defekte um 35% verkürzt werden.
b.Automatisierte Lamination: Optische Ausrichtungssysteme (± 2 μm) gewährleisten die Schichtgenauigkeit; Vakuumpressen beseitigen Luftblasen.
c.AOI + Röntgenintegration: 100% der Platten werden AOI- (Oberflächenfehler) und Röntgen (innere Schichten) -Prüfungen unterzogen, wodurch die Mängel auf < 1% reduziert werden.

2. Prototypenlösungen
a.Schnelle Iteration: bietet 5 ‰ 7 Tage schnelles Prototyping für 4 ‰ 12 Schichtplatten mit Online-Designprüfungen, um Fehlausrichtung oder Materialprobleme frühzeitig zu erkennen.
b.Flexibilität der Materialien: Vorräte von FR4, Rogers und Polyimidmaterialien, um Lieferverzögerungen zu vermeiden; individuell angepasste Stapelungen für einzigartige Bedürfnisse (z. B. flexible mehrschichtige PCBs).
c. Debug-Unterstützung: Bereitstellung detaillierter Testberichte (Röntgenbilder, Daten von Flugsonden), um Ingenieuren bei der Identifizierung und Behebung von Prototypenproblemen zu helfen.

3. Qualitätszertifizierungen
LT CIRCUIT erfüllt die weltweiten Standards für mehrschichtige PCB, einschließlich:

a.ISO 9001:2015 (Qualitätsmanagement).
b.IPC-6012C (Leistungsspezifikationen für mehrschichtige PCB).
c.UL 94 V-0 (Flammbeminderung für Verbraucher/Industrie).
d.IATF 16949 (PCB für Elektrofahrzeuge/ADAS für Fahrzeuge).

Häufig gestellte Fragen zur Mehrschicht-PCB-Herstellung
F: Wie viele Schichten haben die meisten mehrschichtigen PCBs?
A: Kommerzielle Anwendungen verwenden typischerweise 4?12 Schichten. Smartphones verwenden 6?8 Schichten; 5G-Basisstationen und EV-Wechselrichter verwenden 10?12 Schichten; Luft- und Raumfahrtsysteme können 20+ Schichten verwenden.

F: Warum sind mehrschichtige PCBs teurer als einzelschichtige PCBs?
A: Sie benötigen mehr Materialien (Kupfer, Prepreg), spezialisierte Ausrüstung (Laserbohrmaschinen, Röntgenmaschinen) und Arbeitskräfte (präzise Ausrichtung, Prüfung) – kostend 3 – 5 mal mehr als einlagige Platten.Ihre kleinere Größe und bessere Leistung senken häufig die Gesamtkosten des Systems.

F: Können mehrschichtige PCBs flexibel sein?
A: Ja, flexible Mehrschicht-PCBs verwenden Polyimid-Substrate und dünnes Kupfer (1 Unze), wodurch ein Biegeradius von nur 0,5 mm möglich ist.

F: Wie wähle ich die richtige Schichtzahl für mein Design?
A: Verwenden Sie diese Faustregel:

1.4 Schichten: Niedrigleistungs- und schnelleren Konstruktionen (z. B. IoT-Sensoren).
2.6·8 Schichten: Hochgeschwindigkeits (10·25 Gbit/s) oder mittlere Leistung (5·10 A) (z. B. Smartphones, industrielle Steuerungen).
3.10+ Schichten: Hochleistungs- (10A+) oder Hochfrequenz- (28GHz+) Konstruktionen (z. B. EV-Wechselrichter, 5G-Basisstationen).

F: Was ist die maximale Betriebstemperatur für mehrschichtige PCBs?
A: Es hängt vom Substrat ab:

1.FR4 (Tg 170°C): Dauerbetrieb bei 130-150°C.
2.Rogers RO4350 (Tg 280°C): Dauerbetrieb bei 180~200°C.
3.Polyimid: -55°C bis 200°C (flexible Ausführungen).

Schlussfolgerung
Die Mehrschicht-PCB-Fertigung ist eine Präzisionskunst, die Designkomplexität, Materialwissenschaft und Prozesskontrolle in Einklang bringt.Jeder Schritt erfordert Liebe zum Detail, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsfahrten.Die Herausforderungen beim Prototyping (Fehler der Ausrichtung, versteckte Defekte) lassen sich mit fortschrittlichen Werkzeugen (Laserbohrungen,Röntgenuntersuchung) und erfahrenen Partnern wie LT CIRCUIT.

Da die Elektronik immer kleiner wird und mehr Leistung verlangt, werden mehrschichtige Leiterplatten weiterhin unerlässlich bleiben.Ingenieure können kleine Bretter entwerfen.Sie können sich auch mit der Erstellung eines Prototyps beschäftigen, um die Kosten und die Vorlaufzeiten zu kontrollieren.Investitionen in hochwertige Mehrschicht-PCBs sind Investitionen in den Erfolg Ihres Produktes.