硬件工程師必讀：高多層PCB制造工藝指南

隨著電子設(shè)備向更高性能、更小尺寸的方向發(fā)展，其對PCB的精密度和性能要求也越來越高。

高多層PCB能夠提供更多的走線層，讓電路設(shè)計更加復(fù)雜和密集，從而滿足高頻高速傳輸?shù)男枨?。并且，高多層PCB還能實現(xiàn)更好的信號完整性和電磁兼容性。這對于5G通信、高性能計算、汽車電子等高端應(yīng)用領(lǐng)域來說尤為重要。因此，高多層PCB已成為PCB行業(yè)未來發(fā)展的重要趨勢之一。對PCB設(shè)計工程師或者電子硬件設(shè)計工程師來說，了解高多層PCB相關(guān)的制造流程也是很有必要的。

高多層PCB不僅僅是層數(shù)增加，其制造難度也成倍增加。相比單層、雙層板，高多層PCB的生產(chǎn)制造會還需關(guān)注層間連接、層間堆疊和對準(zhǔn)以及精確壓合控制等工藝的管控，PCB在設(shè)計時還需要考慮信號完整性和電磁干擾以及熱管理等問題，以充分利用高多層PCB的性能優(yōu)勢。

從工藝、設(shè)備、設(shè)計能力到質(zhì)量控制、協(xié)作能力，高多層板對PCB板廠的制造工藝水平有著更高的要求。在這篇文章，老wu打算介紹一些關(guān)于高多層PCB制造的關(guān)鍵流程步驟。

1.提交制造信息

作為PCB制造的開始，首先，我們需要向PCB板廠提交相關(guān)的制造信息。PCB制造所需的信息和常見數(shù)據(jù)格式包括以下內(nèi)容：

Gerber文件(RS274X格式)

Gerber RS274X 是目前的主流格式，輸出的Gerber文件包括所有電路層、阻焊層、錫膏層、絲印(字符)層、板框、分孔圖、制造要求(如多層板疊層結(jié)構(gòu)示意圖、層間介質(zhì)厚度、阻抗管控要求、塞孔要求等)。同時Gerber文件還要能方便PCB板廠的工藝工程師識別各個Gerber文件對應(yīng)的層信息，所以推薦按一定的命名約定對Gerber文件進行命名，比如嘉立創(chuàng)給出的這個命名規(guī)范是個不錯的參考：

鉆孔文件

鉆孔文件包含所有鉆孔坐標(biāo)和直徑數(shù)據(jù)，常用的文件格式是Excellon格式。

網(wǎng)表數(shù)據(jù)

IPC定義了兼容格式IPC-356，提供了生成網(wǎng)表和電氣性能測試資料必須的所有信息。相較于單層或雙面板而言，完整的 PCB 文檔對多層 PCB 的制造非常重要，制造信息文檔中最重要的信息是：

? 完整的層結(jié)構(gòu)

? 有關(guān)基材的精確信息

? 高頻高速板材還需提供基材制造商及產(chǎn)品名稱

? 阻抗控制要求

? 特殊工藝說明(比如塞孔要求)

2.制造信息審核

PCB板廠對制造信息的審核目的是確定大致的制造成本，并為制造做準(zhǔn)備。在產(chǎn)品制造或加工前，適當(dāng)?shù)那捌诜治隹梢怨?jié)省時間和材料。PCB板廠的責(zé)任是確定它的工藝能力能否滿足給定的產(chǎn)品。

PCB 板廠會根據(jù)其制造工藝調(diào)整PCB設(shè)計的布線信息，比如過孔鉆直徑補償或者走線蝕刻補償?shù)龋康氖翘岣逷CB可制造性，有些關(guān)鍵的修改板廠也會與PCB Layout進行溝通確認(rèn)，當(dāng)然，較為理想的情況是，在PCB設(shè)計進行過程就考慮了DFM可制造性并進行設(shè)計優(yōu)化，這樣會節(jié)省許多后期與PCB板廠溝通確認(rèn)的時間。

如果是在嘉立創(chuàng)打板，他們家還提供了一項“確認(rèn)生產(chǎn)稿”的個性化服務(wù)可供選擇，只要咱們仔細(xì)檢查確認(rèn)，便能發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計上存在的問題，當(dāng)然也能發(fā)現(xiàn)嘉立創(chuàng)工程師處理過程中的一些錯誤。如果是嘉立創(chuàng)的問題，別忘了找工程人員退回確認(rèn)生產(chǎn)稿的費用。

3.材料準(zhǔn)備

制造單雙面電路板會直接采用符合最終成品厚度要求的覆銅板進行制造，多層電路板則有所不同。多層電路板在電路板結(jié)構(gòu)中有多個銅層，因此需要特殊的基材來制造。創(chuàng)建多層電路板需要使用半固化片(PP)和相對較薄的覆銅層壓板(Core 芯板)進行組合壓合固化后形成最終的厚度。層壓結(jié)構(gòu)取決于電氣參數(shù)，由PCB設(shè)計師與電路板制造商協(xié)商確定，并在進行PCB Layout之前做好提前規(guī)劃，以滿足特定阻抗的線寬/線距要求。

由于層壓結(jié)構(gòu)不同，半固化片的厚度也有很多種，以滿足不同的傳輸線及電源平面組合要求。每種半固化片都由一個指定的玻璃纖維編織類型組成，并帶有一個編號，例如1080、2116、3313或7628。下圖給出了這種類型的標(biāo)識：

多層電路板的第二個組成部分是相對薄一些的覆銅層壓板(相對用于制造單雙面PCB的覆銅板而言)，也稱為芯板。它是一種經(jīng)過完全固化的基材，一面或兩面覆蓋著銅箔。當(dāng)然，也有不含銅的，稱為光板。

芯板其實也是由半固化片以及銅箔進行壓合而成的，由基材供應(yīng)商制造完成，基材供應(yīng)商會根據(jù)IPC-4101規(guī)范結(jié)合市場需求，選用不同的編織風(fēng)格的玻纖布和樹脂含量的半固化片，配上指定規(guī)格的銅箔，壓合后生成不同規(guī)格類型的覆銅層壓板。

多層電路板的制造由PCB板廠完成，但其基材則由基材制造商提供，需要注意的是，基材的規(guī)格有許多種，每家PCB板廠的基材儲備情況也各不相同，如果PCB疊層設(shè)計需要使用到特殊規(guī)格的半固化片以及芯板，最好提前與PCB板廠溝通了解基材的供貨周期。

選用好的原料才能做出性能優(yōu)良的PCB。板材在PCB制造過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對PCB的性能和可靠性產(chǎn)生著重要影響，包括電氣性能、熱性能、機械強度、加工性能和環(huán)境適應(yīng)性。

在板材方面，嘉立創(chuàng)采用大廠原材料。針對4層板和6層板，嘉立創(chuàng)使用KB和中國臺灣南亞板材，品質(zhì)高，有保障。KB板料使用高質(zhì)量的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂(FR-4)作為基材，用高純度的銅箔作為導(dǎo)電層，且經(jīng)過嚴(yán)格的工藝處理，因此具有質(zhì)量高、性能好的特點，被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。

而中國臺灣南亞同樣在市場上有不小的知名度，其提供的板料不僅具有良好的電氣性能、較高的強度和剛性，而且耐高溫、耐化學(xué)性能，能提高產(chǎn)品的可靠性和壽命。

針對8層板和更高層，嘉立創(chuàng)使用中國臺灣南亞和生益板料。其中，作為國內(nèi)知名的覆銅板供應(yīng)商，生益板料具有高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)、高性能、高可靠性的特點，行業(yè)認(rèn)可度高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療儀表/器械、消費電子、汽車等電子產(chǎn)品中。

4.多層板的制造流程

如上圖多層板生產(chǎn)工藝流程所示，多層板的制造與單雙面PCB的制造相比則多了一個內(nèi)層工序流程，關(guān)鍵的步驟就是內(nèi)層的層疊壓合工藝的管控，這對于受控阻抗傳輸線的電氣性能至關(guān)重要。內(nèi)層工序壓合完成之后，就來到了與制造單雙面板同樣的制造工序流程，直到最后的檢測工序。

多層板的生產(chǎn)工藝流程如果細(xì)化展開，通常需要約200個不同的加工步驟。因此，對PCB設(shè)計人員來說，熟悉基材的不同類型及性能、多層板的制造工藝以及焊接工藝非常重要。 通過組合不同規(guī)格的半固化片和覆銅層壓板(芯板)，可以實現(xiàn)所有所需的厚度。對于多層板的疊層結(jié)構(gòu)，需要注意各個層次結(jié)構(gòu)必須對稱，并且具有相同的層厚。內(nèi)層的銅應(yīng)均勻分布在這些對稱層上。如果分布不均勻，加熱時熱應(yīng)力不均衡會造成電路板產(chǎn)生翹曲。

而對多層板結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響很大的因素之一是各個層之間的精確調(diào)整。這些層必須精確地重疊在一起，否則在通過鉆孔連接后，各層之間的電路可能出現(xiàn)開短路問題。通過機械對位孔進行精確調(diào)整，然后在層疊時使用定位銷來調(diào)整層疊。 為了確保內(nèi)部層與半固化片之間有良好的粘合，必須對銅表面進行化學(xué)粗化處理，這種粗化處理稱為棕化。 在壓合多層印制電路板之前，對內(nèi)部電路層進行檢查對于確保質(zhì)量至關(guān)重要，在這個階段，如果檢查發(fā)現(xiàn)了連接或其他缺陷，仍然可以進行修復(fù)，檢查通常使用AOI(自動光學(xué)檢查)自動進行，AOI系統(tǒng)將蝕刻后的電路圖形與CAD數(shù)據(jù)進行直接的視覺比對。

上圖是6層剛性多層板的壓合制造示意圖，A1、A2、A3是半固化片，L2-L3、L4-L5是完成內(nèi)層圖形的雙面覆銅層壓板，B1、B2是用于外層線路的銅箔。

常規(guī)的剛性多層板的壓合原理是將一定數(shù)量的雙面覆銅板進行組合(內(nèi)層圖形已經(jīng)完成并進行棕化以加強結(jié)合力)，雙面覆銅板之間通過半固化片隔開，半固化片作為絕緣材料避免各個銅層的短路，同時半固化片在經(jīng)過加熱之后，其中的樹脂會再次呈現(xiàn)融化狀態(tài)實現(xiàn)各個覆銅層壓板的粘結(jié)。最后，壓合后的各個層通過金屬化的孔連接起來。目前嘉立創(chuàng)的多層板制造工藝可以制造高達(dá)32層的多層板，足以覆蓋大多數(shù)的應(yīng)用場景。

壓合的精確控制對于受控阻抗傳輸線的特性阻抗影響至關(guān)重要，在壓制過程中，隨著溫度的升高，半固化片中的環(huán)氧樹脂會重新融化，它通過流動填充導(dǎo)線之間的空隙，并將內(nèi)層粘合在一起，樹脂的流膠特性會影響最終的信號層與參考層的距離，整個距離的變化對于阻抗的變化有著最大的影響。

如上圖所示，PCB的設(shè)計稿最終是拼板到一個大的工作面板上進行生產(chǎn)的，對于特性阻抗管控而言，整個大的面板在壓合時，樹脂流動的均勻性對于阻抗變化的影響也不容忽視，這時所采用的壓合設(shè)備的性能將至關(guān)重要。

設(shè)備是影響高多層品質(zhì)的重要因素之一。為此，嘉立創(chuàng)采用業(yè)內(nèi)一流的設(shè)備來生產(chǎn)高多層板，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

壓合機

嘉立創(chuàng)采用中國臺灣活全(Vigor)的最新一代全自動壓合機，更穩(wěn)定，壓合質(zhì)量更好。作為專業(yè)的PCB設(shè)備提供商，活全(Vigor)壓合機具有高精度、高可靠性和先進的控制系統(tǒng)，能滿足PCB高多層板的堆疊和壓合。

壓合完成之后，就來到了鉆孔工序，接著就是與單雙面板一致的工序流程，但，也稍微有些不一樣，比如嘉立創(chuàng)，他們家針對于高多層板的制造，還推出了可以免費享用的提高PCB質(zhì)量的服務(wù)。

一個是提升了的沉金工藝，嘉立創(chuàng)6-32層電路板全部采用沉金工藝，且沉金厚度免費升級為2u"。沉金是業(yè)內(nèi)一種相對昂貴的表面處理方法，它可以提供良好的電氣連接、防腐和焊接性能。沉金層可以提供平滑、均勻的金屬表面，有助于保持良好的信號傳輸和阻抗控制。并且，它可以確保焊接過程中金屬層的穩(wěn)定性和耐久性，提供優(yōu)異的耐腐蝕性能，延長PCB的使用壽命。

除沉金工藝外，嘉立創(chuàng)對6-32層板一律免費采用盤中孔工藝(樹脂塞孔+電鍍蓋帽)。對PCB的品質(zhì)來說，過孔非常重要，因為它在電子設(shè)備中扮演著重要角色，支持了復(fù)雜電路的實現(xiàn)和功能的可靠性。因種種因素影響，過孔會慢慢被腐蝕，從而導(dǎo)致連接失效、信號衰減、短路和漏電以及可靠性問題，而盤中孔工藝則有效解決了這些問題。

采用沉金工藝、盤中孔工藝生產(chǎn)的PCB

總之，多層板的制造相對于單雙面板而言，不僅僅是多了一道內(nèi)層工序這么簡單，也不是將PCB生產(chǎn)稿直接扔給PCB板廠就完事了，至少在PCB設(shè)計環(huán)節(jié)，我們就應(yīng)該了解PCB板廠的工藝能力，在設(shè)計時就引入DFM面向可制造性設(shè)計，在真正實施布線之前，我們需要與PCB板廠進行溝通，確定所需板材和疊層結(jié)構(gòu)，以滿足特定傳輸線結(jié)構(gòu)的性能要求，并能以合理的成本和時間進行制造。