全面掌握高多層PCB板材、制造流程與工藝難點(diǎn)

在當(dāng)今，萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，隨著數(shù)字化不斷深入發(fā)展，高多層已成為PCB行業(yè)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵趨勢(shì)。從技術(shù)層面看，隨著5G和AI時(shí)代的來(lái)臨，計(jì)算機(jī)和服務(wù)器領(lǐng)域?qū)CB的需求由高頻高速演變?yōu)榉€(wěn)定性能與更為復(fù)雜的功能，這無(wú)疑對(duì)PCB層數(shù)及結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度，為了適應(yīng)通信、智能駕駛、消費(fèi)電子等未來(lái)市場(chǎng)需求，PCB產(chǎn)業(yè)正趨于高精度、高密度和高可靠性。以汽車電子領(lǐng)域?yàn)槔叨鄬覲CB的高密度布線和可靠性能恰好滿足了汽車電子小型化、高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性的需求，因此被廣泛應(yīng)用于車載娛樂系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和安全系統(tǒng)等。

高多層板不僅僅是層數(shù)增加，其制造難度也成倍增加。今天，阿龍帶大家一起來(lái)全面掌握高多層PCB板材、制造流程與工藝難點(diǎn)等基本知識(shí)。

01.

認(rèn)識(shí)高多層板材

1、一塊好的高多層PCB，板材是關(guān)鍵

大家可能在餐飲、銀行等場(chǎng)所見過有問題的LED燈板，要么不顯示信息，要么頻繁閃爍。為什么LED燈板會(huì)出現(xiàn)問題？原因之一可能是其所用的PCB的板材質(zhì)量有問題。板材作為PCB產(chǎn)品的基礎(chǔ)，不僅是其核心主要原材料，而且占PCB成本的60%左右。由此可見，板材的重要性不言而喻。所謂，好食材才能做出好食物。好板材才能保證好板子。因此，做PCB，選好板材是關(guān)鍵。

與單層或雙層PCB相比，高多層PCB面臨著更高的復(fù)雜性和性能挑戰(zhàn)。這主要體現(xiàn)在三方面：一是高頻信號(hào)傳輸特性要求。高多層PCB常用于需要高頻信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用，如通信設(shè)備和高速數(shù)字信號(hào)處理。這要求PCB必須有更好的介電性能和信號(hào)傳輸速度，以減少信號(hào)損耗和噪音。

二是熱管理需求。高多層PCB通常用于高功率電子設(shè)備，需要有效的熱管理措施保證元件正常工作溫度。這就要求PCB有更好的導(dǎo)熱性能和熱膨脹系數(shù)控制，以優(yōu)化熱傳導(dǎo)和分布，避免熱點(diǎn)和熱應(yīng)力問題。

三是機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。高多層PCB通常有著較大的尺寸和較高的層數(shù)，因此需要更高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。板材的剛性和耐久性對(duì)于抵抗振動(dòng)、沖擊和彎曲應(yīng)力至關(guān)重要，以確保高多層PCB的可靠性和壽命。

2、高多層PCB板材的分類

覆銅板（CCL-Copper Clad Laminate），在PCB多層板生產(chǎn)中也稱為芯板（CORE），是高多層PCB的關(guān)鍵原材料。它是由銅箔、樹脂、玻璃纖維布和其他功能性增強(qiáng)添加物組成的。通過將增強(qiáng)材料浸入樹脂，并在一面或兩面貼上銅箔，經(jīng)過熱壓處理形成板狀材料，這就是我們所說(shuō)的覆銅箔層壓板。在分類上，板材可根據(jù)材質(zhì)、成品的軟硬度、結(jié)構(gòu)和等級(jí)等不同維度進(jìn)行區(qū)分。

具體來(lái)說(shuō)，板材可以分為有機(jī)材質(zhì)和無(wú)機(jī)材質(zhì)兩大類。

根據(jù)成品的軟硬度，板材分為硬板、軟板和軟硬結(jié)合板。硬板是最常見的類型，用于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備；軟板靈活性高，適用于需要彎曲的應(yīng)用場(chǎng)景；軟硬結(jié)合板結(jié)合了硬板的穩(wěn)定性和軟板的靈活性，適用于復(fù)雜的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

在結(jié)構(gòu)上，板材可分為單面板、雙面板、多層板和HDI（高密度互連板，特點(diǎn)是盲埋孔技術(shù)）。單面板只有一面帶有導(dǎo)電路徑，雙面板的兩面都布有電路；多層板通過多層導(dǎo)電圖層增加電路密度；HDI板則通過盲埋孔技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的線路密度和更小的電子設(shè)備尺寸。

按照板材等級(jí)劃分，PCB板材包括94HB（最低阻燃等級(jí)）、94V0（更高的阻燃性能）等。其中，94V0級(jí)別下，又細(xì)分為FR1、22F、CEM-1、CEM-3和FR-4等材料類型。FR1主要用于單面板；22F常用于成本敏感型產(chǎn)品；CEM-1和CEM-3適用于雙面板應(yīng)用；FR-4則因其優(yōu)良的電氣絕緣性能、高機(jī)械強(qiáng)度和良好的濕熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于多層板制造。

如果按照基板的增強(qiáng)材料不同，還可分為五大類：紙基、玻璃纖維布基、復(fù)合基（CM系列）、積層多層板基和特殊材料基（陶瓷、金屬芯基等）。

3、高多層PCB板材選型

在PCB下單時(shí)，您可能會(huì)遇到所需板材缺貨的情況。這時(shí)，選擇具有相同性能等級(jí)的替代材料就顯得尤為重要。高多層PCB的板材選擇不僅受到材料本身和內(nèi)在特性的影響，還包括外部因素。內(nèi)部因素涵蓋一系列重要的考量，如外觀要求、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、電氣性能、熱性能和物理（機(jī)械）性能等。

其中，外觀要求，包括金屬箔面的凹痕、皺折、劃痕、氣泡等缺陷，這些都可能影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。尺寸要求涉及板材的長(zhǎng)度、寬度、對(duì)角線偏差、翹曲度等，精確的尺寸對(duì)于保證PCB的裝配精度和性能至關(guān)重要。

接下來(lái)，我們重點(diǎn)介紹下電氣性能、熱性能和物理（機(jī)械）性能。

電氣性能

電氣性能有介電常數(shù)（Dk）、介質(zhì)損耗角正切（DF）、體積電阻、表面電阻、絕緣電阻、耐電弧性、擊穿電壓、電氣強(qiáng)度和相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI）。

其中，介電常數(shù)（Dk）、介質(zhì)損耗角正切（DF），和相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI）是在選擇PCB板材時(shí)，用戶最為關(guān)心的電氣性能參數(shù)。

介電常數(shù)，即Dk，英文全稱Dielectric constant。它是描述材料存儲(chǔ)電荷能力的物理屬性，對(duì)電容器性能和電場(chǎng)分布有著顯著影響。具有高介電常數(shù)的材料能夠存儲(chǔ)更多的電荷，這對(duì)于需要高電容性能的應(yīng)用尤為重要。此外，介電常數(shù)還決定了電場(chǎng)在介質(zhì)中的傳播速度和集中程度。舉例來(lái)說(shuō)，F(xiàn)R4板材的介電常數(shù)一般在4.2到4.6之間，而鐵氟龍介電常數(shù)在2.0到3.0范圍內(nèi)，綠油介電常數(shù)則位于3.4到3.8之間。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料

介質(zhì)損耗角正切，即DF，英文全稱Dissipationfactor，或稱為損耗因子，是描述介質(zhì)材料在交流電場(chǎng)中能量損失的重要物理參數(shù)。它反映了材料中電場(chǎng)能量損失與儲(chǔ)存能量之比，與材料的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和溫度等因素緊密相關(guān)。在電子器件和電路設(shè)計(jì)中，DF是關(guān)鍵參數(shù)，直接影響信號(hào)的帶寬、衰減和相位失真，尤其在高頻電路和通信系統(tǒng)中至關(guān)重要。選擇低DF值的材料可以顯著減少信號(hào)損失并保持良好的信號(hào)完整性，例如，像天線板一般選用PTFE這種低損耗的材料。

相對(duì)漏電起痕指數(shù)（CTI）同樣非常重要，它是衡量絕緣材料在電弧作用下的抗電擊穿能力。CTI是評(píng)估材料耐電弧性能的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)確定材料的安全性和可靠性在特定環(huán)境條件下尤為關(guān)鍵。CTI值的高低通常以標(biāo)準(zhǔn)化分類表示，數(shù)值越高，材料的電弧性能越好。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料

CTI值的高低直接關(guān)聯(lián)到材料的絕緣性能和耐電弧能力，其中更高的CTI值意味著材料能在更高電壓下維持其絕緣性，展現(xiàn)出更佳的耐電弧性能。這一特性對(duì)于電氣設(shè)備和電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗ＷC了在電弧事件發(fā)生時(shí)，材料能提供充分的保護(hù)，從而大幅降低發(fā)生火災(zāi)和其他意外事故的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)和選擇電子材料時(shí)，高CTI值的材料往往被優(yōu)先考慮，以確保整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性。

CTI測(cè)試等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)

通常，CTI值以標(biāo)準(zhǔn)化的分類進(jìn)行表述，其中數(shù)值越高，表示材料具有更好的電弧性能。目前，嘉立創(chuàng)所有材料CTI均是3級(jí)，范圍在175-249V之間。

熱性能

熱性能主要有Tg值、Td值、CTE、熱應(yīng)力、燃燒性等。

Tg值，又叫玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，是衡量PCB板材熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。它標(biāo)志著材料（如PCB板材）隨著溫度升高，從硬而脆的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到柔軟的橡膠態(tài)的臨界點(diǎn)。在PCB制造領(lǐng)域，這種玻璃態(tài)物質(zhì)通常指的是構(gòu)成介質(zhì)層的樹脂或樹脂與玻纖布的混合物。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料

Tg值對(duì)PCB的可靠性和性能有著重大影響。當(dāng)PCB在其操作溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，保持材料處于玻璃態(tài)是非常重要的，可以確保電路板的機(jī)械和電氣性能穩(wěn)定。如果PCB在使用過程中超過了其Tg值，那么板材可能會(huì)變軟，導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性下降，甚至可能影響到導(dǎo)線和焊點(diǎn)的完整性，從而降低整個(gè)電路板的性能和可靠性。

常用普通板材的Tg要求大于135℃，中Tg要求大于150℃，高Tg要求大于170℃。Tg越高，板材的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性越好。

Td值，即熱分解溫度，英文全稱Thermal Decomposition Temperature。它是指在高溫條件下，材料開始發(fā)生化學(xué)分解的溫度。這是衡量板材在高溫環(huán)境下熱穩(wěn)定性和耐高溫性能的重要指標(biāo)。在高功率或高溫度條件下工作的電子設(shè)備中，PCB板材若具有較高的Td值，則意味著它能夠在不分解或損失性能的情況下，更好地承受這些條件，確保電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料

Td值越高，意味著板材通常可以承受更高的溫度和熱應(yīng)力，保持電路的正常功能并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

CTE，即熱膨脹系數(shù)，英文全稱Coefficient of Thermal Expansion。它用于描述PCB板材在溫度變化下的尺寸變化情況。溫度每升高一度，材料就會(huì)相應(yīng)地膨脹或在冷卻時(shí)收縮。由于PCB板材通常由樹脂、銅箔和玻璃纖維增強(qiáng)材料等多種材料組成，這些材料的CTE值各不相同，導(dǎo)致溫度變化時(shí)它們的膨脹或收縮速度不一致。這種不匹配的熱膨脹行為可能會(huì)引起板材的尺寸不穩(wěn)定、應(yīng)力集中，甚至在焊接等后續(xù)加工過程中出現(xiàn)問題。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料

CTE值越低，尺寸穩(wěn)定性越好，反之越差。

物理（機(jī)械）性能

在物理機(jī)械性能方面，PCB板材的質(zhì)量和適用性受多種因素影響，包括銅箔剝離強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、吸水率、可燃性等。

此外，CAF也尤為重要。CAF現(xiàn)象，又稱為燈芯效應(yīng)，全稱Conductive Anodic Filament。它指的是，在高溫、高濕、高壓等條件下，產(chǎn)品經(jīng)過長(zhǎng)期使用，板材的玻璃纖維作為通道，導(dǎo)致孔壁的銅箔生長(zhǎng)形成細(xì)長(zhǎng)的導(dǎo)電絲狀物，這些絲狀物最終可能在相鄰孔之間形成短路或微短現(xiàn)象。更加棘手的是，當(dāng)PCB產(chǎn)品經(jīng)過重新烘烤后，這種故障可能暫時(shí)消失，使得問題難以被立即識(shí)別和解決。導(dǎo)致CAF發(fā)生的原因有多種多樣，包括材料、鉆孔、電鍍、資料設(shè)計(jì)（孔間距小于IPC2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。

02.

高多層PCB制造流程

首先，我們來(lái)看張圖。

下圖是多層板生產(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(gè)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(duì)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(lái)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(cè)工序。

下面我們一步步來(lái)看看高多層PCB制造的關(guān)鍵步驟。

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?。ㄗ址?、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(shí)Gerber文件還要能方便PCB板廠的工藝工程師識(shí)別各個(gè)Gerber文件對(duì)應(yīng)的層信息，所以推薦按一定的命名約定對(duì)Gerber文件進(jìn)行命名，比如嘉立創(chuàng)給出的這個(gè)命名規(guī)范是個(gè)不錯(cuò)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(cè)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(duì)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(shuō)明（比如塞孔要求）

2.制造信息審核

PCB板廠對(duì)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(shí)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(huì)根據(jù)其制造工藝調(diào)整PCB設(shè)計(jì)的布線信息，比如過孔鉆直徑補(bǔ)償或者走線蝕刻補(bǔ)償?shù)?，目的是提高PCB可制造性，有些關(guān)鍵的修改板廠也會(huì)與PCB Layout進(jìn)行溝通確認(rèn)，當(dāng)然，較為理想的情況是，在PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行過程就考慮了DFM可制造性并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，這樣會(huì)節(jié)省許多后期與PCB板廠溝通確認(rèn)的時(shí)間。

如果是在嘉立創(chuàng)打板，他們家還提供了一項(xiàng)“確認(rèn)生產(chǎn)稿”的個(gè)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(jì)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(cuò)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(fèi)用。

3.?材料選擇

在第一部分，我們?cè)敿?xì)的介紹了高多層PCB板材，這里就不多展開了。

4.多層板的制造流程

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(gè)不同的加工步驟。因此，對(duì)PCB設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)所有所需的厚度。對(duì)于多層板的疊層結(jié)構(gòu)，需要注意各個(gè)層次結(jié)構(gòu)必須對(duì)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(duì)稱層上。如果分布不均勻，加熱時(shí)熱應(yīng)力不均衡會(huì)造成電路板產(chǎn)生翹曲。

而對(duì)多層板結(jié)構(gòu)質(zhì)量影響很大的因素之一是各個(gè)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(jī)械對(duì)位孔進(jìn)行精確調(diào)整，然后在層疊時(shí)使用定位銷來(lái)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(duì)銅表面進(jìn)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(duì)內(nèi)部電路層進(jìn)行檢查對(duì)于確保質(zhì)量至關(guān)重要，在這個(gè)階段，如果檢查發(fā)現(xiàn)了連接或其他缺陷，仍然可以進(jìn)行修復(fù)，檢查通常使用AOI（自動(dòng)光學(xué)檢查）自動(dòng)進(jìn)行，AOI系統(tǒng)將蝕刻后的電路圖形與CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的視覺比對(duì)。

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(jìn)行組合（內(nèi)層圖形已經(jīng)完成并進(jìn)行棕化以加強(qiáng)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(gè)銅層的短路，同時(shí)半固化片在經(jīng)過加熱之后，其中的樹脂會(huì)再次呈現(xiàn)融化狀態(tài)實(shí)現(xiàn)各個(gè)覆銅層壓板的粘結(jié)。最后，壓合后的各個(gè)層通過金屬化的孔連接起來(lái)。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(chǎng)景。

壓合的精確控制對(duì)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(huì)重新融化，它通過流動(dòng)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(huì)影響最終的信號(hào)層與參考層的距離，信號(hào)層與其參考層的距離變化對(duì)于阻抗的變化有著最大的影響。

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

03.

高多層PCB關(guān)鍵工藝

在高多層板生產(chǎn)制造中，一塊好的PCB，板材是關(guān)鍵。但，工藝直接關(guān)系到高多層PCB品質(zhì)高低。說(shuō)到這方面嘉立創(chuàng)作為一家在PCB行業(yè)深耕近20年的專業(yè)廠商，嘉立創(chuàng)在高多層板的生產(chǎn)中，采用了沉金工藝、盤中孔工藝和正片工藝，全方位確保產(chǎn)品的高品質(zhì)。

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(fèi)升級(jí)為2u"。沉金是業(yè)內(nèi)一種相對(duì)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(hào)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(zhǎng)PCB的使用壽命。

PCB（采用沉金工藝、盤中孔工藝生產(chǎn)）

除沉金工藝外，嘉立創(chuàng)對(duì)6-32層板一律免費(fèi)采用盤中孔工藝（樹脂塞孔+電鍍蓋帽）。對(duì)PCB的品質(zhì)來(lái)說(shuō)，過孔非常重要，因?yàn)樗陔娮釉O(shè)備中扮演著重要角色，支持了復(fù)雜電路的實(shí)現(xiàn)和功能的可靠性。因種種因素影響，過孔會(huì)慢慢被腐蝕，從而導(dǎo)致連接失效、信號(hào)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。