全面掌握高多層PCB板材、制造流程與工藝難點

在當(dāng)今，萬物互聯(lián)的時代，隨著數(shù)字化不斷深入發(fā)展，高多層已成為PCB行業(yè)未來發(fā)展的關(guān)鍵趨勢。從技術(shù)層面看，隨著5G和AI時代的來臨，計算機和服務(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，這無疑對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、消費電子等未來市場需求，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)域為例，高多層PCB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)動機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，阿龍帶大家一起來全面掌握高多層PCB板材、制造流程與工藝難點等基本知識。

01.

認(rèn)識高多層板材

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：一是高頻信號傳輸特性要求。高多層PCB常用于需要高頻信號傳輸?shù)膽?yīng)用，如通信設(shè)備和高速數(shù)字信號處理。這要求PCB必須有更好的介電性能和信號傳輸速度，以減少信號損耗和噪音。

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，避免熱點和熱應(yīng)力問題。

三是機械強度和穩(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)，因此需要更高的機械強度和穩(wěn)定性。板材的剛性和耐久性對于抵抗振動、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添加物組成的。通過將增強材料浸入樹脂，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)和等級等不同維度進行區(qū)分。

具體來說，板材可以分為有機材質(zhì)和無機材質(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。

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。

按照板材等級劃分，PCB板材包括94HB（最低阻燃等級）、94V0（更高的阻燃性能）等。其中，94V0級別下，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、高機械強度和良好的濕熱穩(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，您可能會遇到所需板材缺貨的情況。這時，選擇具有相同性能等級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度、寬度、對角線偏差、翹曲度等，精確的尺寸對于保證PCB的裝配精度和性能至關(guān)重要。

接下來，我們重點介紹下電氣性能、熱性能和物理（機械）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、電氣強度和相對漏電起痕指數(shù)（CTI）。

其中，介電常數(shù)（Dk）、介質(zhì)損耗角正切（DF），和相對漏電起痕指數(shù)（CTI）是在選擇PCB板材時，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。它是描述材料存儲電荷能力的物理屬性，對電容器性能和電場分布有著顯著影響。具有高介電常數(shù)的材料能夠存儲更多的電荷，這對于需要高電容性能的應(yīng)用尤為重要。此外，介電常數(shù)還決定了電場在介質(zhì)中的傳播速度和集中程度。舉例來說，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)材料在交流電場中能量損失的重要物理參數(shù)。它反映了材料中電場能量損失與儲存能量之比，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)計中，DF是關(guān)鍵參數(shù)，直接影響信號的帶寬、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損失并保持良好的信號完整性，例如，像天線板一般選用PTFE這種低損耗的材料。

相對漏電起痕指數(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是評估材料耐電弧性能的關(guān)鍵參數(shù)，對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。這一特性對于電氣設(shè)備和電子產(chǎn)品來說至關(guān)重要，因為它保證了在電弧事件發(fā)生時，材料能提供充分的保護，從而大幅降低發(fā)生火災(zāi)和其他意外事故的風(fēng)險。因此，在設(shè)計和選擇電子材料時，高CTI值的材料往往被優(yōu)先考慮，以確保整個系統(tǒng)的安全和可靠性。

CTI測試等級判定標(biāo)準(zhǔn)

通常，CTI值以標(biāo)準(zhǔn)化的分類進行表述，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，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。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，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)線和焊點的完整性，從而降低整個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，確保電路的長期穩(wěn)定運行。

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，材料就會相應(yīng)地膨脹或在冷卻時收縮。由于PCB板材通常由樹脂、銅箔和玻璃纖維增強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（機械）性能

在物理機械性能方面，PCB板材的質(zhì)量和適用性受多種因素影響，包括銅箔剝離強度、抗彎強度、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)過長期使用，板材的玻璃纖維作為通道，導(dǎo)致孔壁的銅箔生長形成細(xì)長的導(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，這種故障可能暫時消失，使得問題難以被立即識別和解決。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（孔間距小于IPC2級標(biāo)準(zhǔn)）。

02.

高多層PCB制造流程

首先，我們來看張圖。

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。

下面我們一步步來看看高多層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)?，目的是提高PCB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.?材料選擇

在第一部分，我們詳細(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，信號層與其參考層的距離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。

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。

盤中孔工藝三維圖

盤中孔即焊盤中打孔，生產(chǎn)時在孔內(nèi)塞上樹脂，烤干樹脂磨平，然后進行電鍍面銅。其好處在于不僅能大大提高PCB設(shè)計工程師的效率，讓設(shè)計時間從7天縮短到2天左右，而且能大大提高PCB的良率，以及提升高速板的性能。

審核編輯：黃飛