בייצור של לוחות מודפסים מרובי־שכבות (Multilayer PCB board) מבנה ה-Stack-Up הוא אחד הגורמים הקריטיים המשפיעים על ביצועים, עלות ואמינות.
מבנה ה-Type 3 הוא התצורה היסודית ביותר, והוא מהווה את הבסיס לרוב תהליכי הייצור המודרניים של PCB.
מאמר זה מסביר כיצד נבנים לוחות Multilayer PCB board מסוג Type 3, אילו חומרים מעורבים, ושלוש שיטות הלמינציה המרכזיות — שכבות חיצוניות מניירת (foil) נחושת, שכבות חיצוניות המבוססות על Core, ו-Stack-Up במספר שכבות אי־זוגי — יחד עם היגיון התכנון, היתרונות והחסרונות.
מהו PCB Stack-Up?
Stack-Up הוא סידור שכבה־אחר־שכבה של ניירות נחושת, חומרי דיאלקטריק/Prepreg, ו-Cores שיוצרים Multilayer PCB board.
הוא קובע גם את הביצועים החשמליים (אימפדנס, שלמות אות) וגם את היציבות המכנית (עיוות/עקמימות, חוזק היצמדות) של הלוח המוגמר.
במבנה Type 3 משתמשים בשלושה חומרים עיקריים:
- למינציה מצופה נחושת (Core): לוח אפוקסי/פיברגלס בשלב C-Stage (מוקשה לחלוטין) המצופה נחושת משני צדדיו; משמש לשכבות הפנימיות.
- Prepreg: יריעת שרף בשלב B-Stage (התקשות חלקית) שמדביקה שכבות וממלאת חללים בין מסלולי הנחושת.
- ניירת נחושת (Copper Foil): ליצירת מסלולי השכבות החיצוניות, ה-pads ומישורי הארקה/הזנה.
לפי IPC-2221 ו-IPC-2222, על המעצבים להגדיר בתיעוד את מערכת השרף, סוג אריג הזכוכית וסבילות עובי הדיאלקטרי, כדי להבטיח התאמה מכנית וחשמלית.
Type 3 עם שכבות חיצוניות מניירת נחושת — התצורה הנפוצה
התצורה השכיחה ביותר של Type 3 משתמשת ב-ניירת נחושת כשכבות חיצוניות.
בונים אותה על ידי למינציה של מספר Cores פנימיים (שכבר הודפסו ונחרטו) יחד עם שתי יריעות נחושת ושכבות Prepreg.
דוגמה טיפוסית: לוח בעל שמונה שכבות
לוח Multilayer PCB board בן 8 שכבות כולל בדרך כלל:
- שלושה Cores פנימיים (עם דפוס פנימי קיים),
- שתי יריעות נחושת לחלק העליון והתחתון,
- שכבות Prepreg בין כל Core ל-Core.
מספרי השכבות L1 (למעלה) עד L8 (למטה):
L2, L4, L5, L7 – שכבות אות; L3, L6 – מישורי הזנה/הארקה; L1, L8 – שכבות חיצוניות עם pads ו-fan-out vias.
כאשר משתמשים ב-נחושת עבה (2oz ומעלה) בשכבות אות, מומלץ להצמיד Prepreg עתיר שרף לידן כדי להבטיח מילוי מלא ולהימנע מחללים בזמן הלמינציה.
יתרונות
- עלות חומרים נמוכה – foil ו-Prepreg זולים יותר מתוספת Cores.
- פחות כימיקלים – פחות פוטורזיסט וחומרי חריטה.
- עלות עבודה נמוכה – פחות שלבי קדם-למינציה והדפסה.
- תשואה גבוהה – תהליך בשל ופשוט לשליטה.
בשל יחס עלות-ביצועים מצוין, זהו ה-Stack-Up החסכוני והנפוץ ביותר בייצור המוני.
Type 3 עם שכבות חיצוניות המבוססות על Core — לצרכי דיוק גבוה
תצורה אחרת של Type 3 משתמשת ב-Cores מצופי נחושת כשכבות חיצוניות במקום foil.
העיקרון הכללי דומה, אך סדר הלמינציה וההדפסה משתנה.
מאפיינים מבניים (8 שכבות)
- ארבעה Cores במקום שלושה,
- השכבות החיצוניות אינן משתמשות ב-Prepreg בשלב B או ביריעות foil,
- צד אחד של כל Core חיצוני מודפס ונחרט לפני הלמינציה, והצד השני נותר מצופה נחושת,
- לאחר הלמינציה מודפס הצד החיצוני שנותר ליצירת המסלולים הסופיים.
היגיון תכנוני
כך ניתן לצמד את L3 ו-L6 לשכבות האות ל-שליטה מדויקת בעובי הדיאלקטרי ובאימפדנס — קריטי ביישומי תדר גבוה או מתח גבוה.
יתרונות
- ישרות משטח טובה יותר – מצמצם הופעת טקסטורת אריג (“print-through”) במסלולים חיצוניים עם נחושת עבה.
- בקרת דיאלקטרי משופרת – ל-Cores בשלב C יש סבילות עובי הדוקה יותר מאשר ל-Prepreg.
- זרימת תהליך מיטבית – שימושי עם Cores דקים מאוד או כאשר יש דרישה לסימטריה גבוהה.
חסרונות
- תשואה נמוכה יותר – נחושת חיצונית דורשת הגנות וניקוי חוזרים (חריטה, הסרת מסכה, Brown-Oxide), מה שמגדיל סיכון לשריטות.
- עלות חומרים ועבודה גבוהה יותר – יותר Cores ו-Handling.
- ייצור מורכב יותר – חלונות תהליך הדוקים.
לכן מבנה זה נפוץ בעיקר ב-Multilayer PCB boards יוקרתיים, כאשר מישוריות ודיוק אימפדנס חשובים מהעלות.
Stack-Up במספר שכבות אי-זוגי — מקרה מיוחד לרווח דיאלקטרי
כאשר התכנון דורש רווחי דיאלקטרי גדולים יותר או מספר שכבות אי-זוגי, ניתן להשתמש ב-Odd-Layer Stack-Up שבו למינציה מצופה נחושת מצד אחד משמשת כשכבה חיצונית.
הכנת חומרים
- Cores חד-צדדיים זמינים בקלות, אך כוח ההדבקה בצד הלא-מצופה נמוך; נדרש חספוס פני שטח או טיפול כימי מיוחד.
- לחלופין, ניתן לחרוט צד אחד של Core דו-צדדי; מבנה “שיני הנחושת” שנוצר משפר היצמדות בלמינציה.
שיקולים הנדסיים
- מאפשר תכנון במספר שכבות אי-זוגי,
- מספק גמישות ברווח דיאלקטרי לדרישות אות/אימפדנס ספציפיות,
- אך חשוב לשמור על איזון מכני כדי למנוע עיוות.
טכניקות איזון
שימוש ב-עוביי Core סימטריים ו-התפלגות דיאלקטרית אחידה מסייעים ליציבות מבנית.
בייצור Multilayer PCB board, במיוחד בלוחות גדולים או דקים, סימטריית ה-Stack-Up היא גורם מפתח לתשואה ואמינות.
תכנון Stack-Up ושלמות אות (SI)
ללא קשר לשיטת הלמינציה, שלמות האות תלויה מאוד ב-Stack-Up:
מרווחים, קבוע דיאלקטרי וסידור שכבות אות/הארקה קובעים ישירות אימפדנס, דיבור צולב (crosstalk) ו-EMI.
Stack-Up מתוכנן היטב מסוג Type 3:
- ממזער דיבור צולב,
- מספק מסלולי החזרה יציבים,
- מבטיח אימפדנס עקבי בין שכבות,
- ומשפר תאימות אלקטרומגנטית כוללת.
במילים אחרות: תכנון Stack-Up הוא הצעד הראשון בתכנון SI — לא תיקון אחרי הניתוב.
סיכום — איזון עלות, אמינות וביצועים
Type 3 Multilayer PCB board Stack-Up נשאר עמוד השדרה של התעשייה.
בחירה נכונה של שיטת השכבות החיצוניות — foil נחושת, חיצוניות מבוססות Core או Odd-Layer — מאפשרת למהנדסים לאזן בין עלות, אמינות ו-ביצועים לפי צורכי הפרויקט.
השוואה מהירה:
- שכבות חיצוניות מ-foil נחושת: עלות נמוכה, תשואה גבוהה; שליטה בינונית באימפדנס — מתאים ללוחות כלליים וייצור המוני.
- שכבות חיצוניות מבוססות Core: מישוריות מעולה ואימפדנס מדויק; עלות גבוהה יותר ותהליך מורכב — לתדרים גבוהים/אמינות גבוהה.
- Odd-Layer Stack-Up: מאפשר רווחים דיאלקטריים מיוחדים; שליטה קשה יותר בעיוות — לעיצובים מותאמים או ניסיוניים.
מחשבות אחרונות
PCB Stack-Up אינו רק “ערימת חומרים” — זו פילוסופיית תכנון שמגדירה יחד ביצועים חשמליים ושלמות מכנית.
שליטה בעקרונות מבנה Type 3 של Multilayer PCB board חיונית להבנת HDI וטכנולוגיות החיבור של הדור הבא.
