Multilayer PCB מוסבר: Stackup שכבות, כללי תכנון, תהליך ייצור ויישומים

Multilayer PCB (נקרא גם Multilayer PCB board) הוא לוח מעגל מודפס בעל שלוש שכבות נחושת או יותר, המוערמות יחד עם חומרים מבודדים דיאלקטריים ומולחמות/מולמינות (Lamination) לכדי מבנה קשיח אחד באמצעות חום ולחץ. בעוד ש-PCB דו-צדדי יכול להספיק למערכות בעלות מורכבות בינונית, אלקטרוניקה מודרנית—במיוחד מערכות אלחוטיות, מוצרי צריכה קומפקטיים וציוד דיגיטלי מהיר—דורשת בדרך כלל צפיפות ניתוב גבוהה יותר, שיפור בביצועי EMI (הפרעות אלקטרומגנטיות) ו-Power Integrity טוב יותר (יציבות אספקת הכוח).

מדריך זה מסביר מה הם Multilayer PCBs, כיצד בוחרים מספר שכבות, עקרונות מרכזיים של תכנון Multilayer PCB, תהליך הייצור (Fabrication) ויישומים נפוצים.

מהו Multilayer PCB?

Multilayer PCB בנוי משכבות מתחלפות של נחושת וחומרים דיאלקטריים כמו Prepreg או Core, ולאחר מכן מולמינציה אותם למבנה קשיח אחד. השכבות החיצוניות (Top ו-Bottom) נושאות בדרך כלל רכיבים, בעוד שהשכבות הפנימיות מיועדות לניתוב, חלוקת הספק ולמשטחי ייחוס של הארקה (Ground reference planes).

במה הוא שונה מ-PCB דו-צדדי?

השוואה קצרה:

• צפיפות ניתוב (Routing density):
  דו-צדדי: בינונית — Multilayer: גבוהה מאוד
• איכות/שלמות אות (Signal integrity):
  דו-צדדי: מוגבלת — Multilayer: מצוינת (בזכות משטחי ייחוס)
• שליטה ב-EMI:
  דו-צדדי: בסיסית — Multilayer: חזקה ויציבה (Predictable)
• הקטנת גודל (Size reduction):
  דו-צדדי: מוגבלת — Multilayer: משמעותית
• עלות:
  דו-צדדי: נמוכה — Multilayer: גבוהה יותר
• אמינות:
  דו-צדדי: טובה — Multilayer: מצוינת (מסלולים קצרים יותר, רעש נמוך יותר)

ב-PCB דו-צדדי האותות נעים על שתי שכבות בלבד. לעומת זאת, Multilayer מספק ערוצי ניתוב פנימיים רבים, מה שמאפשר לייצר פריסה קומפקטית יותר, מסלולי חזרה קצרים יותר (Return paths) ו-אימפדנס מבוקר (Controlled impedance) עבור ממשקי High-Speed.

איך מזהים Multilayer PCB?

בדיקה מהירה היא הסתכלות על חתך הקצה של הלוח: ב-Multilayer ניתן לראות שכבות למינציה רבות ולא ליבה אחידה אחת. לוחות בעלי צפיפות גבוהה מרגישים לעיתים גם מעט כבדים יותר עקב כמות נחושת גדולה יותר.

המבנה של Multilayer PCB

Multilayer PCB טיפוסי דומה ל“סנדוויץ’” של נחושת ודיאלקטרי:

• Top Layer – פדים לרכיבים וניתובים קצרים
• Internal Signal Layers – ניתוב מבוקר וצפוף
• Power Plane Layers – אספקת כוח באימפדנס נמוך
• Ground Plane Layers – שכבת ייחוס לכל האותות
• Bottom Layer – רכיבים, מחברים או ניתוב Breakout

החומרים הדיאלקטריים שומרים על מרווחים ומכתיבים תכונות חשמליות מרכזיות כגון אימפדנס, הפסד (Loss) ו-השראה הדדית/קפיצות (Crosstalk). דיאלקטרי דק יותר וצימוד חזק יותר לאדמה (GND) משפרים בדרך כלל ביצועי High-Speed.

כמה שכבות צריך?

רוב ה-Multilayer PCBs המסחריים נמצאים בטווח של 4 עד 12 שכבות, אם כי מערכות תקשורת, רדאר לרכב ומערכות שרתים/מחשוב עשויות לדרוש 16–30+ שכבות.

למה רוב ה-Multilayer PCBs משתמשים במספר שכבות זוגי?

מבנה זוגי מתלמינץ בצורה מאוזנת יותר, מפחית סיכון ל-Warpage (עיוות/קימור) ומשפר את התפוקה בייצור. לוחות עם מספר שכבות אי-זוגי אפשריים, אך לרוב אינם מומלצים בגלל עומס מכני ועלות גבוהה יותר.

מדריך החלטה מהיר

• MCU בסיסי, IoT, לוחות רגישים להספק: 4 שכבות
• דיגיטל ברמת מורכבות בינונית, אזורי RF: 6 שכבות
• ממשקי High-Speed (USB 3.x, PCIe, DDR), צפיפות בינונית: 8 שכבות
• צפיפות גבוהה מאוד, כמה BGAs, אימפדנס מבוקר + דרישות EMC: 10–12 שכבות

בעת בחירת מספר שכבות, כדאי לשקול:

• BGA pitch ומספר I/O
• אותות High-Speed הזקוקים לשכבות ייחוס סמוכות
• מספר מסילות מתח (Power rails)
• סימטריית Stackup ויכולת ייצור
• איזון בין עלות לבין דרישות ביצועים

סוגי Vias: Through-Hole, Blind ו-Buried

Multilayer PCBs מסתמכים על Vias כדי לחבר שכבות. הסוגים הנפוצים:

1) Through-Hole Via (PTH)

• קידוח מלמעלה עד למטה
• העלות הנמוכה והייצור הפשוט ביותר
• מתאים לניתוב כללי ולרגלי רכיבים

2) Blind Via

• מחבר שכבה חיצונית לשכבה פנימית אחת או יותר
• מפחית צפיפות/פקקים מתחת ל-BGA צפופים
• יקר יותר בשל בקרת עומק מדויקת

3) Buried Via

• מחבר רק שכבות פנימיות
• מפנה שטח בשכבות החיצוניות לניתוב
• נפוץ בעיצובים קומפקטיים או מהירים

הערה על HDI Multilayer PCBs

HDI משתמש ב-Microvias—חורים זעירים בקידוח לייזר—המאפשרים BGA צפוף מאוד ומסלולי אות קצרים.

עקרונות תכנון חשובים ל-Multilayer PCB

חלק זה מסכם כללים מעשיים ושימושיים למהנדסים בתכנון Multilayer.

1) יסודות Stackup

Stackup טוב הוא הבסיס לאמינות. שלושה כללים מרכזיים:

כלל 1: להצמיד שכבות אות לשכבות GND או Power

כך מתקבל צימוד אלקטרומגנטי חזק יותר, שטח לולאה קטן יותר, ושיפור ב-Signal Integrity.

כלל 2: לשמור על מסלול חזרה רציף (Continuous return path)

אותות מהירים מחפשים את המסלול בעל האינדוקטנס הנמוך ביותר. הימנעו מחצייה מעל Split planes, כי זה מפריע למסלול החזרה וגורם לבעיות EMI.

כלל 3: לשמור על סימטריית Stackup

חלוקת נחושת לא מאוזנת עלולה לגרום לעיקום/פיתול בלמינציה. Stackup סימטרי מצמצם מאמצים מכניים.

2) שימוש בשכבות Power ו-Ground

שכבות Power/GND ייעודיות:

• מפחיתות רעש
• משפרות Power Integrity
• מאפשרות ניתוב צפוי של Controlled-Impedance

בלוחות דיגיטליים נהוג לשים שכבות GND במרכז כדי לשפר מיגון בין שכבות האות.

3) הנחיות ניתוב ל-High-Speed ול-Mixed-Signal

• לצמצם מעבר בין שכבות כדי להפחית Via stubs והחזרים
• לנתב שכבות סמוכות בכיוונים מאונכים (X-Y routing) להפחתת Crosstalk
• לשמור על שכבת ייחוס עקבית מתחת לזוגות דיפרנציאליים
• להרחיק שעונים וקווי High-Speed ממעגלי הספק “רועשים”
• באזורים אנלוגיים רגישים—לבודד זרמי חזרה של Switching

אלו כללים כלליים, יעילים ורלוונטיים לרוב התעשיות, בלי להיכנס לחישובים נישתיים.

ייצור Multilayer PCB: תהליך העבודה במפעל

ייצור Multilayer PCB מתבצע לפי שלבים ברורים. הנה סקירה פשוטה ומובנת:

שלב 1: הדמיה וצריבה של שכבות פנימיות (Inner layer imaging & etching)

הנחושת מצופה פוטורסיסט, נוצרת תבנית באמצעות UV, ואז נצרבת הנחושת ליצירת המעגלים הפנימיים.

שלב 2: למינציה (Lamination)

כמה ליבות (Cores) ושכבות Prepreg נלחצות יחד בטמפרטורה ולחץ גבוהים, ונוצר Stack רב-שכבתי מוצק. נדרשת בקרה גבוהה כדי למנוע חללים, חוסר רישום (Misregistration) או Warpage.

שלב 3: קידוח מכני (Mechanical drilling)

אלפי חורים נקדחים עבור Vias ורגלי רכיבים. איכות הקידוח משפיעה על אמינות הציפוי ועל דיוק ה-Annular ring.

שלב 4: Desmear וציפוי נחושת (Desmear & copper plating)

מסירים שאריות שרף מהקידוח (Desmear), ומצפים את דפנות החורים בנחושת. כך נוצרים “Barrels” מוליכים המחברים שכבות.

שלב 5: יצירת תבנית שכבות חיצוניות (Outer layer patterning)

לאחר הלמינציה, השכבות החיצוניות עוברות הדמיה וצריבה כדי ליצור את ניתובי Top/Bottom.

שלב 6: מסכת הלחמה והדפסה (Solder mask & silkscreen)

Solder mask מגן על הנחושת מחמצון ומקצרי הלחמה; Silkscreen מוסיף סימונים, שמות רכיבים ופולריות.

שלב 7: גימור סופי (Final finishing)

גימורים כגון HASL, ENIG, ENEPIG או OSP מיושמים על פדים חשופים כדי להכין את הלוח להרכבה.

שלב 8: בדיקות חשמליות ותפקודיות

בדיקות Flying-probe או Bed-of-nails בודקות רציפות, קצרים וחיבוריות שכבות תקינה.

יתרונות וחסרונות של Multilayer PCBs

יתרונות מרכזיים

• צפיפות ניתוב גבוהה → מאפשרת מוצרים קומפקטיים
• שיפור ב-EMI/EMC
• Signal Integrity טוב יותר בזכות שכבות ייחוס
• מסלולים קצרים יותר → פחות פרזיטיות ורעש
• יציבות מכנית טובה יותר מלוחות חד-שכבתיים

מגבלות מרכזיות

• עלות ייצור גבוהה יותר
• דרישות תכנון ו-Layout מורכבות יותר
• איתור תקלות ותיקון (Rework) קשים יותר בגלל שכבות פנימיות

למרות זאת, Multilayer PCBs נשארים הבסיס המועדף לאלקטרוניקה מודרנית.

יישומים נפוצים של Multilayer PCBs

Multilayer PCBs נמצאים כמעט בכל מוצר אלקטרוני מתקדם, כולל:

מוצרי צריכה

סמארטפונים, לפטופים, טאבלטים, Wearables, מצלמות

ציוד תקשורת

נתבים, תחנות בסיס, מודולי RF, אלקטרוניקת לוויין

תעשייה ואוטומציה

דרייברים למנועים, PLC, מכשור, ממשקי חיישנים

רכב ותחבורה

ADAS, רדאר, אינפוטיינמנט, יחידות שליטה לרכב חשמלי (EV)

ציוד רפואי

מוניטורים ניידים, מערכות דימות, אנלייזרים ידניים

היכולת להכניס פונקציונליות רבה בשטח קטן הופכת אותם לחיוניים בענפים אלו.

שאלות נפוצות (FAQ)

סיכום

Multilayer PCBs הם עמוד השדרה של אלקטרוניקה מודרנית וביצועית. הבנה של בחירת שכבות, תכנון Stackup, יסודות ניתוב ותהליך הייצור תאפשר לפתח מוצרים אמינים יותר, קומפקטיים יותר ועמידים יותר ל-EMI.

אם אתם מחפשים ייצור Multilayer PCB איכותי, חברת FastTurnPCB מתמחה בזמני אספקה מהירים, Stackups מתקדמים ותמיכה הנדסית אמינה לפרוטוטיפים ולייצור סדרתי.