Quy trình sản xuất PCB nhiều lớp: Hướng dẫn từng bước & Thách thức khi tạo mẫu

Hình ảnh do khách hàng ủy quyền

Bảng mạch in nhiều lớp (PCB) là xương sống của ngành điện tử hiện đại, cho phép các thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao được tìm thấy trong điện thoại thông minh, thiết bị y tế, xe điện (EV) và cơ sở hạ tầng 5G. Không giống như PCB một lớp hoặc hai lớp, các bảng nhiều lớp xếp chồng từ 4–40+ lớp đồng dẫn điện được phân tách bằng các vật liệu điện môi cách điện, làm giảm đáng kể kích thước thiết bị đồng thời tăng tốc độ tín hiệu và khả năng xử lý công suất.

Thị trường PCB nhiều lớp toàn cầu dự kiến sẽ đạt 85,6 tỷ USD vào năm 2028 (Grand View Research), được thúc đẩy bởi nhu cầu về EV và 5G. Tuy nhiên, việc sản xuất các bảng này phức tạp hơn nhiều so với PCB tiêu chuẩn—yêu cầu căn chỉnh chính xác, vật liệu chuyên dụng và thử nghiệm nghiêm ngặt. Hướng dẫn này sẽ phân tích quy trình sản xuất PCB nhiều lớp, làm nổi bật các thách thức về tạo mẫu và giải thích cách khắc phục chúng, tập trung vào các phương pháp thực hành tốt nhất trong ngành và thông tin chi tiết dựa trên dữ liệu.

Những điểm chính
  1. PCB nhiều lớp (4+ lớp) giảm thể tích thiết bị từ 40–60% và cải thiện tính toàn vẹn tín hiệu lên 30% so với thiết kế hai lớp, khiến chúng trở nên cần thiết cho các ứng dụng tốc độ cao (25Gbps+) và công suất cao (10A+).
  2. Quy trình sản xuất yêu cầu 7 bước quan trọng: thiết kế/lựa chọn vật liệu, căn chỉnh/cán lớp, khắc, khoan, mạ, hoàn thiện bề mặt và kiểm tra chất lượng—mỗi bước có dung sai nghiêm ngặt (±5μm để căn chỉnh lớp).
  3. Các thách thức về tạo mẫu bao gồm sai lệch lớp (gây ra 20% lỗi tạo mẫu), không nhất quán về vật liệu (ảnh hưởng đến 15% bảng) và khả năng hiển thị thử nghiệm hạn chế (che giấu 30% khuyết tật lớp bên trong).
  4. Các nhà sản xuất tiên tiến như LT CIRCUIT sử dụng khoan laser (giảm thời gian sản xuất 40%) và kiểm tra quang học tự động (AOI) (giảm khuyết tật xuống <1%) để hợp lý hóa sản xuất.

Quy trình sản xuất PCB nhiều lớp
Sản xuất PCB nhiều lớp là một quy trình làm việc tuần tự, chính xác, chuyển đổi nguyên liệu thô thành các mạch nhiều lớp, chức năng. Mỗi bước được xây dựng dựa trên bước trước đó—những sai sót ở các giai đoạn đầu (ví dụ: sai lệch) sẽ dẫn đến những lỗi tốn kém sau này. Dưới đây là phân tích chi tiết:

1. Thiết kế & Lựa chọn vật liệu: Nền tảng của sự thành công
Bước đầu tiên xác định hiệu suất, khả năng sản xuất và chi phí của bảng. Nó liên quan đến hai nhiệm vụ cốt lõi:

Thiết kế xếp chồng
Các kỹ sư tạo ra một bản thiết kế “xếp chồng” ánh xạ:

 a. Số lượng lớp: 4–12 lớp cho hầu hết các ứng dụng thương mại (ví dụ: 6 lớp cho điện thoại thông minh, 12 lớp cho trạm gốc 5G).
 b. Chức năng lớp: Lớp nào là tín hiệu, nguồn hoặc nối đất (ví dụ: “tín hiệu-nối đất-nguồn-nối đất-tín hiệu” cho bảng 5 lớp).
 c. Kiểm soát trở kháng: Rất quan trọng đối với tín hiệu tốc độ cao—các đường dẫn được định cỡ để duy trì 50Ω (đơn) hoặc 100Ω (cặp vi sai).

Quy tắc chính: Ghép mọi lớp tín hiệu với một mặt phẳng nối đất liền kề để giảm nhiễu xuyên âm 50%.

Lựa chọn vật liệu
Vật liệu được chọn dựa trên mục đích sử dụng của bảng (ví dụ: nhiệt độ, tần số, công suất). Bảng dưới đây so sánh các tùy chọn phổ biến:

Ví dụ: PCB biến tần EV sử dụng xếp chồng 10 lớp với lõi FR4 (Tg 170°C), lớp nguồn đồng 2oz và FR4 prepreg—cân bằng chi phí và khả năng chịu nhiệt (nhiệt độ hoạt động 150°C).

2. Căn chỉnh & Cán lớp: Liên kết các lớp một cách chính xác
Cán kết hợp các lớp đồng và vật liệu điện môi thành một bảng duy nhất, cứng. Sai lệch ở đây là thảm họa—ngay cả ±10μm cũng có thể phá vỡ các kết nối điện.

Cán từng bước
 1. Cắt Prepreg: Các tấm prepreg (sợi thủy tinh tẩm nhựa) được cắt để phù hợp với kích thước lõi.
 2. Xây dựng chồng: Các lớp được xếp chồng theo thứ tự thiết kế (ví dụ: đồng → prepreg → lõi → prepreg → đồng) bằng chốt định vị để căn chỉnh ban đầu.
 3. Ép chân không: Chồng được đặt trong máy ép áp dụng:
      a. Nhiệt độ: 170–180°C (làm cứng nhựa prepreg).
      b. Áp suất: 300–500 psi (loại bỏ bọt khí).
      c. Thời gian: 60–90 phút (thay đổi theo số lớp).
 4. Làm mát: Bảng được làm mát đến nhiệt độ phòng (25°C) để tránh cong vênh.

Dung sai quan trọng: Căn chỉnh lớp phải là ±5μm (đạt được thông qua hệ thống căn chỉnh quang học) để đáp ứng các tiêu chuẩn IPC-6012 cho PCB nhiều lớp.

Vấn đề thường gặp: Xếp chồng không cân bằng (ví dụ: nhiều đồng hơn ở một bên) gây ra cong vênh. Giải pháp: Sử dụng số lớp đối xứng (ví dụ: 6 lớp thay vì 5).

3. Khắc: Tạo ra các đường mạch
Khắc loại bỏ đồng không mong muốn khỏi các lớp để tạo thành các đường dẫn điện. Đối với PCB nhiều lớp, các lớp bên trong được khắc trước, sau đó là các lớp bên ngoài sau khi cán.

Quá trình khắc
 1. Ứng dụng chất cản quang: Một lớp phim nhạy sáng được áp dụng cho các lớp đồng.
 2. Phơi sáng: Ánh sáng UV được chiếu qua mặt nạ ảnh (khuôn mẫu của thiết kế mạch), làm cứng chất cản quang trong các khu vực đường dẫn.
 3. Phát triển: Chất cản quang chưa được làm cứng bị rửa trôi, để lộ đồng để khắc.
 4. Khắc: Bảng được nhúng trong chất ăn mòn (ví dụ: amoni persulfate) hòa tan đồng bị lộ.
 5. Tước lớp cản: Loại bỏ chất cản quang còn lại, để lộ các đường dẫn cuối cùng.

Kiểm tra chất lượng: Kiểm tra quang học tự động (AOI) xác minh chiều rộng và khoảng cách đường dẫn—loại bỏ các bảng có độ lệch >10% so với thông số kỹ thuật thiết kế.

4. Khoan & Tạo Via: Kết nối các lớp
Via (lỗ) kết nối các lớp đồng, cho phép tính liên tục về điện trên bảng. PCB nhiều lớp sử dụng ba loại via:

Quá trình khoan
  1. Khoan laser: Được sử dụng cho via mù/chôn (0,05–0,2mm), khoan laser đạt độ chính xác ±2μm và tránh làm hỏng các lớp bên trong.
  2. Khoan cơ học: Được sử dụng cho các lỗ xuyên (0,2–0,5mm), máy khoan CNC hoạt động ở tốc độ 10.000+ RPM để tăng tốc độ.
  3. Khoan ngược: Loại bỏ các phần còn lại của via chưa sử dụng (còn lại từ khoan xuyên lỗ) để giảm phản xạ tín hiệu trong các thiết kế tốc độ cao (25Gbps+).

Điểm dữ liệu: Khoan laser làm giảm các khuyết tật liên quan đến via 35% so với khoan cơ học đối với microvia (<0,1mm).

5. Mạ: Đảm bảo độ dẫn điện
Mạ phủ các thành via và đường dẫn đồng bằng một lớp kim loại mỏng để tăng cường độ dẫn điện và ngăn ngừa ăn mòn.

Các bước mạ chính
  a. Khử vết bẩn: Hóa chất (ví dụ: permanganate) loại bỏ cặn epoxy khỏi thành via, đảm bảo độ bám dính của kim loại.
  b. Mạ đồng không điện: Một lớp đồng mỏng (0,5–1μm) được lắng đọng trên thành via mà không cần điện—tạo ra một đế dẫn điện.
  c. Mạ điện: Bảng được nhúng trong bể sunfat đồng và dòng điện được áp dụng để làm dày đồng (15–30μm) trên các đường dẫn và via.
  d. Mạ tùy chọn: Đối với các ứng dụng có độ tin cậy cao, niken (2–5μm) hoặc vàng (0,05–0,1μm) được thêm vào để cải thiện khả năng hàn.

6. Hoàn thiện bề mặt: Bảo vệ bảng
Hoàn thiện bề mặt bảo vệ đồng tiếp xúc khỏi quá trình oxy hóa và cải thiện khả năng hàn. Sự lựa chọn phụ thuộc vào chi phí, ứng dụng và tuổi thọ:

Ví dụ: PCB trạm gốc 5G sử dụng ENIG để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu và chống ăn mòn ngoài trời.

7. Đảm bảo chất lượng & Thử nghiệm: Xác minh hiệu suất
PCB nhiều lớp yêu cầu thử nghiệm nghiêm ngặt để phát hiện các khuyết tật ẩn (ví dụ: đoản mạch lớp bên trong). Dưới đây là các bài kiểm tra quan trọng nhất:

Dữ liệu: Thử nghiệm toàn diện làm giảm tỷ lệ lỗi tại hiện trường từ 10% (không thử nghiệm) xuống <1% (thử nghiệm đầy đủ).

Các thách thức về tạo mẫu trong PCB nhiều lớp
Tạo mẫu PCB nhiều lớp phức tạp hơn nhiều so với các bảng một lớp—với 30% nguyên mẫu bị lỗi do các vấn đề có thể tránh được. Dưới đây là những thách thức hàng đầu và giải pháp:
1. Sai lệch lớp
a. Nguyên nhân: Mòn chốt định vị, dòng nhựa prepreg không đều hoặc cong vênh bảng trong quá trình cán.
b. Tác động: Kết nối bị hỏng, đoản mạch và 20% lỗi nguyên mẫu.
c. Giải pháp:
    Sử dụng hệ thống căn chỉnh quang học (độ chính xác ±2μm) thay vì chốt định vị cơ học.
    Cán trước các tấm thử nghiệm nhỏ để xác thực căn chỉnh trước khi sản xuất đầy đủ.
    Chọn xếp chồng đối xứng (ví dụ: 6 lớp) để giảm thiểu cong vênh.

2. Không nhất quán về vật liệu
a. Nguyên nhân: Biến thể về hằng số điện môi (Dk) hoặc độ dày đồng từ nhà cung cấp; hấp thụ độ ẩm trong prepreg.
b. Tác động: Mất tín hiệu (cao hơn 25% ở 28GHz), khắc không đều và độ bám dính lớp kém.
c. Giải pháp:
    Nguồn vật liệu từ các nhà cung cấp được chứng nhận ISO 9001 (ví dụ: Rogers, Isola) với dung sai Dk chặt chẽ (±5%).
    Kiểm tra vật liệu đến: Đo Dk bằng máy phân tích mạng; kiểm tra độ dày đồng bằng thước đo micromet.
    Bảo quản prepreg trong môi trường khô (≤50% RH) để ngăn ngừa hấp thụ độ ẩm.

3. Khả năng hiển thị thử nghiệm hạn chế
a. Nguyên nhân: Các lớp bên trong bị ẩn khỏi kiểm tra trực quan; microvia quá nhỏ để dò thủ công.
b. Tác động: 30% các khuyết tật lớp bên trong (ví dụ: đoản mạch) không được phát hiện cho đến khi lắp ráp cuối cùng.
c. Giải pháp:
    Sử dụng kiểm tra tia X cho các lớp bên trong và via—phát hiện các khoảng trống nhỏ tới 5μm.
    Thực hiện kiểm tra đầu dò bay để kiểm tra tính liên tục về điện—kiểm tra hơn 1.000 điểm mỗi phút.
    Thêm các điểm kiểm tra vào các lớp bên trong (thông qua via mù) để dễ dàng gỡ lỗi hơn.

4. Ràng buộc về chi phí & thời gian
a. Nguyên nhân: Nguyên mẫu nhiều lớp yêu cầu các công cụ chuyên dụng (máy khoan laser, máy tia X); kích thước lô nhỏ (10–50 đơn vị) làm tăng chi phí trên mỗi đơn vị.
b. Tác động: Chi phí tạo mẫu cao hơn 3–5 lần so với PCB tiêu chuẩn; thời gian giao hàng kéo dài đến 2–3 tuần.
c. Giải pháp:
    Đơn giản hóa các nguyên mẫu ban đầu: Sử dụng 4 lớp thay vì 6; tránh microvia nếu có thể.
    Hợp tác với các nhà sản xuất cung cấp dịch vụ tạo mẫu “quay vòng nhanh” (5–7 ngày) để giảm thời gian giao hàng.
    Kết hợp các lô nhỏ thành một bảng duy nhất để giảm chi phí thiết lập.

Chuyên môn của LT CIRCUIT trong sản xuất PCB nhiều lớp
LT CIRCUIT giải quyết các thách thức về sản xuất và tạo mẫu bằng công nghệ tiên tiến và kiểm soát quy trình, khiến nó trở thành đối tác đáng tin cậy cho các ứng dụng có độ tin cậy cao:
1. Thiết bị sản xuất tiên tiến
 a. Khoan laser: Sử dụng máy khoan laser UV cho microvia 0,05–0,2mm, giảm thời gian sản xuất 40% và khuyết tật via 35%.
 b. Cán tự động: Hệ thống căn chỉnh quang học (±2μm) đảm bảo độ chính xác của lớp; máy ép chân không loại bỏ bọt khí.
 c. Tích hợp AOI + X-Ray: 100% bảng trải qua thử nghiệm AOI (khuyết tật bề mặt) và tia X (lớp bên trong), giảm khuyết tật xuống <1%.

2. Giải pháp tạo mẫu
 a. Lặp lại nhanh chóng: Cung cấp dịch vụ tạo mẫu quay vòng nhanh 5–7 ngày cho bảng 4–12 lớp, với các kiểm tra thiết kế trực tuyến để phát hiện sai lệch hoặc các vấn đề về vật liệu sớm.
 b. Tính linh hoạt của vật liệu: Dự trữ vật liệu FR4, Rogers và polyimide để tránh chậm trễ cung cấp; tùy chỉnh xếp chồng cho các nhu cầu độc đáo (ví dụ: PCB nhiều lớp linh hoạt).
 c. Hỗ trợ gỡ lỗi: Cung cấp các báo cáo thử nghiệm chi tiết (hình ảnh tia X, dữ liệu đầu dò bay) để giúp các kỹ sư xác định và khắc phục các sự cố nguyên mẫu.

3. Chứng nhận chất lượng
LT CIRCUIT đáp ứng các tiêu chuẩn toàn cầu cho PCB nhiều lớp, bao gồm:

 a. ISO 9001:2015 (quản lý chất lượng).
 b. IPC-6012C (thông số kỹ thuật hiệu suất cho PCB nhiều lớp).
 c. UL 94 V-0 (chống cháy cho mục đích sử dụng của người tiêu dùng/công nghiệp).
 d. IATF 16949 (PCB cấp ô tô cho EV/ADAS).

Câu hỏi thường gặp về sản xuất PCB nhiều lớp
Q: Hầu hết PCB nhiều lớp có bao nhiêu lớp?
A: Các ứng dụng thương mại thường sử dụng 4–12 lớp. Điện thoại thông minh sử dụng 6–8 lớp; trạm gốc 5G và biến tần EV sử dụng 10–12 lớp; hệ thống hàng không vũ trụ có thể sử dụng hơn 20 lớp.

Q: Tại sao PCB nhiều lớp lại đắt hơn PCB một lớp?
A: Chúng yêu cầu nhiều vật liệu hơn (đồng, prepreg), thiết bị chuyên dụng (máy khoan laser, máy tia X) và nhân công (căn chỉnh chính xác, thử nghiệm)—chi phí cao hơn 3–5 lần so với bảng một lớp. Tuy nhiên, kích thước nhỏ hơn và hiệu suất tốt hơn của chúng thường làm giảm tổng chi phí hệ thống.

Q: PCB nhiều lớp có thể linh hoạt không?
A: Có—PCB nhiều lớp linh hoạt sử dụng chất nền polyimide và đồng mỏng (1oz), cho phép bán kính uốn nhỏ tới 0,5mm. Chúng phổ biến trong các thiết bị đeo (đồng hồ thông minh) và điện thoại có thể gập lại.

Q: Làm thế nào để tôi chọn đúng số lớp cho thiết kế của mình?
A: Sử dụng quy tắc ngón tay cái này:

1. 4 lớp: Thiết kế công suất thấp, tốc độ thấp (ví dụ: cảm biến IoT).
2. 6–8 lớp: Thiết kế tốc độ cao (10–25Gbps) hoặc công suất trung bình (5–10A) (ví dụ: điện thoại thông minh, bộ điều khiển công nghiệp).
3. 10+ lớp: Thiết kế công suất cao (10A+) hoặc tần số cao (28GHz+) (ví dụ: biến tần EV, trạm gốc 5G).

Q: Nhiệt độ hoạt động tối đa cho PCB nhiều lớp là bao nhiêu?
A: Nó phụ thuộc vào chất nền:

1. FR4 (Tg 170°C): Hoạt động liên tục 130–150°C.
2. Rogers RO4350 (Tg 280°C): Hoạt động liên tục 180–200°C.
3. Polyimide: -55°C đến 200°C (thiết kế linh hoạt).

Kết luận
Sản xuất PCB nhiều lớp là một nghệ thuật chính xác, cân bằng giữa độ phức tạp của thiết kế, khoa học vật liệu và kiểm soát quy trình. Từ thiết kế xếp chồng đến thử nghiệm cuối cùng, mỗi bước đều yêu cầu sự chú ý đến từng chi tiết—đặc biệt đối với các ứng dụng tốc độ cao, công suất cao như 5G và EV. Các thách thức về tạo mẫu (sai lệch, khuyết tật ẩn) có thể vượt qua được bằng các công cụ tiên tiến (khoan laser, kiểm tra tia X) và các đối tác có kinh nghiệm như LT CIRCUIT.

Khi ngành điện tử tiếp tục thu nhỏ và đòi hỏi nhiều hiệu suất hơn, PCB nhiều lớp sẽ vẫn rất cần thiết. Bằng cách hiểu quy trình sản xuất và các phương pháp thực hành tốt nhất, các kỹ sư có thể thiết kế các bảng nhỏ hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn—đồng thời kiểm soát chi phí và thời gian giao hàng. Cho dù bạn đang xây dựng một nguyên mẫu hay mở rộng quy mô sản xuất, việc đầu tư vào PCB nhiều lớp chất lượng là một khoản đầu tư vào sự thành công của sản phẩm của bạn.