Dizajniranje jednog Štampana pločica s visokogustoćnim međuveznim slojem (HDI) Zahtijeva duboko razumijevanje i električnih potreba i proizvodnih ograničenja. HDI tehnologija omogućava smještaj više komponenti u manjem prostoru. To je čini prvim izborom za modernu elektroniku poput pametnih telefona i nosive tehnologije.
Ispod se nalazi detaljan vodič o faktorima koje morate uzeti u obzir i kako optimizirati svoje HDI dizajne.
Faktori koje treba uzeti u obzir pri dizajnu HDI PCB-a
1. Pametan izbor komponenti
Kada dizajnirate HDI ploču, obično radite s vrlo malim komponentama. To uključuje površinske montažne uređaje (SMD) i kuglaste mrežaste nizove (BGA) s razmakom pinova od 0,65 mm ili manjim.
Morate pažljivo odabrati svoje komponente. Razmak između pinova (pitch) je najvažniji faktor. Ako su pinovi vrlo blizu, imat ćete manje prostora za provođenje bakrenih tragova. Ovaj izbor također određuje koju širinu traga trebate i koju vrstu vije (rupe) morate koristiti. Ako odaberete BGA s vrlo malim pitchom, možda ćete biti prisiljeni koristiti više slojeva ili manje mikrovije kako biste povezali sve signale.
2. Upotreba mikrovija
Mikrovia su srž HDI dizajna. To su vrlo male rupe, obično manje od 0,15 mm u promjeru. Dizajneri često koriste “build-up” ili “sekvencijalnu” laminacijsku tehniku za izradu tih rupa.
Mikroviase vam pomažu da uštedite mnogo prostora. Budući da su tako male, možete smjestiti više njih na malom prostoru u usporedbi s tradicionalnim provodnim rupama. Još jedna velika prednost je njihova niska induktivnost. To ih čini savršenima za visokobrzinske sklopove. Možete ih koristiti za povezivanje napojnih ravni s dekupirnim kondenzatorima ili na bilo kojem mjestu gdje trebate smanjiti električnu buku.
3. Izbor materijala
Odabir pravog materijala je ključan za svaki PCB, ali je još važniji za HDI. Vaš je cilj pronaći materijal koji se lako proizvodi, a istovremeno dobro podnosi toplinu i električnu struju.
Fizička debljina materijala je ključni faktor. Morate pogledati “omjer stranica” mikrovija. To je omjer između dubine rupe i njenog prečnika. Ako je materijal previše debeo, a rupa premalo mala, vrlo je teško pravilno pozlatiti rupu bakrom. Morate odabrati materijal koji omogućava hemikalijama da prolaze kroz rupe tokom procesa pozlativanja.
4. Zatvaranje i pomjeranje mikrovija
U HDI dizajnu možete koristiti tehniku nazvanu “via-in-pad”. To znači da postavite mikroviju direktno u centar površinskog montažnog pad-a.
Da biste to uradili, via mora biti “zapečaćena” ili popunjena, a zatim obložena bakrom. Time se stvara ravna površina za lemljenje. Korištenje ove metode daje vam mnogo više prostora za provlačenje tragova jer via ne zauzima dodatni prostor izvan pad-a. Također možete koristiti “pomaknute” mikrovije, gdje se rupe u različitim slojevima ne podudaraju savršeno, kako biste još bolje iskoristili prostor.
5. Smanjene perforacije ravnine
Kada dizajnirate napojne i masovne ravnine ispod BGA, želite što više punog bakra. Ovo se naziva “Power Integrity” (PI).
U tradicionalnim dizajnima velike prolazne rupe stvaraju mnoge “praznine” ili prazna mjesta u bakrenim ravninama. To djeluje poput ograde koja blokira protok struje. U HDI, budući da su viae mnogo manje, ostaje više bakra netaknutog. To poboljšava elektromagnetsku kompatibilnost (EMC) ploče. Također pruža bolje zaklonište od smetnji.
6. Problemi sa slojevima i delaminacijom
“Stack-up” je raspored bakrenih i izolacijskih slojeva. U HDI-u često koristite različite materijale za različite slojeve.
Svaki materijal ima “koeficijent toplinske ekspanzije” (CTE). To pokazuje koliko se materijal širi kada se zagrije. Ako dva sloja imaju vrlo različite vrijednosti CTE, širit će se različitim brzinama. To može uzrokovati razdvajanje slojeva, što se naziva “delaminacija”. Da bi se to izbjeglo, dizajneri bi trebali koristiti isti materijal za sve slojeve ili koristiti materijale s vrlo sličnim vrijednostima CTE i stopama upijanja vlage.
7. Metode testiranja
Tradicionalno “In-Circuit Testing” (ICT) često nije moguće za HDI ploče. ICT zahtijeva velike testne tačke koje zauzimaju previše prostora.
Umjesto toga, dizajneri koriste funkcionalno testiranje ili JTAG (Joint Test Action Group) metode. JTAG omogućava testiranje veza između integrisanih sklopova bez potrebe za fizičkim testnim sondama za svaki pojedinačni žičani vod. Iako je ICT vrlo dobar u otkrivanju specifičnih grešaka, JTAG je mnogo bolji za gusto okruženje HDI ploče.
8. Termičko upravljanje
HDI ploče su vrlo guste, pa se brzo zagrijavaju. Morate planirati kako ukloniti toplinu iz komponenti.
Trebali biste slijediti IPC-2226 standard koji pruža pravila za termalni dizajn u HDI. Jedna od prednosti HDI-ja je što su dielektrični (izolacijski) slojevi vrlo tanki. Tanki slojevi, u kombinaciji s mikroviasima, zapravo pomažu odvodi toplinu od čipova. Ako imate vrlo vruću komponentu, možete dodati “termalne vias” kako biste prenijeli toplinu na veću bakrenu ravan ili na hladnjak.
9. Potražnja za rutiranjem naspram kapaciteta podloge
“Routing demand” je ukupna dužina svih žica potrebnih za povezivanje komponenti na vašoj ploči. “Substrate capacity” je ukupna dužina žica koju ploča zapravo može primiti.
Za uspješan dizajn kapacitet mora biti veći od potražnje. Ako je vaša potražnja previsoka, možda ćete morati dodati više slojeva, ali to povećava troškove. Dizajneri nastoje uskladiti ova dva faktora kako bi dizajn dovršili po najnižoj mogućoj cijeni.
10. Izračunavanje gustoće PWB-a
Možete izmjeriti složenost vašeg dizajna izračunavanjem gustoće PWB-a (štampane pločice). To mjerimo kao prosječnu dužinu tragova po kvadratnom inču.
Da bismo to pronašli, pretpostavljamo da svaki “net” (jedna električna veza) ima tri čvora i da je svaki vod komponente jedan čvor. Koristimo sljedeću formulu:
$$Wd = \beta \sqrt{Cd \times Cc}$$
Gdje:
- $Wd$: gustoća PWB-a (prosječna dužina traga po kvadratnom inču).
- $Cd$: Gustina komponente (prosječan broj dijelova po kvadratnom inču).
- $Cc$: Kompleksnost komponente (prosječan broj izlaza/pinova po dijelu).
- $\beta$: Konstanta zasnovana na vrsti kruga.
- Koristiti 2.5 za visoko-analogna ili diskretna područja.
- Koristiti 3.0 za mješovita analogna i digitalna područja.
- Koristiti 3.5 za čisto digitalna ili ASIC područja.
Ova formula je koristan vodič. Međutim, zapamtite da je svaki dizajn jedinstven i da ne postoji jedno pravilo koje odgovara svakoj ploči.
Kako optimizirati vaš HDI dizajn za elektroniku
HDI je najbrže rastući dio PCB industrije. Čini ploče efikasnijima i omogućava veće brzine signala. U poređenju sa standardnim pločama, HDI ploče imaju znatno tanje linije, manje razmake i manje padove. Glavna razlika je u načinu na koji se slojevi povezuju. Standardne ploče koriste prolazne rupe, dok HDI ploče koriste slijepe i zakopane via.
Evo nekoliko načina da optimizirate svoj dizajn i izbjegnete skupe greške.
Odaberite odgovarajuću vrstu ulice
Staze koje odaberete promijenit će performanse i troškove vaše ploče. Korištenje mikrovija (slijepih ili zakopanih) zapravo može smanjiti ukupan broj slojeva koji su vam potrebni. Kada imate manje slojeva, troškovi materijala se smanjuju. Također čini proces proizvodnje manje složenim. Trebali biste rano razgovarati sa svojim proizvođačem kako biste vidjeli koje vrste via mogu pouzdano izraditi.
Pažljivo odaberite komponente
Kada izrađujete HDI ploču, morate biti vrlo pažljivi pri odabiru komponenti. Prije nego što započnete raspored, provjerite broj pinova i veličinu komponenti. Razmislite o tome kako će se tragovi uklopiti između pinova. Ako odaberete komponente koje su previše složene za veličinu vaše ploče, potrošit ćete više vremena na dizajn i više novca na proizvodnju.
Pažljivo isplanirajte sloj
Postoji mnogo načina za raspored slojeva na HDI ploči. Uobičajeni stilovi uključuju:
- 1-HDI: Jedan sloj mikrovija na vrhu i dnu s jezgrom koja sadrži zakopane vijase.
- 2-HDI (ne složeno): Dva sloja mikrovija koji se ne nalaze jedan iznad drugog.
- Stacked 2-HDI: Mikrovia koje se nalaze direktno jedna na drugoj. Mogu se popuniti smolom ili bakrom.
Morate odabrati uravnotežen sloj. Ako sloj nije simetričan, ploča se može iskriviti ili saviti tokom procesa zagrijavanja. Dobar sloj poboljšava “prinos” (postotak dobrih ploča).
Koristite odgovarajuće razmake
Ako komponente postavite preblizu jedna drugoj, možete izazvati elektromagnetsku interferenciju (EMI). To se događa kada električni signali iz jednog kabela procure u drugi. Također može stvoriti parazitsku kapacitivnost, koja usporava vaše signale.
Komponente biste trebali razmjestiti tako da se smanji naprezanje i elektromagnetsko zagađenje. Istovremeno osigurajte dovoljno prostora za montažu i popravak. Ako su dijelovi preblizu, vrlo je teško zavariti ih ili popraviti ako nešto pođe po zlu.
Fokus na integritet signala (SI)
Integritet signala se odnosi na osiguravanje da električni signal ostane čist od jednog kraja žice do drugog. Da bi vaši signali ostali snažni:
- Održavajte “omjer stranica” vaših via pravilnim kako bi bakrena prevlaka bila debela i ravnomjerna.
- Koristite vrlo male mikrovije kako biste smanjili dužinu “stuba” (višak bakra koji viri sa traga).
- Postavite male dijelove blizu jedni drugih kako bi putanje signala bile kratke.
- Rasporedite zakopane i slijepe vijase kako biste smanjili fizički stres na materijalima ploče.
Koristite napredne alate za dizajn
Dizajniranje HDI PCB-a je previše zahtjevno za osnovni softver. Proizvođači i dizajneri trebaju profesionalni CAD (Computer-Aided Design) i CAM (Computer-Aided Manufacturing) softver. Također koriste “Laser Direct Imaging” (LDI) za iscrtavanje sitnih linija na ploči. Budući da su tolerancije toliko male, iskustvo operatera jednako je važno kao i same mašine.
Prednosti u različitim industrijama
HDI ploče se koriste jer poboljšavaju rad elektronike. Možete ih pronaći u:
- Računari: Za bržu obradu podataka.
- Pametni telefoni: Da bi se u džepnom uređaju smjestilo više funkcija.
- Medicinski uređaji: Da bi oprema bila manja i prenosivija za liječnike.
Uspjeh vašeg HDI projekta ovisi o tome koliko dobro isplanirate raspored i koliko dobro surađujete s proizvođačem. Slijedeći ove savjete, možete stvoriti ploču visokih performansi koja je pouzdana i isplativa.
