Šta je HDI PCB

HDI ploča je štampana pločica s visokodensitetskom interkonekcijom. Koristi mikro slijepe i ukopane vijase. Ove ploče imaju visoku gustoću tragova. Imaju tragove na unutrašnjim slojevima i na vanjskim slojevima. Također koriste izbušene rupe i pozlaćene rupe za povezivanje tragova između slojeva. Kako elektronički proizvodi postaju manji i precizniji, proizvođači traže gušće tiskane pločice. Najbolji način za povećanje gustoće tiskane pločice je smanjenje broja provrta i dodavanje dobro postavljenih slijepih i zakopanih provoda. Ova potreba je dovela do nastanka HDI ploče.

Definicija IPC-a

IPC-2226 daje jasno pravilo za slijepe i zakopane vijase:

• Via ili zakopana via promjera ≤ 0,15 mm (0,00591 inča).

• Promjer prstenaste praznine ≤ 0,35 mm (0,0138 inča).

• Ove trase se mogu izraditi laserskim ili mehaničkim bušenjem, suhim/mokrim graviranjem ili prenosom uzorka. Zatim provodna pozlata prekriva rupu.
  Napomena: Ako je promjer rupe veći od 0,15 mm (0,00591 inča), tretirajte je kao prolaznu rupu prema istom standardu.

Uobičajene veličine bušenja za HDI

Uobičajene veličine via za HDI su 3–5 mil. Dizajneri najčešće koriste 4 mil kao srednju vrijednost za dizajn i proizvodnju.

Uobičajeni IPC standardi koji se koriste za HDI

Tipični IPC standardi za HDI rad uključuju:

1. IPC/JPCA-2315 — Vodič za dizajn visokog gustog interkonekcijskog sloja i mikrovija.

2. IPC-2226 — Standard dizajna za štampane pločice s visokogustoćnom međuveznom tehnologijom (HDI).

3. IPC/JPCA-4104 — Specifikacija za validaciju dielektričnog materijala i performanse za HDI strukture.

4. IPC-6016 — Specifikacija za kvalifikaciju i performanse HDI struktura.

HDI rutiranje: izazovi i savjeti

Šta znači HDI rutiranje

HDI routing znači korištenje najnovijih ideja u dizajnu i proizvodnih metoda kako bi se postigao gušći raspored bez mijenjanja funkcije kola. Ukratko, HDI koristi više slojeva za rutiranje, tanje tragove, manje vias, manje padove i tanje jezgre. To omogućava da se složena i često visokobrzinska kola smjeste u prostore koji prije nisu bili mogući.

Kako se proizvodne metode poboljšavaju, HDI ruting se pojavljuje u mnogim dizajnima. HDI ćete pronaći na matičnim pločama, grafičkim karticama, telefonima i drugim uređajima s malo prostora. Ako HDI pravilno implementirate, možete smanjiti veličinu ploče i također smanjiti EMI probleme na PCB-u. Smanjenje troškova je ključni cilj za mnoge kompanije. HDI ruting pomaže u ostvarenju tog cilja.

HDI usmjeravanje i mikrovia

HDI rutiranje je složenije od uobičajenog višeslojnog rutiranja. Možda znate kako dizajnirati PCB-ove sa 8 ili 16 slojeva. Ipak, HDI uvodi nove koncepte koje morate naučiti.

U običnoj tiskanoj pločici (PCB) cijelu ploču smatramo jednim komadom s mnogo slojeva. U HDI dizajneri moraju razmišljati o mnogim ultratanim slojevima složenim da bi se formirala jedna ploča. Glavni pokretač HDI rutiranja je tehnologija via. Via više nisu samo obložene rupe izbušene kroz gotovi sloj. Tradicionalne probojne rupe smanjuju prostor dostupan za rutiranje na svakom sloju.

Tradicionalne vias nisu pogodne za HDI

U HDI rutiranju, mikrovia su ključne. Omogućavaju povezivanje mnogih gustih slojeva. Da objasnimo, mikrovia izgledaju kao slijepe ili zakopane via, ali se provode drugačijom metodom. Tradicionalne via se buše nakon što su slojevi složeni. Mikrovia se laserski buše na slojevima prije slojevanja. Laserski bušene mikrovia omogućavaju najmanje veličine rupa i padova između slojeva. Ovo pomaže pri BGA rasporedi fan-out gdje pinovi stoje u mreži.

HDI strategije rutiranja

Uz mikroviase, dizajneri štampanih pločica mogu usmjeravati složene mreže na više slojeva. Ova se metoda ponekad naziva “HDI na bilo kojem sloju” ili “interkonekcija po sloju”. Budući da mikroviase štede prostor, oba vanjska sloja mogu ugostiti guste komponente, dok se većina usmjeravanja nalazi na unutrašnjim slojevima.

Niskotenzijski uzemljivački planovi su od vitalnog značaja.

Kada su komponente i tragovi gušće na višeslojnoj ploči, rizik od EMI-ja i magnetskog povezivanja raste. Za HDI dizajn morate osigurati da slojevi imaju pravu strukturu. Osigurajte dovoljno zemaljskih ravni kako biste omogućili povratne puteve niske impedancije.

Postavite unutrašnje slojeve ruta između slojeva zemlje i napajanja kako biste smanjili međusobno kupovanje i preslušavanje. Držite puteve visokobrzinskih signala kratkim, kao i njihove povratne puteve. Planirajte mikroviase tako da ograničavaju puteve signala na malom području. To smanjuje rizik od EMI-ja.

Radi sigurnosti koristite odgovarajuće alate za simulaciju za modeliranje HDI PCB-a prije proizvodnje.

Glavne prednosti HDI PCB-ova

Mnogi ljudi žele smanjiti veličinu proizvoda. Jedan od najboljih načina je korištenje HDI tiskanih pločica. Kada vam je potrebna manja težina i manja veličina, a pritom želite zadržati funkcionalnost i pouzdanost, HDI je dobro rješenje.

Ključne prednosti:

• HDI omogućava pad-in-pad i blind via use. To omogućava da komponente budu blizu i skraćuje dužinu tragova. Kraći tragovi često znače brže i pouzdanije signale.

• Ove ploče mogu pružiti dobre performanse po razumnoj cijeni. HDI je pristupačan izbor za ljude kojima je potrebna pouzdana i izdržljiva elektronika.

• Da biste odlučili da li HDI odgovara vašem projektu, saznajte više o njima i kako ih koristiti. Upoznajte se s razlikama između običnih PCB-ova i HDI PCB-ova.

Gdje se danas koriste HDI PCB-ovi

Zbog svojih prednosti, HDI PCB-ovi se pojavljuju u mnogim oblastima.

1. Medicinski uređaji — Mnogi medicinski alati moraju biti mali. Laboratorijska oprema i implantati često zahtijevaju sitne ploče. HDI ovdje pomaže. Pejsmejker je dobar primjer. Mnogi uređaji za nadzor i sonde, poput endoskopa, također koriste HDI. U tim slučajevima, što je manje, to je bolje.

2. Automobilski — automobili dobro koriste prostor. Neka automobilska elektronika postaje sve manja. HDI pomaže smanjiti veličinu, a da funkcija ostane očuvana.

3. Mobilni uređaji — tableti i telefoni koriste HDI. Zbog toga ovi uređaji postaju tanji kako se razvijaju.

4. Zrakoplovstvo i odbrana — ova područja koriste HDI zbog njegove pouzdanosti i male veličine. HDI se sve više primjenjuje kako novi dizajni zahtijevaju kompaktne i stabilne ploče.

Mnoge druge oblasti će u budućnosti koristiti više HDI.

Šta čini HDI PCB HDI PCB-om

HDI PCB koristi blind vias plating i zatim drugi korak laminacije. Ove ploče mogu biti prve, druge, treće i viših razina. Proizvođači obično izrađuju HDI ploče koristeći korake laminacije. Što je više koraka laminacije, to je viša tehnička razina.

• Osnovne HDI ploče često koriste jedan korak laminacije.

• HDI višeg nivoa koristi dva ili više koraka laminacije.

• HDI visokog nivoa može koristiti slojevite provodnike, pozlaćene ispunjene provodnike, lasersko direktno bušenje i druge napredne metode.

Sada objašnjavamo uobičajene slojevite stogove i kako ih producenti grade.

Jednostavan jednolaminatni HDI (primjer)

Jednostavna HDI ploča s jednim laminatom može biti šesteroslojna ploča sa 1+4+1 slojevima. Ova ploča je jednostavna. Unutrašnja višeslojna ploča nema zakopane vijase. Jedna laminacija dovršava ploču. Proizvodnja je slična običnim višeslojnim pločama s jednim laminatom. Ali nakon laminacije i dalje je potrebno lasersko bušenje slijepih vijasa i drugi koraci.

Normalni jednolaminatni HDI (uobičajen slučaj)

Uobičajeni jednolaminatni HDI ima strukturu (1 + N + 1) gdje je N ≥ 2 i N je paran. Na primjer, jednolaminatni HDI sa 6 slojeva koristi strukturu 1+4+1. Ova struktura je glavni dizajn za jednolaminatni HDI. Unutrašnji višeslojni sloj često ima potopljene vijase koje je potrebno dovršiti drugim laminacijskim korakom. Ova vrsta jednolaminata često ima slijepe vijase i potopljene vijase. Ako dizajneri mogu ovu vrstu pretvoriti u jednostavni jednolaminatni oblik naveden gore, i kupac i dobavljač imaju koristi.

Normalni dvostruki laminat HDI (uobičajeni slučaj)

Uobičajeni dvostruki laminat HDI može biti osmoslojna ploča sa slojevima 1+1+4+1+1. Ovaj sloj je (1+1+N+1+1) gdje je N ≥ 2 i paran. Ovo je glavni dizajn dvostrukog laminata u industriji PCB-a. Unutarnji višeslojni sloj ima zakopane vias koje zahtijevaju tri laminacijska koraka. Ova vrsta često nema pomaknute skupove via. Ako možete premjestiti zakopane vias iz slojeva 3–6 u slojeve 2–7, možete smanjiti jedan laminacijski korak i smanjiti troškove.

Još jedan uobičajeni dvostruki laminat HDI

Ovaj tip također koristi (1+1+N+1+1). Iako je riječ o dvostrukoj laminatnoj strukturi, zakopana via se nalazi na drugom mjestu — između slojeva 2 i 7. Ova promjena može smanjiti broj laminacijskih koraka sa tri na dva. Međutim, ovaj dizajn ima jednu slabu točku: može stvoriti slijepe vije sa slojeva 1–3. Morate ih podijeliti u dva seta (1–2 i 2–3) i napraviti unutrašnje slijepe via veze 2–3 s popunjavanjem via. Popunjavanje via povećava troškove i složenost. Stoga tokom dizajna pokušajte izbjeći slojevite via veze i pretvoriti slijepe via veze 1–3 u pomaknute slijepe i zakopane via veze 1–2 i 2–3.

Neobični dvostruki laminat HDI sa međuslojnim slijepim viasima

Jedna neobična dvostruka laminirana HDI ploča sa 6 slojeva koristi 1+1+2+1+1. I dalje koristi ideju (1+1+N+1+1) gdje je N ≥ 2 i paran. Ovaj dizajn ima međuslojne skrivene provodnike. Dubina slijepih prolaza raste — slijepi prolaz dubine 1–3 je dvostruko dublji od normalnog slijepog prolaza dubine 1–2. Kupci koji odaberu ovaj dizajn imaju specifične potrebe i ne žele da se slijepi prolaz podijeli na slojevite prolaze. Ovi međuslojevski slijepi prolazi teško se buše laserom. Depozicija bakra i pozlatba na tako dubokim slijepim prolazima također su teški.

Slojeviti blind putem dizajna u dvostrukom laminatu HDI

Postoji tip gdje zakopane via na slojevima 2–7 trebaju složene slijepe via iznad sebe. Ovo je i dalje (1+1+N+1+1) struktura. Neke HDI ploče s dvostrukim laminatom koriste ovu metodu. Unutrašnji višeslojni sloj ima zakopane via i zahtijeva dva laminacijska koraka. Ključno je da dizajn složenih via povećava složenost. Ali postavljanje zakopanih via na slojevima 2–7 smanjuje jedan laminacijski korak i štedi troškove.

Dizajn slijepih provoda međuslojeva u dvostrukom laminatu HDI

Još jedan dizajn dvostrukog laminata (1+1+N+1+1) uključuje skrivene provodnike preko slojeva. Ovaj dizajn je teže izraditi i neki proizvođači HDI-ja nemaju potrebne vještine. Unutarnji višeslojni sloj ima skrivene provodnike u slojevima 3–6 i zahtijeva tri koraka laminacije. Glavni problem je dizajn međuslojnskih slijepih vijaka. Ako možete podijeliti međuslojni vijak 1–3 na slijepe vijke 1–2 i 2–3, troškovi se smanjuju, a proces postaje jednostavniji. Napomena: ovo razdvajanje se razlikuje od ranije objašnjenog razdvajanja slojevitih vijaka. Ovo razdvajanje koristi pomaknute slijepe vijke umjesto slojevitih slijepih vijaka.

Nivoi HDI-ja

• HDI prvog nivoa (prvog reda) je jednostavan. Proces i kontrola su lakši.

• HDI drugog nivoa je složeniji u proizvodnji i prerađivačkoj industriji.

• Treći nivo i viši slijede pravila drugog nivoa, ali su složeniji.

Razlike između HDI i običnih PCB-ova

HDI ploče se često izrađuju laminacijskim tehnikama koristeći tanke jezgrene materijale. Što je više laminacija, to je viši nivo procesa. Većina HDI ploča koristi jednu laminaciju. Visokorazinski HDI koristi dvije ili više laminacijskih tehnika i dodaje napredne metode kao što su slojevite vias, pozlaćene ispunjene vias i lasersko direktno bušenje.

Kada relativna gustoća PCB-a premaši onu osmoslojne ploče, izrada HDI pločom često je jeftinija nego složena tradicionalna laminacija i prešanje. HDI ploče često imaju veću mehaničku čvrstoću i bolju tačnost signala nego tradicionalni PCB-ovi.

Ostala poboljšanja HDI u odnosu na obične PCB-ove:

• Bolje performanse za mikrotalasne i RF signale.

• Bolja otpornost na radio smetnje i elektrostatički pražnjenje.

• Bolja provodnost topline.

Integracija visoke gustoće (HDI) omogućava da krajnji proizvodi budu manji i standardniji po funkciji i performansama.

Jednostavan savjet za dizajnere i kupce

1. Koristite HDI kada vam je potrebna manja veličina i bolje performanse.

2. Rano razgovarajte sa svojim dobavljačem PCB-a. HDI zahtijeva provjere dizajna za proizvodnju (DFM).

3. Zatražite specifikacije zasnovane na IPC-u. Koristite IPC-2226 i IPC-6016 gdje je to moguće.

4. Planirajte stackupove s dovoljno zemaljskih ravni kako bi povratni putevi bili kratki.

5. Koristite veličine mikrovija koje odgovaraju mogućnostima vaše PCB fabrike. Uobičajeno: 3–5 mil, često 4 mil.

6. Pokušajte izbjeći složene vias osim ako je to neophodno. Neusporedno slijepe/zakopane vias često su lakše.

7. Ako odaberete višestupanjsku HDI laminaciju, očekujte više koraka procesa i inspekciju.

8. Koristite odgovarajuću simulaciju za dizajne visokih brzina ili RF dizajne kako biste provjerili EMI i integritet signala.

9. Za BGA fan-out, mikrovia i pad-in-pad pomažu smanjiti površinu fan-outa i dužinu trase.

10. Za kontrolu troškova smanjite broj koraka laminiranja kad god možete. Optimizirajte raspored vijaka.

Završni sažetak

HDI ploče su tiskane pločice s visokom gustoćom interkonekcije koje koriste mikro slijepe i zakopane vijase. Omogućavaju dizajnerima da smjeste više tragova i komponenti u manje prostora. HDI ruting zahtijeva pažljivo planiranje slojeva, dobre uzemljene ravnine, preciznu upotrebu mikro vijasa i odgovarajuće DFM provjere. HDI pruža jasne prednosti u pogledu veličine, brzine signala i performansi. HDI se pojavljuje u mnogim oblastima, od medicinske i mobilne do automobilske i zrakoplovne industrije. Što je nivo HDI složeniji, to je proces napredniji i cijena viša. Dobar dizajn i rana komunikacija s dobavljačem pomoći će vam da dobijete odgovarajuću HDI ploču za vaš proizvod.