Co je HDI PCB

Deska HDI je deska s plošnými spoji s vysokou hustotou propojení. Používá mikro zaslepené a zakopané průchodky. Tyto desky mají vysokou hustotu linek. Mají stopy vnitřní vrstvy a stopy vnější vrstvy. Používají také vrtané otvory a pokovené otvory pro propojení stop mezi vrstvami. Vzhledem k tomu, že elektronické výrobky jsou stále menší a přesnější, výrobci požadují hustší desky plošných spojů. Nejlepším způsobem, jak zvýšit hustotu DPS, je snížit počet průchozích otvorů a přidat dobře umístěné slepé a zakopané průchodky. Tato potřeba vedla ke vzniku desek HDI.

Definice IPC

IPC-2226 poskytuje jasné pravidlo pro slepé a zakopané průchodky:

• Průměr průchodky nebo zakopané průchodky ≤ 0,15 mm (0,00591 palce).

• Průměr kroužku ≤ 0,35 mm (0,0138 palce).

• Tyto průchodky lze vytvořit laserovým nebo mechanickým vrtáním, leptáním za sucha a za mokra nebo přenosem vzoru. Poté se otvor zakryje vodivým pokovením.
  Poznámka: Pokud je průměr otvoru > 0,15 mm (0,00591 palce), považujte jej za průchozí otvor podle stejné normy.

Běžné velikosti vrtáků pro HDI

Běžné velikosti průchodek pro HDI jsou 3-5 mil. Návrháři nejčastěji používají 4 mil jako střední hodnotu pro návrh a výrobu.

Běžné standardy IPC používané pro HDI

Typické normy IPC pro práci s HDI zahrnují:

1. IPC/JPCA-2315 - Příručka pro návrh struktury propojení a mikropropojení s vysokou hustotou.

2. IPC-2226 - norma pro návrh desek s plošnými spoji s vysokou hustotou (HDI).

3. IPC/JPCA-4104 - Specifikace pro ověřování dielektrických materiálů a jejich vlastností pro struktury HDI.

4. IPC-6016 - Specifikace pro kvalifikaci a výkonnost konstrukcí HDI.

Směrování HDI: výzvy a tipy

Co znamená směrování HDI

Směrování HDI znamená využití nejnovějších konstrukčních nápadů a výrobních metod k vytvoření hustšího uspořádání, aniž by se změnila funkce obvodu. Stručně řečeno, HDI používá více vrstev směrování, menší stopy, menší průchodky, menší podložky a tenčí jádra. To umožňuje vměstnat složité a často vysokorychlostní obvody do prostor, které dříve nebyly možné.

Se zdokonalováním výrobních metod se v mnoha návrzích objevuje HDI směrování. HDI najdete v základních deskách, grafických kartách, telefonech a dalších zařízeních s malým prostorem. Pokud HDI provedete správně, můžete zmenšit velikost desky a také omezit problémy s EMI na desce plošných spojů. Snížení nákladů je klíčovým cílem mnoha společností. Směrování HDI pomáhá tohoto cíle dosáhnout.

Směrování HDI a mikrotrasy

Směrování HDI je složitější než běžné vícevrstvé směrování. Možná víte, jak navrhovat 8vrstvé nebo 16vrstvé desky plošných spojů. Přesto HDI přináší nové myšlenky, které se musíte naučit.

V běžném plošném spoji vnímáme celou desku jako jeden prvek s mnoha vrstvami. V případě HDI musí konstruktéři uvažovat o mnoha ultratenkých vrstvách poskládaných na sebe tak, aby tvořily jednu desku. Hlavní hnací silou pro směrování HDI je technologie průchodek. Průchodky již nejsou pouze pokovené otvory vyvrtané skrz hotový stack. Tradiční průchozí otvory zmenšují prostor, který je k dispozici pro směrování na každé vrstvě.

Tradiční průchodky nejsou vhodné pro HDI

V případě směrování HDI jsou klíčové mikroúseky. Umožňují propojení mnoha hustých vrstev. Vysvětlení: mikrotrubičky vypadají jako slepé nebo zakopané průchodky, ale používají jinou metodu. Tradiční průchodky se vrtají po naskládání vrstev. Mikrovirky se vrtají laserem na vrstvy před jejich stohováním. Laserem vrtané mikropásky umožňují nejmenší velikosti otvorů a podložek mezi vrstvami. To pomáhá při BGA rozložení s vějířovitým uspořádáním, kde jsou vývody umístěny v mřížce.

Strategie směrování HDI

Pomocí mikročoček mohou konstruktéři DPS trasovat složité sítě v mnoha vrstvách. Tato metoda se někdy nazývá “libovolná vrstva HDI” nebo “propojení jednotlivých vrstev”. Protože mikrovrstvy šetří místo, mohou obě vnější vrstvy hostit husté součástky, zatímco většina trasování se nachází na vnitřních vrstvách.

Nízkoimpedanční uzemňovací roviny jsou zásadní

Když se součástky a stopy na vícevrstvé desce zhušťují, zvyšuje se riziko EMI a magnetické vazby. Při návrhu HDI musíte zajistit, aby měl stack správnou strukturu. Zajistěte dostatečný počet zemních rovin, abyste získali zpětné cesty s nízkou impedancí.

Vnitřní směrovací vrstvy umístěte mezi zemní nebo výkonové vrstvy, abyste omezili křížové vazby a přeslechy. Vysokorychlostní signálové cesty udržujte krátké a jejich zpětné cesty rovněž krátké. Naplánujte mikrotrasy tak, aby omezovaly signálové cesty na malou plochu. Tím se sníží riziko EMI.

Pro zajištění bezpečnosti použijte před výrobou vhodné simulační nástroje pro modelování desky plošných spojů HDI.

Hlavní výhody HDI desek plošných spojů

Mnoho lidí chce zmenšit velikost výrobku. Jedním z nejlepších způsobů je použití desek plošných spojů HDI. Pokud potřebujete nižší hmotnost a menší rozměry, ale zachovat funkčnost a spolehlivost, je HDI dobrým řešením.

Hlavní výhody:

• HDI umožňuje použití podložky v podložce a zaslepení. Díky tomu jsou díly blízko u sebe a zkracuje se délka stopy. Kratší stopy často znamenají rychlejší a spolehlivější signály.

• Tyto desky mohou poskytovat dobrý výkon za rozumnou cenu. HDI je cenově dostupnou volbou pro lidi, kteří potřebují spolehlivou a odolnou elektroniku.

• Chcete-li se rozhodnout, zda se HDI hodí pro váš projekt, zjistěte o nich více a zjistěte, jak je používat. Poznejte rozdíly mezi běžnými deskami plošných spojů a deskami plošných spojů HDI.

Kde se dnes používají desky plošných spojů HDI

Díky svým výhodám se HDI desky plošných spojů objevují v mnoha oborech.

1. Lékařské přístroje - mnoho lékařských nástrojů musí být malých rozměrů. Laboratorní přístroje a implantáty často potřebují malé desky. Zde pomáhá HDI. Dobrým příkladem je kardiostimulátor. Mnoho monitorovacích a sondovacích nástrojů, jako jsou endoskopy, také používá HDI. V těchto případech platí, že menší je lepší.

2. Automobilový průmysl - automobily dobře využívají prostor. Některá elektronika v autech se zmenšuje. HDI pomáhá zmenšit velikost při zachování funkčnosti.

3. Mobilní zařízení - Tablety a telefony používají HDI. Proto jsou tato zařízení s vývojem stále tenčí.

4. Letectví a obrana - v těchto oborech se HDI používá pro svou spolehlivost a malé rozměry. HDI se objevuje stále častěji, protože nové konstrukce vyžadují kompaktní a stabilní desky.

V budoucnu se bude HDI více využívat v mnoha dalších oborech.

Co dělá desku plošných spojů HDI deskou plošných spojů HDI?

DPS HDI používá slepé pokovení a následně druhý krok laminace. Tyto desky mohou být první, druhé, třetí a vyšší úrovně. Výrobci obvykle sestavují HDI desky pomocí laminovacích kroků. Čím více laminovacích kroků, tím vyšší technická úroveň.

• Základní desky HDI často používají jeden krok laminace.

• Vyšší úroveň HDI používá dva nebo více kroků laminace.

• Vysokoúrovňové HDI může využívat stohované průchodky, pokovené plněné průchodky, přímé vrtání laserem a další pokročilé metody.

Nyní si vysvětlíme běžné zásobníky vrstev a způsoby, jak je výrobci vytvářejí.

Jednoduché jednovrstvé HDI (příklad)

Jednoduchá jednovrstvá deska HDI může být šestivrstvá deska se stackem 1+4+1. Tato deska je jednoduchá. Vnitřní vícevrstvá deska nemá žádné zakopané průchodky. Desku doplňuje jedna laminace. Výroba je podobná jako u běžných vícevrstvých jednovrstvých desek. Po laminaci je však ještě nutné laserové vrtání pro zaslepené průchodky a další kroky.

Normální jednovrstvé HDI (běžný případ)

Běžné jednovrstvé HDI má strukturu (1 + N + 1), kde N ≥ 2 a N je sudé. Například jednovrstvý šestivrstvý HDI používá strukturu 1+4+1. Tato struktura je běžnou konstrukcí jednovrstvých HDI. Vnitřní vícevrstvá vrstva má často pohřbené průchodky, které vyžadují druhý krok laminace k dokončení. Tento jednovrstvý typ má často slepé průchodky a pohřbené průchodky. Pokud se konstruktérům podaří tento typ změnit na výše uvedenou jednoduchou jednovrstvou formu, vydělá na tom jak odběratel, tak dodavatel.

Normální dvouvrstvé HDI (běžný případ)

Běžnou dvouvrstvou HDI může být osmivrstvá deska se zásobníkem 1+1+4+1+1. Tento stoh je (1+1+N+1+1) s N ≥ 2 a sudý. Jedná se o hlavní proud dvouvrstvého provedení v průmyslu plošných spojů. Vnitřní vícevrstvá deska má zakopané průchodky, které vyžadují tři kroky laminace. Tento typ často nemá odstupňované zásobníky průchodek. Pokud můžete změnit zakopané průchodky z vrstev 3-6 na vrstvy 2-7, můžete snížit jeden krok laminace a snížit náklady.

Další běžný dvouvrstvý HDI

Tento typ také používá (1+1+N+1+1). Přestože se jedná o dvouvrstvou strukturu, zakopaný průchod se nachází na jiném místě - mezi vrstvami 2 a 7. Tato změna může snížit počet kroků laminace ze tří na dva. Tato konstrukce má však jeden háček: může vytvořit slepé průchodky z vrstev 1-3. Ty musíte rozdělit na dvě sady (1-2 a 2-3) a vnitřní slepé průchodky 2-3 vytvořit s výplní via. Vyplňování průchodek zvyšuje náklady a obtížnost. Proto se při návrhu snažte vyhnout skládaným průchodkám a změňte 1-3 slepé průchodky na rozložené 1-2 a 2-3 slepé a zakopané průchodky.

Neobvyklé dvouvrstvé HDI s křížovými slepými průchodkami

Jedna neobvyklá dvouvrstvá šestivrstvá deska HDI používá 1+1+2+1+1. Stále využívá myšlenku (1+1+N+1+1) s N ≥ 2 a sudou. Tato konstrukce má křížové slepé průchody. Hloubka slepých prostupů roste - slepý prostup o hloubce 1-3 je dvakrát hlubší než běžný slepý prostup o hloubce 1-2. Zákazníci, kteří se rozhodnou pro tento návrh, mají specifické potřeby a nechtějí slepé průchodky rozdělené do stohovaných průchodek. Tyto křížové slepé průchodky se obtížně vrtají laserem. Usazování a pokovování mědi na takto hlubokých slepých průchodkách je rovněž obtížné.

Stohované zaslepené průchodky ve dvouvrstvém HDI

Existuje typ, kde zakopané průchodky ve vrstvách 2-7 potřebují nad sebou naskládané slepé průchodky. Stále se jedná o strukturu (1+1+N+1+1). Tuto metodu používají některé dvouvrstvé HDI desky. Vnitřní vícevrstvá deska má pohřbená průchodová propojení a potřebuje dva kroky laminace. Klíčové je, že konstrukce s naskládanými průchodkami zvyšuje obtížnost. Umístění zakopaných průchodek ve vrstvách 2-7 však snižuje jeden krok laminace a šetří náklady.

Návrh křížových slepých průchodek v dvouvrstvém HDI

Další dvouvrstvé provedení (1+1+N+1+1) zahrnuje křížové slepé průchody. Tento design je obtížnější a někteří výrobci HDI nemají dostatek dovedností. Vnitřní vícevrstvé provedení má ve vrstvách 3-6 zakopané průchodky a vyžaduje tři kroky laminace. Hlavním problémem je návrh křížových slepých průchodek. Pokud se podaří rozdělit 1-3 křížové průchodky na 1-2 a 2-3 slepé průchodky, náklady klesnou a proces se zjednoduší. Poznámka: toto rozdělení se liší od dříve vysvětleného rozdělení na stohované průchodky. Při tomto rozdělení se místo naskládaných slepých průchodek používají odstupňované slepé průchodky.

Úrovně HDI

• HDI první úrovně (1. řádu) je jednoduchý. Proces a řízení jsou jednodušší.

• HDI druhé úrovně je složitější ve výrobě a produkci.

• Třetí a vyšší úroveň se řídí pravidly druhé úrovně, ale jsou složitější.

Rozdíly mezi HDI a běžnými PCB

Desky HDI se často vyrábějí technikou laminace za použití tenkých materiálů s jádrem. Čím více laminací, tím vyšší úroveň procesu. Většina desek HDI používá jednu laminaci. Desky HDI vysoké úrovně používají dvě nebo více technik laminace a přidávají pokročilé metody, jako jsou stohované průchodky, pokovené plněné průchodky a přímé vrtání laserem.

Pokud je relativní hustota desky plošných spojů vyšší než osmivrstvá deska, je její výroba pomocí HDI často levnější než složité tradiční laminování a lisování. Desky HDI mají často vyšší mechanickou pevnost a lepší přesnost signálu než tradiční PCB.

Další vylepšení HDI oproti běžným deskám plošných spojů:

• Lepší výkon pro mikrovlnné a rádiové signály.

• Lepší odolnost proti rádiovému rušení a elektrostatickému výboji.

• Lepší vedení tepla.

Integrace s vysokou hustotou (HDI) umožňuje, aby konečné produkty byly menší a standardnější z hlediska funkcí a výkonu.

Jednoduché rady pro designéry a kupující

1. HDI použijte, pokud potřebujete menší velikost a vyšší výkon.

2. Včas se poraďte se svým dodavatelem desek plošných spojů. HDI potřebuje kontrolu návrhu pro výrobu (DFM).

3. Požádejte o specifikace založené na IPC. Pokud je to možné, používejte IPC-2226 a IPC-6016.

4. Plánujte sestavy s dostatečným počtem zemních rovin, aby byly zpětné cesty krátké.

5. Použijte velikosti mikrozásuvek, které odpovídají možnostem vašeho domu desek plošných spojů. Běžné: 3-5 mil, často 4 mil.

6. Pokud to není nutné, snažte se vyhnout stohování průchodek. Často je jednodušší použít slepé/zapuštěné průchodky.

7. Pokud se rozhodnete pro vícestupňovou laminaci HDI, počítejte s větším počtem kroků a kontrol.

8. Pro kontrolu elektromagnetického rušení a integrity signálu použijte vhodnou simulaci pro vysokorychlostní nebo RF návrhy.

9. V případě BGA fan-out pomáhají mikroúseky a podložky pad-in-pad zmenšit plochu fan-out a délku stopy.

10. Pro kontrolu nákladů snižte počet kroků laminace, pokud je to možné. Optimalizujte umístění.

Závěrečné shrnutí

Desky HDI jsou desky plošných spojů s vysokou hustotou, které používají mikro slepé a zakopané průchodky. Umožňují konstruktérům umístit více stop a součástek na menší plochu. Směrování HDI vyžaduje pečlivé plánování stohování, dobré uzemňovací roviny, přesné použití mikrovia a řádné kontroly DFM. HDI přináší jasné výhody z hlediska velikosti, rychlosti signálu a výkonu. HDI se objevuje v mnoha oblastech, od lékařství a mobilních zařízení až po automobilový a letecký průmysl. Čím složitější je úroveň HDI, tím pokročilejší je proces a tím vyšší jsou náklady. Dobrý návrh a včasná komunikace s dodavatelem vám pomohou získat správnou desku HDI pro váš výrobek.