Hvad er et HDI-printkort?

Et HDI-kort er et printkort med høj tæthed af forbindelser. Det bruger mikroblinde og nedgravede vias. Disse kort har en høj linjetæthed. De har spor i det indre lag og spor i det ydre lag. De bruger også borede huller og belagte huller til at forbinde spor mellem lagene. Efterhånden som elektroniske produkter bliver mindre og mere præcise, beder producenterne om tættere printkort. Den bedste måde at øge PCB-tætheden på er at reducere antallet af gennemgående huller og tilføje velplacerede blinde og nedgravede vias. Dette behov førte til HDI-kortet.

IPC-definition

IPC-2226 giver en klar regel for blinde og nedgravede vias:

• Via eller nedgravet via med en diameter på ≤ 0,15 mm (0,00591 in).

• Ringdiameter ≤ 0,35 mm (0,0138 in).

• Disse vias kan laves med laser eller mekanisk boring, eller ved tør/våd ætsning, eller ved mønsteroverførsel. Derefter dækkes hullet af en ledende belægning.
  Bemærk: Hvis hullets diameter er > 0,15 mm (0,00591 in), skal det behandles som et gennemgående hul i henhold til samme standard.

Almindelige borestørrelser til HDI

Almindelige via-størrelser til HDI er 3-5 mil. Designere bruger oftest 4 mil som en mellemværdi til design og produktion.

Almindelige IPC-standarder, der bruges til HDI

Typiske IPC-standarder for HDI-arbejde omfatter:

1. IPC/JPCA-2315 - Vejledning til højdensitetsforbindelsesstruktur og mikrovia-design.

2. IPC-2226 - Designstandard for HDI-printkort (High Density Interconnect).

3. IPC/JPCA-4104 - Specifikation for validering af dielektriske materialer og ydeevne for HDI-strukturer.

4. IPC-6016 - Specifikation for kvalifikation og ydeevne for HDI-strukturer.

HDI-routing: udfordringer og tips

Hvad HDI-routing betyder

HDI-routing betyder, at man bruger de nyeste designideer og fremstillingsmetoder til at lave et tættere layout uden at ændre kredsløbets funktion. Kort sagt bruger HDI flere routinglag, mindre spor, mindre vias, mindre pads og tyndere kerner. På den måde kan man få plads til komplekse og ofte hurtige kredsløb på steder, hvor det ikke var muligt før.

Efterhånden som fremstillingsmetoderne bliver bedre, dukker HDI-routing op i mange designs. Du finder HDI i bundkort, grafikkort, telefoner og andre enheder med lidt plads. Hvis du laver HDI rigtigt, kan du reducere kortets størrelse og også reducere EMI-problemer på printkortet. At sænke omkostningerne er et vigtigt mål for mange virksomheder. HDI-routing hjælper med at nå det mål.

HDI-routing og microvias

HDI-routing er mere kompleks end normal flerlagsrouting. Du ved måske, hvordan man designer 8-lags eller 16-lags printkort. Alligevel introducerer HDI nye ideer, som du skal lære.

På et normalt printkort ser vi hele kortet som ét element med mange lag. I HDI skal designerne tænke på mange ultratynde lag, der er stablet for at danne et kort. Den vigtigste drivkraft for HDI-routing er via-teknologien. Vias er ikke længere kun de belagte huller, der bores gennem den færdige stak. Traditionelle gennemgående huller reducerer den plads, der er til rådighed for routing på hvert lag.

Traditionelle vias er ikke egnet til HDI

I HDI-routing er mikrovias nøglen. De lader mange tætte lag blive forbundet med hinanden. Mikrovias ligner blinde eller nedgravede vias, men følger en anden metode. Traditionelle vias bores, efter at lagene er stablet. Microvias laserbores på lagene, før de stables. Laserborede mikrovias giver mulighed for de mindste hulstørrelser og padstørrelser mellem lagene. Dette hjælper med BGA fan-out-layout, hvor stifterne sidder i et gitter.

HDI-routing-strategier

Med mikrovias kan printkortdesignere route komplekse netværk i mange lag. Denne metode kaldes nogle gange “any-layer HDI” eller “per-layer interconnect”. Fordi microvias sparer plads, kan begge ydre lag rumme tætte dele, mens det meste routing ligger på de indre lag.

Jordplaner med lav impedans er afgørende

Når dele og spor bliver tættere i et flerlagskort, stiger risikoen for EMI og magnetisk kobling. Ved HDI-design skal du sikre, at stakken har den rigtige struktur. Sørg for nok jordplaner til at give returveje med lav impedans.

Placer indre routinglag mellem jord- eller strømlag for at reducere krydskobling og overhøring. Hold højhastighedssignalveje korte, og hold også deres returveje korte. Planlæg microvias, så de begrænser signalvejene til et lille område. Det reducerer risikoen for EMI.

Af hensyn til sikkerheden skal du bruge de rigtige simuleringsværktøjer til at modellere HDI-printkortet før produktion.

De største fordele ved HDI-printkort

Mange mennesker ønsker at reducere produktstørrelsen. En af de bedste måder er at bruge HDI-printkort. Når du har brug for mindre vægt og mindre størrelse, men vil bevare funktion og pålidelighed, er HDI en god løsning.

Vigtige fordele:

• HDI tillader brug af pad-in-pad og blind via. Det lader delene sidde tæt og reducerer sporlængden. Kortere spor betyder ofte hurtigere og mere pålidelige signaler.

• Disse kort kan give god ydeevne til en rimelig pris. HDI er et overkommeligt valg for folk, der har brug for pålidelig, holdbar elektronik.

• For at beslutte, om HDI passer til dit projekt, skal du lære mere om dem, og hvordan du bruger dem. Kend forskellene mellem normale PCB'er og HDI PCB'er.

Hvor HDI PCB'er bruges i dag

På grund af deres fordele anvendes HDI PCB'er på mange områder.

1. Medicinsk udstyr - Mange medicinske værktøjer skal være små. Laboratorieudstyr og implantater har ofte brug for bittesmå kort. HDI hjælper her. En pacemaker er et godt eksempel. Mange overvågnings- og sondeværktøjer, som f.eks. endoskoper, bruger også HDI. I disse tilfælde er mindre bedre.

2. Biler - Biler er gode til at udnytte pladsen. Noget af bilens elektronik bliver mindre. HDI hjælper med at reducere størrelsen, mens funktionen bevares.

3. Mobile enheder - Tablets og telefoner bruger HDI. Det er derfor, disse enheder bliver tyndere, efterhånden som de udvikles.

4. Luft- og rumfart og forsvar - Disse områder bruger HDI på grund af dets pålidelighed og lille størrelse. HDI dukker mere op, når nye designs har brug for kompakte og stabile kort.

Mange andre områder vil bruge mere HDI i fremtiden.

Hvad gør et HDI-printkort til et HDI-printkort?

Et HDI-printkort bruger blind via-plating og derefter et andet lamineringstrin. Disse print kan være på første niveau, andet niveau, tredje niveau og højere. Producenter bygger normalt HDI-kort ved hjælp af lamineringstrin. Jo flere lamineringstrin, jo højere er det tekniske niveau.

• Grundlæggende HDI-kort bruger ofte ét lamineringstrin.

• HDI på højere niveau bruger to eller flere lamineringstrin.

• HDI på højt niveau kan bruge stablede vias, belagte fyldte vias, direkte laserboring og andre avancerede metoder.

Nu forklarer vi almindelige lagstakke, og hvordan producenterne bygger dem.

Enkel HDI med et enkelt laminat (eksempel)

Et simpelt HDI-kort med et enkelt lag kan være et 6-lags kort med en 1+4+1-stak. Dette kort er simpelt. Den indre flerlagsplade har ingen nedgravede vias. En laminering fuldender kortet. Fremstillingen svarer til normale flerlags enkeltlaminatplader. Men efter lamineringen skal man stadig bruge laserboring til blinde vias og andre trin.

Normal enkeltlaminat-HDI (almindeligt tilfælde)

En almindelig enkeltlags-HDI har en struktur (1 + N + 1), hvor N ≥ 2 og N er lige. For eksempel bruger en enkeltlaminat-HDI med 6 lag 1+4+1. Denne struktur er det gængse design for enkeltlaminerede HDI'er. Det indre flerlag har ofte nedgravede vias, som kræver endnu et lamineringstrin for at blive færdige. Denne enkeltlaminattype har ofte blinde vias og begravede vias. Hvis designerne kan ændre denne type til den enkle enkeltlaminatform ovenfor, er det en fordel for både køber og leverandør.

Normalt dobbeltlaminat HDI (almindeligt tilfælde)

Et almindeligt dobbeltlaminat-HDI kan være et 8-lags kort med en 1+1+4+1+1-stak. Denne stak er (1+1+N+1+1) med N ≥ 2 og lige. Dette er det almindelige dobbeltlaminatdesign i printkortindustrien. Det indre multilag har nedgravede vias, som kræver tre lamineringstrin. Denne type har ofte ikke forskudte via-stakke. Hvis du kan ændre nedgravede vias fra lag 3-6 til lag 2-7, kan du reducere et lamineringstrin og reducere omkostningerne.

En anden almindelig dobbeltlaminat HDI

Denne type bruger også (1+1+N+1+1). Selv om det er en dobbeltlaminatstruktur, sidder den begravede via et andet sted - mellem lag 2 og 7. Denne ændring kan reducere lamineringstrinnene fra tre til to. Men dette design har et svært punkt: Det kan skabe blinde vias fra lag 1-3. Du skal opdele dem i to sæt (1-2 og 2-3) og lave de 2-3 indre blinde vias med via-fyldning. Via-fyldning øger omkostningerne og besværet. Så under designet skal du prøve at undgå stablede vias og ændre 1-3 blinde vias til forskudte 1-2 og 2-3 blinde og begravede vias.

Usædvanligt dobbeltlaminat-HDI med blinde vias på tværs af lagene

Et usædvanligt HDI 6-lags dobbeltlaminatkort bruger 1+1+2+1+1. Det bruger stadig (1+1+N+1+1)-ideen med N ≥ 2 og lige. Dette design har blinde vias på tværs af lagene. Dybden af de blinde vias vokser - en blind via med 1-3 dybder er dobbelt så dyb som en normal blind via med 1-2 dybder. Kunder, der vælger dette design, har specifikke behov og ønsker ikke, at den blinde via opdeles i stablede vias. Disse blinde vias på tværs af lagene er svære at bore med laser. Kobberudfældning og -belægning på så dybe blinde vias er også vanskeligt.

Design med stablede blinde huller i dobbeltlaminat HDI

Der er en type, hvor nedgravede vias i lag 2-7 har brug for stablede blindvias over sig. Dette er stadig en (1+1+N+1+1)-struktur. Nogle dobbeltlaminerede HDI-kort bruger denne metode. Det indre multilag har nedgravede vias og har brug for to lamineringstrin. Nøglen er, at det stablede via-design gør det sværere. Men at placere nedgravede vias i lag 2-7 reducerer et lamineringstrin og sparer omkostninger.

Design af blinde gennemgange på tværs af lag i dobbeltlaminat-HDI

Et andet dobbeltlaminat-design (1+1+N+1+1) omfatter blinde vias på tværs af lagene. Dette design er sværere at lave, og nogle HDI-producenter mangler færdighederne. Det indre multilag har nedgravede vias i lag 3-6 og har brug for tre lamineringstrin. Hovedproblemet er designet med blinde vias på tværs af lagene. Hvis du kan opdele 1-3 cross-layer via i 1-2 og 2-3 blind vias, falder omkostningerne, og processen bliver enklere. Bemærk: Denne opdeling adskiller sig fra den stablede via-opdeling, der blev forklaret tidligere. Denne opdeling bruger forskudte blind vias i stedet for stablede blind vias.

Niveauer af HDI

• HDI på første niveau (1. orden) er enkel. Processen og kontrollen er lettere.

• HDI på andet niveau er mere kompleks inden for produktion og fremstilling.

• Tredje niveau og derover følger reglerne for andet niveau, men er mere komplekse.

Forskelle mellem HDI og almindelige PCB'er

HDI-kort fremstilles ofte ved hjælp af lamineringsteknikker med tynde kernematerialer. Jo flere lamineringer, jo højere procesniveau. De fleste HDI-kort bruger én laminering. HDI på højt niveau bruger to eller flere lamineringsteknikker og tilføjer avancerede metoder som stablede vias, belagte fyldte vias og direkte laserboring.

Når den relative tæthed af et printkort bliver højere end et otte-lags kort, koster det ofte mindre at lave det med HDI end at lave kompleks traditionel laminering og presning. HDI-kort har ofte højere mekanisk styrke og bedre signalnøjagtighed end traditionelle printkort.

Andre forbedringer af HDI i forhold til almindelige PCB'er:

• Bedre ydeevne for mikrobølge- og RF-signaler.

• Bedre modstandsdygtighed over for radiointerferens og elektrostatisk afladning.

• Bedre varmeledning.

High-density integration (HDI) gør det muligt at gøre slutprodukterne mindre og mere standardiserede med hensyn til funktion og ydeevne.

Enkle råd til designere og indkøbere

1. Brug HDI, når du har brug for mindre størrelse og bedre ydeevne.

2. Tal med din PCB-leverandør i god tid. HDI har brug for DFM-tjek (design-for-manufacture).

3. Bed om IPC-baserede specifikationer. Brug IPC-2226 og IPC-6016, hvor det er muligt.

4. Planlæg stackups med nok jordplaner til at holde returvejene korte.

5. Brug microvia-størrelser, der passer til dit PCB-hus' kapacitet. Almindelig: 3-5 mil, ofte 4 mil.

6. Prøv at undgå stablede vias, medmindre det er nødvendigt. Forskudte blinde/nedgravede vias er ofte nemmere.

7. Hvis du vælger HDI-laminering i flere trin, skal du forvente flere procestrin og mere inspektion.

8. Brug korrekt simulering til højhastigheds- eller RF-designs for at kontrollere EMI og signalintegritet.

9. Til BGA-fan-out hjælper microvias og pad-in-pad med at reducere fan-out-området og sporlængden.

10. For at kontrollere omkostningerne skal du reducere antallet af lamineringstrin, når du kan. Optimer via placering.

Afsluttende opsummering

HDI-kort er PCB'er med høj tæthed af forbindelser, der bruger mikroblind og nedgravet vias. De giver designerne mulighed for at pakke flere spor og dele på mindre plads. HDI-routing kræver omhyggelig planlægning af stabling, gode jordplaner, præcis brug af mikroviaer og korrekt DFM-kontrol. HDI giver klare fordele i forhold til størrelse, signalhastighed og ydeevne. HDI anvendes inden for mange områder, fra medicin og mobil til bil- og rumfart. Jo mere komplekst HDI-niveauet er, jo mere avanceret er processen, og jo højere er omkostningerne. Godt design og tidlig leverandørkommunikation vil hjælpe dig med at få det rigtige HDI-kort til dit produkt.