Σχεδιάζοντας ένα PCB διασύνδεσης υψηλής πυκνότητας (HDI) απαιτεί βαθιά κατανόηση τόσο των ηλεκτρικών αναγκών όσο και των κατασκευαστικών ορίων. Η τεχνολογία HDI επιτρέπει περισσότερα εξαρτήματα σε μικρότερο χώρο. Αυτό την καθιστά την κορυφαία επιλογή για σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα όπως τα smartphones και η φορητή τεχνολογία.
Παρακάτω παρατίθεται ένας λεπτομερής οδηγός σχετικά με τους παράγοντες που πρέπει να λάβετε υπόψη σας και τον τρόπο βελτιστοποίησης των σχεδίων HDI.
Παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού PCB HDI
1. Έξυπνη επιλογή εξαρτημάτων
Όταν σχεδιάζετε μια πλακέτα HDI, συνήθως εργάζεστε με πολύ μικρά εξαρτήματα. Σε αυτά περιλαμβάνονται οι διατάξεις επιφανειακής τοποθέτησης (SMD) και οι συστοιχίες σφαιρικών πλεγμάτων (BGA) με βήμα $0.65\text{ mm}$ ή λιγότερο.
Πρέπει να επιλέγετε προσεκτικά τα εξαρτήματά σας. Η απόσταση μεταξύ των ακίδων (το βήμα) είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας. Εάν οι ακίδες είναι πολύ κοντά μεταξύ τους, θα έχετε λιγότερο χώρο για να περάσετε τα χάλκινα ίχνη σας. Αυτή η επιλογή σας λέει επίσης τι είδους πλάτος ιχνών χρειάζεστε και τι είδους via (τρύπα) πρέπει να χρησιμοποιήσετε. Εάν επιλέξετε ένα BGA με πολύ μικρό βήμα, μπορεί να αναγκαστείτε να χρησιμοποιήσετε περισσότερα στρώματα ή μικρότερα microvias για να συνδέσετε όλα τα σήματα.
2. Η χρήση των Microvias
Τα microvias είναι η καρδιά του σχεδιασμού HDI. Πρόκειται για πολύ μικρές οπές, συνήθως με διάμετρο μικρότερη από $0.15\text{ mm}$. Οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν συχνά τεχνικές “build-up” ή “διαδοχικής” πλαστικοποίησης για τη δημιουργία αυτών των οπών.
Οι microvias σας βοηθούν να εξοικονομήσετε πολύ χώρο. Επειδή είναι τόσο μικρά, μπορείτε να τοποθετήσετε περισσότερα από αυτά σε μικρό χώρο σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διαμπερείς οπές. Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα είναι η χαμηλή τους αυτεπαγωγή. Αυτό τα καθιστά ιδανικά για κυκλώματα υψηλής ταχύτητας. Μπορείτε να τα χρησιμοποιήσετε για τη σύνδεση επιπέδων ισχύος με πυκνωτές αποσύζευξης ή σε οποιοδήποτε σημείο όπου πρέπει να μειώσετε τον ηλεκτρικό θόρυβο.
3. Επιλογή υλικού
Η επιλογή του σωστού υλικού είναι ζωτικής σημασίας για κάθε PCB, αλλά είναι ακόμη πιο κρίσιμη για το HDI. Ο στόχος σας είναι να βρείτε ένα υλικό που να είναι εύκολο στην κατασκευή αλλά και να διαχειρίζεται καλά τη θερμότητα και τον ηλεκτρισμό.
Το φυσικό πάχος του υλικού είναι βασικός παράγοντας. Πρέπει να εξετάσετε την “αναλογία διαστάσεων” των μικροβίων. Αυτός είναι ο λόγος μεταξύ του βάθους της οπής και της διαμέτρου της. Εάν το υλικό είναι πολύ παχύ και η οπή είναι πολύ μικρή, είναι πολύ δύσκολο να επιστρωθεί σωστά η οπή με χαλκό. Πρέπει να επιλέξετε ένα υλικό που να επιτρέπει στα χημικά να ρέουν μέσα από τις οπές κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιμετάλλωσης.
4. Via Capping και Offset Microvias
Στη σχεδίαση HDI, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια τεχνική που ονομάζεται “via-in-pad”. Αυτό σημαίνει ότι τοποθετείτε ένα microvia απευθείας στο κέντρο ενός pad επιφανειακής τοποθέτησης.
Για να γίνει αυτό, η δίοδος πρέπει να “καλυφθεί” ή να γεμίσει και στη συνέχεια να επικαλυφθεί με χαλκό. Αυτό δημιουργεί μια επίπεδη επιφάνεια για συγκόλληση. Η χρήση αυτής της μεθόδου σας δίνει πολύ περισσότερο χώρο για τη δρομολόγηση ιχνών, επειδή το via δεν καταλαμβάνει επιπλέον χώρο έξω από το pad. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε “offset” microvias, όπου οι οπές σε διαφορετικά στρώματα δεν ευθυγραμμίζονται τέλεια, για να διαχειριστείτε τον χώρο ακόμα καλύτερα.
5. Μειωμένη διάτρηση επιπέδου
Όταν σχεδιάζετε τα επίπεδα ισχύος και γείωσης κάτω από ένα BGA, θέλετε όσο το δυνατόν περισσότερο συμπαγή χαλκό. Αυτό ονομάζεται “Ακεραιότητα ισχύος” (PI).
Στα παραδοσιακά σχέδια, οι μεγάλες διαμπερείς οπές δημιουργούν πολλά “κενά” ή κενά σημεία στα χάλκινα επίπεδα. Αυτό λειτουργεί σαν φράκτης που εμποδίζει τη ροή του ρεύματος. Στο HDI, επειδή τα vias είναι πολύ μικρότερα, αφήνετε περισσότερο χαλκό ανέπαφο. Αυτό βελτιώνει την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) της πλακέτας. Παρέχει επίσης καλύτερη θωράκιση έναντι παρεμβολών.
6. Ζητήματα συσσωμάτωσης και αποκόλλησης
Η “στοίβαξη” είναι η διάταξη των στρώσεων χαλκού και μόνωσης. Στην HDI, συχνά χρησιμοποιείτε διαφορετικά υλικά για διαφορετικά στρώματα.
Κάθε υλικό έχει ένα “συντελεστή θερμικής διαστολής” (CTE). Αυτός σας λέει πόσο αυξάνεται το υλικό όταν θερμαίνεται. Εάν δύο στρώματα έχουν πολύ διαφορετικές τιμές CTE, θα διαστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Αυτό μπορεί να προκαλέσει την αποκόλληση των στρώσεων, η οποία ονομάζεται “αποκόλληση”. Για να αποφευχθεί αυτό, οι σχεδιαστές θα πρέπει να προσπαθούν να χρησιμοποιούν το ίδιο υλικό για κάθε στρώση ή να χρησιμοποιούν υλικά με πολύ παρόμοιες τιμές CTE και ρυθμούς απορρόφησης υγρασίας.
7. Μέθοδοι δοκιμών
Ο παραδοσιακός “έλεγχος εντός κυκλώματος” (ICT) δεν είναι συχνά δυνατός για τις πλακέτες HDI. Οι ΤΠΕ απαιτούν μεγάλα σημεία δοκιμής που καταλαμβάνουν πολύ χώρο.
Αντ' αυτού, οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν λειτουργικές δοκιμές ή μεθόδους JTAG (Joint Test Action Group). Η μέθοδος JTAG σας επιτρέπει να δοκιμάζετε τις συνδέσεις μεταξύ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων χωρίς να χρειάζεστε φυσικούς ανιχνευτές δοκιμής για κάθε καλώδιο. Αν και οι ΤΠΕ είναι πολύ καλές στην εύρεση συγκεκριμένων σφαλμάτων, η JTAG είναι πολύ καλύτερη για το πυκνό περιβάλλον μιας πλακέτας HDI.
8. Διαχείριση θερμότητας
Οι πλακέτες HDI είναι πολύ πυκνές, οπότε θερμαίνονται γρήγορα. Πρέπει να σχεδιάσετε πώς θα απομακρύνετε τη θερμότητα από τα εξαρτήματα.
Θα πρέπει να ακολουθήσετε το IPC-2226 πρότυπο, το οποίο παρέχει κανόνες για τον θερμικό σχεδιασμό σε HDI. Ένα πλεονέκτημα του HDI είναι ότι τα διηλεκτρικά (μονωτικά) στρώματα είναι πολύ λεπτά. Τα λεπτά στρώματα, σε συνδυασμό με τις μικροδιαβρώσεις, βοηθούν στην πραγματικότητα στην απομάκρυνση της θερμότητας από τα τσιπ. Εάν έχετε ένα πολύ καυτό εξάρτημα, μπορείτε να προσθέσετε “θερμικά vias” για να μεταφέρετε τη θερμότητα σε ένα μεγαλύτερο χάλκινο επίπεδο ή σε μια ψύκτρα.
9. Ζήτηση δρομολόγησης σε σχέση με τη χωρητικότητα υποστρώματος
“Η ”απαίτηση δρομολόγησης“ είναι το συνολικό μήκος όλων των καλωδίων που απαιτούνται για τη σύνδεση των εξαρτημάτων στην πλακέτα σας. ”Χωρητικότητα υποστρώματος" είναι το συνολικό μήκος των καλωδίων που μπορεί να χωρέσει η πλακέτα.
Για έναν επιτυχημένο σχεδιασμό, η χωρητικότητα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη ζήτηση. Εάν η ζήτηση είναι πολύ υψηλή, μπορεί να χρειαστεί να προσθέσετε περισσότερα στρώματα, αλλά αυτό αυξάνει το κόστος. Οι σχεδιαστές προσπαθούν να εξισορροπήσουν αυτά τα δύο πράγματα για να ολοκληρώσουν τον σχεδιασμό με το χαμηλότερο δυνατό κόστος.
10. Υπολογισμός πυκνότητας PWB
Μπορείτε να μετρήσετε πόσο πολύπλοκος είναι ο σχεδιασμός σας υπολογίζοντας την πυκνότητα PWB (Printed Wiring Board). Τη μετράμε ως το μέσο μήκος των ιχνών ανά τετραγωνική ίντσα.
Για να το βρούμε αυτό, υποθέτουμε ότι κάθε “δίκτυο” (μια ενιαία ηλεκτρική σύνδεση) έχει τρεις κόμβους και ότι κάθε καλώδιο εξαρτήματος είναι ένας κόμβος. Χρησιμοποιούμε τον ακόλουθο τύπο:
$$Wd = \beta \sqrt{Cd \times Cc}$$4T
Πού:
- $Wd$: Η πυκνότητα PWB (μέσο μήκος ιχνών ανά τετραγωνική ίντσα).
- $Cd$: Πυκνότητα συστατικού (ο μέσος αριθμός μερών ανά τετραγωνική ίντσα).
- $Cc$: Πολυπλοκότητα εξαρτημάτων (ο μέσος αριθμός αγωγών/ακίδων ανά εξάρτημα).
- $\beta$: Μια σταθερά ανάλογα με τον τύπο του κυκλώματος.
- Χρήση 2.5 για περιοχές υψηλής αναλογικής ή διακριτής λειτουργίας.
- Χρήση 3.0 για μικτές αναλογικές και ψηφιακές περιοχές.
- Χρήση 3.5 για αμιγώς ψηφιακές περιοχές ή περιοχές ASIC.
Αυτός ο τύπος είναι ένας χρήσιμος οδηγός. Ωστόσο, να θυμάστε ότι κάθε σχέδιο είναι μοναδικό και δεν υπάρχει ένας κανόνας που να ταιριάζει σε κάθε πίνακα.
Πώς να βελτιστοποιήσετε τη σχεδίαση HDI για ηλεκτρονικά προϊόντα
Η HDI είναι το ταχύτερα αναπτυσσόμενο τμήμα της βιομηχανίας PCB. Κάνει τις πλακέτες πιο αποδοτικές και επιτρέπει ταχύτερες ταχύτητες σήματος. Σε σύγκριση με τις τυπικές πλακέτες, οι πλακέτες HDI έχουν πολύ λεπτότερες γραμμές, μικρότερους χώρους και μικρότερα pads. Η κύρια διαφορά είναι ο τρόπος με τον οποίο συνδέονται τα στρώματα. Οι τυπικές πλακέτες χρησιμοποιούν οπές που διαπερνούν όλο το μήκος τους, αλλά οι πλακέτες HDI χρησιμοποιούν τυφλά και θαμμένα vias.
Ακολουθούν διάφοροι τρόποι για να βελτιστοποιήσετε το σχεδιασμό σας και να αποφύγετε τα ακριβά λάθη.
Επιλέξτε τον σωστό τύπο Via
Τα vias που θα επιλέξετε θα αλλάξουν την απόδοση και το κόστος της πλακέτας σας. Η χρήση μικροδιαβάσεων (τυφλών ή θαμμένων) μπορεί στην πραγματικότητα να μειώσει τον συνολικό αριθμό των στρώσεων που χρειάζεστε. Όταν έχετε λιγότερες στρώσεις, το κόστος των υλικών σας μειώνεται. Κάνει επίσης τη διαδικασία κατασκευής λιγότερο περίπλοκη. Θα πρέπει να μιλήσετε νωρίς με τον κατασκευαστή σας για να δείτε ποιους τύπους via μπορούν να κατασκευάσουν αξιόπιστα.
Επιλέξτε εξαρτήματα με προσοχή
Όταν κατασκευάζετε μια πλακέτα HDI, πρέπει να είστε πολύ προσεκτικοί με τα εξαρτήματα που επιλέγετε. Πριν ξεκινήσετε τη διάταξη, εξετάστε τον αριθμό των ακροδεκτών και το μέγεθος των εξαρτημάτων. Σκεφτείτε πώς θα χωρέσουν τα ίχνη μεταξύ των ακροδεκτών. Εάν επιλέξετε εξαρτήματα που είναι πολύ πολύπλοκα για το μέγεθος της πλακέτας σας, θα ξοδέψετε περισσότερο χρόνο για τη σχεδίαση και περισσότερα χρήματα για την κατασκευή.
Προγραμματίστε προσεκτικά το Stack-up
Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να τοποθετήσετε τα στρώματα σε μια πλακέτα HDI. Οι συνήθεις τρόποι περιλαμβάνουν:
- 1-HDI: Ένα στρώμα μικροδιαβάσεων στην κορυφή και στο κάτω μέρος με έναν πυρήνα που περιέχει θαμμένα διαπερατά σημεία.
- 2-HDI (μη στοιβαγμένο): Δύο στρώματα μικροβίων που δεν κάθονται το ένα πάνω στο άλλο.
- Στοίβαγμα 2-HDI: Microvias που κάθονται ακριβώς το ένα πάνω στο άλλο. Αυτά μπορούν να γεμίσουν με ρητίνη ή χαλκό.
Πρέπει να επιλέξετε ένα stack-up που να είναι ισορροπημένο. Εάν η στοίβαξη δεν είναι συμμετρική, η πλακέτα μπορεί να στρεβλωθεί ή να λυγίσει κατά τη διαδικασία θέρμανσης. Μια καλή στοίβαξη βελτιώνει την “απόδοση” (το ποσοστό των καλών πλακών που κατασκευάζονται).
Χρήση σωστού διαστήματος
Αν τοποθετήσετε εξαρτήματα πολύ κοντά μεταξύ τους, μπορεί να προκαλέσετε “ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή” (EMI). Αυτό συμβαίνει όταν τα ηλεκτρικά σήματα από ένα καλώδιο διαρρέουν σε ένα άλλο καλώδιο. Μπορεί επίσης να δημιουργηθεί “παρασιτική χωρητικότητα”, η οποία επιβραδύνει τα σήματά σας.
Θα πρέπει να τοποθετήσετε τα εξαρτήματά σας σε απόσταση ώστε να ελαχιστοποιήσετε την καταπόνηση και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ταυτόχρονα, βεβαιωθείτε ότι υπάρχει αρκετός χώρος για τη συναρμολόγηση και την επισκευή. Εάν τα εξαρτήματα βρίσκονται πολύ κοντά, είναι πολύ δύσκολο να τα συγκολλήσετε ή να τα διορθώσετε εάν κάτι πάει στραβά.
Εστίαση στην ακεραιότητα σήματος (SI)
Η ακεραιότητα σήματος αφορά τη διασφάλιση ότι το ηλεκτρικό σήμα παραμένει καθαρό από το ένα άκρο του καλωδίου στο άλλο. Για να διατηρήσετε τα σήματά σας ισχυρά:
- Διατηρήστε τη σωστή “αναλογία διαστάσεων” των vias σας, ώστε η επένδυση χαλκού να είναι παχιά και ομοιόμορφη.
- Χρησιμοποιήστε πολύ μικρά microvias για να μειώσετε το μήκος του “κολοβώματος” (επιπλέον χαλκός που κρέμεται από ένα ίχνος).
- Τοποθετήστε μικρά εξαρτήματα κοντά το ένα στο άλλο για να διατηρήσετε τις διαδρομές σήματος σύντομες.
- Απλώστε τα θαμμένα και τυφλά vias για να μειώσετε τη φυσική καταπόνηση των υλικών της πλακέτας.
Χρήση προηγμένων εργαλείων σχεδιασμού
Ο σχεδιασμός ενός PCB HDI είναι πολύ δύσκολος για το βασικό λογισμικό. Οι κατασκευαστές και οι σχεδιαστές χρειάζονται επαγγελματικό λογισμικό CAD (Computer-Aided Design) και CAM (Computer-Aided Manufacturing). Χρησιμοποιούν επίσης “Laser Direct Imaging” (LDI) για να σχεδιάσουν τις μικροσκοπικές γραμμές στην πλακέτα. Επειδή οι ανοχές είναι τόσο μικρές, η εμπειρία του χειριστή είναι εξίσου σημαντική με τις μηχανές.
Οφέλη σε όλους τους κλάδους
Οι πλακέτες HDI χρησιμοποιούνται επειδή κάνουν τα ηλεκτρονικά να αποδίδουν καλύτερα. Μπορείτε να τις βρείτε σε:
- Υπολογιστές: Για ταχύτερη επεξεργασία δεδομένων.
- Smartphones: Για να χωρέσουν περισσότερες λειτουργίες σε μια συσκευή μεγέθους τσέπης.
- Ιατρικές συσκευές: Να γίνει ο εξοπλισμός μικρότερος και πιο φορητός για τους γιατρούς.
Η επιτυχία του έργου σας HDI εξαρτάται από το πόσο καλά σχεδιάζετε τη διάταξη και πόσο καλά συνεργάζεστε με τον κατασκευαστή σας. Ακολουθώντας αυτές τις συμβουλές, μπορείτε να δημιουργήσετε μια πλακέτα υψηλών επιδόσεων που είναι τόσο αξιόπιστη όσο και οικονομικά αποδοτική.
