طراحی یک برد مدار چاپی با اتصالدهندهی باتراکمبالا (HDI) نیازمند درک عمیق از نیازهای الکتریکی و محدودیتهای تولید است. فناوری HDI امکان قرارگیری قطعات بیشتر در فضای کوچکتر را فراهم میکند. این امر آن را به بهترین انتخاب برای الکترونیک مدرن مانند گوشیهای هوشمند و فناوریهای پوشیدنی تبدیل میکند.
در زیر راهنمای مفصلی از عواملی که باید در نظر بگیرید و نحوه بهینهسازی طرحهای HDI شما ارائه شده است.
عوامل قابل توجه در طراحی PCB HDI
۱. انتخاب هوشمندانه مؤلفه
وقتی یک برد HDI را طراحی میکنید، معمولاً با قطعات بسیار کوچکی کار میکنید. این شامل دستگاههای نصب سطحی (SMDs) و آرایههای توپی شبکهای (BGAs) با فاصلهی نقطهای 0.65 میلیمتر یا کمتر میشود.
شما باید قطعات خود را با دقت انتخاب کنید. فاصله بین پینها (پیتچ) مهمترین عامل است. اگر پینها خیلی به هم نزدیک باشند، فضای کمتری برای عبور ردیفهای مسی خواهید داشت. این انتخاب همچنین به شما میگوید چه عرض ردیفی نیاز دارید و از چه نوع ویای (سوراخ) باید استفاده کنید. اگر یک BGA با پیتچ بسیار کوچک انتخاب کنید، ممکن است مجبور شوید از لایههای بیشتر یا میکروویاهای کوچکتر برای اتصال همه سیگنالها استفاده کنید.
۲. کاربرد میکروویاها
میکروویاها قلب طراحی HDI هستند. اینها سوراخهای بسیار کوچکی هستند که معمولاً قطرشان کمتر از 0.15 میلیمتر است. طراحان اغلب از تکنیکهای لامینیت “بیلد-آپ” یا “ترتیبی” برای ایجاد این سوراخها استفاده میکنند.
میکروویاها به شما کمک میکنند تا فضای زیادی را صرفهجویی کنید. از آنجا که آنها بسیار کوچک هستند، میتوانید تعداد بیشتری از آنها را در یک ناحیه کوچک نسبت به سوراخهای عبوری سنتی جای دهید. یکی دیگر از مزایای بزرگ آنها، القای کم آنهاست. این ویژگی آنها را برای مدارهای با سرعت بالا ایدهآل میسازد. میتوانید از آنها برای اتصال خطوط تغذیه به خازنهای تفکیککننده یا در هر نقطهای که نیاز به کاهش نویز الکتریکی دارید، استفاده کنید.
۳. انتخاب مواد
انتخاب ماده مناسب برای هر برد مدار چاپی حیاتی است، اما برای HDI حتی حیاتیتر است. هدف شما یافتن مادهای است که ساخت آن آسان باشد و در عین حال گرما و الکتریسیته را بهخوبی مدیریت کند.
ضخامت فیزیکی ماده عامل کلیدی است. باید نسبت ابعاد میکروویاها را بررسی کنید. این نسبت، نسبت بین عمق سوراخ و قطر آن است. اگر ماده خیلی ضخیم باشد و سوراخ خیلی کوچک باشد، آبکاری صحیح سوراخ با مس بسیار دشوار خواهد بود. باید مادهای را انتخاب کنید که اجازه دهد مواد شیمیایی در طول فرآیند آبکاری از درون سوراخها جریان یابند.
۴. از طریق کَپینگ و میکروویاهای جابجا شده
در طراحی HDI میتوانید از تکنیکی به نام “ویا-در-پد” استفاده کنید. این بدان معناست که یک میکروویا را مستقیماً در مرکز پد نصب سطحی قرار میدهید.
برای انجام این کار، ویای (via) باید “پوشانده” یا پر شود و سپس روی آن با مس آبکاری شود. این کار سطحی صاف برای لحیمکاری ایجاد میکند. استفاده از این روش فضای بسیار بیشتری برای مسیریابی ردها (traces) در اختیار شما قرار میدهد، زیرا ویای فضای اضافی خارج از پد را اشغال نمیکند. همچنین میتوانید از میکروویاهای “مرتفع” (offset) استفاده کنید، که در آن سوراخها در لایههای مختلف کاملاً همتراز نیستند، تا مدیریت فضای بهتری داشته باشید.
۵. کاهش سوراخکاری در صفحه
وقتی که شما پلههای تغذیه و زمین را زیر یک BGA, شما میخواهید تا حد امکان مس خالص داشته باشید. به این “یکپارچگی قدرت” (PI) گفته میشود.
در طراحیهای سنتی، سوراخهای بزرگ عبوری باعث ایجاد “حفرهها” یا نقاط خالی فراوانی در صفحات مسی میشوند. این مانند حصاری است که جریان را مسدود میکند. در HDI، از آنجا که ویاسها بسیار کوچکتر هستند، مقدار بیشتری مس دستنخورده باقی میماند. این امر سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) برد را بهبود میبخشد و همچنین محافظت بهتری در برابر تداخل فراهم میکند.
۶. مشکلات لایهچینی و لایهزدایی
“استکآپ” چیدمان لایههای مسی و عایق است. در HDI اغلب برای لایههای مختلف از مواد متفاوتی استفاده میکنید.
هر مادهای ضریب انبساط حرارتی (CTE) دارد. این ضریب نشان میدهد که ماده هنگام گرم شدن چقدر منبسط میشود. اگر دو لایه ضریبهای انبساط حرارتی بسیار متفاوتی داشته باشند، با نرخهای متفاوتی منبسط میشوند. این امر میتواند باعث شود لایهها از هم جدا شوند که به آن “جدایش لایهها” (delamination) گفته میشود. برای جلوگیری از این، طراحان باید سعی کنند از یک ماده برای همه لایهها استفاده کنند یا از موادی با ضریب انبساط حرارتی و نرخ جذب رطوبت بسیار مشابه بهره ببرند.
۷. روشهای آزمون
آزمون در مدار سنتی (ICT) اغلب برای بردهای HDI امکانپذیر نیست. ICT نیازمند نقاط تست بزرگ است که فضای زیادی اشغال میکنند.
در عوض، طراحان از تست عملکردی یا روشهای JTAG (گروه اقدام آزمون مشترک) استفاده میکنند. JTAG به شما امکان میدهد اتصالات بین مدارهای مجتمع را بدون نیاز به پروبهای تست فیزیکی برای هر سیم بهطور جداگانه بررسی کنید. در حالی که ICT در یافتن خطاهای خاص بسیار خوب است، JTAG برای محیط متراکم برد HDI بسیار بهتر عمل میکند.
۸. مدیریت حرارتی
بردهای HDI بسیار متراکم هستند، بنابراین به سرعت داغ میشوند. شما باید برنامهریزی کنید که چگونه گرما را از قطعات دور کنید.
شما باید از ... پیروی کنید. IPC-2226 استانداردی که قواعد طراحی حرارتی در HDI را ارائه میدهد. یکی از مزایای HDI این است که لایههای دیالکتریک (عایق) بسیار نازک هستند. لایههای نازک همراه با میکروویاها در واقع به انتقال گرما از تراشهها کمک میکنند. اگر یک قطعه بسیار داغ داشته باشید، میتوانید “ویاهای حرارتی” را اضافه کنید تا گرما را به یک پل مس بزرگتر یا یک هیتسینک منتقل کنید.
۹. تقاضای مسیریابی در مقابل ظرفیت بستر
“درخواست مسیریابی” مجموع طول تمام سیمهای لازم برای اتصال قطعات روی برد شما است. “ظرفیت زیرلایه” مجموع طول سیمهایی است که برد واقعاً میتواند در خود جای دهد.
برای یک طراحی موفق، ظرفیت باید از تقاضا بیشتر باشد. اگر تقاضای شما بیش از حد بالا باشد، ممکن است لازم باشد لایههای بیشتری اضافه کنید، اما این کار هزینه را افزایش میدهد. طراحان سعی میکنند این دو عامل را متعادل کنند تا طراحی را با کمترین هزینه ممکن به پایان برسانند.
۱۰. محاسبه چگالی PWB
میتوانید با محاسبه چگالی برد مدار چاپی (PWB)، پیچیدگی طراحی خود را بسنجید. ما این چگالی را بهصورت میانگین طول مسیرها در هر اینچ مربع اندازهگیری میکنیم.
برای یافتن این، فرض میکنیم که هر “نت” (یک اتصال الکتریکی منفرد) دارای سه گره است و هر سیم رابطِ مؤلفه یک گره است. از فرمول زیر استفاده میکنیم:
$$Wd = \beta \sqrt{Cd \times Cc}$$
کجا:
- ۱TP4TWd۱TP4T: چگالی PWB (میانگین طول رد در هر اینچ مربع).
- ۱ تیپی۴تیسی۱ تیپی۴تی: تراکم مؤلفه (تعداد متوسط قطعات در هر اینچ مربع).
- ۱TP4TCc۱TP4Tپیچیدگی قطعه (میانگین تعداد پایه/پین در هر قطعه).
- ۱TP4T\بتا۱TP4Tیک ثابت بر اساس نوع مدار.
- استفاده کنید 2.5 برای نواحی با آنالوگ بالا یا گسسته.
- استفاده کنید 3.0 برای نواحی ترکیبی آنالوگ و دیجیتال.
- استفاده کنید 3.5 برای نواحی دیجیتال خالص یا ASIC.
این فرمول یک راهنمای مفید است. با این حال، به یاد داشته باشید که هر طراحی منحصربهفرد است و هیچ قاعدهای وجود ندارد که برای همه بردها مناسب باشد.
چگونه طراحی HDI خود را برای الکترونیک بهینهسازی کنید
HDI سریعترین بخش در حال رشد صنعت برد مدار چاپی (PCB) است. این فناوری بردها را کارآمدتر میکند و امکان دستیابی به سرعتهای سیگنال بالاتر را فراهم میآورد. در مقایسه با بردهای استاندارد، بردهای HDI خطوط بسیار نازکتر، فاصلههای کوچکتر و پدهای کوچکتری دارند. تفاوت اصلی در نحوه اتصال لایهها است. بردهای استاندارد از سوراخهای عبوری استفاده میکنند، اما بردهای HDI از ویای کور و ویای مدفون بهره میبرند.
در اینجا چند روش برای بهینهسازی طراحی خود و جلوگیری از اشتباهات پرهزینه آورده شده است.
انتخاب نوع ویا مناسب
مسیرهای ویایی که انتخاب میکنید، عملکرد و هزینه برد شما را تغییر میدهند. استفاده از میکروویاها (کور یا مدفون) در واقع میتواند تعداد کل لایههایی را که نیاز دارید کاهش دهد. وقتی لایههای کمتری داشته باشید، هزینههای مواد شما کاهش مییابد. همچنین فرآیند تولید را کمتر پیچیده میکند. باید از همان ابتدا با سازندهتان صحبت کنید تا ببینید کدام نوع ویا را میتوانند بهطور قابلاعتماد تولید کنند.
اجزا را با دقت انتخاب کنید
وقتی یک برد HDI میسازید، باید در انتخاب قطعات بسیار دقت کنید. قبل از شروع طراحی، تعداد پینها و اندازه قطعات را بررسی کنید. به این فکر کنید که مسیرها چگونه بین پینها قرار میگیرند. اگر قطعاتی را انتخاب کنید که برای اندازه برد شما بیش از حد پیچیده باشند، زمان بیشتری را صرف طراحی و هزینه بیشتری را برای تولید خواهید کرد.
استکآپ را با دقت برنامهریزی کنید
راههای زیادی برای چینش لایهها در یک برد HDI وجود دارد. سبکهای رایج عبارتند از:
- ۱-HDI: یک لایه میکروویاها در بالا و پایین با هستهای حاوی ویاهای مدفون.
- 2-HDI (بدون تراکم): دو لایهٔ میکروویا که روی هم قرار ندارند.
- استکشده ۲-HDI: میکروویاهایی که مستقیماً روی هم قرار دارند. اینها میتوانند با رزین یا مس پر شوند.
شما باید یک چیدمان لایهها متعادل انتخاب کنید. اگر چیدمان لایهها متقارن نباشد، ممکن است تخته در حین فرآیند گرمایش تاب بردارد یا خم شود. یک چیدمان لایههای مناسب بازده (درصد تختههای سالم تولیدشده) را بهبود میبخشد.
از فاصلهگذاری مناسب استفاده کنید
اگر قطعات را بیش از حد به هم نزدیک کنید، ممکن است باعث “تداخل الکترومغناطیسی” (EMI) شوید. این زمانی رخ میدهد که سیگنالهای الکتریکی یک سیم به سیم دیگر نشت میکنند. همچنین میتواند “ظرفیت پارازیتی” ایجاد کند که سیگنالهای شما را کند میکند.
باید بین قطعات خود فاصله بگذارید تا تنش و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به حداقل برسد. در عین حال مطمئن شوید که فضای کافی برای مونتاژ و تعمیر وجود دارد. اگر قطعات خیلی به هم نزدیک باشند، لحیمکاری یا تعمیر آنها در صورت بروز مشکل بسیار دشوار خواهد بود.
تمرکز بر یکپارچگی سیگنال (SI)
یکپارچگی سیگنال به معنای اطمینان از پاکی سیگنال الکتریکی از یک سر سیم تا سر دیگر است. برای قوی نگهداشتن سیگنالهایتان:
- نسبت ابعاد ویازها را صحیح نگه دارید تا آبکاری مس ضخیم و یکنواخت باشد.
- برای کاهش طول “استاب” (مس اضافی که از یک ردپا آویزان است)، از میکروویاهای بسیار کوچک استفاده کنید.
- قطعات کوچک را نزدیک به هم قرار دهید تا مسیرهای سیگنال کوتاه شوند.
- ویاهای مدفون و کور را بهصورت پراکنده توزیع کنید تا تنش فیزیکی وارد بر مواد برد کاهش یابد.
از ابزارهای طراحی پیشرفته استفاده کنید
طراحی PCB HDI برای نرمافزارهای پایه بسیار دشوار است. تولیدکنندگان و طراحان به نرمافزارهای حرفهای CAD (طراحی بهکمک رایانه) و CAM (تولید بهکمک رایانه) نیاز دارند. آنها همچنین از “تصویرسازی مستقیم لیزری” (LDI) برای ترسیم خطوط ریز روی برد استفاده میکنند. از آنجا که تلرانسها بسیار کوچک هستند، تجربه اپراتور به همان اندازه ماشینها اهمیت دارد.
مزایا در صنایع مختلف
بردهای HDI به کار میروند زیرا باعث بهبود عملکرد قطعات الکترونیکی میشوند. میتوانید آنها را در موارد زیر بیابید:
- کامپیوترها: برای پردازش سریعتر دادهها.
- گوشیهای هوشمند: برای گنجاندن امکانات بیشتر در یک دستگاه جیبی.
- دستگاههای پزشکی: برای کوچکتر و قابل حملتر کردن تجهیزات برای پزشکان.
موفقیت پروژه HDI شما بستگی دارد به اینکه چقدر چیدمان را خوب برنامهریزی کنید و چقدر با سازندهتان بهخوبی همکاری کنید. با دنبال کردن این نکات میتوانید بردی با عملکرد بالا، قابلاعتماد و مقرونبهصرفه بسازید.
