HDI PCB چیست؟

برد HDI یک برد مدار چاپی با اتصال‌دهی با چگالی بالا است. این برد از ویای‌های ریز کور و مدفون استفاده می‌کند. این بردها چگالی خطوط بالایی دارند. آن‌ها دارای ردهای لایه داخلی و ردهای لایه خارجی هستند. همچنین برای اتصال ردها بین لایه‌ها از سوراخ‌های مته شده و سوراخ‌های آبکاری شده استفاده می‌کنند. با کوچک‌تر و دقیق‌تر شدن محصولات الکترونیکی، سازندگان به دنبال PCBهای با چگالی بالاتر هستند. بهترین راه برای افزایش چگالی PCB، کاهش تعداد سوراخ‌های عبوری و افزودن ویای کور و مدفون در مکان‌های مناسب است. این نیاز به تولید برد HDI انجامید.

 

 

تعریف IPC

IPC-2226 قاعده‌ای واضح برای ویای کور و دفن‌شده ارائه می‌دهد:

• ویا یا ویا مدفون با قطر ≤ ۰٫۱۵ میلی‌متر (۰٫۰۰۵۹۱ اینچ).

• قطر حلقهٔ حلقوی ≤ ۰٫۳۵ میلی‌متر (۰٫۰۱۳۸ اینچ).

• این ویاس‌ها را می‌توان با حفاری لیزری یا مکانیکی، یا با حک‌کاری خشک/تر، یا با انتقال الگو ایجاد کرد. سپس آبکاری رسانا حفره را می‌پوشاند.
  توجه: اگر قطر سوراخ > 0.15 میلی‌متر (0.00591 اینچ) باشد، طبق همان استاندارد آن را به‌عنوان سوراخ عبوری در نظر بگیرید.

سایزهای متداول سوراخ‌کاری برای HDI

ابعاد رایج ویای HDI بین ۳ تا ۵ میل است. طراحان اغلب از ۴ میل به‌عنوان مقدار میانی برای طراحی و تولید استفاده می‌کنند.

استانداردهای رایج IPC مورد استفاده برای HDI

استانداردهای معمول IPC برای کار با HDI عبارتند از:

1. IPC/JPCA-2315 — راهنمای طراحی ساختار اتصال با چگالی بالا و میکروویا.

2. IPC-2226 — استاندارد طراحی برای بردهای مدار چاپی با اتصال‌دهندهٔ با تراکم بالا (HDI).

3. IPC/JPCA-4104 — مشخصات اعتبارسنجی و عملکرد مواد دی‌الکتریک برای ساختارهای HDI.

4. IPC-6016 — مشخصات صلاحیت و عملکرد برای ساختارهای HDI.

---

مسیر‌یابی HDI: چالش‌ها و نکات

معنای مسیریابی HDI

راوتینگ HDI به معنای استفاده از جدیدترین ایده‌های طراحی و روش‌های ساخت برای ایجاد چیدمانی متراکم‌تر بدون تغییر در عملکرد مدار است. به طور خلاصه، HDI از لایه‌های راوتینگ بیشتر، ردهای مسی کوچک‌تر، ویای کوچک‌تر، پدهای کوچک‌تر و هسته‌های نازک‌تر استفاده می‌کند. این امر امکان جای دادن مدارهای پیچیده و اغلب با سرعت بالا را در فضاهایی فراهم می‌کند که قبلاً ممکن نبود.

با بهبود روش‌های ساخت، مسیریابی HDI در بسیاری از طراحی‌ها ظاهر می‌شود. شما HDI را در مادربوردها، کارت‌های گرافیک، تلفن‌ها و سایر دستگاه‌هایی که فضای کمی دارند، خواهید یافت. اگر HDI را به‌درستی پیاده‌سازی کنید، می‌توانید اندازه برد را کوچک‌تر کرده و همچنین مشکلات EMI روی PCB را کاهش دهید. کاهش هزینه یکی از اهداف کلیدی بسیاری از شرکت‌هاست. مسیریابی HDI به دستیابی به این هدف کمک می‌کند.

مسیر‌یابی HDI و میکروویاها

مسیر‌یابی HDI پیچیده‌تر از مسیر‌یابی چندلایهٔ معمولی است. ممکن است بدانید چگونه PCBهای ۸ لایه یا ۱۶ لایه را طراحی کنید. با این حال، HDI ایده‌های جدیدی را معرفی می‌کند که باید بیاموزید.

در یک PCB معمولی، کل برد را به‌عنوان یک قطعه واحد با لایه‌های متعدد در نظر می‌گیریم. در HDI، طراحان باید به لایه‌های فوق‌العاده نازک متعددی که روی هم قرار گرفته‌اند و یک برد را تشکیل می‌دهند، فکر کنند. عامل اصلی مسیریابی در HDI، فناوری ویایاست. ویایاها دیگر فقط سوراخ‌های آبکاری‌شده‌ای نیستند که پس از اتمام لایه‌بندی حفر می‌شوند. سوراخ‌های عبوری سنتی فضای در دسترس برای مسیریابی در هر لایه را کاهش می‌دهند.

 

 

مسیرهای سنتی برای HDI مناسب نیستند.

در مسیریابی HDI، میکروویاها کلید کار هستند. آن‌ها امکان اتصال چندین لایه متراکم را به یکدیگر فراهم می‌کنند. برای توضیح، میکروویاها شبیه ویای کور یا مدفون هستند اما روش متفاوتی دارند. ویاهای سنتی پس از چیدمان لایه‌ها سوراخ می‌شوند. میکروویاها روی لایه‌ها پیش از چیدمان با لیزر سوراخ می‌شوند. میکروویاهای سوراخ‌شده با لیزر کوچک‌ترین اندازه سوراخ و کوچک‌ترین اندازه پد بین لایه‌ها را ممکن می‌سازند. این امر به کمک با BGA چیدمان‌های فن‌آوت که در آن‌ها پین‌ها در یک شبکه قرار می‌گیرند.

استراتژی‌های مسیریابی HDI

با میکروویاها، طراحان PCB می‌توانند شبکه‌های پیچیده را روی چندین لایه مسیریابی کنند. این روش گاهی “HDI هر لایه” یا “ارتباط‌گیرنده بین‌لایه‌ای” نامیده می‌شود. از آنجا که میکروویاها فضا را صرفه‌جویی می‌کنند، هر دو لایه بیرونی می‌توانند قطعات متراکم را میزبانی کنند، در حالی که بیشتر مسیریابی روی لایه‌های داخلی قرار می‌گیرد.

صفحه‌های زمین با امپدانس پایین حیاتی هستند.

وقتی قطعات و مسیرها در یک برد چندلایه متراکم‌تر می‌شوند، خطر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و کوپلینگ مغناطیسی افزایش می‌یابد. برای طراحی HDI باید اطمینان حاصل کنید که لایه‌بندی ساختار مناسبی دارد. سطح‌های زمین کافی برای فراهم کردن مسیرهای بازگشت با امپدانس پایین فراهم کنید.

لایه‌های مسیریابی داخلی را بین لایه‌های زمین یا تغذیه قرار دهید تا کراس‌کوپلینگ و کراس‌تاک کاهش یابد. مسیرهای سیگنال با سرعت بالا را کوتاه نگه دارید و مسیرهای بازگشت آن‌ها را نیز کوتاه کنید. میکروویاها را طوری برنامه‌ریزی کنید که مسیرهای سیگنال را به ناحیه کوچکی محدود کنند. این کار خطر EMI را کاهش می‌دهد.

برای ایمنی، از ابزارهای شبیه‌سازی مناسب برای مدل‌سازی برد مدار چاپی HDI پیش از تولید استفاده کنید.

---

مزایای اصلی بردهای مدار چاپی HDI

بسیاری از افراد می‌خواهند اندازه محصول را کاهش دهند. یکی از بهترین راه‌ها استفاده از بردهای مدار چاپی HDI است. وقتی به وزن کمتر و اندازه کوچکتر نیاز دارید اما می‌خواهید عملکرد و قابلیت اطمینان حفظ شود، HDI راه‌حل خوبی است.

مزایای کلیدی:

• HDI امکان استفاده از pad-in-pad و blind را فراهم می‌کند. این باعث می‌شود قطعات نزدیک‌تر قرار گیرند و طول مسیرها کاهش یابد. مسیرهای کوتاه‌تر اغلب به معنای سیگنال‌های سریع‌تر و قابل‌اعتمادتر هستند.

• این بردها می‌توانند عملکرد خوبی را با هزینه‌ای معقول ارائه دهند. HDI گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای افرادی است که به الکترونیک قابل‌اعتماد و بادوام نیاز دارند.

• برای تصمیم‌گیری در مورد اینکه آیا HDI برای پروژه شما مناسب است، دربارهٔ آن‌ها و نحوهٔ استفاده از آن‌ها بیشتر بیاموزید. تفاوت‌های بین PCBهای معمولی و PCBهای HDI را بشناسید.

---

امروزه بردهای مدار چاپی HDI در کجا استفاده می‌شوند

به دلیل مزایای خود، بردهای مدار چاپی HDI در بسیاری از حوزه‌ها به کار می‌روند.

1. دستگاه‌های پزشکی — بسیاری از ابزارهای پزشکی باید کوچک باشند. تجهیزات آزمایشگاهی و ایمپلنت‌ها اغلب به بردهای بسیار کوچک نیاز دارند. HDI در این زمینه کمک می‌کند. یک ضربان‌ساز قلب مثال خوبی است. بسیاری از ابزارهای پایش و پروب، مانند اندوسکوپ‌ها، نیز از HDI استفاده می‌کنند. در این موارد، کوچکتر بودن بهتر است.

2. خودروسازی — خودروها فضا را به‌خوبی استفاده می‌کنند. برخی از قطعات الکترونیکی خودرو در حال کوچک‌تر شدن هستند. HDI به کاهش اندازه کمک می‌کند و در عین حال عملکرد را حفظ می‌کند.

3. دستگاه‌های همراه — تبلت‌ها و تلفن‌ها از HDI استفاده می‌کنند. به همین دلیل است که این دستگاه‌ها با پیشرفت نازک‌تر می‌شوند.

4. هوافضا و دفاع — این حوزه‌ها از HDI به‌خاطر قابلیت اطمینان و اندازهٔ کوچک آن استفاده می‌کنند. HDI بیشتر در طراحی‌های جدید به کار می‌رود، زیرا بردهای فشرده و پایدار مورد نیاز هستند.

بسیاری از حوزه‌های دیگر در آینده از HDI بیشتری استفاده خواهند کرد.

 

 

---

چه چیزی یک برد مدار چاپی HDI را به یک برد مدار چاپی HDI تبدیل می‌کند؟

یک برد مدار چاپی HDI از آبکاری ویای کور و سپس یک مرحلهٔ دوم لمیناسیون استفاده می‌کند. این بردها می‌توانند سطح اول، سطح دوم، سطح سوم و بالاتر باشند. سازندگان معمولاً بردهای HDI را با مراحل لمیناسیون می‌سازند. هرچه مراحل لمیناسیون بیشتر باشد، سطح فنی بالاتر است.

• بردهای پایه HDI اغلب از یک مرحله لمینیت استفاده می‌کنند.

• HDI سطح بالاتر از دو یا چند مرحله لامیناسیون استفاده می‌کند.

• HDI با چگالی بالا ممکن است از ویای‌های تودرتو، ویای‌های پرشده و آبکاری‌شده، سوراخ‌کاری مستقیم لیزری و سایر روش‌های پیشرفته استفاده کند.

اکنون ما پشتهٔ لایه‌های رایج و نحوهٔ ساخت آن‌ها توسط تولیدکنندگان را توضیح می‌دهیم.

---

HDI تک لایه ساده (مثال)

یک برد HDI تک‌لامینیت ساده می‌تواند یک برد ۶ لایه با ساختار ۱+۴+۱ باشد. این برد ساده است. برد چندلایهٔ داخلی هیچ ویای مدفون ندارد. یک مرحلهٔ لمینیت، برد را کامل می‌کند. فرآیند ساخت مشابه بردهای چندلایهٔ معمولی تک‌لامینیت است. اما پس از لمینیت همچنان به سوراخ‌کاری لیزری برای ویای کور و سایر مراحل نیاز است.

---

HDI تک‌لایهٔ معمولی (مورد رایج)

یک HDI تک‌لامینت رایج دارای ساختاری (1 + N + 1) است که در آن N ≥ 2 و N زوج است. برای مثال، یک HDI تک‌لامینت شش‌لایه از ساختار 1+4+1 استفاده می‌کند. این ساختار طراحی رایج برای HDI تک‌لامینت است. لایه‌های چندلایه داخلی اغلب دارای ویای مدفون هستند که برای تکمیل نیاز به مرحلهٔ دوم لمینیت دارد. این نوع تک‌لامینیت اغلب دارای ویای کور و ویای مدفون است. اگر طراحان بتوانند این نوع را به شکل سادهٔ تک‌لامینیت فوق تبدیل کنند، هم خریدار و هم تأمین‌کننده منتفع خواهند شد.

---

HDI دو لایه معمولی (مورد رایج)

یک HDI دو لایهٔ مشترک ممکن است یک برد ۸ لایه با استک ۱+۱+۴+۱+۱ باشد. این استک (۱+۱+N+۱+۱) است که در آن N ≥ ۲ و زوج است. این طراحی دو لایهٔ اصلی در صنعت PCB است. چندلایهٔ داخلی دارای ویای مدفون است که به سه مرحلهٔ لمینیت نیاز دارد. این نوع اغلب فاقد چیدمان نامنظم ویای (staggered via stacks) است. اگر بتوانید ویای مدفون را از لایه‌های ۳ تا ۶ به لایه‌های ۲ تا ۷ منتقل کنید، می‌توانید یک مرحلهٔ لمینیت را حذف کرده و هزینه را کاهش دهید.

---

یک HDI دو لایه دیگر رایج

این نوع نیز از (1+1+N+1+1) استفاده می‌کند. با اینکه ساختار آن دو لایه چسبان است، ویای مدفون در جای متفاوتی قرار دارد — بین لایه‌های 2 و 7. این تغییر می‌تواند مراحل چسباندن را از سه به دو کاهش دهد. اما این طراحی یک نقطه‌ضعف دارد: می‌تواند از لایه‌های ۱–۳ ویای کور ایجاد کند. باید آن‌ها را به دو مجموعه (۱–۲ و ۲–۳) تقسیم کنید و ویای کور داخلی ۲–۳ را با پر کردن ویای کور بسازید. پر کردن ویای کور هزینه و دشواری را افزایش می‌دهد. بنابراین در حین طراحی، سعی کنید از ویای‌های چیده شده (stacked vias) اجتناب کنید و ویای‌های کور ۱–۳ را به ویای‌های کور و مدفون نامنظم ۱–۲ و ۲–۳ تبدیل کنید.

---

اچ‌دی‌آی دو لایه غیرمعمول با ویای‌های کور بین لایه‌ای

یک برد HDI شش‌لایه دو لایه نادر از طرح 1+1+2+1+1 استفاده می‌کند. این طرح همچنان از ایده (1+1+N+1+1) با N ≥ 2 و زوج بهره می‌برد. این طراحی دارای ویای کور بین لایه‌ها است. عمق ویای کور افزایش می‌یابد — ویای کور با عمق 1–3 دو برابر عمق ویای کور معمولی 1–2 است. مشتریانی که این طراحی را انتخاب می‌کنند نیازهای خاصی دارند و نمی‌خواهند ویای کور به ویای چیده‌شده تقسیم شود. حفر این ویای کور بین‌لایه با لیزر دشوار است. رسوب‌گذاری مس و آبکاری چنین ویای کور عمیقی نیز دشوار است.

---

بای‌پس تجمعی در طراحی HDI دو لایه

یک نوع وجود دارد که در آن ویای مدفون در لایه‌های ۲ تا ۷ نیازمند ویای کور تجمعی در بالای خود است. این هنوز یک ساختار (۱+۱+N+۱+۱) است. برخی از بردهای HDI با لایه‌بندی دوگانه از این روش استفاده می‌کنند. لایه چندلایه داخلی دارای ویای مدفون است و به دو مرحله لمینیت نیاز دارد. نکته کلیدی این است که طراحی ویای چیده شده، پیچیدگی را افزایش می‌دهد. اما قرار دادن ویای مدفون در لایه‌های ۲ تا ۷، یک مرحله لمینیت را کاهش داده و هزینه را کاهش می‌دهد.

---

طراحی گذرلایه‌ای گذرگاه کور در HDI دو لامینیت

یک طراحی دو لایهٔ دیگر (1+1+N+1+1) شامل ویای کور بین لایه‌ها است. ساخت این طراحی دشوارتر است و برخی سازندگان HDI مهارت لازم را ندارند. لایهٔ چندلایهٔ داخلی دارای ویای مدفون در لایه‌های 3 تا 6 است و به سه مرحلهٔ لمینیت نیاز دارد. مسئلهٔ اصلی طراحی ویای کور بین لایه‌ها است. اگر بتوانید مسیر لایه‌گذر 1–3 را به دو مسیر کور 1–2 و 2–3 تقسیم کنید، هزینه کاهش یافته و فرآیند ساده‌تر می‌شود. توجه: این تقسیم با تقسیم ویای چیده شده (stacked-via) که قبلاً توضیح داده شد متفاوت است. این تقسیم به جای ویای چیده شده، از ویای کور نامنظم (staggered blind vias) استفاده می‌کند.

---

سطوح شاخص توسعه انسانی

• HDI سطح اول (سדר اول) ساده است. فرایند و کنترل آن آسان‌تر است.

• HDI سطح دوم در تولید و ساخت پیچیده‌تر است.

• سطوح سوم و بالاتر از قوانین سطح دوم پیروی می‌کنند اما پیچیده‌تر هستند.

---

تفاوت‌های بین بردهای مدار چاپی با هسته فولادی (HDI) و بردهای مدار چاپی معمولی

بردهای HDI اغلب با استفاده از تکنیک‌های لمیناسیون و با مواد هسته‌ای نازک ساخته می‌شوند. هرچه تعداد لمیناسیون‌ها بیشتر باشد، سطح فرآیند بالاتر است. بیشتر بردهای HDI از یک لمیناسیون استفاده می‌کنند. HDI سطح‌بالا از دو یا چند تکنیک لمیناسیون بهره می‌برد و روش‌های پیشرفته‌ای مانند ویای‌های چیده شده، ویای‌های پرشده با آبکاری و سوراخ‌کاری مستقیم لیزری را اضافه می‌کند.

وقتی تراکم نسبی یک برد مدار چاپی از یک برد هشت‌لایه بالاتر می‌رود، ساخت آن با فناوری HDI اغلب هزینه کمتری نسبت به لامیناسیون و پرس پیچیده سنتی دارد. بردهای HDI معمولاً استحکام مکانیکی بالاتری و دقت سیگنال بهتری نسبت به بردهای مدار چاپی سنتی دارند.

سایر بهبودهای HDI نسبت به PCBهای معمولی:

• عملکرد بهتر برای سیگنال‌های مایکروویو و RF.

• مقاومت بهتر در برابر تداخل رادیویی و تخلیه الکترواستاتیک.

• هدایت حرارتی بهتر.

یکپارچه‌سازی با چگالی بالا (HDI) امکان ساخت محصولات نهایی کوچکتر و استانداردتر از نظر عملکرد و کارایی را فراهم می‌کند.

---

نصیحت ساده برای طراحان و خریداران

1. وقتی به اندازه کوچکتر و عملکرد بهتر نیاز دارید، از HDI استفاده کنید.

2. هرچه زودتر با تأمین‌کننده برد مدار چاپی خود صحبت کنید. HDI نیازمند بررسی‌های طراحی برای ساخت (DFM) است.

3. برای مشخصات بر اساس IPC درخواست دهید. در صورت امکان از IPC-2226 و IPC-6016 استفاده کنید.

4. استک‌آپ‌ها را با صفحات زمین کافی برنامه‌ریزی کنید تا مسیرهای بازگشت کوتاه باشند.

5. از اندازه‌های میکروویا متناسب با قابلیت‌های کارخانه PCB خود استفاده کنید. رایج: ۳–۵ میل، اغلب ۴ میل.

6. سعی کنید مگر در موارد ضروری از ویای‌های چیده شده خودداری کنید. ویای‌های کور/مدفون با چینش نامنظم اغلب آسان‌تر هستند.

7. اگر لامیناسیون چندمرحله‌ای HDI را انتخاب کنید، انتظار مراحل فرآیندی و بازرسی بیشتری را داشته باشید.

8. برای بررسی EMI و یکپارچگی سیگنال در طراحی‌های با سرعت بالا یا RF، از شبیه‌سازی مناسب استفاده کنید.

9. برای فن‌آوت BGA، میکروویاها و پد-این-پد به کاهش مساحت فن‌آوت و طول مسیر کمک می‌کنند.

10. برای کنترل هزینه، هر زمان که می‌توانید تعداد مراحل لمینیت را کاهش دهید. جایگذاری ویای را بهینه‌سازی کنید.

---

خلاصهٔ پایانی

بردهای HDI، بردهای مدار چاپی با اتصال‌دهی با چگالی بالا هستند که از ویای‌های میکرو کور و مدفون استفاده می‌کنند. این بردها به طراحان اجازه می‌دهند تا ردها و قطعات بیشتری را در فضای کمتری جای دهند. مسیریابی HDI نیازمند برنامه‌ریزی دقیق لایه‌بندی، پلن‌های زمین مناسب، استفاده دقیق از میکروویا و بررسی‌های مناسب DFM است. HDI مزایای آشکاری در زمینه اندازه، سرعت سیگنال و عملکرد ارائه می‌دهد. HDI در بسیاری از حوزه‌ها، از پزشکی و موبایل گرفته تا خودروسازی و هوافضا، به کار می‌رود. هرچه سطح پیچیدگی HDI بالاتر باشد، فرآیند پیشرفته‌تر و هزینه نیز بیشتر خواهد بود. طراحی مناسب و برقراری ارتباط زودهنگام با تأمین‌کننده به شما کمک می‌کند تا برد HDI مناسب برای محصول خود را تهیه کنید.