Mikä on HDI PCB

HDI-piirilevy on erittäin tiheä piirilevy. Siinä käytetään mikrosokeita ja upotettuja läpivientejä. Näissä levyissä on suuri linjatiheys. Niissä on sisäkerroksen jälkiä ja ulkokerroksen jälkiä. Niissä käytetään myös porattuja reikiä ja pinnoitettuja reikiä kerrosten välisten johtojen yhdistämiseen. Kun elektroniikkatuotteet pienenevät ja tarkentuvat, valmistajat vaativat tiheämpiä piirilevyjä. Paras tapa lisätä piirilevyjen tiheyttä on vähentää läpivientireikien määrää ja lisätä hyvin sijoitettuja sokeita ja upotettuja läpivientejä. Tämä tarve johti HDI-piirilevyihin.

IPC:n määritelmä

IPC-2226 antaa selkeän säännön sokeille ja upotetuille läpivienneille:

• Läpiviennin tai upotetun läpiviennin halkaisija ≤ 0,15 mm (0,00591 tuumaa).

• Rengasrenkaan halkaisija ≤ 0,35 mm (0,0138 tuumaa).

• Nämä läpiviennit voidaan tehdä laser- tai mekaanisella porauksella, kuiva-/märkäetsauksella tai kuvionsiirrolla. Tämän jälkeen reikä peitetään johtavalla pinnoitteella.
  Huomautus: Jos reiän halkaisija on > 0,15 mm (0,00591 tuumaa), käsittele sitä läpireikänä saman standardin mukaisesti.

HDI:n yleiset porauskoot

HDI:n yleiset läpivientikoot ovat 3-5 millimetriä. Suunnittelijat käyttävät useimmiten 4 millimetriä keskimmäisenä arvona suunnittelussa ja tuotannossa.

HDI:ssä käytettävät yleiset IPC-standardit

Tyypillisiä IPC-standardeja HDI-työssä ovat:

1. IPC/JPCA-2315 - Opas suuritiheyksisille liitäntärakenteille ja mikroliitäntöjen suunnittelulle.

2. IPC-2226 - Suunnittelustandardi HDI-piirilevyille (high density interconnect).

3. IPC/JPCA-4104 - HDI-rakenteiden dielektristen materiaalien validointia ja suorituskykyä koskevat eritelmät.

4. IPC-6016 - HDI-rakenteiden kelpoisuus- ja suorituskykyspesifikaatio.

HDI-reititys: haasteita ja vinkkejä

Mitä HDI-reititys tarkoittaa

HDI-reititys tarkoittaa uusimpien suunnitteluideoiden ja valmistusmenetelmien käyttämistä tiheämmän asettelun aikaansaamiseksi muuttamatta piirin toimintaa. Lyhyesti sanottuna HDI:ssä käytetään enemmän reitityskerroksia, pienempiä johtoja, pienempiä läpivientejä, pienempiä tyynyjä ja ohuempia ytimiä. Näin monimutkaiset ja usein nopeat piirit saadaan mahtumaan tiloihin, jotka eivät aiemmin olleet mahdollisia.

Kun valmistusmenetelmät paranevat, HDI-reititys näkyy monissa malleissa. HDI-ohjaus löytyy emolevyistä, näytönohjaimista, puhelimista ja muista laitteista, joissa on vähän tilaa. Jos teet HDI:n oikein, voit pienentää piirilevyn kokoa ja vähentää myös piirilevyn EMI-ongelmia. Kustannusten alentaminen on monien yritysten keskeinen tavoite. HDI-reititys auttaa saavuttamaan tämän tavoitteen.

HDI-reititys ja mikroviat

HDI-reititys on monimutkaisempi kuin tavallinen monikerroksinen reititys. Osaat ehkä suunnitella 8- tai 16-kerroksisia piirilevyjä. Silti HDI tuo mukanaan uusia ideoita, jotka sinun on opittava.

Tavallisessa piirilevyssä koko piirilevyä tarkastellaan yhtenä kappaleena, jossa on useita kerroksia. HDI:ssä suunnittelijoiden on ajateltava monia erittäin ohuita kerroksia, jotka on pinottu yhdeksi levyksi. HDI:n reitityksen tärkein tekijä on läpivientitekniikka. Läpiviennit eivät ole enää vain valmiin pinon läpi porattuja pinnoitettuja reikiä. Perinteiset läpivientireiät vähentävät reititykseen käytettävissä olevaa tilaa kullakin kerroksella.

Perinteiset läpiviennit eivät sovi HDI:lle

HDI-reitityksessä mikroviat ovat avainasemassa. Niiden avulla monet tiheät kerrokset voidaan yhdistää toisiinsa. Mikroviat näyttävät sokeilta tai upotetuilta läpivienneiltä, mutta ne toimivat eri menetelmällä. Perinteiset läpiviennit porataan kerrosten pinoamisen jälkeen. Mikroviat porataan laserilla kerroksiin ennen pinoamista. Laserporatut mikroviat mahdollistavat pienimmät reikäkoot ja alustakoot kerrosten välillä. Tämä auttaa BGA fan-out-asettelut, joissa nastat ovat ruudukossa.

HDI-reititysstrategiat

Microviasilla piirilevysuunnittelijat voivat reitittää monimutkaisia verkkoja monilla kerroksilla. Tätä menetelmää kutsutaan toisinaan “minkä tahansa kerroksen HDI:ksi” tai “kerroksittaiseksi liitännäksi”. Koska mikroviat säästävät tilaa, molemmissa ulommissa kerroksissa voi olla tiheitä osia, kun taas suurin osa reitityksestä tapahtuu sisemmissä kerroksissa.

Matalaimpedanssiset maatasot ovat elintärkeitä

Kun osat ja jäljet tiivistyvät monikerroksisessa levyssä, EMI:n ja magneettisen kytkeytymisen riski kasvaa. HDI-suunnittelussa on varmistettava, että pinossa on oikea rakenne. Tarjoa riittävästi maatasoja matalaimpedanssisten paluureittien aikaansaamiseksi.

Aseta sisäiset reitityskerrokset maadoitus- tai tehokerrosten väliin ristikytkennän ja ristikkäisäänen vähentämiseksi. Pidä nopeat signaalireitit lyhyinä ja niiden paluureitit myös lyhyinä. Suunnittele mikroviat niin, että ne rajoittavat signaalireitit pienelle alueelle. Tämä vähentää EMI-riskiä.

Käytä turvallisuuden vuoksi asianmukaisia simulointityökaluja HDI PCB:n mallintamiseen ennen tuotantoa.

HDI PCB:n tärkeimmät edut

Monet ihmiset haluavat pienentää tuotteen kokoa. Yksi parhaista tavoista on käyttää HDI PCB:tä. Kun tarvitset vähemmän painoa ja pienempää kokoa, mutta säilytät toiminnan ja luotettavuuden, HDI on hyvä ratkaisu.

Tärkeimmät edut:

• HDI mahdollistaa pad-in-pad- ja blind-käytön. Näin osat asettuvat lähelle toisiaan ja jäljen pituus lyhenee. Lyhyemmät jäljet merkitsevät usein nopeampia ja luotettavampia signaaleja.

• Nämä levyt voivat tarjota hyvän suorituskyvyn kohtuulliseen hintaan. HDI on edullinen valinta ihmisille, jotka tarvitsevat luotettavaa ja kestävää elektroniikkaa.

• Jos haluat päättää, sopiiko HDI-projektiisi, tutustu tarkemmin niihin ja niiden käyttöön. Tunne tavallisten piirilevyjen ja HDI-piirilevyjen erot.

Missä HDI PCB:tä käytetään nykyään

Etujensa vuoksi HDI PCB:tä käytetään monilla aloilla.

1. Lääkinnälliset laitteet - Monien lääketieteellisten työkalujen on oltava pieniä. Laboratoriolaitteet ja implantit tarvitsevat usein pieniä levyjä. HDI auttaa tässä. Sydämentahdistin on hyvä esimerkki. Myös monissa seuranta- ja anturivälineissä, kuten endoskoopeissa, käytetään HDI:tä. Näissä tapauksissa pienempi on parempi.

2. Autot - Autot käyttävät tilaa hyvin. Joidenkin autojen elektroniikka pienenee. HDI auttaa pienentämään kokoa säilyttäen samalla toiminnot.

3. Mobiililaitteet - Tabletit ja puhelimet käyttävät HDI:tä. Tämän vuoksi nämä laitteet muuttuvat ohuemmiksi kehittyessään.

4. Ilmailu- ja avaruusala sekä puolustusala - Näillä aloilla käytetään HDI:tä sen luotettavuuden ja pienen koon vuoksi. HDI:tä käytetään yhä enemmän, kun uusissa malleissa tarvitaan kompakteja ja vakaita piirilevyjä.

Monet muut alat käyttävät tulevaisuudessa enemmän HDI:tä.

Mikä tekee HDI PCB:stä HDI PCB:n?

HDI-piirilevyssä käytetään sokeaa läpivientipinnoitusta ja sitten toista laminointivaihetta. Nämä levyt voivat olla ensimmäisen tason, toisen tason, kolmannen tason ja korkeamman tason levyjä. Valmistajat rakentavat HDI-levyt yleensä laminointivaiheiden mukaan. Mitä enemmän laminointivaiheita, sitä korkeampi tekninen taso.

• Perus HDI-levyissä käytetään usein yhtä laminointivaihetta.

• Korkeamman tason HDI:ssä käytetään kahta tai useampaa laminointivaihetta.

• Korkean tason HDI-piireissä voidaan käyttää pinottuja läpivientejä, pinnoitettuja läpivientejä, suoraa laserporausta ja muita kehittyneitä menetelmiä.

Seuraavaksi kerromme yleisimmistä kerrospinoista ja siitä, miten tuottajat rakentavat niitä.

Yksinkertainen yksikerroksinen HDI (esimerkki)

Yksinkertainen yksikerroksinen HDI-levy voi olla 6-kerroksinen levy, jossa on 1+4+1-pino. Tämä levy on yksinkertainen. Sisimmäisessä monikerroksisessa levyssä ei ole upotettuja läpivientejä. Yksi laminointi viimeistelee levyn. Valmistus on samanlainen kuin tavallisilla monikerroksisilla yksikerroksisilla levytyksillä. Laminoinnin jälkeen tarvitaan kuitenkin vielä laserporausta sokeille läpivienneille ja muita vaiheita.

Normaali yksikerroksinen HDI (yleinen tapaus)

Tavallinen yksikerroksinen HDI on rakenteeltaan (1 + N + 1), jossa N ≥ 2 ja N on parillinen. Esimerkiksi yksikerroksisessa 6-kerroksisessa HDI:ssä käytetään rakennetta 1+4+1. Tämä rakenne on yksikerroksisen HDI:n yleinen rakenne. Monikerroksisessa sisäkerroksessa on usein piilotettuja läpivientejä, jotka vaativat toisen laminointivaiheen viimeistelyä. Tässä yksikerroksisessa laminaattityypissä on usein sokeita läpivientejä ja upotettuja läpivientejä. Jos suunnittelijat pystyvät muuttamaan tämän tyypin edellä esitetyksi yksinkertaiseksi yksikerroksiseksi muodoksi, sekä ostaja että toimittaja hyötyvät.

Normaali kaksikerroksinen HDI (yleinen tapaus)

Tavallinen kaksikerroksinen HDI-piiri voi olla 8-kerroksinen piirilevy, jossa on 1+1+4+1+1+1 pino. Tämä pino on (1+1+N+1+1+1), kun N ≥ 2 ja parillinen. Tämä on piirilevyteollisuuden yleisin kaksikerroksinen rakenne. Sisimmäisessä monikerroksessa on haudattuja läpivientejä, jotka vaativat kolme laminointivaihetta. Tässä tyypissä ei useinkaan ole porrastettuja läpivientipinoja. Jos upotetut läpiviennit voidaan vaihtaa kerroksista 3-6 kerroksiin 2-7, voidaan vähentää yhtä laminointivaihetta ja alentaa kustannuksia.

Toinen yleinen kaksoislaminaatti HDI

Tämä tyyppi käyttää myös (1+1+N+1+1+1). Vaikka kyseessä on kaksikerrosrakenne, piilotettu läpivienti sijaitsee eri paikassa - kerrosten 2 ja 7 välissä. Tämä muutos voi vähentää laminointivaiheita kolmesta kahteen. Tässä rakenteessa on kuitenkin yksi vaikea kohta: se voi luoda sokeita läpivientejä kerroksista 1-3. Ne on jaettava kahteen sarjaan (1-2 ja 2-3) ja 2-3:n sisäiset sokeat läpiviennit on tehtävä läpivientitäytöllä. Via-täyttö lisää kustannuksia ja vaikeuksia. Yritä siis suunnittelun aikana välttää pinottuja läpivientejä ja vaihda 1-3 sokeat läpiviennit porrastettuihin 1-2 ja 2-3 sokeisiin ja haudattuihin läpivienteihin.

Harvinainen kaksikerroksinen HDI, jossa on ristikerroksen sokeat läpiviennit.

Eräässä harvinaisessa kaksikerroksisessa HDI 6-kerroslevyssä käytetään 1+1+2+1+1+1. Siinä käytetään edelleen (1+1+N+1+1+1) -ideaa, kun N ≥ 2 ja parillinen. Tässä mallissa on poikkikerroksisia sokeita läpivientejä. Sokea läpivienti kasvaa - 1-3-syvyinen sokea läpivienti on kaksi kertaa syvempi kuin normaali 1-2-syvyinen sokea läpivienti. Asiakkailla, jotka valitsevat tämän rakenteen, on erityistarpeita, eivätkä he halua, että sokea läpivienti jakautuu pinottuihin läpivienteihin. Näitä ristikkäiskerroksen sokeaa läpivientejä on vaikea porata laserilla. Myös kuparin laskeutuminen ja pinnoittaminen näin syviin sokeisiin läpivienteihin on vaikeaa.

Kaksoislaminaatti-HDI:n pinottu sokea läpivienti -rakenne

On olemassa tyyppi, jossa kerroksissa 2-7 olevat upotetut läpiviennit tarvitsevat niiden yläpuolella pinottuja sokeita läpivientejä. Tämä on edelleen (1+1+N+1+1+1)-rakenne. Joissakin kaksikerroksisissa HDI-levyissä käytetään tätä menetelmää. Sisimmässä monikerroksisessa levyssä on upotettuja läpivientejä, ja se tarvitsee kaksi laminointivaihetta. Keskeistä on, että pinottu läpivientirakenne lisää vaikeutta. Kun läpiviennit sijoitetaan kerroksiin 2-7, yksi laminointivaihe jää vähemmälle ja kustannuksia säästyy.

Ristikerroksinen sokea läpivientisuunnittelu kaksikerroksisessa HDI:ssä

Toinen kaksikerroksinen (1+1+N+1+1+1) rakenne sisältää ristikerroksen sokeat läpiviennit. Tämä rakenne on vaikeampi valmistaa, ja joiltakin HDI-valmistajilta puuttuu taitoa. Sisäisessä monikerroksisessa mallissa on upotettuja läpivientejä kerroksissa 3-6, ja se vaatii kolme laminointivaihetta. Suurin ongelma on ristikkäisten sokeiden läpivientien suunnittelu. Jos 1-3 kerroksen läpiviennit voidaan jakaa 1-2 ja 2-3 sokeiksi läpivienneiksi, kustannukset laskevat ja prosessi yksinkertaistuu. Huomautus: tämä jako eroaa aiemmin selitetystä pinotun läpiviennin jaosta. Tässä jaossa käytetään porrastettuja sokeat läpivientejä pinottujen sokeiden läpivientien sijasta.

HDI-tasot

• Ensimmäisen tason (1. asteen) HDI on yksinkertainen. Prosessi ja valvonta ovat helpompia.

• Toisen tason HDI on monimutkaisempi tuotannossa ja valmistuksessa.

• Kolmannen tason ja sitä korkeammat säännöt noudattavat toisen tason sääntöjä, mutta ovat monimutkaisempia.

HDI:n ja tavallisten PCB:iden väliset erot

HDI-levyt valmistetaan usein laminointitekniikalla käyttäen ohuita ydinmateriaaleja. Mitä enemmän laminointeja, sitä korkeampi prosessitaso. Useimmissa HDI-levyissä käytetään yhtä laminointia. Korkean tason HDI-levyissä käytetään kahta tai useampaa laminointitekniikkaa ja lisäksi käytetään kehittyneitä menetelmiä, kuten pinottuja läpivientejä, pinnoitettuja läpivientejä ja laserilla tehtävää suoraa porausta.

Kun piirilevyn suhteellinen tiheys on suurempi kuin kahdeksankerroksisen levyn, sen valmistaminen HDI:llä maksaa usein vähemmän kuin monimutkainen perinteinen laminointi ja puristus. HDI-levyjen mekaaninen lujuus ja signaalitarkkuus ovat usein suurempia kuin perinteisten piirilevyjen.

Muut HDI:n parannukset tavallisiin PCB:hen verrattuna:

• Parempi suorituskyky mikroaalto- ja RF-signaaleille.

• Parempi radiohäiriöiden ja sähköstaattisen purkauksen kestävyys.

• Parempi lämmön johtuminen.

Suuritiheyksinen integrointi (HDI) mahdollistaa lopputuotteiden pienemmän koon ja vakioidumman toiminnan ja suorituskyvyn.

Yksinkertaisia neuvoja suunnittelijoille ja ostajille

1. Käytä HDI:tä, kun tarvitset pienempää kokoa ja parempaa suorituskykyä.

2. Keskustele piirilevyjen toimittajan kanssa ajoissa. HDI tarvitsee DFM-tarkastuksia (Design-for-Manufacture).

3. Kysy IPC-pohjaisia tietoja. Käytä mahdollisuuksien mukaan IPC-2226- ja IPC-6016-standardeja.

4. Suunnittele pinoamiset, joissa on riittävästi maatasoja, jotta paluureitit pysyvät lyhyinä.

5. Käytä microvia-kokoja, jotka vastaavat piirilevytalon valmiuksia. Yleinen: 3-5 mil, usein 4 mil.

6. Yritä välttää pinottuja läpivientejä, ellei se ole välttämätöntä. Porrastetut sokeat / haudatut läpiviennit ovat usein helpompia.

7. Jos valitset monivaiheisen laminoinnin HDI:n, on odotettavissa enemmän prosessivaiheita ja tarkastuksia.

8. Käytä asianmukaista simulointia suurnopeus- tai RF-suunnittelussa EMI:n ja signaalin eheyden tarkistamiseksi.

9. BGA-tuuletuksessa mikroviat ja pad-in-pad auttavat vähentämään tuuletuspinta-alaa ja jäljen pituutta.

10. Kustannusten hallitsemiseksi kannattaa laminointivaiheiden määrää vähentää, kun se on mahdollista. Optimoi sijoittelu.

Loppuyhteenveto

HDI-levyt ovat erittäin tiheitä piirilevyjä, joissa käytetään mikrosokeita ja upotettuja läpivientejä. Niiden avulla suunnittelijat voivat pakata enemmän jälkiä ja osia pienempään tilaan. HDI-reititys edellyttää huolellista pinontasuunnittelua, hyviä maatasoja, tarkkaa mikroviistojen käyttöä ja asianmukaisia DFM-tarkastuksia. HDI antaa selviä etuja koon, signaalinopeuden ja suorituskyvyn suhteen. HDI-piirejä käytetään monilla aloilla lääketieteellisistä ja matkapuhelimista auto- ja ilmailualaan. Mitä monimutkaisempi HDI-taso, sitä kehittyneempi prosessi ja sitä korkeammat kustannukset. Hyvä suunnittelu ja varhainen yhteydenpito toimittajiin auttavat sinua saamaan oikean HDI-piirilevyn tuotteeseesi.