Routing-Überlegungen bei Ultra-HDI-Technologie

Ultra-HDI-Technologie ist eine Technologie, die in der PCB-Industrie nicht „neu“ ist, sie wurde bereits seit vielen Jahren in gedruckten Schaltungen für Smartphones und andere Anwendungen mit sehr hohen Stückzahlen verwendet, und es gibt sehr spezifische Designregeln, die in diesen ultra-hochvolumigen, hochautomatisierten Fertigungsumgebungen zu befolgen sind. Ultra-HDI ist neu bei Anwendungen mit niedrigem bis mittlerem Volumen und hoher Mischung. Mehrere Hersteller bieten mittlerweile diese Technologie an, und die Branche bewältigt die Lernkurve, diese Technologie in einer Umgebung mit deutlich mehr Variablen als jene ultra-hochvolumigen Einrichtungen zu verarbeiten. Diese Hersteller arbeiten mit der Designgemeinschaft zusammen, um einen Satz von Designregeln zu entwickeln, der PCB-Designs zu einer höheren Ausbeute und Fertigbarkeit leiten soll.  

Um einen Schritt zurückzugehen und die Definition von Ultra-HDI zu klären, hat die IPC eine Ultra-HDI-Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, die diese Technologiekategorie als ein gedrucktes Schaltungsdesign definiert hat, das einen oder mehrere dieser Parameter beinhaltet:

• Leiterbahnbreite unter 50 µm
• Abstand unter 50 µm 
• Dielektrikumdicke unter 50 µm
• Mikro-Via-Durchmesser unter 75 µm
• Produkteigenschaften, die den bestehenden IPC 2226 Level C Standard übertreffen

Diese Blogserie behandelt Herstellungsmethoden und Designfragen, und Links zu früheren Blogs sind am Ende dieses Beitrags enthalten.

Heute wollen wir die Auswirkungen dieser ultrafeinen Leiterbahnen und Abstände auf die Impedanz erkunden.  Eric Bogatin und sein Team haben ein Whitepaper zu diesem Thema veröffentlicht, und ich werde das am Ende dieses Beitrags verlinken, falls Sie das genauer untersuchen möchten. 

Ein offensichtlicher Vorteil der Verwendung dieser feinen Linien und Leiterbahnen ist die Möglichkeit, die Lagenanzahl für BGA's mit hoher Pinanzahl drastisch zu reduzieren.  Wenn jedoch die Impedanz ein Anliegen ist, werden diese ultrafeinen Leiterbahnen im BGA-Entfluchtungsbereich eine höhere Impedanz aufweisen als die 50-Ohm-Routingbereiche.   Die Frage ist, welche Auswirkungen es hat, wenn man den Unterschied in der Impedanz und die Entfernung dieses Bereichs mit höherer Impedanz im Vergleich zur Gesamtlänge der Leiterbahn betrachtet, bevor die Impedanzinkongruenz ein Problem darstellt. 

Abbildung 3. Geometrie zweier Bereiche. Der Breakout-Bereich ist die schmalere Leiterbahn, während der einheitliche Bereich als die breitere Leiterbahn angenommen wird.

Dieses Papier erforscht den Entwurfsraum und die Methodik, die als Referenz herangezogen werden sollte, um zu bestimmen, was akzeptabel sein wird, und kommt zu dem Schluss, dass die Auswirkungen für den schmalen Routing-Bereich von Reflexionen herrühren werden.  Die Auswirkungen dieser Reflexionen können auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden, wenn die Länge des schmalen Leiterbahnbereichs kurz genug gehalten werden kann.  Wie kurz kurz genug ist, kann mit einer einfachen Simulation geschätzt werden.  Im Breakout-Bereich ist es möglich, eine Leiterbahn zu verwenden, die nur halb so breit ist wie die Leiterbahn im Routing-Bereich und dennoch einen akzeptablen Rückflussverlust bei hoher Bandbreite zu erreichen.  Die Anwendung dieser Methodik könnte die Gesamtanzahl der Lagen der Platine reduzieren und die Gesamtkomplexität der gedruckten Schaltplatte potenziell vereinfachen.

Viele Anwendungen haben diese Einschränkung nicht und nutzen diese ultrafeinen Leiterbahnen und Abstände zu ihrem vollen Routing-Vorteil.

Im oben genannten Beispiel, das zur Veranschaulichung dient, reduziert die einfache Anpassung der Leiterbahnbreite und des Abstands von 75 Mikron auf 19 Mikron die Anzahl der erforderlichen Routing-Layer erheblich. Obwohl dies ein konstruiertes Beispiel ist, zeigt es die Bedeutung des nun verfügbaren Ultra-HDI für Anwendungen mit niedrigem bis mittlerem Volumen und hoher Mischung.

Eine andere Perspektive ist die Fähigkeit, die gleiche Anzahl von Layern beizubehalten, aber die Gesamtgröße der gedruckten Schaltplatine erheblich zu verringern. Dies wird häufiger gesehen, wenn das Routing einfach ist, wie bei einer einlagigen oder zweiseitigen flexiblen Schaltung.

Wie man diese Ultra-HDI-Funktionen am besten einsetzt, hängt von den Projektzielen ab. Bei der Überlegung zur Routing-Strategie ist es auch wichtig zu bedenken, dass diese Ultra-HDI-Funktionen nicht auf jeder Schicht angewendet werden müssen. Die Feinlinienmerkmale werden oft mit einem additiven oder semi-additiven Herstellungsansatz anstatt des traditionellen subtraktiven Ätzverfahrens erstellt. Dennoch können die additiven und semi-additiven Prozesse auch verwendet werden, um größere Merkmalsgrößen zu erstellen.

Diese Prozesse erzeugen präzisere Leiterbahnmuster und können bei größeren Leiterbahnbreiten zu engeren Impedanztoleranzen führen.Der Fertiger wird typischerweise einen Prozess verwenden, um die spezifische Schicht mit ultrafeinen Merkmalen zu formen, kann aber für Schichten mit größeren Merkmalen, Masseebenen usw. einen subtraktiven Ätzprozess verwenden. Wie ich oft in diesen Blogs tue, empfehle ich, sich an Ihren Fertiger zu wenden, um den besten Ansatz für die Herstellbarkeit zu verstehen, wenn Sie beginnen, für ultra HDI zu entwerfen. Als Denkanstoß habe ich einen Schnappschuss der ultra HDI-Fähigkeiten von American Standard Circuits beigefügt.

Wenn Sie mehr erfahren möchten, lesen Sie bitte einige unserer vorherigen Blogs. Wir haben die Grundlagen der SAP-Verarbeitung durchgegangen, haben kürzlich einige der wichtigsten Fragen im Zusammenhang mit dem Stack-up der gedruckten Schaltkarte betrachtet und einige der „Designregeln“ oder „Gestaltungsrichtlinien“ erforscht, die sich nicht ändern, wenn mit diesen ultra-hochdichten Merkmalsgrößen entworfen wird.

Für zusätzliche Details zu den Impedanzauswirkungen mit ultra HDI-Merkmalen, lesen Sie bitte das veröffentlichte Whitepaper von Eric Bogatin.