Welche Ultra-HDI-PCB-Fähigkeiten können Sie nutzen?

Wenn wir über Verpackung, substratähnliche PCBs und Feinleiterplatinen sprechen, beziehen wir uns kollektiv auf einen Bereich, in dem die PCB-Fertigungsverarbeitung an ihre Grenzen stößt. Dieser Bereich ist Ultra-HDI, wo die typischen Merkmale einer PCB auf sehr kleine Werte skaliert werden. Diese fortschrittlicheren Fähigkeiten ermöglichen traditionelle Designpraktiken mit größeren BGAs, jedoch in sehr feinen Rastern (0,3 mm) skaliert, die enge Abstände und Leiterbahnbreiten erfordern.

Diese Fähigkeiten waren historisch gesehen in Asien verfügbar und wurden zuvor wirklich kosteneffektiv nur bei der Produktion in großen Mengen. Jetzt, da der globale Zugang zu diesen fortschrittlichen Fähigkeiten sich erweitert, können mehr Designer diese Fähigkeiten bei niedrigeren Stückzahlen und sogar während des Prototyping zugreifen. Das bedeutet auch, dass mehr der fortschrittlichen Komponenten, die in in großen Mengen produzierten Verbrauchergeräten zu finden sind, bei niedrigeren Stückzahlen verwendet werden können.

Ultra-HDI stößt die Grenzen der Fertigungsfähigkeiten

Ultra-HDI ist kein neuer Ansatz für das Design von PCBs. Die Fähigkeit, ob subtraktiv oder additiv, wurde für sehr dichte PCBs (wie in Smartphones) und in der IC-Verpackung (in Substraten und RDL) verfügbar. Die Fähigkeit war typischerweise nur kosteneffektiv, wenn die Volumen sehr hoch waren, weshalb sie einige der leistungsfähigsten Verbraucherprodukte und IC-Produktionen mit höheren I/O-Zahlen ermöglicht hat. Die Fähigkeit wird nun mit niedrigeren Volumenherstellern zugänglicher.

Die untenstehende Tabelle listet einige der Fertigungsmerkmale auf, die typischerweise mit Ultra-HDI verbunden sind. Diese Werte wurden von zwei verschiedenen US-Herstellern zusammengestellt, die diese Fähigkeiten anbieten. Die unten aufgeführten Merkmalsgrenzen sind nicht umfassend; verschiedene Hersteller werden unterschiedliche Garantien bezüglich ihrer Ultra-HDI-Fertigungsfähigkeiten bieten.

Einige der oben aufgeführten Fähigkeiten sind typisch für standardmäßige HDI-Platinen, während andere die derzeitige Standardisierung gemäß IPC-2226 (Stufe C) übertreffen. Zum Beispiel ist das Limit für die Durchgangsloch-Via-Größe bei diesen Platinen dasselbe wie bei Standard-HDI. Allerdings ist das Limit für die Leiterbahnbreite viel kleiner, bis hinunter zu 0,6 mils. Abhängig von der Leiterbahnbreite könnte Ätzen möglich sein, aber letztendlich müsste ein additives Verfahren verwendet werden (z.B. SAP, mSAP oder A-SAP).

Was können Sie mit Ultra-HDI machen?

Da Ultra-HDI die Feature-Größen auf niedrige Grenzen bringt, ermöglicht der Ansatz zwei Designvorteile:

1. Schichtreduktion auf einer HDI-Platine - Feinleitungs-Routing könnte die Konsolidierung von Leiterbahnen in eine kleinere Schichtanzahl ermöglichen, was die Anzahl der HDI-Aufbauschichten reduziert.
2. Kleine Leiterbahnbreiten in konventionellen Aufbauten - Wenn Sie HDI-Aufbauten vollständig eliminieren können, können Sie die Kosten für die Herstellung der PCB erheblich reduzieren.

Wenn Sie die Anzahl der HDI-Aufbauschichten reduzieren können, können Sie einen Teil der zusätzlichen Kosten ausgleichen, die erforderlich sind, um Zugang zu Ultra-HDI-Fertigungskapazitäten zu erhalten.

Beispiel 1: Xilinx FPGA (0,8 mm BGA)

BGAs sind oft Treiber für die HDI-Fertigung aufgrund der Notwendigkeit, das Fanout für diese großen Pakete zu erstellen. Dies wird typischerweise mit gestapelten, blind-gebohrten, mechanisch gebohrten Vias gemacht. Bei einem 1 mm Pitch können Sie typischerweise Durchgangslöcher bis zu 8 oder 10 Mil verwenden, abhängig von Pad/Ball-Größe. Aufgrund der Pitch- und Linienbreitenbegrenzungen könnten Sie möglicherweise nur eine einzelne Spur zwischen den Bällen in jeder Schicht platzieren.

Mit Ultra-HDI-Fähigkeiten könnten Sie jetzt zwei vernünftig breite Spuren zwischen den Pads platzieren. Abhängig vom Pinout könnte dies eine Schichtreduktion ermöglichen, da Sie Spuren in einer kleineren Anzahl von Schichten zusammenfassen können. Das Bild unten zeigt einige Spuren in einer DDR-Schnittstelle mit einer Spurbreite = 2,25 und S/W = 1,5.

Spuren auf diese Weise näher zu bringen, wird das Übersprechen erhöhen, aber wir können dies überwinden, indem wir eine dünnere dielektrische Schicht verwenden (kleinerer Abstand von den Spuren zu GND).

Da das Übersprechen nichtlinear mit der Schichtdicke zusammenhängt, ermöglicht eine dünnere Schicht das Erreichen Ihres Impedanzziels und erlaubt eine dichtere Verlegung ohne eine große Übersprechstrafe. Das bedeutet im Allgemeinen, dass die dünnere Schicht bei diesen dichten Platinen erforderlich ist, insbesondere wenn die Impedanz berücksichtigt wird.

Was wäre, wenn wir aggressiver wären und feinere Leiterbahnbreiten bei demselben S/W-Verhältnis wählen würden? Im Bild unten habe ich die Leiterbahnbreite auf 1 mil reduziert; mit demselben S/W-Verhältnis können wir jetzt 4 Leiterbahnen zwischen den Pads in diesem BGA unterbringen. Aufgrund der Herausforderung mit dem Übersprechen und der Impedanzanforderung in einer DDR-Schnittstelle wird das Design jedoch eine dünnere Schicht erfordern, um sicherzustellen, dass die Anforderung an die Leiterbahnimpedanz erreicht wird.

Durch Verdoppelung oder Vervierfachung der Anzahl von Leiterbahnen, die zwischen den Pads im BGA-Footprint verlaufen, können wir möglicherweise die Anzahl der benötigten Lagen reduzieren, um den BGA vollständig auszufächern. Bei kleineren Pitches (0,5 mm bis 0,8 mm), die typischerweise blinde/begrabene Vias und feinere Verdrahtung zwischen den Pads erfordern würden, könnten wir die Anzahl der HDI-Aufbaulagen reduzieren, was die Anzahl der Prozessschritte erheblich verringern und die Fertigungskosten kontrollieren würde. Es könnte sogar möglich sein, einen HDI-Aufbau in einen konventionellen Aufbau umzuwandeln, was die Kosten für die Feinleitungs-Fertigung ausgleichen könnte.

Beispiel 2: nRF52 WLCSP (0,35 mm BGA)

Bei sehr feinen Pitch-Komponenten ist der traditionelle Ansatz die Verwendung von blinden/begrabenen Vias und das Verlegen unter den Pads in jeder Lage. Aufgrund der Abstandsanforderungen zwischen den Kugeln im BGA ist einfach kein Platz, um mit traditionellen Fähigkeiten zwischen den Pads zu verlegen. Ultra-HDI ändert dies, indem es sowohl kleinere Vias als auch dünnere Leiterbahnen ermöglicht, sodass der verfügbare Verdrahtungsbereich durch die Padgröße begrenzt wird.

Das untenstehende Verdrahtungsbeispiel zeigt unser früheres nRF52-Modulprojekt, aber neu gestaltet mit Feinleitungsverdrahtung zwischen den Pads im BGA-Fanout. Im In der ursprünglichen Version dieses Projekts wurde das Board mit einem 2 + N + 2 Stackup auf 6 Schichten entworfen. Mit einer Ultra-HDI-Fähigkeit kann ich zwischen den Pads auf einer einzelnen Schicht routen. Hier zeige ich zwei Beispiele im selben Bild:

• 1,75 mil Leiterbahnbreite mit 1,75 mil Abstand zu den Pads
• 1 mil Leiterbahnen mit 1 mil Abstand (Leiterbahn-zu-Pad und Leiterbahn-zu-Leiterbahn)

Mit diesem BGA-Abstand kann ich bequem eine 1,75 mil Leiterbahn/Abstand zwischen zwei Pads einpassen, oder ich kann aggressiver vorgehen und zwei 1 mil Leiterbahnen zwischen zwei Pads einfügen. Der erste Fall ist aufgrund des größeren Übersprechens zwischen den Leiterbahnen bei der 2x-Verdrahtung die bessere Option.

Offensichtlich ist der Abstand zwischen den 2x-Leiterbahnen kleiner als das Limit der 3W-Regel. Können wir dieses Limit überschreiten und dennoch ein vernünftiges Übersprechen erwarten? Die Antwort lautet „vielleicht“... Wie ich in anderen Artikeln gezeigt habe, und es unter SI-Ingenieuren bekannt ist, reduziert das Näherbringen von Masse zu einem Paar von Leiterbahnen deren gegenseitige Kapazität und Induktivität. Daher erfordert dieser aggressivere Routingansatz die Verwendung dünnerer Schichten. Dies liegt daran:

• Die näher gelegene Erdungsregion reduziert das Übersprechen bei gegebener Schichtdicke
• Für impedanzkontrollierte Leitungen ermöglicht die dünnere Schicht, ein typisches Impedanzziel zu erreichen

Deshalb ist das 2-fache Leiterbahnrouting bei diesem sehr feinen Pitch möglicherweise nicht die beste Option aufgrund des potenziellen Übersprechens zwischen diesen Leiterbahnen. Eine bessere Option ist das 1,75 mil Routing, und wenn dies auf einer dickeren Schicht (~3 mil) durchgeführt wird, dann könnten alle impedanzkontrollierten Leiterbahnen immer noch ein 50-Ohm-Ziel erreichen.

Materialien für Ultra-HDI

In der obigen Diskussion bin ich ziemlich tief in die Materialien eingegangen, die für UHDI-Platinen benötigt werden. Es gibt zwei Gründe dafür, die mit der Signalintegrität zusammenhängen: Übersprechen zwischen eng beieinander liegenden Leiterbahnen und das Erreichen von Impedanzzielen mit schmalen Leiterbahnbreiten.

Um diese Ziele mit sehr dünnen Leiterbahnen zu erreichen, sind dünne Schichtzahlen erforderlich. Typischerweise wird eine obere Grenze von 50 Mikron für eine Vielzahl möglicher Materialien angewendet, wie die in Happy Holden’s Liste von 11 HDI-Materialien aufgeführten. Einige gängige Alternativen zu laserbohrbaren Materialien und dünn verstärktem FR4 umfassen:

• Ajinomoto Build-up-Film (ABF)
• BT-Epoxid-basierte Materialien
• Dünner Flüssigkristallpolymer (z.B. UltraLam)
• Harzbeschichtete Kupferfolien (metallisiertes Polyimid, reines Polyimid, gegossenes Polyimid)

Diese können in Kombinationen verwendet werden, um einen Ultra-HDI-Aufbau zu erstellen. Eine solche Kombination ist die Verwendung von BT-Epoxy-basierten Laminaten als Kern mit konventionellen vergrabenen Vias und ABF als äußere Aufbauschichten, die das Routing mit feinen Linien unterstützen. Dieser Aufbaustil wird als organisches Substrat in BGA-Verpackungen verwendet, aber der gleiche Ansatz kann auch für eine Ultra-HDI-PCB verwendet werden. Ein Beispiel für diesen Aufbau wird unten gezeigt.

Höhere Kosten, aber mehr Optionen
Während diese fortschrittlicheren Designpraktiken höhere Fertigungskosten mit sich bringen und einen neuen Ansatz für Stackup-Design und Routing erfordern, können Sie auf fortschrittlichere Komponenten in feinen Pitches für Ihre PCB zugreifen. Insgesamt könnte die Feinlinienfertigung die Anzahl der erforderlichen HDI-Aufbauschichten reduzieren, die benötigt werden, um mit diesen feineren Pitches zu arbeiten, indem das Routing zwischen den Bällen auf fein-pitchigen BGAs ermöglicht wird.

In einigen Fällen kann Ultra-HDI ein großer Kostenreduzierer sein, da es eine Konsolidierung der Schichten und eine Umstellung auf konventionelle mechanisch gebohrte Durchgangslöcher ermöglicht. Wenn Sie 4x Leiterbahnen zwischen den Pads in einem BGA auf 8 Schichten unterbringen können, könnte dieselbe Platine 32 Schichten benötigen, wenn Sie nicht auf Ultra-HDI-Fähigkeiten zugreifen könnten. Wenn Sie an diesen Fähigkeiten interessiert sind, beginnen sie gerade erst, in den USA und Kanada verfügbar zu werden, und in Europa und Japan sind sie immer noch zugänglich.

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