Co to jest HDI? Podstawy projektowania i proces produkcyjny PCB HDI

W miarę jak świat technologii ewoluował, tak samo rosła potrzeba pakowania większej liczby funkcji w mniejsze opakowania. PCB zaprojektowane z wykorzystaniem technik wysokiej gęstości połączeń (HDI) zazwyczaj są mniejsze, ponieważ więcej komponentów jest upakowanych na mniejszej przestrzeni. PCB HDI używa ślepych, zakopanych i mikroprzewiązań, przewiązań w padach oraz bardzo cienkich ścieżek, aby zmieścić więcej komponentów na mniejszej powierzchni. Pokażemy Ci podstawy projektowania HDI i jak Altium Designer^® może pomóc Ci stworzyć potężny projekt PCB HDI.

Projektowanie i produkcja drukowanych obwodów o wysokiej gęstości połączeń (HDI) rozpoczęło się w 1980 roku, kiedy badacze zaczęli szukać sposobów na zmniejszenie rozmiaru przewiązań w PCB. Pierwsze produkcyjne płyty sekwencyjne pojawiły się w 1984 roku. Od tego czasu projektanci i producenci komponentów zawsze szukają sposobów na umieszczenie większej liczby funkcji na pojedynczym chipie i pojedynczej płycie. Dzisiaj projektowanie i produkcja płyt HDI są uregulowane w standardach IPC-2315, IPC-2226, IPC-4104 oraz IPC-6016.

Planując projekt PCB HDI, należy pokonać pewne wyzwania projektowe i produkcyjne. Oto krótka lista wyzwań, z którymi możesz się spotkać podczas projektowania PCB HDI:

• Ograniczona przestrzeń robocza płytki
• Mniejsze komponenty i mniejsze odstępy
• Większa liczba komponentów po obu stronach układu PCB
• Dłuższe trasy przewodów tworzące dłuższe czasy przelotu sygnałów
• Więcej tras przewodów wymaganych do ukończenia płytki

Z odpowiednim zestawem narzędzi do układania i trasowania, opartym na silniku projektowym kierowanym regułami, możesz naruszyć normalne zasady w projektowaniu PCB i stworzyć potężne PCB o bardzo wysokiej gęstości połączeń. Praca z trasowaniem PCB o wysokiej gęstości i komponentami o małym rozstawie nóżek jest łatwa, gdy używasz zaawansowanego oprogramowania do projektowania PCB, stworzonego z myślą o projektowaniu PCB HDI. Możesz stworzyć swój nowy projekt płytki HDI i zaplanować proces produkcji HDI z najlepszymi na świecie funkcjami projektowymi w Altium Designer.

Co różni projektowanie i produkcję PCB HDI?

Proces produkcji HDI różni się od tradycyjnego procesu produkcji PCB kilkoma prostymi, lecz ważnymi aspektami. Ważnym punktem tutaj jest to, że ograniczenia producenta będą ograniczać swobodę projektowania i ustalać limity dotyczące sposobu prowadzenia ścieżek na płytce. Użycie cieńszych ścieżek, mniejszych przelotek, większej liczby warstw i mniejszych komponentów może być nadal uwzględnione w oprogramowaniu do projektowania, ale dostosowanie projektu do wymagań produkcyjnych (DFM) oznacza wykorzystanie automatyzacji w oprogramowaniu projektowym. Dokładne wymagania DFM zależą od procesu produkcyjnego i materiałów użytych do budowy płytki. Wymagania DFM stają się również ważne, gdy rozważamy wymagania dotyczące niezawodności.

Wybór materiału musi odpowiedzieć na te pytania:

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges.

Learn More

• Czy chemia używana do dielektryka będzie kompatybilna z obecną chemią używaną przez podstawowy materiał substratu?
• Czy dielektryk będzie miał akceptowalną adhezję miedzi elektrolitycznej? (Wiele firm produkujących sprzęt oryginalny [OEM] chce >6 lb./in. [1.08 kgm/cm] na 1 oz. [35.6 µm] miedzi.)
• Czy dielektryk zapewni odpowiedni i niezawodny odstęp dielektryczny między warstwami metalowymi?
• Czy spełni potrzeby termiczne?
• Czy dielektryk zapewni pożądane „wysokie” Tg dla wiązania drutowego i poprawek?
• Czy przetrwa szok termiczny z wieloma warstwami SBU (np. pływające luty, przyspieszone cykle termiczne, wielokrotne przepływy)?
• Czy będzie miało powlekane, niezawodne mikropoprowadzenia?

Istnieje dziewięć różnych ogólnych materiałów dielektrycznych używanych w podłożach HDI. Arkusze IPC, takie jak IPC-4101B i IPC-4104A, obejmują wiele z nich, ale wiele jeszcze nie jest określonych przez standardy IPC. Materiały to:

• Fotoczułe ciekłe dielektryki
• Fotoczułe suche folie dielektryczne
• Polimidowa elastyczna folia
• Termoutwardzalne suche folie
• Termoutwardzalne ciekłe dielektryki
• Folia miedziana pokryta żywicą (RCC), dwuwarstwowa i wzmacniana
• Tradycyjne rdzenie i prepregi FR-4
• Nowe prepregi „rozprzestrzeniające szkło” laserowo wiercące (LD)
• Termoplasty

Proces projektowania PCB HDI jest pokazany poniżej. Efektywność trasowania dla HDI zależy od układu warstw, architektury via, rozmieszczenia części, rozwijania BGA i zasad projektowania. Najważniejszymi elementami planowania układu HDI jest rozważenie szerokości ścieżki, rozmiaru via i trasowania ucieczki/umieszczenia dla komponentów BGA.

Ogólny przegląd procesu projektowania i układu PCB HDI.

Zawsze sprawdzaj z wytwórnią płyt, jakie metody fabrykacji stosują do produkcji PCB HDI. Musisz określić limity ich metod fabrykacji, ponieważ wpłynie to na rozmiary elementów, które możesz umieścić w swoim układzie. Rozstaw kulek na komponentach BGA określi rozmiar via, którego potrzebujesz użyć, co z kolei określa wymagany proces produkcji HDI do stworzenia płytki. Centralnym elementem twojego PCB HDI są mikrovia, które muszą być precyzyjnie zaprojektowane, aby umożliwić trasowanie między warstwami.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Learn More

Przegląd projektowania i procesów produkcyjnych PCB HDI

Istnieje wiele kroków zaangażowanych w typowy proces produkcji PCB, ale produkcja PCB HDI wykorzystuje niektóre szczególne kroki, które mogą nie być używane w innych płytach. Proces projektowania płyty HDI zaczyna się jak wiele innych procesów, gdzie

1. Określ liczbę warstw potrzebną do trasowania wszystkich sygnałów, używając największego komponentu BGA na płycie lub korzystając z liczby interfejsów + kierunków od największego układu scalonego na płycie.
2. Skontaktuj się z wytwórnią, aby wybrać materiały i uzyskać dane dielektryczne potrzebne do stworzenia twojego układu PCB.
3. Na podstawie liczby warstw i grubości określ styl via, który będzie używany do trasowania sygnałów przez wewnętrzne warstwy.
4. Przeprowadź ocenę niezawodności, jeśli jest to istotne, aby zweryfikować, czy materiały nie spowodują pęknięć połączeń międzywęzłowych podczas montażu i eksploatacji.
5. Określ zasady projektowania na podstawie możliwości producenta i wymagań dotyczących niezawodności (potrzeba zastosowania łez, szerokości ścieżek, odstępów itp.), aby zapewnić niezawodne wytwarzanie i montaż.

Tworzenie układu warstw i określanie zasad projektowania są kluczowymi punktami, ponieważ będą one decydować o możliwości trasowania płytki i niezawodności gotowego produktu. Po zakończeniu tych punktów, projektant może zaimplementować wymagania DFM i wymagania dotyczące niezawodności swojego producenta jako zasady projektowania w swoim oprogramowaniu ECAD. Zrobienie tego na początku jest bardzo ważne i pomoże to zapewnić, że projekt będzie niezawodny, możliwy do ztrasowania i wykonalny.

Zaprojektuj rozmiar elementu, aby spełnić wymagania DFM HDI

Chociaż wymagania DFM dotyczące odstępów w PCB HDI są dość rygorystyczne, można je spełnić, korzystając z zasad projektowania w oprogramowaniu do projektowania PCB. Niektóre ważne wymagania DFM do zebrania przed układaniem i trasowaniem to:

• Limit szerokości i odstępów ścieżek
• Limit pierścienia wokół otworu i stosunku wymiarów, szczególnie dla projektów o wysokiej niezawodności
• System materiałowy używany w płytce, aby zapewnić kontrolowaną impedancję w wymaganym układzie warstw
• Profile impedancji dla pożądanego układu warstw lub par warstw, jeśli są dostępne

Twoje narzędzia projektowe są kluczowe do zaprojektowania płyty obwodu drukowanego HDI, aby spełnić te wymagania DFM. Trasowanie ścieżek z kontrolowaną impedancją na płycie PCB HDI jest dość łatwe z odpowiednim zestawem narzędzi projektowych. Wystarczy, że utworzysz profil impedancji i zdefiniujesz pożądaną szerokość ścieżki, mając na uwadze wytyczne DFM producenta. Online silnik DRC w Twoim oprogramowaniu do trasowania będzie sprawdzał Twoje trasowanie podczas tworzenia układu HDI. Upewnij się, że uzyskałeś kompletny zestaw specyfikacji dla procesu Twojego producenta, aby mieć pewność, że wziąłeś pod uwagę wszystkie istotne zasady DFM HDI.

Layer Stackup Design

Reduce noise and improve signal timing, even on the most complex boards.

Learn More

Typy przelotek w trasowaniu PCB HDI

Poniższy obraz przedstawia typowe style przelotek, które są używane w układach i trasowaniu PCB HDI. Te style przelotek mają niski stosunek wysokości do szerokości (idealnie) mniejszy niż 1, chociaż niektórzy producenci mogą zapewniać deklaracje niezawodności do stosunków wysokości do szerokości na poziomie 2, w tym dla stosowanych mikroprzelotek. W centrum układu warstw PCB znajduje się konwencjonalna przelotka zakopana, zapewniająca połączenie przez grubsza warstwę rdzenia; ta wewnętrzna zakopana przelotka może mieć większy stosunek wysokości do szerokości, ponieważ będzie wiercona mechanicznie z pewną dokładnością. Gdy liczba warstw i grubości dielektryków zostaną określone, projektant może projektować przelotki zgodnie z ograniczeniami stosunku wysokości do szerokości wymienionymi powyżej. Przestrzeganie tych ograniczeń stosunku wysokości do szerokości w mikroprzelotkach jest ważną częścią niezawodności, szczególnie gdy te płytki przechodzą przez proces przepływu lutowniczego, lub gdy są wdrażane w środowisku z powtarzającymi się szokami termicznymi/mechanicznymi i cyklami.

• Dowiedz się więcej o używaniu mikroprzelotek i ich niezawodności w PCB HDI

Sequencyjne Budowanie

Proces sekwencyjnej laminacji jest głównie stosowany do budowy konstrukcji HDI (High Density Interconnect) w sposób warstwa po warstwie. Ogólnie rzecz biorąc, ta technika może być używana dla każdej wielowarstwowej płytki PCB, ale jest szczególnie ważna dla HDI. Wynika to z faktu, że wysoka gęstość, bardzo cienkie dielektryki są formowane w poszczególnych warstwach wokół grubego rdzenia, więc laminacja odbywa się w wielu krokach, aby zbudować układ warstw. Proces sekwencyjnej laminacji. Składa się on z następujących kroków:

• Depozycja i ekspozycja fotoresistu: Jest to używane do definiowania obszarów do wytrawienia, które pozostawią wzór przewodników na laminacie.
• Trawienie i czyszczenie: Obecny standard przemysłowy trawiący to roztwór chlorku żelazowego. Po wytrawieniu, pozostały fotoresist może być odzyskany, a powstały wzór przewodników jest czyszczony.
• Formowanie i wiercenie przelotek: Przelotki muszą być zdefiniowane za pomocą wiercenia mechanicznego lub laserowego. Dla wysokiej gęstości przelotek, otwory mogą być usuwane chemicznie.
• Metallizacja przelotek: Gdy przelotki są zdefiniowane, są one metalizowane, aby utworzyć ciągłe połączenie przewodzące.
• Tworzenie układu warstw: Warstwy są układane w wielu cyklach laminacji, aby zbudować układ warstw przed przetwarzaniem warstw zewnętrznych.

Schemat procesu budowy można znaleźć w sekcji Metalizacji poniżej.

Formowanie przelotek w HDI

PCB HDI wymagają połączeń, które zazwyczaj osiągają dolną granicę rozmiaru przelotki, jaka może być umieszczona na PCB przy użyciu wiercenia mechanicznego. Gdy otwory przelotek stają się mniejsze niż 6 mils, potrzebny jest alternatywny proces formowania przelotek, aby umieścić mikroprzelotki między warstwami. Jako że wypełnione, pokryte mikroprzelotki są standardową cechą na PCB HDI, mogą być używane w podejściu projektowym via-in-pad, aby pomóc zwiększyć gęstość. Użycie via-in-pad to łatwy sposób, aby zmieścić więcej komponentów w projekcie, ponieważ zapewniają one bezpośrednie połączenie z wyprowadzeniem komponentu do wewnętrznej warstwy.

Manufacturing Made Easy

Send your product to manufacturing in a click without any email threads or confusion.

Learn More

Zawsze, gdy pojawiają się obawy dotyczące niezawodności mikroprzelotek, można również użyć techniki near-pad, gdzie bardzo mały odcinek ścieżki wychodzi z pada i dotyka mikroprzelotki. To kończy połączenie do wewnętrznej warstwy i zapewnia większy kanał wyjściowy na wypadek, gdyby błąd wiercenia spowodował pewne odchylenie od pożądanej lokalizacji trafienia wiertła.

• Dowiedz się więcej o technologii via-in-pad z wierceniem laserowym

Style projektowania via-in-pad dla PCB HDI.

Metaloza

Podczas procesu sekwencyjnej laminacji, każda warstwa w HDI PCB przechodzi przez proces metalizacji, wypełniania i pokrywania przezświtem. Powstałe przezświty muszą być wolne od pustek w wewnętrznym ciele oraz mieć wystarczające pokrycie platerem wokół szyjki, aby uniknąć pęknięć podczas cykli przepływu i w trakcie działania. Istnieją cztery procesy metalizacji przezświtu, które są stosowane w produkcji HDI. Metody te to:

• Tradycyjne bezprądowe i elektrolityczne pokrywanie miedzią
• Tradycyjne przewodzące grafitowe lub inne polimery
• Całkowicie i częściowo dodatkowa bezprądowa miedź
• Przewodzące pasty lub tusze

Większe przezświty mogą być wiercone, ale koszty ostatecznie przewyższają koszty wiercenia laserowego przy niższej przepustowości, ponieważ wymagana jest wolniejsza prędkość wiercenia. Wiercenie laserowe jest zdecydowanie najpopularniejszym procesem formowania mikroprzezświtów, ale nie jest najszybszym procesem formowania przezświtów. Chemiczne trawienie małych przezświtów jest najszybsze, z szacowaną prędkością 8 000 do 12 000 przezświtów na sekundę. Dotyczy to również formowania przezświtów plazmowych i fotoprzezświtów.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

W wierceniu laserowym używa się wiązki o wysokiej fluencji do wykonania otworu w laminacie PCB. Lasery są zdolne do ablacji materiału dielektrycznego i zatrzymują się, gdy napotkają obwody miedziane, dlatego są idealnie przystosowane do tworzenia kontrolowanej głębokości ślepych przelotek. Długości fal energii laserowej mieszczą się w zakresie podczerwieni i ultrafioletu. Rozmiar plamki wiązki może być mały, jak około 20 mikronów

• Dowiedz się więcej o technikach wytwarzania mikroprzewiązek w procesie produkcyjnym HDI

Jeśli przelotki na płytce są wystarczająco szerokie do wiercenia, można użyć kontrolowanego etapu wiercenia do umieszczenia przelotek. Wymaga to pośredniego etapu sekwencyjnej laminacji, aby połączyć dwie warstwy płyty, a następnie wiercenia i platerowania, aby zdefiniować beczkę przelotki, połączenie z wewnętrzną warstwą i pad lądowania na górnej warstwie. Te przelotki mogą być również wypełnione przed kolejnym etapem sekwencyjnej laminacji (jeśli znajdują się na wewnętrznych warstwach) lub mogą pozostać niewypełnione, jeśli są umieszczone na zewnętrznych warstwach. Cały proces wiercenia i sekwencyjny jest pokazany poniżej.

• Dowiedz się więcej o procesach produkcyjnych HDI na standardowych materiałach

Procesy wiercenia mikroprzewiązek i metalizacji w procesie produkcyjnym HDI.

Wprowadzenie Twojej płytki do procesu produkcyjnego HDI

Procesy produkcyjne PCB HDI są bardziej zaawansowane niż tradycyjne etapy przetwarzania sztywnych PCB, ale nadal wykorzystują ten sam zestaw danych produkcyjnych, których używasz dla typowego sztywnego PCB. Gdy zakończysz projektowanie swojego PCB HDI i przejdzie ono przegląd DFM, nadszedł czas na przygotowanie materiałów dostarczanych producentowi i montażowi. Zintegrowane środowisko projektowe w Altium Designer wykorzystuje wszystkie twoje dane projektowe do tworzenia plików fabrykacyjnych Gerbers/ODB++/IPC-2581, tabel wierceń, specyfikacji materiałów oraz rysunków montażowych dla twojego nowego PCB HDI.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Kiedy szukasz najlepszego pakietu oprogramowania do projektowania, układania i produkcji PCB HDI, użyj kompletnego zestawu narzędzi projektowych w Altium Designer^®. Zintegrowany silnik reguł projektowych i Layer Stack Manager dają ci wszystko, czego potrzebujesz do stworzenia twojej gołej płytki obwodu drukowanego HDI, obliczenia wartości impedancji oraz uwzględnienia chropowatości miedzi w systemie materiałowym PCB. Gdy zakończysz projektowanie i chcesz wysłać pliki do producenta, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie twoich projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.