Jakie możliwości oferują płytki PCB Ultra-HDI, z których możesz skorzystać?

Gdy mówimy o opakowaniach, podłożach podobnych do PCB oraz PCB z cienkimi ścieżkami, wspólnie odnosimy się do obszaru, w którym przetwarzanie w produkcji PCB jest popychane do granic możliwości. Ten obszar to ultra-HDI, gdzie typowe cechy PCB są skalowane do bardzo małych wartości. Te bardziej zaawansowane możliwości umożliwiają stosowanie tradycyjnych praktyk projektowych z większymi BGA, ale skalowane do bardzo drobnych rozstawów (0,3 mm), wymagających ciasnego rozmieszczenia i szerokości linii.

Te możliwości były historycznie dostępne w Azji, i wcześniej stawały się naprawdę opłacalne tylko przy produkcji masowej. Teraz, gdy globalny dostęp do tych zaawansowanych możliwości się poszerza, więcej projektantów może uzyskać dostęp do tych możliwości przy mniejszych wolumenach, a nawet podczas prototypowania. Oznacza to również, że więcej zaawansowanych komponentów znajdowanych w urządzeniach konsumenckich produkowanych na dużą skalę może być używanych przy mniejszych wolumenach.

Ultra-HDI przesuwa granice możliwości fabrykacji

Ultra-HDI nie jest nowym podejściem do projektowania PCB. Możliwość, czy to subtrakcyjna czy addytywna, była dostępna dla bardzo gęstych PCB (takich jak w smartfonach) oraz w pakowaniu układów scalonych (w substratach i RDL). Możliwość ta była zazwyczaj opłacalna tylko przy bardzo wysokich wolumenach, co pozwoliło na stworzenie niektórych z najbardziej zaawansowanych produktów konsumenckich i produkcji układów scalonych z wyższą liczbą I/O. Możliwość ta staje się teraz bardziej dostępna także dla producentów o niższych wolumenach.

Poniższa tabela zawiera niektóre cechy fabrykacji, które są zwykle kojarzone z ultra-HDI. Wartości te zostały skompilowane z ofert dwóch różnych amerykańskich producentów oferujących te możliwości. Poniżej wymienione limity cech nie są kompleksowe; różni producenci będą oferować różne gwarancje co do ich możliwości fabrykacji ultra-HDI.

Niektóre z wymienionych powyżej możliwości są typowe dla standardowych płyt HDI, podczas gdy inne przekraczają obecne standardy określone w IPC-2226 (Poziom C). Na przykład, w tych płytach limit rozmiaru przelotek jest taki sam jak w standardowym HDI. Jednak limit szerokości linii jest znacznie mniejszy, do 0,6 mila. W zależności od szerokości linii, trawienie może być możliwe, ale ostatecznie konieczne może być użycie procesu addytywnego (np. SAP, mSAP lub A-SAP).

Co możesz zrobić z Ultra-HDI?

Ponieważ ultra-HDI obniża rozmiary cech do niskich limitów, podejście to umożliwia dwie korzyści projektowe:

1. Zmniejszenie liczby warstw w płycie HDI - Precyzyjne trasowanie mógłby umożliwić konsolidację ścieżek do mniejszej liczby warstw, co redukuje liczbę warstw budowy HDI.
2. Małe szerokości linii w konwencjonalnych konstrukcjach - Jeśli można całkowicie wyeliminować konstrukcje HDI, można znacznie zmniejszyć koszty wymagane do wytworzenia PCB.

Jeśli można zmniejszyć liczbę warstw konstrukcji HDI, można zrekompensować część dodatkowych kosztów wymaganych do uzyskania możliwości ultra-HDI.

Przykład 1: Xilinx FPGA (0,8 mm BGA)

BGA są często czynnikiem napędzającym produkcję HDI ze względu na potrzebę stworzenia rozwidlenia dla tych dużych pakietów. Zazwyczaj jest to realizowane za pomocą stosowanych ślepo-zakopanych mechanicznie wierconych przelotek. Przy rozstawie 1 mm, zazwyczaj można używać przelotek aż do 8 lub 10 mil, w zależności od rozmiaru pad/ball. Ze względu na ograniczenia rozstawu i szerokości linii, może się okazać, że między kulami w każdej warstwie można umieścić tylko pojedynczy ślad.

Z możliwościami ultra-HDI można teraz umieścić dwie rozsądnie szerokie ścieżki między padami. W zależności od rozmieszczenia pinów, może to pozwolić na redukcję liczby warstw, ponieważ można skonsolidować ścieżki w mniejszej liczbie warstw. Poniższy obraz pokazuje kilka ścieżek w interfejsie DDR ze szerokością ścieżki = 2,25 i S/W = 1,5.

Zbliżenie ścieżek w ten sposób zwiększy przeplot, ale możemy temu zaradzić, używając cieńszej warstwy dielektrycznej (mniejsza odległość od ścieżek do GND).

Ponieważ poziom przeplotu jest nieliniowo związany z grubością warstwy, cieńsza warstwa pozwoli Ci osiągnąć cel impedancji i umożliwi gęstsze rozmieszczenie ścieżek bez dużych strat związanych z przeplotem. To ogólnie oznacza, że w tych gęsto upakowanych płytkach wymagana jest cieńsza warstwa, szczególnie gdy brana jest pod uwagę impedancja.

Co by było, gdybyśmy poszli na większe ryzyko i zastosowali jeszcze cieńsze szerokości ścieżek przy tym samym stosunku S/W? Na poniższym obrazie zmniejszyłem szerokość ścieżki do 1 mila; przy tym samym stosunku S/W możemy teraz umieścić 4 ścieżki między padami w tej BGA. Jednakże, ze względu na problem z przeplotem i wymaganie impedancji w interfejsie DDR, projekt będzie wymagał cieńszej warstwy, aby zapewnić osiągnięcie wymagań impedancji ścieżki.

Poprzez podwojenie lub poczwórne zwiększenie liczby ścieżek przechodzących między padami w obrysie BGA, możemy potencjalnie zmniejszyć liczbę warstw potrzebnych do pełnego rozwinięcia BGA. W mniejszych rozstawach (od 0,5 mm do 0,8 mm), które zwykle wymagałyby zastosowania ślepych/zakopanych przelotek oraz drobniejszego trasowania między padami, moglibyśmy skończyć na zmniejszeniu liczby warstw budowy HDI, co znacząco zredukuje liczbę etapów procesu i pomoże kontrolować koszty produkcji. Może nawet być możliwe przekształcenie budowy HDI w konwencjonalną, co mogłoby zrównoważyć koszty produkcji z drobnymi liniami.

Przykład 2: nRF52 WLCSP (0,35 mm BGA)

W komponentach o bardzo drobnym rozstawie, tradycyjne podejście polega na użyciu ślepych/zakopanych przelotek i trasowaniu pod padami na każdej warstwie. Po prostu nie ma miejsca na trasowanie między padami przy tradycyjnych możliwościach ze względu na wymagania dotyczące odstępów między kulami w BGA. Ultra-HDI zmienia to, pozwalając na mniejsze przelotki i cieńsze ścieżki, więc dostępna przestrzeń do trasowania staje się ograniczona przez rozmiar pada.Przykład trasowania poniżej pokazuje nasz wcześniejszy projekt modułu nRF52, ale przeprojektowany z drobnymi ścieżkami trasowania między padami w rozprowadzeniu BGA. W oryginalnej wersji tego projektu, płyta została zaprojektowana z użyciem układu 2 + N + 2 na 6 warstwach. Dzięki możliwościom ultra-HDI, mogę trasować między padami na pojedynczej warstwie. Tutaj pokazuję dwa przykłady na tym samym obrazie:

• szerokość ścieżki 1,75 mila z odstępem 1,75 mila do padów
• ścieżki 1 mil z odstępem 1 mil (ścieżka-do-pada i ścieżka-do-ścieżki)

Przy tej rozpiętości BGA, mogę wygodnie umieścić ścieżkę/odstęp 1,75 mila między dwoma padami, lub mogę pójść bardziej agresywnie i umieścić dwie ścieżki 1 mila między dwoma padami. Pierwszy przypadek jest lepszą opcją ze względu na większe przesłuchy między ścieżkami przy trasowaniu 2x.

Oczywiście, odstęp między dwoma ścieżkami jest mniejszy niż limit zasady 3W. Czy możemy naruszyć ten limit i nadal oczekiwać rozsądnego przeplotu? Odpowiedź brzmi "być może"... Jak pokazałem w innych artykułach, co jest dobrze znane wśród inżynierów SI, zbliżenie masy do pary ścieżek zmniejsza ich wzajemną pojemność i indukcyjność. Dlatego przejście na bardziej agresywne trasowanie wymaga użycia cieńszych warstw. Wynika to z faktu, że:

• Bliższy region masy zmniejsza przeplot dla danej grubości warstwy
• Dla linii z kontrolowaną impedancją, cieńsza warstwa pozwala osiągnąć typowy cel impedancji

Dlatego trasowanie 2x ścieżki w tym bardzo drobnym rozstawie może nie być najlepszą opcją z uwagi na potencjalny przeplot między tymi ścieżkami. Lepszą opcją jest trasowanie 1,75 mil, a jeśli jest to wykonane na grubszej warstwie (~3 mil), wówczas ścieżki z kontrolowaną impedancją mogą nadal osiągnąć cel 50 Ohm.

Materiały dla Ultra-HDI

W powyższej dyskusji, zagłębiłem się dość głęboko w materiały potrzebne dla płyt UHDI. Istnieją dwa powody dla tego, które są związane z integralnością sygnału: przeplot między ścieżkami umieszczonymi blisko siebie, oraz osiąganie celów impedancji przy wąskich szerokościach linii.

Aby osiągnąć te cele przy użyciu bardzo cienkich ścieżek, wymagane są cienkie warstwy. Zazwyczaj stosuje się górną granicę 50 mikronów w różnych możliwych materiałach, takich jak te wymienione w liście 11 materiałów HDI Happy'ego Holdena. Niektóre powszechne alternatywy dla materiałów możliwych do przewiercania laserem i cienkiego wzmocnionego FR4 to:

• film budujący Ajinomoto (ABF)
• materiały na bazie żywicy epoksydowej BT
• cienki polimer ciekłokrystaliczny (np. UltraLam)
• filmy z powłoką żywiczną miedzi (metalizowany poliimid, czysty poliimid, poliimid odlewany)

Można je używać w kombinacjach, aby stworzyć ultra-HDI. Jedną z takich kombinacji jest użycie laminatów na bazie żywicy epoksydowej BT jako rdzenia z konwencjonalnymi ukrytymi via, oraz ABF jako zewnętrznych warstw budujących, które wspierają precyzyjne trasowanie. Ten styl budowy jest używany jako organiczne podłoże w opakowaniach BGA, ale to samo podejście może być użyte dla ultra-HDI PCB. Przykład tej budowy jest pokazany poniżej.

Wyższe koszty, ale więcej opcji
Chociaż te bardziej zaawansowane praktyki projektowe wiążą się z wyższymi kosztami produkcji i wymagają nowego podejścia do projektowania układu warstw i trasowania, możesz uzyskać dostęp do bardziej zaawansowanych komponentów o drobnych rozstawach dla swojej PCB. Ogólnie rzecz biorąc, produkcja z użyciem cienkich linii może zmniejszyć liczbę warstw HDI potrzebnych do pracy z tymi drobnymi rozstawami, umożliwiając trasowanie między kulami na drobno rozstawionych BGA.

W niektórych przypadkach, ultra-HDI może znacznie obniżyć koszty dzięki konsolidacji warstw i przejściu na konwencjonalną budowę z mechanicznie wierconymi otworami przelotowymi. Jeśli możesz umieścić 4x ścieżki między padami w BGA na 8 warstwach, ta sama płyta może wymagać 32 warstw, jeśli nie miałbyś dostępu do możliwości ultra-HDI. Jeśli interesują Cię te możliwości, dopiero zaczynają być dostępne w USA i Kanadzie, a w Europie i Japonii nadal można z nich korzystać.

Zawsze, gdy potrzebujesz zaprojektować PCB ultra-HDI, upewnij się, że używasz kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym wdrażać współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™ do łatwego udostępniania danych projektowych i wprowadzania projektów do produkcji.

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