Какие возможности сверхвысокой плотности монтажа (Ultra-HDI) печатных плат вы можете использовать?

Когда мы говорим о упаковке, подложках, подобных печатным платам, и печатных платах с тонкими линиями, мы коллективно упоминаем область, где процесс изготовления печатных плат достигает своих пределов. Эта область - это ультра-высокая плотность размещения компонентов (ultra-HDI), где типичные характеристики печатной платы уменьшены до очень малых значений. Эти более продвинутые возможности позволяют использовать традиционные методы проектирования с большими BGA, но вместо этого они масштабируются до очень мелких шагов (0,3 мм), требующих тесного расположения и ширины линий.

Ранее эти возможности были доступны в основном в Азии, и раньше они становились действительно экономически выгодными только при массовом производстве. Теперь, когда глобальный доступ к этим продвинутым возможностям расширяется, больше дизайнеров могут получить доступ к этим возможностям при меньшем объеме производства, и даже во время создания прототипов. Это также означает, что больше продвинутых компонентов, найденных в устройствах потребительской электроники массового производства, могут использоваться при меньшем объеме.

Ultra-HDI расширяет пределы возможностей производства

Ultra-HDI не является новым подходом к проектированию печатных плат. Возможность, будь то вычитающая или добавляющая, была доступна для очень плотных печатных плат (например, в смартфонах) и в упаковке интегральных схем (в подложках и RDL). Эта возможность обычно была экономически оправдана только при очень больших объемах, что позволило создать некоторые из самых высокопроизводительных потребительских продуктов и производство ИС с большим количеством вводов/выводов. Теперь эта возможность становится более доступной с производителями меньших объемов.

В таблице ниже перечислены некоторые характеристики изготовления, обычно ассоциируемые с ultra-HDI. Эти значения были собраны из двух разных американских производителей, предлагающих эти возможности. Перечисленные ниже пределы характеристик не являются исчерпывающими; разные производители будут предоставлять разные гарантии по своим возможностям изготовления ultra-HDI.

Характеристика	Предел размера
Ширина линии	15 микрон (0.6 mil)
Расстояние	15 микрон (0.6 mil)
Размеры сквозных отверстий	6 mil/12 mil подушка (для класса 2/3 рекомендуется 14/16 подушка)
Отверстие микровиа	До 1 mil лазерное сверление
Подушка микровиа	~3x диаметр отверстия
Характеристики виа	Заполнение и закрытие (VIPPO)
Толщина покрытия	До 1 мил на стенку отверстия
Толщина материала для uVia	Максимум 2 мила
Толщина медной фольги	До 1/8 унции

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges.

Learn More

Некоторые из перечисленных выше возможностей являются типичными для стандартных плат HDI, в то время как другие превышают текущую стандартизацию, определенную в IPC-2226 (Уровень C). Например, в этих платах предел размера сквозного отверстия такой же, как в стандартном HDI. Однако предел ширины линии намного меньше, до 0,6 мила. В зависимости от ширины линии, травление может быть возможным, но в конечном итоге может потребоваться использование добавочного процесса (например, SAP, mSAP или A-SAP).

Что вы можете сделать с Ultra-HDI?

Поскольку ultra-HDI снижает размеры элементов до низких пределов, этот подход позволяет получить два преимущества в дизайне:

1. Уменьшение количества слоев на плате HDI - Маршрутизация тонких линий может позволить объединить дорожки в меньшее количество слоев, что сокращает количество слоев построения HDI.
2. Малые ширины линий в традиционных конструкциях - Если вам удастся полностью исключить HDI-наслоения, вы сможете значительно снизить стоимость изготовления печатной платы.

Если вам удастся уменьшить количество слоев HDI-наслоения, вы сможете компенсировать некоторые дополнительные расходы, необходимые для доступа к возможностям ультра-HDI производства.

Пример 1: Xilinx FPGA (0.8 мм BGA)

BGA часто являются движущей силой HDI производства из-за необходимости создания разветвления для этих больших пакетов. Это обычно делается с помощью стекованных слепых и закопанных механически сверленных переходных отверстий. При шаге 1 мм вы обычно можете использовать сквозные отверстия до 8 или 10 милов в зависимости от размера площадки/шарика. Из-за ограничений по шагу и ширине линий вы, возможно, сможете проложить только одну дорожку между шариками на каждом слое.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Learn More

С возможностями ультра-HDI теперь вы можете проложить две достаточно широкие дорожки между площадками. В зависимости от распиновки это может позволить уменьшить количество слоев, поскольку вы можете объединить дорожки в меньшее количество слоев. Ниже приведено изображение нескольких дорожек в интерфейсе DDR с шириной дорожки = 2.25 и S/W = 1.5.

Приближение дорожек друг к другу таким образом увеличит перекрестные помехи, но мы можем преодолеть это, используя более тонкий диэлектрический слой (меньшее расстояние от дорожек до GND).

Поскольку уровень перекрестных помех нелинейно связан с толщиной слоя, более тонкий слой позволит вам достичь целевого значения импеданса и позволит этому плотному трассированию без больших потерь из-за перекрестных помех. Это обычно означает, что более тонкий слой требуется на этих плотных платах, особенно когда учитывается импеданс.

Что если мы стали бы более агрессивными и выбрали бы более тонкие ширины дорожек при том же соотношении S/W? На изображении ниже я уменьшил ширину дорожки до 1 мил; при том же соотношении S/W мы теперь можем разместить 4 дорожки между контактными площадками в этом BGA. Однако из-за проблемы с перекрестными помехами и требования к импедансу в интерфейсе DDR, конструкция потребует более тонкого слоя, чтобы обеспечить достижение требования к импедансу дорожек.

Удвоение или учетверение количества дорожек, проходящих между контактными площадками в конструкции BGA, потенциально позволяет сократить количество слоев, необходимых для полного разводки BGA. На меньших шагах (от 0,5 мм до 0,8 мм), которые обычно требуют использования скрытых/закрытых переходных отверстий и более тонкой трассировки между площадками, мы можем уменьшить количество слоев HDI-сборки, что значительно сократит количество этапов процесса и поможет контролировать стоимость изготовления. Возможно, даже удастся преобразовать HDI-сборку в традиционную, что может компенсировать затраты на изготовление с тонкими линиями.

Layer Stackup Design

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

Learn More

Пример 2: nRF52 WLCSP (0,35 мм BGA)

В компонентах с очень мелким шагом традиционный подход заключается в использовании скрытых/закрытых переходных отверстий и трассировке под контактными площадками на каждом слое. Просто нет места для трассировки между площадками с традиционными возможностями из-за требований к зазору между шарами в BGA. Ultra-HDI меняет это, позволяя использовать как более мелкие переходные отверстия, так и более тонкие дорожки, так что доступная область для трассировки ограничивается размером площадки.Пример трассировки ниже показывает наш предыдущий проект модуля nRF52, но с переработанной тонкой трассировкой между контактными площадками в разводке BGA. В оригинальной версии этого проекта плата была спроектирована с использованием структуры 2 + N + 2 на 6 слоях. С возможностями ультра-HDI я могу проводить трассировку между площадками на одном слое. Здесь я показываю два примера на одном и том же изображении:

• ширина трассы 1.75 mil с зазором 1.75 mil до площадок
• трассы шириной 1 mil с зазором 1 mil (между трассой и площадкой, а также между трассами)

С таким шагом BGA я могу с комфортом разместить трассу/зазор 1.75 mil между двумя площадками, или я могу выбрать более агрессивный подход и разместить две трассы по 1 mil между двумя площадками. Первый случай является лучшим вариантом из-за большего перекрестного влияния между трассами при 2x трассировке.

Очевидно, что расстояние между двумя дорожками меньше, чем предел по правилу 3W. Можем ли мы нарушить этот лимит и всё равно ожидать приемлемого перекрёстного помехи? Ответ - "возможно"... Как я показывал в других статьях, и как хорошо известно инженерам по сигнальной целостности (SI), приближение земли к паре дорожек уменьшает их взаимную ёмкость и индуктивность. Поэтому, переход к более агрессивной трассировке требует использования более тонких слоёв. Это потому что:

• Близость области земли уменьшает перекрёстные помехи при данной толщине слоя
• Для линий с контролируемым импедансом, более тонкий слой позволяет достичь типичной цели по импедансу

Вот почему трассировка с двойной дорожкой при очень мелком шаге может не быть лучшим вариантом из-за потенциальных перекрёстных помех между этими дорожками. Лучшим вариантом является трассировка 1.75 mil, и если это делается на более толстом слое (~3 mil), то любые дорожки с контролируемым импедансом всё ещё могут достичь цели в 50 Ом.

Материалы для Ultra-HDI

В вышеизложенном обсуждении я довольно подробно остановился на материалах, необходимых для плат UHDI. Для этого есть две причины, связанные с сигнальной целостностью: перекрёстные помехи между близко расположенными дорожками и достижение целей по импедансу с узкими линиями.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Для достижения этих целей с очень тонкими дорожками требуются тонкие слои. Обычно применяется верхний предел в 50 микрон для различных возможных материалов, таких как те, что перечислены в списке из 11 материалов HDI от Happy Holden. Некоторые распространенные альтернативы материалам, подходящим для лазерного сверления, и тонкому армированному FR4 включают:

• пленку для наращивания Ajinomoto (ABF)
• материалы на основе эпоксидной смолы BT
• тонкий жидкий кристаллический полимер (например, UltraLam)
• покрытые смолой медные пленки (металлизированный полиимид, чистый полиимид, литой полиимид)

Их можно использовать в комбинациях для создания ультра-HDI конструкции. Одна из таких комбинаций - использование ламинатов на основе эпоксидной смолы BT в качестве основы с традиционными скрытыми переходами и ABF в качестве внешних наращиваемых слоев, которые поддерживают маршрутизацию тонких линий. Этот стиль наращивания используется как органическая подложка в упаковке BGA, но тот же подход может быть использован для ультра-HDI печатной платы. Пример такой конструкции показан ниже.

Высокая стоимость, но больше возможностей
Хотя эти более продвинутые методы проектирования влекут за собой более высокие издержки на изготовление и требуют нового подхода к проектированию стека и трассировке, вы получаете доступ к более современным компонентам с мелким шагом для вашей печатной платы. В целом, технология изготовления тонких линий может сократить количество слоев HDI, необходимых для работы с этими мелкими шагами, позволяя осуществлять трассировку между шарами на BGA с мелким шагом.

В некоторых случаях, ультра-HDI может значительно снизить стоимость за счет консолидации слоев и перехода к традиционному механически сверленому сквозному монтажу. Если вы можете разместить 4x дорожки между контактными площадками в BGA на 8 слоях, та же плата может потребовать 32 слоя, если бы у вас не было доступа к возможностям ультра-HDI. Если вас интересуют эти возможности, они только начинают становиться доступными в США и Канаде, и их все еще можно использовать в Европе и Японии.

Всякий раз, когда вам нужно спроектировать плату ультра-HDI, убедитесь, что вы используете полный набор функций проектирования печатных плат и инструменты CAD мирового класса в Altium Designer^®. Для реализации совместной работы в сегодняшней междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.