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.

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.

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.

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.

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.

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