HDI là gì? Cơ bản về thiết kế và quy trình sản xuất PCB HDI

Khi thế giới công nghệ phát triển, nhu cầu đóng gói nhiều tính năng hơn vào những gói nhỏ hơn cũng tăng lên. Các PCB được thiết kế sử dụng kỹ thuật kết nối mật độ cao (HDI) thường nhỏ hơn vì nhiều thành phần được đóng gói trong một không gian nhỏ hơn. Một PCB HDI sử dụng các loại via mù, via chôn và micro via, via trong pad, và các đường mạch rất mỏng để đóng gói nhiều thành phần vào một khu vực nhỏ hơn. Chúng tôi sẽ chỉ cho bạn các nguyên tắc cơ bản trong thiết kế HDI và cách Altium Designer^® có thể giúp bạn tạo ra một thiết kế PCB HDI mạnh mẽ thiết kế PCB HDI.

Thiết kế và chế tạo mạch in kết nối mật độ cao (HDI) bắt đầu vào năm 1980 khi các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm cách giảm kích thước của via trên PCB. Các bảng in tuần tự hoặc xây dựng đầu tiên xuất hiện vào năm 1984. Kể từ đó, các nhà thiết kế và nhà sản xuất linh kiện luôn tìm cách đóng gói nhiều chức năng hơn trên một chip duy nhất và một bảng duy nhất. Ngày nay, thiết kế và chế tạo bảng HDI được quy định trong các tiêu chuẩn IPC-2315, IPC-2226, IPC-4104, và IPC-6016.

Khi lên kế hoạch cho một thiết kế PCB HDI, có một số thách thức về thiết kế và sản xuất cần vượt qua. Dưới đây là một danh sách ngắn gọn về các thách thức bạn có thể gặp phải khi thiết kế một PCB HDI:

• Diện tích không gian bảng mạch hạn chế
• Thành phần nhỏ hơn và khoảng cách chặt chẽ hơn
• Số lượng thành phần lớn hơn trên cả hai mặt của bộ xếp chồng PCB
• Đường dẫn dài hơn tạo ra thời gian bay tín hiệu lâu hơn
• Cần nhiều đường dẫn hơn để hoàn thành bảng mạch

Với bộ công cụ thiết kế và định tuyến đúng đắn, dựa trên một động cơ thiết kế theo quy tắc, bạn có thể vi phạm các quy tắc bình thường trong thiết kế PCB và tạo ra các PCB mạnh mẽ với mật độ kết nối rất cao. Làm việc với định tuyến PCB mật độ cao và các thành phần có khoảng cách chân rất nhỏ trở nên dễ dàng khi bạn sử dụng phần mềm thiết kế PCB tiên tiến được xây dựng cho thiết kế PCB HDI. Bạn có thể tạo thiết kế bảng mạch HDI mới của mình và lên kế hoạch cho quy trình sản xuất HDI với các tính năng thiết kế hàng đầu thế giới trong Altium Designer.

Điều gì Khác Biệt về Thiết Kế và Sản Xuất PCB HDI?

Quy trình sản xuất HDI khác biệt so với quy trình sản xuất PCB truyền thống ở một số điểm đơn giản nhưng quan trọng. Một điểm quan trọng ở đây là giới hạn của nhà sản xuất sẽ hạn chế tự do thiết kế và sẽ đặt ra giới hạn về cách mạch có thể được định tuyến. Việc sử dụng các đường mạch mỏng hơn, vias nhỏ hơn, nhiều lớp hơn và các thành phần nhỏ hơn vẫn có thể được tích hợp trong phần mềm thiết kế của bạn, nhưng việc đáp ứng yêu cầu thiết kế cho sản xuất (DFM) có nghĩa là tận dụng tự động hóa trong phần mềm thiết kế của bạn. Các yêu cầu DFM cụ thể phụ thuộc vào quy trình sản xuất và vật liệu được sử dụng để xây dựng bảng mạch. Yêu cầu DFM cũng trở nên quan trọng khi chúng ta xem xét đến yêu cầu về độ tin cậy.

Lựa chọn vật liệu cần trả lời những câu hỏi sau:

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges.

Learn More

• Liệu hóa chất sử dụng cho điện môi có tương thích với hóa chất hiện tại được sử dụng bởi vật liệu nền cốt lõi không?
• Liệu điện môi có độ bám dính đồng mạ chấp nhận được không? (Nhiều nhà sản xuất thiết bị gốc [OEMs] muốn >6 lb./in. [1.08 kgm/cm] cho 1 oz. [35.6 µm] đồng.)
• Liệu điện môi có cung cấp khoảng cách điện môi đủ và đáng tin cậy giữa các lớp kim loại không?
• Liệu nó đáp ứng được nhu cầu về nhiệt không?
• Liệu điện môi có cung cấp một giá trị “cao” Tg mong muốn cho việc kết nối dây và sửa chữa không?
• Liệu nó có thể chịu được sốc nhiệt với nhiều lớp SBU (tức là, lơ lửng hàn, chu kỳ nhiệt độ tăng tốc, nhiều lần tái hàn)?
• Liệu nó có vias vi mạ tin cậy?

Có chín loại vật liệu điện mô tổng quát khác nhau được sử dụng trong cơ sở vật chất HDI. Các bảng IPC như IPC-4101B và IPC-4104A bao gồm nhiều loại này, nhưng nhiều loại chưa được quy định bởi các tiêu chuẩn IPC. Các vật liệu bao gồm:

• Chất điện mô lỏng nhạy cảm với ánh sáng
• Phim khô điện mô nhạy cảm với ánh sáng
• Phim linh hoạt Polyimide
• Phim khô được hóa nhiệt
• Chất điện mô lỏng được hóa nhiệt
• Foil đồng phủ nhựa (RCC), hai lớp và được củng cố
• Lõi và prepregs FR-4 thông thường
• Prepregs ‘spread-glass’ mới có thể khoan bằng laser (LD)
• Thermoplastics

Quy trình thiết kế PCB HDI được hiển thị dưới đây. Hiệu quả định tuyến cho HDI phụ thuộc vào cấu trúc xếp chồng, kiến trúc via, vị trí đặt linh kiện, BGA fanout, và các quy tắc thiết kế. Các phần quan trọng nhất khi lên kế hoạch bố trí HDI của bạn là cần xem xét đến độ rộng dấu vết, kích thước via, và định tuyến thoát/đặt cho các thành phần BGA.

Tổng quan về quy trình thiết kế và bố trí PCB HDI.

Luôn kiểm tra với nhà sản xuất bo mạch của bạn để xác định phương pháp chế tạo của họ đối với việc sản xuất PCB HDI. Bạn cần xác định giới hạn của phương pháp chế tạo của họ vì điều này sẽ ảnh hưởng đến kích thước tính năng bạn có thể đặt trong bố cục của mình. Khoảng cách giữa các bóng trên các thành phần BGA sẽ xác định kích thước via bạn cần sử dụng, điều này sau đó xác định quy trình sản xuất HDI cần thiết để tạo ra bo mạch. Một đặc điểm trung tâm của PCB HDI của bạn là microvias, cần được thiết kế chính xác để chứa đựng việc định tuyến giữa các lớp.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Learn More

Tổng quan về Thiết kế và Quy trình Sản xuất PCB HDI

Có một số bước liên quan trong quy trình sản xuất PCB thông thường, nhưng sản xuất PCB HDI sử dụng một số bước cụ thể có thể không được sử dụng trong các bo mạch khác. Quy trình thiết kế bo mạch HDI bắt đầu giống như nhiều quy trình khác, nơi mà

1. Xác định số lượng lớp cần thiết để định tuyến tất cả các tín hiệu, hoặc bằng cách sử dụng thành phần BGA lớn nhất trên bo mạch hoặc bằng cách sử dụng số lượng giao diện + hướng từ IC lớn nhất trên bo mạch.
2. Liên hệ với nhà sản xuất của bạn để chọn vật liệu và nhận dữ liệu điện mô để tạo ra PCB stackup của bạn.
3. Dựa trên số lượng lớp và độ dày, xác định kiểu via sẽ được sử dụng để định tuyến tín hiệu qua các lớp bên trong.
4. Thực hiện đánh giá độ tin cậy nếu cần thiết, để xác minh rằng các vật liệu sẽ không gây căng thẳng cho các kết nối liên kết đến mức gãy vỡ trong quá trình lắp ráp và vận hành.
5. Xác định các quy tắc thiết kế dựa trên khả năng của nhà sản xuất và yêu cầu độ tin cậy (nhu cầu về giọt nước, độ rộng dấu vết, khoảng cách rõ ràng, v.v.) để đảm bảo việc sản xuất và lắp ráp đáng tin cậy.

Tạo lớp chồng và xác định quy tắc thiết kế là những điểm quan trọng vì chúng sẽ xác định khả năng định tuyến bảng mạch và độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng. Một khi những điểm này được hoàn thành, một nhà thiết kế có thể áp dụng yêu cầu DFM và yêu cầu độ tin cậy của nhà sản xuất làm quy tắc thiết kế trong phần mềm ECAD của họ. Việc làm này ở giai đoạn đầu rất quan trọng và nó sẽ giúp đảm bảo thiết kế đáng tin cậy, có thể định tuyến và sản xuất được.

Thiết kế Kích Thước Tính Năng của Bạn để Đáp Ứng Yêu Cầu DFM HDI

Mặc dù các yêu cầu DFM liên quan đến khoảng cách trong một PCB HDI khá nghiêm ngặt, nhưng có thể đáp ứng được bằng cách tận dụng các quy tắc thiết kế của bạn trong phần mềm thiết kế PCB. Một số yêu cầu DFM quan trọng cần thu thập trước khi bố trí và định tuyến bao gồm:

• Giới hạn độ rộng và khoảng cách dấu vết
• Giới hạn vòng và tỷ lệ khía cạnh, đặc biệt là cho các thiết kế độ tin cậy cao
• Hệ thống vật liệu được sử dụng trong bảng mạch để đảm bảo trở kháng kiểm soát trong lớp chồng yêu cầu
• Hồ sơ trở kháng cho lớp chồng hoặc cặp lớp mong muốn nếu có

Công cụ thiết kế của bạn rất quan trọng để thiết kế bảng mạch HDI của bạn đáp ứng các yêu cầu DFM này. Việc định tuyến các đường dẫn kiểm soát trở kháng trên PCB HDI của bạn trở nên khá dễ dàng với bộ công cụ thiết kế phù hợp. Bạn chỉ cần tạo một hồ sơ trở kháng và xác định chiều rộng đường dẫn mong muốn của mình trong khi giữ các hướng dẫn DFM của nhà sản xuất trong tâm trí. Động cơ DRC trực tuyến trong phần mềm định tuyến của bạn sẽ kiểm tra định tuyến của bạn khi bạn tạo bố cục HDI của mình. Hãy chắc chắn rằng bạn nhận được một bộ đầy đủ các thông số kỹ thuật cho quy trình của nhà sản xuất vải để đảm bảo bạn đã tính đến tất cả các quy tắc DFM HDI liên quan.

Layer Stackup Design

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

Learn More

Loại Via trong Định Tuyến PCB HDI

Hình ảnh dưới đây cho thấy các kiểu via điển hình được sử dụng trong bố trí và định tuyến PCB HDI. Các kiểu via này có tỷ lệ khía cạnh thấp )(lý tưởng) nhỏ hơn 1, mặc dù một số nhà sản xuất có thể cung cấp các tuyên bố về độ tin cậy lên đến tỷ lệ khía cạnh 2, bao gồm cả cho các microvia xếp chồng. Ở trung tâm của bộ xếp lớp PCB là một via chôn thông thường để cung cấp kết nối qua lớp cốt dày hơn; via chôn lớp trong này có thể có tỷ lệ khía cạnh lớn hơn vì sẽ được khoan cơ học với độ chính xác nhất định. Một khi số lượng lớp và độ dày của điện môi được xác định, nhà thiết kế có thể thiết kế via dựa trên giới hạn tỷ lệ khía cạnh được liệt kê ở trên. Tuân thủ các giới hạn tỷ lệ khía cạnh trên microvia là một phần quan trọng của độ tin cậy, đặc biệt là khi các bảng mạch này trải qua quá trình reflow, hoặc khi được triển khai trong môi trường với các cú sốc nhiệt/ cơ học và chu kỳ lặp đi lặp lại.

• Tìm hiểu thêm về việc sử dụng microvia và độ tin cậy của chúng trong PCB HDI

Xây dựng Tuần tự

Quy trình ép nối tuần tự chủ yếu được sử dụng để xây dựng cấu trúc chồng lớp HDI theo cách từng lớp một. Nói chung, kỹ thuật này có thể được sử dụng cho bất kỳ PCB đa lớp nào, nhưng nó đặc biệt quan trọng đối với HDI. Điều này là bởi vì các điện mô cực mỏng có mật độ cao được hình thành trong từng lớp xung quanh một lõi dày, do đó, quá trình ép nối sẽ diễn ra trong nhiều bước để xây dựng chồng lớp. Quy trình ép nối tuần tự. Quy trình này bao gồm các bước sau:

• Phủ và chiếu sáng photoresist: Điều này được sử dụng để xác định các khu vực cần được ăn mòn, sẽ để lại một mẫu dẫn điện trên lớp cách điện.
• Ăn mòn và làm sạch: Chất ăn mòn tiêu chuẩn hiện nay trong ngành là dung dịch ferric chloride. Sau khi ăn mòn, photoresist còn lại có thể được thu hồi và mẫu dẫn điện kết quả được làm sạch.
• Tạo vias và khoan: Vias cần được xác định bằng cách khoan cơ học hoặc bằng laser. Đối với mật độ vias cao, các lỗ vias có thể được loại bỏ bằng hóa chất.
• Kim loại hóa vias: Một khi vias được xác định, chúng được kim loại hóa để tạo thành một kết nối dẫn điện liên tục.
• Xây dựng chồng lớp: Các lớp được chồng lên nhau trong nhiều chu kỳ ép nối để xây dựng chồng lớp trước khi xử lý lớp ngoài.

Một sơ đồ dòng chảy hiển thị quá trình xây dựng chồng lớp có thể được tìm thấy trong phần Kim loại hóa bên dưới.

Hình thành Via trong HDI

Các PCB HDI sẽ yêu cầu các kết nối liên lớp thường chạm vào giới hạn dưới cùng của kích thước via có thể đặt trên PCB bằng khoan cơ khí. Khi lỗ via nhỏ hơn 6 mil, một quy trình hình thành via thay thế là cần thiết để đặt microvias giữa các lớp. Vì microvias được phủ đầy là một tính năng tiêu chuẩn trên các PCB HDI, chúng có thể được sử dụng trong cách tiếp cận thiết kế via-trong-pad để giúp tăng mật độ. Sử dụng via-trong-pad là một cách dễ dàng để đóng gói nhiều thành phần vào một thiết kế vì chúng cung cấp một kết nối trực tiếp từ chân linh kiện vào lớp bên trong.

Manufacturing Made Easy

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

Learn More

Bất cứ khi nào có những lo ngại về độ tin cậy của microvias, một kỹ thuật gần-pad cũng có thể được sử dụng, nơi một phần đường dẫn rất nhỏ đi ra từ một pad và chạm vào microvia. Điều này hoàn thành kết nối đến một lớp bên trong và cung cấp một kênh phá vỡ lớn hơn nếu sự lệch lạc khi khoan tạo ra một số sai lệch từ vị trí khoan mong muốn.

• Tìm hiểu thêm về công nghệ via-trong-pad khoan bằng laser

Các phong cách thiết kế via-trong-pad cho PCB HDI.

Mạ kim loại

Trong quá trình ép nối tuần tự, mỗi lớp trong PCB HDI sẽ trải qua quá trình kim loại hóa, lấp đầy và mạ vias. Các vias kết quả phải không có khoảng trống trong thân bên trong và có đủ lớp mạ bọc quanh cổ để tránh nứt vỡ trong các chu kỳ tái hợp và trong quá trình hoạt động. Có bốn quá trình kim loại hóa vias được sử dụng trong sản xuất HDI. Các phương pháp này là:

• Kim loại hóa không dùng điện và mạ đồng bằng điện thông thường
• Dẫn điện bằng graphite thông thường hoặc các loại polymer khác
• Kim loại hóa đồng không dùng điện hoàn toàn và bán phần
• Mực hoặc keo dẫn điện

Các vias lớn hơn có thể được khoan, nhưng chi phí cuối cùng sẽ vượt qua chi phí khoan bằng laser với sản lượng thấp hơn do tốc độ khoan chậm hơn được yêu cầu. Khoan laser là quá trình tạo lỗ microvia phổ biến nhất, nhưng không phải là quá trình tạo vias nhanh nhất. Khắc hóa học các vias nhỏ là nhanh nhất, với tốc độ ước tính từ 8,000 đến 12,000 vias mỗi giây. Điều này cũng đúng với hình thành vias bằng plasma và hình thành vias bằng ánh sáng.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

Trong khoan bằng laser, một chùm tia có cường độ cao được sử dụng để tạo lỗ trên tấm lamine PCB. Laser có khả năng loại bỏ vật liệu điện môi và dừng lại khi gặp mạch đồng, vì vậy chúng rất phù hợp cho việc tạo vias mù có độ sâu kiểm soát được. Bước sóng của năng lượng laser nằm trong khu vực hồng ngoại và tia cực tím. Kích thước điểm chùm tia nhỏ đến mức khoảng 20 micron

• Tìm hiểu thêm về kỹ thuật sản xuất microvia trong quy trình sản xuất HDI

Nếu các vias trên bảng mạch đủ rộng để khoan, một bước khoan kiểm soát có thể được sử dụng để đặt vias. Điều này đòi hỏi một bước lamine tuần tự trung gian để liên kết hai lớp của bảng mạch, tiếp theo là khoan và mạ để định nghĩa thân vias, kết nối với lớp trong và đệm hạ cánh trên lớp trên. Những vias này cũng có thể được lấp đầy trước bước lamine tuần tự tiếp theo (nếu chúng nằm trên các lớp trong), hoặc chúng có thể được để trống nếu giữ trên các lớp ngoài. Quy trình khoan và tuần tự tổng thể được hiển thị dưới đây.

• Tìm hiểu thêm về quy trình sản xuất HDI trên các vật liệu tiêu chuẩn

Quy trình khoan microvia và kim loại hóa trong quy trình sản xuất HDI.

Đưa Bảng Mạch Của Bạn Vào Quy Trình Sản Xuất HDI

Quy trình PCB HDI tiên tiến hơn so với các bước xử lý PCB cứng truyền thống, nhưng chúng vẫn sử dụng cùng một bộ dữ liệu sản xuất mà bạn sử dụng cho PCB cứng tiêu biểu. Khi bạn đã hoàn thành bố cục PCB HDI và nó đã vượt qua đánh giá DFM, đã đến lúc chuẩn bị các tài liệu giao hàng cho nhà sản xuất và lắp ráp của bạn. Môi trường thiết kế thống nhất trong Altium Designer sử dụng tất cả dữ liệu thiết kế của bạn và sử dụng nó để tạo ra các tệp sản xuất Gerbers/ODB++/IPC-2581, bảng khoan, bảng vật liệu, và bản vẽ lắp ráp cho PCB HDI mới của bạn.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Khi bạn đang tìm kiếm gói phần mềm tốt nhất cho thiết kế, bố cục và sản xuất PCB HDI, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế đầy đủ trong Altium Designer^®. Động cơ quy tắc thiết kế tích hợp và Layer Stack Manager cung cấp cho bạn mọi thứ bạn cần để tạo ra bảng mạch HDI trần của mình, tính toán giá trị trở kháng, và tính toán độ nhám đồng trong hệ thống vật liệu PCB của bạn. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn phát hành các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.