Desky plošných spojů HDI | Základy návrhu a výrobní proces

Miniaturizace změnila všechno. Více vrstev. Jemnější stopy. Menší rozteče. Ale standardní desky plošných spojů nedrží krok.

Představujeme HDI – High Density Interconnect. Tyto desky využívají mikroprůchodky, tenké dielektrikum a pokročilou laminaci k směrování složitých signálů v kompaktních rozměrech. Najdete je v chytrých telefonech, RF modulech, lékařských implantátech a pokročilých asistenčních systémech pro řidiče. Nejde jen o menší rozměry – jde o chytřejší směrování, lepší integritu signálu a vyšší spolehlivost.

V této příručce si rozebereme struktury desek plošných spojů a mikroprocesorů HDI a vysvětlíme, proč tato technologie pohání moderní vysoce výkonnou elektroniku.

 

 

  

  

Co je to deska plošných spojů HDI?

HDI je zkratka pro High Density Interconnect (propojení s vysokou hustotou). Je to však víc než jen kompaktní deska plošných spojů. Je to pokročilá designová strategie, která umožňuje vměstnat více funkcí do menšího prostoru – bez obětování výkonu. Tyto desky používají mikroprochody, slepé a zapuštěné prochody, ultratenké dielektrikum a více vrstev pro dosažení neuvěřitelně hustého směrování.

Tyto prvky nenajdete v základních spotřebních elektronicech. Vysokohustotní propojovací deska plošných spojů je klíčová ve vysoce výkonných systémech – například v leteckých řídicích systémech, 5G modulech, systémech LiDAR, neuronových implantátech a komunikaci vojenské úrovně. Všude, kde záleží na velikosti, rychlosti a spolehlivosti, se objeví HDI.

Jsou navrženy pro práci s jemnými součástkami, často pod 0.5 mm. To umožňuje těsnější spojení, rychlejší signály a snížené elektromagnetické rušení. Tradiční desky plošných spojů prostě nedokážou tuto úroveň složitosti podporovat.

Nejde jen o úsporu místa. Technologie desek plošných spojů HDI snižuje ztráty signálu, zlepšuje dodávku energie a podporuje rychlejší přepínání. Ve světě poháněném umělou inteligencí, edge computingem a kompaktními senzorovými systémy se HDI stala nezbytnou infrastrukturou – tiše pohánějící další vlnu inteligentní elektroniky zevnitř ven.

Struktura desek plošných spojů HDI

Nyní si povíme, co odlišuje desku HDI od ostatních...r kapotu. Tradiční desky plošných spojů mají velké mechanické otvory a relativně široké stopy. Desky plošných spojů s vysokým rozptylem (HDI) používají:

•  laserem vrtané mikrootvory,

•  menší rozteč stop,

•  a technologii vrstvených vrstev.

Celá struktura je navržena s ohledem na optimalizaci každého čtverečního milimetru. Pro to existuje jasný důvod: poptávka po větším počtu I/O, menších součástkách a rychlejším signálu.

Struktura vrstev

Běžné desky plošných spojů HDI mají strukturu 1+N+1, kde:

   

•  „N“ je počet vrstev jádra.

•  „Jedny“ na obou stranách představují vnější vrstvy HDI spojené mikroprůchodkami.

Tím to ale nekončí. Pokročilé HDI rozvržení používá 2+N+2. Má:

  

•  Dvě vrstvy HDI nahoře a dvě dole.

•  Více směrovacích kanálů. Více prostoru pro dýchání.

Stále to nestačí? Můžete to posunout dál: 3+N+3, nebo i výše. Je to škálovatelný přístup. Vrstvy přidáváte pouze tehdy, když je návrh skutečně potřebuje, což udržuje náklady (a bolesti hlavy) pod kontrolou.

Technologie Any-Layer HDI, nazývaná také ELIC (Every Layer Interconnect), odstraňuje omezení. Mikropropojky nyní mohou propojit libovolné dvě vrstvy přímo – není třeba postupovat krok za krokem. Směrování se stává neuvěřitelně efektivním. Takto váš chytrý telefon získá veškerý výkon zabalený do desky menší než kreditní karta.

Tyto desky jsou vyrobeny metodou sekvenční laminace. To znamená, že se proces laminuje, vrtá, pokovuje a opakuje vrstvu po vrstvě. To umožňuje ultra přesné propojení mezi hustými vnitřními obvody.

Struktura obvykle zahrnuje:

•  Základní vrstvaObvykle FR-4 nebo vysoce výkonný laminát.

•  prepregSklolaminátové desky impregnované pryskyřicí, které spojují měděné vrstvy.

•  Měděná fóliePro signálové stopy a roviny.

•  MikroviasOtvory vyvrtané laserem o průměru menším než 150 mikronů, pokovené mědí.

Všechny tyto prvky dohromady podporují BGA (Ball Grid Arrays) s roztečí 0.4 mm nebo menší. To je s tradiční technologií VIA téměř nemožné.

Jeden klíčový bod: HDI se netýká jen zmenšování věcí. Jde o zajištění spolehlivého výkonu v kompaktních rozvrženích. To vyžaduje dokonalou registraci vrstev, konzistentní pokovování a přesné zarovnání během výroby.

HDI PCB Stack-Up

Designéři často říkají: pokud uděláte chybu v sestavování, deska selže – bez ohledu na to, jak dobré je vaše rozvržení.

Deska plošných spojů HDI je víc než jen uspořádání měděných a dielektrických vrstev. Je to pečlivě navržená elektrická architektura. Každá vrstva slouží své funkci – signál, napájení, uzemnění, stínění – a strategie propojení to vše propojuje.

Pojďme si projít zjednodušený přehled HDI:

1. Vrchní signální vrstva

2. Dielektrikum (prepreg)

3. Uzemňovací rovina

4. jádro

5. Napájecí letadlo

6. Dielektrikum

7. Spodní signální vrstva

Zní to jednoduše, že? Ne tak docela. V HDI designu vytvářejí mikroprochody a slepé/zakopané prochody vertikální propojení mezi konkrétními vrstvami. Můžete mít prochod z vrstvy 1 do vrstvy 2 a samostatný zakopaný prochod z vrstvy 3 do vrstvy 5. Nebo vrstvený prochod, který vede z vrstvy 1 až do vrstvy 6.

Tyto volby nejsou náhodné. Jsou založeny na:

•  Požadavky na časování signálu

•  Řízení impedance

•  Minimalizace přeslechů

•  Strategie distribuce a oddělení energie

U vysokorychlostních digitálních pamětí – například DDR4, USB 3.0 nebo HDMI – často uvidíte specializované páskové nebo mikropáskové vodiče s impedančně řízenými vodivými linkami zabudované do specifických vrstev. A to vše je zabaleno do desky o tloušťce pouhých 0.8 mm.

Pokročilé HDI PCB stack-upy mohou zahrnovat:

•  Vícenásobné zakopané vrstvy

•  Měděné fólie s pryskyřičným povlakem

•  Vyplněné a uzavřené struktury propojení v kontaktní plošce

•  Hybridní materiály pro specifické elektrické nebo tepelné vlastnosti

Jeden příklad z reálného světa: deska plošných spojů mobilního procesoru by mohla používat vrstvení 3+N+3 s celkem 10 vrstvami, naskládanými mikroprocesory a pryskyřicí vyplněnou kontaktní ploškou pro podporu rozteče BGA 0.35 mm.

Klíčové ponaučení? U desek plošných spojů HDI je stack-up nástrojem pro hodnocení výkonu – nikoli jen…je to mechanický prvek. Určuje integritu signálu, chování z hlediska elektromagnetického rušení a dokonce i vyrobitelnost.

Laminace a materiály pro HDI desky

V tomto bodě je jasné, že návrh HDI je jen polovina úspěchu. Výroba je ta druhá. Desky HDI se vyrábějí pomocí sekvenčních laminačních cyklů. To znamená, že vrstvy se lisují, vrtají, pokovují a spojují jedna po druhé. Každá laminace přidává nové možnosti směrování pomocí mikroprochodů a zapuštěných prochodů. Materiály jsou však stejně důležité jako proces.

Běžné materiály v deskách plošných spojů HDI:

•  FR-4 (varianty s vysokou Tg)Levné a spolehlivé pro konstrukce se střední rychlostí.

•  PolyimidSkvělá tepelná stabilita pro letecký a obranný průmysl.

•  Rogers, Isola, Panasonic MegtronPoužívá se ve vysokorychlostních RF/mikrovlnných HDI aplikacích.

•  Bezhalogenové nebo bezolovnaté laminátySplňují přísné environmentální normy.

Co dělá materiály kompatibilními s HDI?

•  Vysoká teplota skelného přechodu (Tg)

•  Nízké rozšíření osy Z

•  Přísné tolerance Dk/Df pro integritu signálu

•  Stabilní dielektrické vlastnosti v závislosti na frekvenci a teplotě

Laserové vrtání také vyžaduje materiály s čistým ablačním chováním, takže okraje mikrootvorů zůstanou neporušené bez úlomků nebo podřezání. Pryskyřičné systémy musí během laminace správně tečout, ale zároveň vytvrzovat s vysokou tuhostí.

Stručně řečeno, váš výběr materiálu není jen o ceně. Přímo ovlivňuje vrtatelnost, spolehlivost a výkon RF.

Klíčové výhody desek plošných spojů HDI

Zde je to, co ho odlišuje:

1. Kompaktní velikost

Desky plošných spojů HDI nabízejí větší hustotu trasování na menší ploše desky. To je zásadní při navrhování zařízení, jako jsou nositelná elektronika, implantabilní elektronika nebo moduly edge-AI. Není zde prostor pro nadměrně velké trasy ani propojovací otvory v plné hloubce. Mikroprochody a trasování s jemnými linkami umožňují zmenšení bez řezání prvků. Žádné mrtvé zóny. Žádné plýtvání prostorem. Jen efektivní uspořádání.

2. Vylepšená integrita signálu

Kratší signálové cesty. Méně pahýlů. Lépe řízená impedance. Mikropropusty snižují indukčnost, což vede k čistšímu vysokorychlostnímu přenosu signálu. To je velký problém, když směrujete signály DDR, PCIe, USB 3.2 nebo HDMI.

3. Optimalizace počtu vrstev

Potřebujete 12vrstvou desku? S HDI to můžete udělat v 8 vrstvách. To znamená nižší náklady na materiál, menší tloušťku desky a jednodušší laminaci. Vrstvené mikroprochodky pomáhají efektivně využívat vrstvy, takže rozvržení zůstává kompaktní a efektivní.

4. Snížené přeslechy a elektromagnetické rušení

Menší průchody = těsnější vazba. To znamená menší plochy smyček a méně vyzařovaného šumu. HDI je ideální v případech, kdy je elektromagnetická kompatibilita (EMC) kritická – například v lékařských, avionických nebo automobilových aplikacích.

5. Řízení teploty a spotřeby energie

Konstrukce s mikroprocesory v podložce zlepšuje odvod tepla. Větší prostor pro vedení vodičů také umožňuje lepší umístění oddělovacích kondenzátorů, což přímo zlepšuje dodávku energie.

6. Mechanická pevnost

Méně vrtání. Žádné velké průchozí otvory. Lepší vyvážení mědi. Desky HDI nabízejí větší odolnost vůči vibracím a tepelným cyklům – což je důležitý faktor v obraně, letectví a kosmonautice a elektromobilech.

O PCBasicu

Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.

Běžné použití desek plošných spojů HDI

Technologie HDI se neomezuje pouze na spotřební elektroniku. Je všude. Zde se HDI projevuje v zákulisí:

1. Smartphony a tablety

Prostor je nepřítel. Desky plošných spojů HDI pomáhají vměstnat procesory, paměť RAM, fotoaparáty a baterie do elegantních pouzder – bez kompromisů ve výkonu. Většina moderních chytrých telefonů má desky ELIC HDI s více než 10 vrstvami.

2. Lékařské přístroje

Implantabilní defibrilátory. Nositelné glukózové monitory. Přenosné EKG. Tyto produkty vyžadují ultra malé rozměry a vysokou spolehlivost. HDI je umožňuje.

3. Automobilová elektronika

Systémy ADAS, infotainment, řídicí desky LiDAR a systémy správy baterií elektromobilů těží z uspořádání HDI. Zejména s rostoucím počtem autonomních funkcí je integrita signálu a miniaturizace nezbytná.

4. Síťové vybavení

Routery, přepínače a základnové stanice potřebují desky HDI pro vysokorychlostní směrování dat, přesné řízení impedance a snížení elektromagnetického rušení.

5. Vojenství a letectví

Radarové moduly obranné úrovně, procesory avioniky a navigační ovládací prvky se spoléhají na odolnost a čistotu signálu HDI v extrémních podmínkách.

Pokyny pro návrh desek plošných spojů HDI

Návrh desky HDI je zčásti věda, zčásti umění. Nejde jen o umisťování vodičů. Řídíte fyziku – elektromagnetické chování, tepelnou roztažnost a omezení vyrobitelnosti. Proto si rozvržení HDI vyžaduje zvláštní pozornost.

Zde je to, co je při návrhu desek plošných spojů HDI nejdůležitější. 

1. Prostřednictvím strategie výběru

•  MikroviasPoužijte je ke spojení dvou sousedních vrstev. Pokud to není nutné, nestohujte více než 3 úrovně.

•  Střídavé vs. skládanéSchované mikroprochodky jsou spolehlivější, ale stohované umožňují těsnější únik BGA.

•  Pohřben ViasUdržujte je izolované od vnitřních vrstev. Naplánujte si jejich umístění včas, abyste se vyhnuli problémům s trasováním.

2. Design Via-in-Pad

Používá se v hustých BGA pouzdrech, zejména když rozteč klesne pod 0.5 mm. Tyto průchody musí být řádně vyplněny, pokoveny a planarizovány, aby se zabránilo pronikání pájky.

Ne každý výrobce to dokáže dobře. Před závazkem se vždy poraďte s výrobcem HDI PCB.

3. Pravidla pro trasování a prostor

•  Šířka stopyHDI se často pohybuje mezi 3–4 mil.

•  VzdálenostPokud je to možné, udržujte rozteč signálových stop ≥2× šířka stopy, aby se snížilo přeslechování.

•  Pro řízenou impedanci simulujte svůj stack-up pomocí řešičů pole nebo nástrojů, jako je Polar Si9000.

4. Úvahy o poměru stran

Mikroprůchodky mají nízký poměr stran – menší než 1:1. Proto je hloubka mezi vrstvami důležitá.

Neumisťujte příliš mnoho mikrootvorů na jedno místo. Může to způsobit dutiny v pryskyřici nebo nerovnoměrné mědění.

5. Přes výplň a spolehlivost

Vyplněné a zakryté průchodky jsou nezbytné pro vrstvenou konstrukci. Použijte pryskyřicí plněnou nebo galvanicky pokovenou výplň dle standardů IPC.

Neúplné vyplnění via = problémy se spolehlivostí = vadná deska v terénu.

6. Kontroly DFM a DFA

Před odlepením pásky zkontrolujte:

•  Registrace vrtáku

•  Zarovnání pájecí masky

•  Vzdálenosti mezi mědí

•  Tepelné úlevy

•  Prostřednictvím stanování nebo zakrytí

Cíl? Návrh připravený k výrobě s minimálními revizemi.

Proces výroby HDI PCB

Výroba desek HDI se vůbec nepodobá běžným deskám plošných spojů. Je vícekroková, precizně řízená a vysoce sekvenční.

Zde je zjednodušený postup:

1. Zobrazování a leptání vnitřní vrstvy: Vnitřní měděné vrstvy jsou vzorovány pomocí fotolitografie.

2. Laminace jádra: Leptaná jádra jsou laminována prepregem a měděnou fólií.

3. Laserové vrtání (mikrootvory): Laser vrtá otvory o tloušťce menší než 0.15 mm skrz horní vrstvu. Obvykle se používají UV nebo CO2 lasery.

4. Odstraňování šmouh a čištění otvorů: Plazmové čištění zajišťuje průchozí otvory bez nečistot pro spolehlivé pokovování.

5. Bezproudové nanášení mědi: Uvnitř mikrootvorů je pro zajištění vodivosti nanesena tenká vrstva mědi.

6. Galvanické pokovování: Pro zvýšení tloušťky stěny je pokovena další mědí.

7. Zobrazování a leptání vnější vrstvy: Jsou vytvořeny vrchní vrstvy signálu. Jemné stopy jsou vzorovány.

8. Sekvenční laminace: Další vrstvy se přidávají podle potřeby, přičemž kroky 3–7 se opakují pro každý cyklus HDI.

9. Prostřednictvím výplně a planarizace: Struktury Via-in-pad jsou vyplněny epoxidovou pryskyřicí a planarizovány pomocí CNC.

10. Pájecí maska a povrchová úprava: Aplikují se povrchové úpravy ENIG nebo OSP.

11. Konecal Testování: Nakonec elektrické testy ověřují integritu.

Tento proces může zahrnovat několik cyklů výroby jader v závislosti na složitosti stohování. Každý cyklus představuje náklady a čas, takže musí být navržen moudře.

Typy prostupů v HDI routování

V deskách HDI nejsou průchody jen otvory. Jsou to designové prvky.

Zde je rychlý rozpis:

Průchozí otvory

Jděte odshora dolů. V HDI se kvůli plýtvání prostorem často nepoužívá.

Slepé Vias

Spojte vnější vrstvu s vnitřní vrstvou. Skvělé pro směrování povrchově montovaných součástek.

Pohřben Vias

Zůstaňte zcela uvnitř vnitřních vrstev. Užitečné pro udržení čistoty vnějších vrstev.

Mikrovias

Vyvrtané laserem, průměr <150 µm. Spojuje sousední vrstvy. Nízká indukčnost, ideální pro HDI.

Skládané mikrovias

Umístěny přímo na sebe. Umožňují vertikální spojení shora k jádru.

Rozložené mikrovias

Malé odsazení. Mechanicky spolehlivější než naskládané.

Přes-in-Pad

Umístění průchodky přímo pod kontaktní plošku. Používá se pro ultrahusté BGA a pomáhá snížit indukční zpoždění.

Každý typ má své nevýhody, pokud jde o cenu, vyrobitelnost a výkon signálu. Vaše volba by měla odpovídat rozvržení, uspořádání a rozteči součástek.

PCBasic: Váš spolehlivý výrobce HDI PCB v Číně

Design je jen polovina rovnice. Ta těžší část? Proměnit tento design v desku, která skutečně funguje – až na mikron.

A právě v tom je PCBasic to pravé.

Nevyrábíme jen desky plošných spojů. Stavíme i HDI – od prototypů s úzkou roztečí až po plnohodnotné výrobní série. Potřebujete 1+N+1? Postaráme se o to. Chcete 3+N+3 nebo ELIC? Žádný problém.

Proč si inženýři vybírají PCBasic:

•  Přesnost laserového vrtání až 75 µm

•  Řízené ladění impedance

•  Testování spolehlivosti Microvia

•  Shoda s normami IPC 6012, ISO a RoHS

•  Zakázkové stack-up inženýrství

•  Prototypování rychloobrátkových HDI desek plošných spojů

•  Konzultace s DFM v ceně

Pomohli jsme klientům z oblasti lékařství, leteckého průmyslu, telekomunikací a automobilového průmyslu. Ať už potřebujete malý prototyp desek plošných spojů HDI nebo sériovou výrobu, jsme připraveni vám to dodat.

Máte na mysli nějaký projekt? Pojďme si promluvit.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Desky plošných spojů HDI jsou dnes nezbytné. Už nejsou jen volbou – jsou standardem. Pokud váš návrh vyžaduje více prostoru, vyšší rychlost nebo lepší integritu signálu, HDI je řešením. Od struktury až po uspořádání do vrstev je pochopení detailů klíčové pro úspěch.

Ať už jste startup nebo zavedený tým, záleží na správném designu a výrobci. Preciznost je vším.

Hledáte spolehlivého partnera pro HDI PCB? Vyberte si PCBasic, protože známe technologie a vždy dodáváme kvalitu.