Печатные платы HDI | Основы проектирования и процесс производства

Миниатюризация изменила все. Больше слоев. Более тонкие дорожки. Более узкие интервалы. Но стандартные печатные платы не могут угнаться.

Знакомьтесь с HDI — High Density Interconnect. Эти платы используют микропереходы, тонкие диэлектрики и усовершенствованное ламинирование для маршрутизации сложных сигналов в компактных размерах. Вы найдете их в смартфонах, радиочастотных модулях, медицинских имплантатах и ​​современных системах помощи водителю. Это не просто меньше — это более умная маршрутизация, лучшая целостность сигнала и более высокая надежность.

В этом руководстве мы разберем структуры печатных плат HDI и микроотверстий и объясним, почему эта технология лежит в основе современной высокопроизводительной электроники.

 

 

  

  

Что такое печатная плата HDI?

HDI означает High Density Interconnect (Высокая плотность межсоединений). Но это больше, чем просто компактная печатная плата. Это передовая стратегия проектирования, используемая для втиснуть больше функциональности в меньшее пространство — без ущерба для производительности. Эти платы используют микропереходы, слепые и скрытые переходы, сверхтонкие диэлектрики и несколько слоев, уложенных друг на друга, для достижения невероятно плотной трассировки.

Вы не найдете их в базовых потребительских гаджетах. Печатная плата с высокой плотностью соединений имеет решающее значение в высокопроизводительных системах — например, в системах управления аэрокосмической техникой, модулях 5G, системах LiDAR, нейронных имплантатах и ​​средствах связи военного назначения. Везде, где важны размер, скорость и надежность, появляется HDI.

Они предназначены для работы с компонентами с малым шагом, часто менее 0.5 мм. Это обеспечивает более плотные соединения, более быстрые сигналы и снижение электромагнитных помех. Традиционные печатные платы просто не могут поддерживать такой уровень сложности.

Речь идет не только об экономии места. Технология HDI PCB снижает потери сигнала, улучшает подачу питания и поддерживает более высокие скорости переключения. В мире, где движут искусственный интеллект, периферийные вычисления и компактные сенсорные системы, HDI стала важной инфраструктурой — тихо питая следующую волну интеллектуальной электроники изнутри наружу.

Структура HDI печатных плат

Теперь давайте поговорим о том, чем отличается плата HDI от других.r капот. Традиционные печатные платы имеют большие механически просверленные отверстия и относительно широкие дорожки. HDI печатные платы используют:

•  микроотверстия, просверленные лазером,

•  более плотный интервал следов,

•  и технология многослойной печати.

Вся структура спроектирована так, чтобы оптимизировать каждый квадратный миллиметр. Для этого есть ясная причина: спрос на большее количество входов/выходов, меньшие компоненты и более скоростные сигналы.

Структура слоев

Обычные печатные платы HDI имеют структуру 1+N+1, где:

   

•  «N» — количество слоев сердечника.

•  «1» с каждой стороны — это внешние слои HDI, соединенные микроотверстиями.

Но это еще не все. Расширенные макеты HDI используют 2+N+2. Он имеет:

  

•  Два слоя HDI сверху и два снизу.

•  Больше каналов маршрутизации. Больше места для дыхания.

Все еще недостаточно? Вы можете пойти дальше: 3+N+3 или даже выше. Это масштабируемый подход. Вы добавляете слои только тогда, когда дизайн действительно в них нуждается, что позволяет держать расходы (и головную боль) под контролем.

HDI любого слоя, также называемый ELIC (Every Layer Interconnect), устраняет ограничения. Теперь микропереходы могут напрямую соединять любые два слоя — нет необходимости идти шаг за шагом. Маршрутизация становится безумно эффективной. Вот как ваш смартфон получает всю эту производительность, упакованную в плату размером меньше кредитной карты.

Эти платы изготавливаются с помощью последовательного ламинирования. Это означает, что вы ламинируете, сверлите, наносите покрытие и повторяете процесс слой за слоем. Это позволяет создавать сверхточные соединения между плотными внутренними схемами.

Структура обычно включает в себя:

•  Основной слой: Обычно FR-4 или высокопроизводительный ламинат.

•  Препрег: Пропитанные смолой листы стекловолокна, скрепляющие слои меди.

•  Медная фольга: Для сигнальных трасс и плоскостей.

•  Микропереходы: Отверстия, просверленные лазером, диаметром менее 150 микрон, покрытые медью.

Все эти элементы объединяются для поддержки BGA (Ball Grid Arrays) с шагом 0.4 мм или меньше. Это практически невозможно с традиционной технологией отверстий.

Один ключевой момент: HDI — это не просто уменьшение размеров. Это обеспечение надежной производительности в компактных макетах. Это требует идеальной регистрации слоев, последовательного покрытия и точного выравнивания во время изготовления.

Стек HDI PCB

Дизайнеры часто говорят: если вы неправильно разместите элементы, плата выйдет из строя — независимо от того, насколько хороша ваша компоновка.

Стек HDI PCB — это не просто расположение слоев меди и диэлектрика. Это тщательно спроектированная электрическая архитектура. Каждый слой выполняет свою функцию — сигнал, питание, заземление, экранирование, а стратегия переходов связывает все это вместе.

Давайте рассмотрим упрощенную схему HDI:

1. Верхний сигнальный слой

2. Диэлектрик (Препрег)

3. Земляная плоскость

4. ядро

5. Силовой самолет

6. Диэлектрик

7. Нижний сигнальный слой

Звучит просто, не так ли? Не совсем. В HDI-дизайне микроотверстия и глухие/скрытые отверстия создают вертикальные соединения между определенными слоями. У вас может быть отверстие от слоя 1 до слоя 2 и отдельное скрытое отверстие от слоя 3 до слоя 5. Или стекированное отверстие, которое идет от слоя 1 до слоя 6.

Эти выборы не случайны. Они основаны на:

•  Требования к синхронизации сигнала

•  Контроль импеданса

•  Минимизация перекрестных помех

•  Стратегии распределения и разъединения электроэнергии

Для высокоскоростных цифровых разработок, например, DDR4, USB 3.0 или HDMI, вы часто увидите выделенные полосковые или микрополосковые дорожки с контролируемым импедансом, встроенные в определенные слои. И все это упаковано в плату, толщина которой может быть всего 0.8 мм.

Расширенные стеки печатных плат HDI могут включать:

•  Несколько скрытых слоев переходов

•  Медная фольга, покрытая смолой

•  Заполненные и закрытые структуры переходных отверстий в контактных площадках

•  Гибридные материалы для особых электрических или тепловых свойств

Один реальный пример: печатная плата мобильного процессора может использовать стек 3+N+3 с 10 слоями, расположенными друг над другом микроотверстиями и заполненными смолой переходными отверстиями в контактных площадках для поддержки шага выводов BGA 0.35 мм.

Главный вывод? В HDI PCB стек — это инструмент производительности, а не простоst — механический. Он определяет целостность сигнала, поведение ЭМП и даже технологичность.

Ламинирование и материалы для HDI-плат

На этом этапе становится ясно, что проектирование HDI — это только половина дела. Производство — это вторая половина. Платы HDI изготавливаются с помощью последовательных циклов ламинирования. Это означает, что слои прессуются, сверлятся, покрываются и склеиваются по одному за раз. Каждое ламинирование добавляет новые варианты маршрутизации через микроотверстия и скрытые отверстия. Но материалы имеют такое же значение, как и процесс.

Распространенные материалы в печатных платах HDI:

•  FR-4 (варианты с высокой Тг): Дешевый и надежный вариант для конструкций средней скорости.

•  Polyimide: Отличная термостойкость для аэрокосмической и оборонной промышленности.

•  Роджерс, Изола, Panasonic Megtron: Используется в высокоскоростных ВЧ/СВЧ HDI-приложениях.

•  Ламинаты без содержания галогенов и свинца: Соответствует строгим экологическим стандартам.

Что делает материалы совместимыми с HDI?

•  Высокая температура стеклования (Tg)

•  Небольшое расширение по оси Z

•  Жесткие допуски Dk/Df для целостности сигнала

•  Стабильные диэлектрические свойства в зависимости от частоты и температуры

Лазерное сверление также требует материалов с чистым поведением абляции, поэтому края микроотверстий остаются нетронутыми без мусора или подрезов. Системы смол должны правильно течь во время ламинирования, но отверждаться с высокой жесткостью.

Короче говоря, ваш выбор материала зависит не только от стоимости. Он напрямую влияет на буримость, надежность и радиочастотные характеристики.

Основные преимущества печатных плат HDI

Вот что отличает его:

1. Компактный размер

Печатные платы HDI обеспечивают большую плотность маршрутизации на меньшей площади платы. Это критически важно при проектировании таких устройств, как носимые устройства, имплантируемые устройства или модули Edge-AI. Нет места для слишком больших дорожек или полноглубинных переходных отверстий. Микропереходы и тонкая линейная маршрутизация позволяют уменьшать масштаб без сокращения функций. Никаких мертвых зон. Никакого неиспользуемого пространства. Просто эффективная компоновка.

2. Улучшенная целостность сигнала.

Более короткие пути сигнала. Меньше заглушек. Лучше контролируемый импеданс. Микроотверстия уменьшают индуктивность, что приводит к более чистой высокоскоростной передаче сигнала. Это имеет большое значение при маршрутизации сигналов DDR, PCIe, USB 3.2 или HDMI.

3. Оптимизация количества слоев

Нужна 12-слойная плата? С HDI вы можете сделать это в 8 слоев. Это снижает стоимость материала, уменьшает толщину платы и упрощает ламинирование. Сложенные микроотверстия помогают эффективно использовать слои, поэтому макет остается компактным и эффективным.

4. Уменьшение перекрестных помех и электромагнитных помех

Меньшие переходные отверстия = более плотная связь. Это означает уменьшение площади контура и снижение излучаемого шума. HDI идеально подходит, когда электромагнитная совместимость (ЭМС) становится критически важной, например, в медицинских, авиационных или автомобильных приложениях.

5. Управление температурой и электропитанием

Конструкции Microvia-in-pad улучшают теплоотвод. Кроме того, большее пространство для маршрутизации позволяет лучше размещать конденсаторы развязки, что напрямую улучшает подачу питания.

6. Механическая прочность

Меньше сверлений. Никаких больших сквозных отверстий. Лучший баланс меди. Платы HDI обеспечивают большую надежность при вибрации и термоциклировании — важный фактор в оборонной, аэрокосмической и электромобильной промышленности.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Распространенные варианты использования HDI-печатных плат

Технология HDI не ограничивается бытовой электроникой. Она повсюду. Вот где HDI появляется за кулисами:

1. Смартфоны и планшеты

Пространство — враг. Печатные платы HDI помогают втиснуть процессоры, оперативную память, камеры и аккумуляторы в гладкие корпуса — без ущерба для производительности. Большинство современных смартфонов имеют платы ELIC HDI с 10+ слоями.

2. Медицинские устройства

Имплантируемые дефибрилляторы. Носимые глюкометры. Портативные ЭКГ. Эти продукты требуют сверхмалых форм-факторов и строгой надежности. HDI делает это возможным.

3. Автомобильная электроника

ADAS, информационно-развлекательная система, панели управления LiDAR и системы управления аккумуляторами электромобилей — все это выигрывает от компоновки HDI. Особенно с ростом автономных функций, целостность сигнала и миниатюризация не подлежат обсуждению.

4. Сетевое оборудование

Маршрутизаторам, коммутаторам и базовым станциям необходимы платы HDI для высокоскоростной маршрутизации данных, точного управления импедансом и снижения электромагнитных помех.

5. Военная и аэрокосмическая промышленность

Радарные модули военного уровня, процессоры авионики и навигационные средства управления полагаются на прочность HDI и четкость сигнала в экстремальных условиях.

Руководство по проектированию печатных плат HDI

Проектирование платы HDI — это отчасти наука, отчасти искусство. Вы не просто размещаете дорожки. Вы управляете физикой — электромагнитным поведением, тепловым расширением и ограничениями технологичности. Вот почему макет HDI требует особого внимания.

Вот что наиболее важно при проектировании печатной платы HDI. 

1. Стратегия отбора

•  Микропереходы: Используйте их для соединения двух соседних слоев. Избегайте укладки более 3 уровней, если это не необходимо.

•  Ступенчатый против штабелированного: Расположенные в шахматном порядке микроотверстия более надежны, но расположенные друг над другом обеспечивают более плотный выход BGA.

•  Похоронен Vias: Держите их изолированными от внутренних слоев. Планируйте их расположение заранее, чтобы избежать проблем с маршрутизацией.

2. Конструкция переходного отверстия в контактной площадке

Используется в плотных корпусах BGA, особенно когда шаг составляет менее 0.5 мм. Эти переходные отверстия должны быть заполнены, покрыты и выровнены надлежащим образом, чтобы избежать затекания припоя.

Не каждый производитель может сделать это хорошо. Всегда консультируйтесь с производителем HDI PCB, прежде чем что-то делать.

3. Правила трассировки и пространства

•  Ширина следа: Часто от 3 до 4 мил для HDI.

•  Расстояние: По возможности поддерживайте расстояние между сигнальными дорожками ≥2× ширины дорожки, чтобы уменьшить перекрестные помехи.

•  Для контролируемого импеданса моделируйте стек с помощью полевых решателей или таких инструментов, как Polar Si9000.

4. Соотношение сторон

Микроотверстия имеют низкое соотношение сторон — менее 1:1. Вот почему глубина между слоями имеет значение.

Избегайте размещения слишком большого количества микроотверстий в одной области. Это может привести к образованию пустот в смоле или неравномерному меднению.

5. Заполнение и надежность

Заполненные и закрытые переходные отверстия необходимы для многослойных структур. Используйте заполненные смолой или гальванизированные заливки на основе стандартов IPC.

Неполное заполнение переходных отверстий = проблемы с надежностью = плата вышла из строя в полевых условиях.

6. Проверки DFM и DFA

Перед тем как приступить к работе, проверьте следующее:

•  Регистрация учений

•  Выравнивание паяльной маски

•  Зазоры медь-медь

•  Термические рельефы

•  С помощью тентов или укупорки

Цель? Готовая к изготовлению конструкция с минимальными доработками.

Процесс производства печатных плат HDI

Производство плат HDI не похоже на обычные печатные платы. Оно многошаговое, прецизионное и высокопоследовательное.

Вот упрощенная схема:

1. Визуализация и травление внутренних слоев: Внутренние медные слои формируются с помощью фотолитографии.

2. Ламинирование сердцевины: Протравленные сердечники ламинируются препрегом и медной фольгой.

3. Лазерное сверление (микроотверстия): Лазер сверлит отверстия размером менее 0.15 мм через верхний слой. Обычно используются УФ- или CO2-лазеры.

4. Очистка от грязи и отверстий: Плазменная очистка обеспечивает отсутствие мусора в переходных отверстиях для надежного нанесения покрытия.

5. Химическое осаждение меди: Для обеспечения проводимости внутри микроотверстий нанесен тонкий слой меди.

6. Гальваника: Для увеличения толщины стенки отверстия наносится дополнительное медное покрытие.

7. Формирование внешнего слоя и травление: Создаются верхние сигнальные слои. Тонкие дорожки шаблонизируются.

8. Последовательное ламинирование: При необходимости добавляются дополнительные слои, повторяя шаги 3–7 для каждого цикла HDI.

9. Заполнение и выравнивание отверстий: Структуры отверстий в контактных площадках заполнены эпоксидной смолой и выровнены с помощью ЧПУ.

10. Паяльная маска и отделка поверхности: Применяются покрытия ENIG или OSP.

11. ПлавникТестирование: Наконец, электрические испытания подтверждают целостность.

Этот процесс может включать несколько циклов lam в зависимости от сложности стека. Каждый цикл вносит стоимость и время, поэтому его нужно проектировать с умом.

Типы переходных отверстий в HDI-маршрутизации

В платах HDI переходные отверстия — это не просто отверстия. Это элементы дизайна.

Вот быстрая разбивка:

Сквозные отверстия

Идти сверху вниз. Нечасто используется в HDI из-за потери пространства.

Слепой виас

Соедините внешний слой с внутренним слоем. Отлично подходит для маршрутизации компонентов поверхностного монтажа.

Похоронен Vias

Оставайтесь полностью во внутренних слоях. Полезно для поддержания чистоты внешних слоев.

Микропереходы

Лазерное сверление, диаметр <150 мкм. Соединяет соседние слои. Низкая индуктивность и идеально подходит для HDI.

Многослойные микропереходы

Размещены непосредственно друг над другом. Обеспечивают вертикальное соединение сверху до ядра.

Ступенчатые микроотверстия

Смещение на небольшую величину. Более механически надежны, чем штабелированные.

Переходное отверстие в колодке

Размещение отверстия непосредственно под контактной площадкой. Используется для сверхплотных BGA и помогает уменьшить индуктивную задержку.

Каждый тип имеет компромиссы с точки зрения стоимости, технологичности и производительности сигнала. Ваш выбор должен соответствовать компоновке, стеку и шагу компонентов.

PCBasic: ваш надежный производитель HDI печатных плат в Китае

Дизайн — это только половина уравнения. Самая сложная часть? Превратить этот дизайн в плату, которая действительно работает — вплоть до микрона.

Вот тут-то и пригодится PCBasic.

Мы не просто делаем печатные платы. Мы создаем HDI — от прототипов с малым шагом до полномасштабного производства. Нужен 1+N+1? У нас есть это. Работаете с 3+N+3 или ELIC? Нет проблем.

Почему инженеры выбирают PCBasic:

•  Точность лазерного сверления до 75 мкм

•  Управляемая настройка импеданса

•  Тестирование надежности Microvia

•  Соответствие стандартам IPC 6012, ISO и RoHS

•  Индивидуальная разработка стека

•  Быстрое прототипирование печатных плат HDI

•  Включена консультация DFM

Мы помогли клиентам в медицинской, аэрокосмической, телекоммуникационной и автомобильной промышленности. Если вам нужен небольшой прототип HDI PCB или полномасштабное производство, мы готовы предоставить вам все необходимое.

Есть проект на примете? Давайте поговорим.

Заключение

HDI PCBs сегодня необходимы. Они больше не просто выбор — они стандарт. Когда вашему проекту нужно больше места, более высокие скорости или лучшая целостность сигнала, HDI — это ответ. От структуры до стека, понимание деталей имеет решающее значение для успеха.

Независимо от того, являетесь ли вы стартапом или устоявшейся командой, правильный дизайн и производитель имеют значение. Точность — это все.

Ищете надежного партнера по HDI PCB? Выбирайте PCBasic, потому что мы разбираемся в технологиях и всегда обеспечиваем качество.