Indholdsfortegnelse
Udviklingen inden for højdensitetsforbindelser i moderne elektronik
I takt med at elektroniske enheder som flagskibs-smartphones, wearables med augmented reality og implanterbare medicinske enheder bliver stadig mindre, er de traditionelle teknikker til ledningsføring på printkort (PCB) stødt på en fysisk grænse. Der er ganske enkelt ikke nok plan plads til at fordele BGA-komponenter (Ball Grid Array) med et stort antal ben ved hjælp af standardmekanisk borede gennemgående huller.
Denne pladsmæssige flaskehals førte til udviklingen af High Density Interconnect (HDI)-teknologien. Men selv standard-HDI (med strukturer som 1+N+1 eller 2+N+2) er undertiden ikke tilstrækkelig. Her kommer Fremstilling af HDI-printkort i alle lag—det absolutte højdepunkt inden for routing med høj tæthed. I denne avancerede tekniske vejledning vil vi gennemgå any-layer HDI-arkitekturen, analysere de produktionsmæssige udfordringer, sammenligne den med traditionel HDI og præsentere en vejledning for hardwareingeniører, der skal integrere den med succes.
Hvad er et Any Layer HDI-printkort?
I et standard HDI-kort er mikroviaer typisk begrænset til de ydre lag, hvor de forbinder lag 1 med lag 2 eller lag 3. Den indre »N«-kerne forbindes normalt via en traditionel, mekanisk boret nedgravet via. Denne mekaniske kerne optager betydelig plads og begrænser ledningsføringstætheden på de indre lag.
En HDI-printkort til alle lag (også kendt som Every Layer Interconnect eller ELIC) eliminerer den stive mekaniske kerne fuldstændigt. I stedet opbygges hvert enkelt lag på printkortet sekventielt, og hvert lag kan forbindes til det tilstødende lag ved hjælp af laserborede mikroviaer. Disse mikroviaer kan stables direkte oven på hinanden, hvilket skaber en solid, kobberfyldt søjle, der løber fra et hvilket som helst lag til et hvilket som helst andet lag – og dermed leder signaler frit i tre dimensioner uden at optage plads på de mellemliggende lag.
De vigtigste fordele ved Any Layer HDI
- Den ultimative miniaturisering: Ved at undgå store mekaniske boringer og i stedet anvende fastgørelsespuder frigøres der op til 40% mere plads til ledningsføring. Dette muliggør betydeligt mindre printpladeformater uden at gå på kompromis med funktionaliteten.
- Fremragende signalintegritet: Stablede, kobberfyldte mikroviaer har en betydeligt lavere parasitisk kapacitans og induktans sammenlignet med traditionelle gennemgående huller. Dette er afgørende for signaloverførsel i multi-gigabit-klassen, hvilket vi behandler indgående i Vigtige teknikker til højhastigheds-PCB-fræsning.
- Understøttelse af BGA-chips med stort antal ben: Det er den eneste brugbare metode til at føre ledninger med en afstand på 0,4 mm eller derunder uden at miste signaler eller skabe flaskehalse i ledningsføringen.
- Forbedret pålidelighed: Da mikroviaer er langt mindre og fyldt med massivt kobber, er de mindre tilbøjelige til at revne under termisk belastning sammenlignet med hule, mekanisk borede viaer.
Dybdegående analyse: Stablede kontra forskudte mikroviaer
Når man designer et Any-Layer HDI-kort, har man to primære metoder til at skabe overgang mellem flere lag: stabling eller forskudt placering af mikroviaer.
Stablede mikroviaer
Stablede mikroviaer er placeret direkte oven på hinanden.
Fordele: Optager det absolutte minimum af plads. Sikrer den kortest mulige strømvej, hvilket forbedrer signalintegriteten.
Ulemper: Fremstillingsprocessen er yderst kompleks. Den nederste mikrovia skal være fuldstændig fyldt med massivt kobber og planeret (udjævnet), før den næste mikrovia kan laserborres og belægges oven på den. Hvis der stables mere end tre eller fire mikroviaer, opstår der betydelig termisk spænding i Z-aksen, hvilket øger risikoen for, at viaerne adskilles under reflow-lodning.
Forskudte mikroviaer
Forskudte mikroviaer er forskudt i forhold til hinanden på tilstødende lag.
Fordele: Meget nemmere at fremstille. Den termiske belastning fordeles over et større område, hvilket forbedrer printkortets mekaniske pålidelighed markant både under samlingen og i drift.
Ulemper: Optager mere plads på printkortet. Den elektriske vej er lidt længere, hvilket kan have ubetydelige konsekvenser ved ekstreme frekvenser.
Sådan udformer man til ethvert lag i HDI (trin-for-trin-vejledning)
Følg disse tekniske retningslinjer.
- Kontakt Fab House i god tid
HDI-kort med et vilkårligt antal lag kræver avanceret Laser Direct Imaging (LDI) og sekventiel laminering. Kontroller producentens specifikke grænser for mikrovias aspektforhold (normalt 0,8:1 eller 1:1) samt den mindste dielektriske tykkelse.
- Definer via-opbygningen
Indstil dit CAD-værktøj, så der tillades blinde og nedgravede mikroviaer på tværs af alle tilstødende lag. Definer reglerne for »stablede viaer« kontra »forskudte viaer« i din DRC (Design Rule Check).
- Prioriter forskudt frem for stablet
Selvom stablede vias udgør den korteste elektriske vej, bør stabling begrænses til højst 2 eller 3 lag for at undgå kraftig termisk belastning under reflow-lodning. Når der er plads til det i ledningsføringen, bør du placere dine mikrovias forskudt.
- Implementering af Via-in-Pad
Placer dine mikroviaer direkte inden for BGA-padsene. Da disse mikroviaer skal være fuldt kobberbelagte og planerede, vil de ikke trække loddetin væk under samleprocessen, hvilket forhindrer svage loddeforbindelser.
- Anvend harpiksbelagt kobber (RCC)
Traditionelle prepreg-materialer indeholder glasfibervæv, der kan aflede laserboringer og dermed forårsage ikke-cirkulære huller. Angiv RCC eller specialiserede prepreg-materialer, der kan bearbejdes med laser, til opbygningslagene for at sikre en ren og præcis dannelse af mikrovia.
At designe et HDI-kort med et vilkårligt antal lag kræver en grundlæggende ændring i den måde, du arbejder med dit EDA-værktøj (Electronic Design Automation) på. Følg disse trin for at sikre, at kortet kan fremstilles:
Overvindelse af alle udfordringer i forbindelse med HDI-produktion på alle lag
Overgangen til Fremstilling af HDI-printkort i alle lag er ikke uden udfordringer. Udbyttet afhænger i høj grad af producentens processtyring og produktionsudstyr.
Hulrum i kobberbelægningen
Det er yderst kompliceret at fylde blinde mikroviaer med massivt kobber uden at der dannes luftbobler eller kemiske rester. Der kræves avanceret pulsbelægningskemi. Hvis der dannes et hulrum inde i den stablede via, fungerer det som en spændingskoncentrator, der næsten med sikkerhed vil revne under de høje temperaturer i samleprocessen.
Registreringsnøjagtighed
Da printkortet opbygges lag for lag i en sekventiel lamineringsproces, kræver det avancerede optiske justeringsværktøjer (LDI) at opretholde justeringen (registreringen) på tværs af 10 eller 12 lag. En afvigelse på blot 20 mikrometer kan medføre, at en mikrovia rammer forbi sin målpad, hvilket ødelægger hele printkortet.
Overfladens planhed
For at kunne stable en via skal overfladen under den være fuldstændig flad. Producenterne skal anvende kemisk-mekanisk planering (CMP) eller specialiserede galvaniseringsteknikker for at sikre, at kobberoverfladen er fuldstændig glat, inden det næste dielektriske lag påføres.
Hvis din enhed anvendes i dynamiske mekaniske miljøer, kan det også være en god idé at kombinere HDI-teknikker med fleksible materialer. Læs vores vejledning om En guide til designreglerne for stive-fleksible printkort for mere information.
Casestudie: Implementering af ELIC på mobile enheder
Lad os se på et moderne bundkort til en 5G-smartphone. Bundkortet er utroligt tætpakket og er opbygget med en 12-lags ELIC-struktur (Any-Layer HDI).
Udfordringen: Placering af en applikationsprocessor med 0,35 mm pitch sammen med højhastigheds-LPDDR5-hukommelse og 5G RF-frontend-moduler på et areal, der er mindre end et kreditkort.
Løsningen: Ved at anvende »via-in-pad«-stablede mikroviaer har ingeniørerne fordelt processorsignalerne direkte ud i de indre lag uden behov for forgreningsspor på overfladen. Der blev anvendt forskudte mikroviaer til at fordele strøm og jord til de indre lag, hvilket sikrer et stabilt strømforsyningsnetværk (PDN).
Resultatet: Et yderst pålideligt bundkort med utrolig høj tæthed, der kan håndtere hastigheder på flere gigabit og ekstreme termiske belastninger.
Ofte stillede spørgsmål (FAQ)
Selvom der i teorien ikke er nogen begrænsninger, anvendes der i de fleste praktiske anvendelser HDI-strukturer med 10 til 14 lag af vilkårlig sammensætning. Udbyttet falder, og omkostningerne stiger eksponentielt, når man overskrider 14 på hinanden følgende lamineringscyklusser, på grund af udfordringer med justering og ophobning af termisk belastning.
Standard FR4 med højt glasindhold er vanskeligt at laserborre præcist. Det anbefales på det kraftigste at anvende specialiseret FR4 med lavt glasindhold eller spredt glasindhold, eller Resin Coated Copper (RCC), for at opnå en ren dannelse af mikrovia og pålidelig galvanisering.
Det er betydeligt dyrere. Et 10-lags ELIC-kort kan koste 2 til 3 gange mere end et standard 2+6+2 HDI-kort på grund af de mange på hinanden følgende lamineringscyklusser, den omfattende laserboring og de avancerede kobberfyldningsprocesser, der kræves.
Konklusion
Fremstilling af HDI-printkort i alle lag repræsenterer det absolutte forreste inden for hardware-design til forbruger-, bil- og medicinsk elektronik. Selvom det kræver streng designdisciplin og større produktionsbudgetter, er gevinsten i form af miniaturisering, komponenttæthed og signalintegritet uovertruffen. Ved at samarbejde tæt med en yderst kompetent EMS-leverandør og overholde strenge DFM-principper for stablede mikroviaer kan ingeniører med succes anvende denne teknologi til at udvikle den næste generation af ultrakompakte enheder.