Sisällysluettelo
Tiheiden liitäntöjen kehitys nykyaikaisessa elektroniikassa
Kun huippuluokan älypuhelimien, lisätyn todellisuuden puettavien laitteiden ja implantoitavien lääkinnällisten laitteiden kaltaisten elektroniikkalaitteiden koko pienenee jatkuvasti, perinteiset piirilevyjen (PCB) reititystekniikat ovat törmänneet fyysiseen rajoitteeseen. Tasomaista tilaa ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi, jotta suuren nastamäärän BGA-komponentteja (Ball Grid Array) voitaisiin hajauttaa tavanomaisilla mekaanisesti poratuilla läpivientirei’illä.
Tämä tilallinen pullonkaula johti High Density Interconnect (HDI) -tekniikan kehittämiseen. Kuitenkin jopa tavanomainen HDI (jossa on esimerkiksi 1+N+1- tai 2+N+2-rakenteita) ei aina riitä. Tähän astuu Minkä tahansa kerroksisen HDI-piirilevyn valmistus—korkeatiheyksisen reitityksen ehdoton huippu. Tässä edistyneessä teknisessä oppaassa tarkastelemme monikerroksista HDI-arkkitehtuuria, analysoimme sen valmistukseen liittyviä haasteita, vertailemme sitä perinteiseen HDI-tekniikkaan ja esittelemme laitteistoinsinööreille etenemissuunnitelman, jonka avulla arkkitehtuuri voidaan integroida onnistuneesti.
Mikä on Any Layer HDI -piirilevy?
Tavallisessa HDI-piirilevyssä mikroviat sijaitsevat yleensä vain ulkokerroksissa, ja ne yhdistävät kerroksen 1 kerrokseen 2 tai kerrokseen 3. Sisäinen ”N”-ydin kytketään yleensä perinteisen, mekaanisesti poratun upotetun via-reiän kautta. Tämä mekaaninen ydin vie huomattavasti tilaa ja rajoittaa reititystiheyttä sisäkerroksissa.
An Minkä tahansa kerroksen HDI-piirilevy (tunnetaan myös nimellä Every Layer Interconnect tai ELIC) poistaa jäykän mekaanisen ytimen kokonaan. Sen sijaan piirilevyn jokainen yksittäinen kerros rakennetaan peräkkäin, ja jokainen kerros voidaan liittää viereiseen kerrokseen laserporattujen mikroviioiden avulla. Nämä mikroreiät voidaan pinota suoraan toistensa päälle, jolloin muodostuu vankka, kuparilla täytetty pylväs, joka ulottuu mistä tahansa kerroksesta mihin tahansa toiseen kerrokseen – reitittäen signaaleja vapaasti kolmiulotteisesti ilman, että ne vievät tilaa välissä olevilta kerroksilta.
Any Layer HDI:n tärkeimmät edut
- Äärimmäinen miniatyrisointi: Kun luovutaan suurista mekaanisista porista ja käytetään liitosalustoja, reititystilaa vapautuu jopa 40% enemmän. Tämä mahdollistaa huomattavasti pienemmät piirilevyjen mitat ilman, että toiminnallisuudesta joudutaan tinkimään.
- Erinomainen signaalin eheys: Kerrostetut, kuparilla täytetyt mikroliitännät (microvias) omaavat huomattavasti pienemmän parasiittikapasitanssin ja -induktanssin kuin perinteiset läpivientireiät. Tämä on ratkaisevan tärkeää monigigabittisessä signaalinsiirrossa, jota käsittelemme laajasti artikkelissa Tärkeimmät tekniikat piirilevyjen nopeaan reititykseen.
- Tuki suuripinnoisille BGA-piireille: Se on ainoa toimiva tapa reitittää komponentteja, joiden väli on 0,4 mm tai vähemmän, ilman että signaaleja menetetään tai reititykseen syntyy pullonkauloja.
- Parannettu luotettavuus: Koska mikroliitännät ovat paljon pienempiä ja täytettyjä kiinteällä kuparilla, ne ovat vähemmän alttiita halkeilulle lämpöjännityksen vaikutuksesta verrattuna onttoihin, mekaanisesti porattuihin liitäntöihin.
Syväluotaus: Pino- ja porrastetut mikroliitännät
Any-Layer-HDI-piirilevyä suunniteltaessa on käytettävissä kaksi pääasiallista menetelmää useiden kerrosten väliseen siirtymiseen: mikroliitosten pinoaminen tai porrastaminen.
Pinoitetut mikroliitännät
Pinoon asetetut mikroliitännät on kohdistettu suoraan toistensa päälle.
Plussaa: Vie tilassa mahdollisimman vähän tilaa. Tarjoaa mahdollisimman lyhyen sähköisen reitin, mikä parantaa signaalin eheyttä.
Miinukset: Valmistusprosessi on erittäin monimutkainen. Alempi mikrovia on täytettävä täydellisesti kiinteällä kuparilla ja tasoitettava (tasoitettava), ennen kuin seuraava mikrovia voidaan porata laserilla ja pinnoittaa sen päälle. Yli kolmen tai neljän mikrovian päällekkäin asettaminen aiheuttaa merkittävää Z-akselin suuntaista lämpöjännitystä, mikä lisää mikrovien irtoamisriskiä uudelleenjuotuksen aikana.
Porrastetut mikroreiät
Porrastetut mikroreiät ovat siirtyneet toisistaan vierekkäisillä kerroksilla.
Plussaa: Valmistus on huomattavasti helpompaa. Lämpöjännitys jakautuu laajemmalle alueelle, mikä parantaa merkittävästi piirilevyn mekaanista luotettavuutta sekä kokoonpanovaiheessa että käyttökäytössä.
Miinukset: Vie enemmän tilaa piirilevyllä. Sähköinen reitti on hieman pidempi, millä voi olla merkityksettömiä vaikutuksia äärimmäisillä taajuuksilla.
Kuinka suunnitella minkä tahansa kerroksen HDI-piirilevy (vaiheittainen opas)
Noudata näitä suunnittelusääntöjä.
- Ota yhteyttä Fab Houseen hyvissä ajoin
Minkä tahansa kerroksen HDI-piirilevyjen valmistus edellyttää edistynyttä Laser Direct Imaging (LDI) -tekniikkaa ja vaiheittaista laminointia. Tarkista valmistajalta mikroaukkojen sivusuhteen raja-arvot (yleensä 0,8:1 tai 1:1) sekä dielektrisen kerroksen vähimmäispaksuus.
- Määritä Via-kerrostus
Määritä CAD-työkalusi asetukset siten, että sokeat ja upotetut mikroliitännät sallitaan kaikilla vierekkäisillä kerroksilla. Määritä DRC-tarkistuksessa (Design Rule Check) säännöt ”pinoitettujen liitäntöjen” ja ”porrastettujen liitäntöjen” välillä.
- Aseta porrastettu järjestys etusijalle pinottuun nähden
Vaikka päällekkäiset läpiviennit tarjoavat lyhimmän sähköisen reitin, rajoita niiden kerrosten määrä enintään kahteen tai kolmeen, jotta vältetään voimakas lämpörasitus uudelleenjuottamisen aikana. Mikäli reititystila sallii, sijoita mikroliitännät porrastetusti.
- Via-in-Pad-tekniikan käyttöönotto
Reititä mikroliitännät suoraan BGA-liitosalueiden sisälle. Koska nämä mikroliitännät on päällystettävä yhtenäisellä kuparikerroksella ja tasoitettava, ne eivät ime juotetta pois kokoonpanoprosessin aikana, mikä estää heikkojen juotosliitosten syntymisen.
- Käytä hartsipinnoitettua kuparia (RCC)
Perinteisessä prepreg-materiaalissa on lasikuitukudoksia, jotka voivat ohjata laserporan reitin poispäin, jolloin reikät eivät tule pyöreiksi. Määritä RCC-materiaali tai erityiset laserporattavat prepreg-materiaalit kerrostuskerroksiin, jotta mikroviioiden muodostuminen on siistiä ja tarkkaa.
Minkä tahansa kerroksen HDI-piirilevyn suunnittelu edellyttää perustavanlaatuista muutosta siinä, miten EDA-työkalua (Electronic Design Automation) käytetään. Noudata seuraavia ohjeita varmistaaksesi valmistettavuuden:
Kaikkien HDI-valmistuksen haasteiden voittaminen
Siirtyminen Minkä tahansa kerroksisen HDI-piirilevyn valmistus ei ole täysin esteetöntä. Tuotantotehokkuus riippuu suuresti valmistajan prosessinhallinnasta ja tuotantolaitteista.
Kuparipinnoituksen aukot
Sokkomikroliittymien täyttäminen kiinteällä kuparilla ilman, että niihin jää ilmakuplia tai kemiallisia jäämiä, on erittäin monimutkaista. Siihen tarvitaan edistyksellistä pulssipinnoitustekniikkaa. Jos pinottuun liittymään muodostuu ontelo, se toimii jännityskeskittimenä, joka murtuu lähes varmasti kokoonpanoprosessin korkeissa lämpötiloissa.
Rekisteröinnin tarkkuus
Koska piirilevy rakennetaan kerros kerrokselta peräkkäisessä laminointiprosessissa, 10 tai 12 kerroksen välisen kohdistuksen (registration) ylläpitäminen edellyttää huipputeknisiä optisia kohdistusvälineitä (LDI). Jo 20 mikrometrin poikkeama voi aiheuttaa sen, että mikrovia ei osu kohdepisteeseensä, mikä pilaa koko piirilevyn.
Pinnan tasaisuus
Vian pinoamiseksi sen alla olevan pinnan on oltava täysin tasainen. Valmistajien on käytettävä kemiallis-mekaanista tasoitusta (CMP) tai erikoistuneita pinnoitustekniikoita varmistaakseen, että kuparipinta on täysin sileä ennen seuraavan dielektrisen kerroksen levittämistä.
Jos laitteesi toimii dynaamisissa mekaanisissa ympäristöissä, kannattaa ehkä yhdistää HDI-tekniikoita joustaviin materiaaleihin. Lue oppaamme aiheesta Jäykkä-joustopiirilevyjen suunnittelusääntöjen selaaminen lisätietoja.
Tapaustutkimus: ELIC-järjestelmän käyttöönotto mobiililaitteissa
Otetaan esimerkiksi nykyaikaisen 5G-älypuhelimen emolevy. Levy on uskomattoman tiheärakenteinen, ja siinä hyödynnetään 12-kerroksista ELIC-rakennetta (Any-Layer HDI).
Haaste: 0,35 mm:n piikkivälin sovellusprosessorin, nopean LPDDR5-muistin ja 5G-RF-etupään moduulien sijoittaminen luottokorttia pienemmälle alueelle.
Ratkaisu: Hyödyntämällä via-in-pad-tyyppisiä päällekkäisiä mikroreikiä insinöörit jakelivat prosessorin signaalit suoraan sisäkerroksiin ilman, että pinnalle tarvittiin erottelujohtimia. Porrastettuja mikroreikiä käytettiin virran ja maadoituksen jakamiseen sisäkerroksiin, mikä varmisti vakaan virransyöttöverkoston (PDN).
Tulos: Erittäin luotettava ja uskomattoman tiheärakenteinen emolevy, joka kestää useiden gigabittien nopeuksia ja suuria lämpökuormia.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Vaikka kerrosmäärä on teoriassa rajaton, useimmissa käytännön sovelluksissa käytetään 10–14-kerroksisia HDI-rakenteita, joissa kerrosten järjestys on vapaa. Tuotantotehokkuus heikkenee ja kustannukset nousevat eksponentiaalisesti, kun laminointikierroksia on yli 14 peräkkäin, mikä johtuu kohdistusongelmista ja lämpöjännityksen kertymisestä.
Tavallista, runsaasti lasia sisältävää FR4-materiaalia on vaikea porata tarkasti laserilla. Puhtaiden mikroliitosten muodostamiseen ja luotettavaan pinnoitukseen suositellaan ehdottomasti erityistä, vähän lasia sisältävää tai tasaisesti lasia sisältävää FR4-materiaalia tai hartsipinnoitettua kuparia (RCC).
Se on huomattavasti kalliimpi. 10-kerroksinen ELIC-levy voi maksaa 2–3 kertaa enemmän kuin tavallinen 2+6+2-kerroksinen HDI-levy, mikä johtuu useista peräkkäisistä laminointivaiheista, laajamittaisesta laserporauksesta ja vaadittavista edistyneistä kuparitäyttöprosesseista.
Päätelmä
Minkä tahansa kerroksisen HDI-piirilevyn valmistus edustaa kuluttaja-, auto- ja lääketieteellisen elektroniikan laitteistosuunnittelun ehdottomasti uusinta kehitystä. Vaikka se vaatii tiukkaa suunnittelukuria ja suurempia valmistusbudjetteja, sen tuomat edut miniatyrisoinnin, komponenttitiheyden ja signaalin eheyden osalta ovat vertaansa vailla. Tiiviin yhteistyön avulla erittäin pätevän EMS-palveluntarjoajan kanssa ja noudattamalla tiukkoja DFM-periaatteita pinottujen mikroliitäntöjen osalta insinöörit voivat menestyksekkäästi hyödyntää tätä tekniikkaa seuraavan sukupolven ultrakompaktien laitteiden rakentamisessa.