Inhoudsopgave
De ontwikkeling van verbindingen met hoge dichtheid in de moderne elektronica
Naarmate elektronische apparaten zoals topmodellen smartphones, wearables voor augmented reality en implanteerbare medische apparaten steeds kleiner worden, zijn de traditionele technieken voor het ontwerpen van printplaten (PCB’s) tegen een fysieke grens aangelopen. Er is simpelweg niet genoeg vlakke ruimte om BGA-componenten (Ball Grid Array) met een groot aantal pinnen uit te spreiden met behulp van standaard, mechanisch geboorde doorgaande gaten.
Deze ruimtebeperking leidde tot de ontwikkeling van de High Density Interconnect (HDI)-technologie. Maar zelfs standaard HDI (met structuren zoals 1+N+1 of 2+N+2) schiet soms tekort. En dan komt Productie van HDI-printplaten met willekeurig aantal lagen—het absolute hoogtepunt op het gebied van high-density-routing. In deze geavanceerde technische handleiding zullen we de ‘any-layer’ HDI-architectuur onder de loep nemen, de uitdagingen bij de productie ervan analyseren, deze vergelijken met traditionele HDI en een stappenplan bieden voor hardware-ingenieurs om deze architectuur succesvol te integreren.
Wat is een HDI-printplaat met willekeurige lagen?
Bij een standaard HDI-printplaat zijn microvia’s doorgaans beperkt tot de buitenste lagen, waarbij laag 1 wordt verbonden met laag 2 of laag 3. De binnenste „N“-kern wordt meestal aangesloten via een traditionele, mechanisch geboorde verborgen via. Deze mechanische kern neemt veel ruimte in beslag en beperkt de routingsdichtheid op de binnenste lagen.
Een HDI-printplaat met willekeurige lagen (ook bekend als Every Layer Interconnect of ELIC) maakt de starre mechanische kern volledig overbodig. In plaats daarvan wordt elke afzonderlijke laag van de printplaat achtereenvolgens opgebouwd, en kan elke laag met de aangrenzende laag worden verbonden via met een laser geboorde microvia’s. Deze microvias kunnen direct boven op elkaar worden gestapeld, waardoor een stevige, met koper gevulde pilaar ontstaat die van elke laag naar elke andere laag loopt – waardoor signalen vrij in drie dimensies kunnen worden gerouteerd zonder ruimte in te nemen op de tussenliggende lagen.
Belangrijkste voordelen van Any Layer HDI
- Ultieme miniaturisatie: Door af te zien van grote mechanische boorgaten en via-capture-pads, creëert u tot 40% meer ruimte voor de bedrading. Hierdoor zijn aanzienlijk kleinere printplaatformaten mogelijk zonder dat dit ten koste gaat van de functionaliteit.
- Uitstekende signaalintegriteit: Gestapelde, met koper gevulde microvia’s hebben een aanzienlijk lagere parasitaire capaciteit en inductie dan traditionele doorvoergaten. Dit is van cruciaal belang voor signaaloverdracht met snelheden van meerdere gigabit, een onderwerp dat we uitgebreid behandelen in Essentiële technieken voor het snel frezen van printplaten.
- Ondersteuning voor BGA’s met een groot aantal pinnen: Het is de enige haalbare manier om componenten met een pitch van 0,4 mm of minder te routeren zonder dat er signalen verloren gaan of er routeringsknelpunten ontstaan.
- Verbeterde betrouwbaarheid: Omdat microvia’s veel kleiner zijn en met massief koper zijn gevuld, zijn ze minder gevoelig voor scheuren onder thermische belasting dan holle, mechanisch geboorde via’s.
Diepgaande analyse: gestapelde versus verspringende microvia’s
Bij het ontwerpen van een Any-Layer HDI-printplaat heb je twee belangrijke methoden om de overgang tussen meerdere lagen te realiseren: het stapelen of verspringen van microvia’s.
Gestapelde microvia’s
Gestapelde microvia’s zijn direct boven elkaar uitgelijnd.
Voordelen: Neemt zo min mogelijk ruimte in beslag. Biedt de kortst mogelijke elektrische padlengte, waardoor de signaalintegriteit wordt verbeterd.
Nadelen: Het productieproces is uiterst complex. De onderste microvia moet perfect worden gevuld met massief koper en worden geëgaliseerd (vlak gemaakt) voordat de volgende microvia er met een laser in kan worden geboord en daarop kan worden geplateerd. Het stapelen van meer dan drie of vier microvia’s leidt tot aanzienlijke thermische spanning in de Z-as, waardoor het risico op het losraken van de via’s tijdens het reflow-solderen toeneemt.
Verspringende microvia’s
Verspringende microvia’s zijn ten opzichte van elkaar verschoven op aangrenzende lagen.
Voordelen: Veel eenvoudiger te vervaardigen. De thermische spanning wordt over een groter oppervlak verdeeld, waardoor de mechanische betrouwbaarheid van de printplaat tijdens de assemblage en in de praktijk aanzienlijk wordt verbeterd.
Nadelen: Neemt meer fysieke ruimte in op de printplaat. Het elektrische pad is iets langer, wat bij extreme frequenties wellicht verwaarloosbare gevolgen heeft.
Hoe ontwerp je voor elke laag HDI (stapsgewijze handleiding)
Houd u aan deze technische voorschriften.
- Neem zo vroeg mogelijk contact op met Fab House
Voor HDI met een willekeurig aantal lagen zijn geavanceerde Laser Direct Imaging (LDI) en sequentiële laminering vereist. Controleer de specifieke limieten voor de aspectverhouding van microvia’s (meestal 0,8:1 of 1:1) en de minimale diëlektrische dikte bij uw fabrikant.
- De via-opbouw definiëren
Stel uw CAD-programma zo in dat blinde en verborgen microvia’s op alle aangrenzende lagen zijn toegestaan. Definieer in uw DRC (Design Rule Check) de regels voor „gestapelde via’s“ versus „verspringende via’s“.
- Geef de voorkeur aan gespreid boven gestapeld
Hoewel gestapelde via’s de kortste elektrische weg bieden, moet u het stapelen beperken tot maximaal 2 of 3 lagen om ernstige thermische belasting tijdens het reflow-solderen te voorkomen. Probeer uw microvia’s verspringend te plaatsen wanneer de ruimte dat toelaat.
- Via-in-Pad implementeren
Leg uw microvia’s direct binnen de BGA-pads aan. Aangezien deze microvia’s volledig met koper moeten worden bekleed en geëgaliseerd, zullen ze tijdens het assemblageproces geen soldeer wegtrekken, waardoor zwakke soldeerverbindingen worden voorkomen.
- Gebruik met hars gecoat koper (RCC)
Traditioneel prepreg bevat glasvezelweefsels die laserboren kunnen afbuigen, waardoor niet-ronde gaten ontstaan. Geef voor de opbouwlagen RCC of speciale, voor laserboren geschikte prepregs op om een zuivere, nauwkeurige vorming van microvia’s te garanderen.
Het ontwerpen van een HDI-printplaat met willekeurige lagen vereist een fundamentele verandering in de manier waarop je je EDA-tool (Electronic Design Automation) gebruikt. Volg deze stappen om de produceerbaarheid te waarborgen:
Het overwinnen van alle uitdagingen bij de productie van HDI-printplaten, ongeacht de laag
De overgang naar Productie van HDI-printplaten met willekeurig aantal lagen gaat niet zonder hindernissen. De opbrengstpercentages zijn sterk afhankelijk van de procesbeheersing en de kapitaalgoederen van de fabrikant.
Holtes in de koperlaag
Het vullen van blinde microvia’s met massief koper zonder dat er luchtbellen of chemische resten achterblijven, is een uiterst complex proces. Hiervoor is geavanceerde chemie op basis van pulsplateren vereist. Als er zich een holte vormt in de gestapelde via, fungeert deze als een spanningsconcentrator die vrijwel zeker zal barsten bij de hoge temperaturen die tijdens het assemblageproces heersen.
Nauwkeurigheid van registratie
Omdat de printplaat laag voor laag wordt opgebouwd in een sequentieel lamineerproces, zijn er geavanceerde optische uitlijningsinstrumenten (LDI) nodig om de uitlijning (registratie) over 10 of 12 lagen te waarborgen. Een afwijking van slechts 20 micrometer kan ertoe leiden dat een microvia zijn doelpad mist, waardoor de gehele printplaat onbruikbaar wordt.
Vlakheid van het oppervlak
Om een via te stapelen, moet het oppervlak eronder volkomen vlak zijn. Fabrikanten moeten gebruikmaken van chemisch-mechanische planarisatie (CMP) of gespecialiseerde galvanisatietechnieken om ervoor te zorgen dat het koperen oppervlak volledig glad is voordat de volgende diëlektrische laag wordt aangebracht.
Als uw apparaat in dynamische mechanische omgevingen wordt gebruikt, kunt u er wellicht ook voor kiezen om HDI-technieken te combineren met flexibele materialen. Lees onze gids over Een overzicht van de ontwerpregels voor rigide-flex-printplaten voor meer informatie.
Casestudie: Implementatie van ELIC in mobiele apparaten
Neem bijvoorbeeld het moederbord van een moderne 5G-smartphone. Het bord is ongelooflijk compact en maakt gebruik van een 12-laags ELIC-structuur (Any-Layer HDI).
De uitdaging: Een applicatieprocessor met een pitch van 0,35 mm, in combinatie met supersnel LPDDR5-geheugen en 5G RF-front-endmodules, onderbrengen op een oppervlakte die kleiner is dan een creditcard.
De oplossing: Door gebruik te maken van gestapelde microvia’s van het type „via-in-pad“ hebben ingenieurs de processorsignalen rechtstreeks naar de binnenlagen geleid, zonder dat er breakout-traces op het oppervlak nodig waren. Er werd gebruikgemaakt van verspringende microvia’s om stroom en aarding naar de binnenlagen te verdelen, waardoor een stabiel Power Delivery Network (PDN) werd gewaarborgd.
Het resultaat: Een uiterst betrouwbaar, ongelooflijk compact moederbord dat geschikt is voor snelheden van meerdere gigabit en zware thermische belastingen.
Veelgestelde vragen (FAQ)
Hoewel het aantal lagen in theorie onbeperkt is, wordt in de meeste praktische toepassingen gebruikgemaakt van HDI-structuren met 10 tot 14 lagen, waarbij de samenstelling van de lagen vrij kan worden gekozen. Boven de 14 opeenvolgende lamineercycli dalen de opbrengsten en stijgen de kosten exponentieel als gevolg van uitlijningsproblemen en de opeenstapeling van thermische spanning.
Standaard FR4 met een hoog glasgehalte is moeilijk nauwkeurig met een laser te boren. Gespecialiseerd FR4 met een laag glasgehalte of met verspreid glas, of Resin Coated Copper (RCC), wordt ten zeerste aanbevolen voor het vormen van zuivere microvia’s en betrouwbare beplating.
Het is aanzienlijk duurder. Een ELIC-printplaat met 10 lagen kan 2 tot 3 keer zo veel kosten als een standaard 2+6+2 HDI-printplaat, vanwege de vele opeenvolgende lamineercycli, het uitgebreide laserboren en de geavanceerde processen voor het opvullen van de koperen sporen die hiervoor nodig zijn.
Conclusie
Productie van HDI-printplaten met willekeurig aantal lagen staat voor de allernieuwste ontwikkelingen op het gebied van hardwareontwerp voor consumenten-, auto- en medische elektronica. Hoewel dit een strikte ontwerpdiscipline en hogere productiebudgetten vereist, zijn de voordelen op het gebied van miniaturisatie, componentdichtheid en signaalintegriteit ongeëvenaard. Door nauw samen te werken met een zeer bekwame EMS-leverancier en zich te houden aan strikte DFM-principes voor gestapelde microvia's, kunnen ingenieurs deze technologie met succes inzetten om de volgende generatie ultracompacte apparaten te bouwen.