Qual é a estrutura de laminação das placas HDI PCB?

Estrutura de laminação de PCB HDI

Os smartphones estão a tornar-se cada vez mais finos, enquanto os smartwatches estão a tornar-se cada vez mais potentes. IDH (Interligação de alta densidade) A tecnologia PCB está no centro desta tendência. Em comparação com as PCB tradicionais, a conceção da estrutura de laminação HDI permite a colocação de circuitos mais complexos num espaço mais pequeno.

Como fabricante de PCBs com 17 anos de experiência, Topfast tem testemunhado o fracasso de numerosos projectos devido à seleção de estruturas de laminação HDI inadequadas, levando a custos excessivos ou falhas de desempenho. Portanto, é crucial entender as várias estruturas de laminação de PCBs HDI.

1. Noções básicas de laminação de PCBs HDI

A essência das placas HDI consiste em conseguir um encaminhamento de alta densidade através de processos de acumulaçãoque são fundamentalmente diferentes do fabrico tradicional de PCB. As PCB tradicionais são como fazer sanduíches - todas as camadas são laminadas de uma só vez - enquanto as placas HDI se assemelham à construção de arranha-céus, exigindo uma construção em camadas.

Principais comparações de processos:

• Perfuração a laser: Cria microvias tão pequenas como 0,05 mm de diâmetro (cabelo humano ≈ 0,07 mm)
• Revestimento por impulsos: Assegura uma espessura de cobre uniforme nas microvias (variação <10%)
• Laminação sequencial: Parâmetros típicos - 170°C±2°C, pressão de 25kg/cm², acumulação camada a camada

Num projeto de smartwatch em que trabalhei, a mudança de uma PCB tradicional de 6 camadas (5 cm²) para uma estrutura HDI (1+4+1) reduziu o tamanho da placa para 1,5 cm², ao mesmo tempo que adicionou a monitorização do ritmo cardíaco - mostrando a magia da HDI.

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2. Análise pormenorizada das principais estruturas de laminação HDI

1. Laminagem simples simples (1+N+1)

Exemplo típico: (1+4+1) placa de 6 camadas

Caraterísticas:

• Sem vias enterradas nas camadas interiores, laminação única
• Vias cegas formadas por perfuração a laser em camadas exteriores
• A solução HDI mais económica

Aplicações:

• Smartphones de entrada de gama
• Dispositivos de ponto de extremidade IoT
• Eletrónica de consumo com restrições de espaço

Estudo de caso: Uma marca de auriculares Bluetooth adoptou o design (1+4+1), integrando o Bluetooth 5.0, o controlo tátil e a gestão da bateria num espaço de 8 mm de diâmetro.

2. HDI padrão de laminação simples (com vias enterradas)

Exemplo típico(1+4+1) placa de 6 camadas (vias enterradas em L2-5)

Caraterísticas:

• As vias enterradas nas camadas interiores requerem duas laminações
• Combina vias cegas e enterradas
• Custo e desempenho equilibrados

Problema de conceção: A colocação incorrecta da via enterrada causou um desvio de impedância do 15% num projeto, necessitando de ser redesenhado.

3. Dupla laminação padrão HDI

Exemplo típico: (1+1+4+1+1) placa de 8 camadas

Caraterísticas do processo:

• Três etapas de laminação (núcleo + primeiro acúmulo + segundo acúmulo)
• Permite arquitecturas de interligação complexas
• Suporta vias cegas de 3 passos

Vantagens de desempenho:

• Adequado para sinais de alta velocidade GHz+
• Melhor integridade de energia (camadas de energia dedicadas)
• 30% desempenho térmico melhorado

4. Estrutura de dupla laminação optimizada

Design inovador: (1++1+4+1+1+1) placa de 8 camadas

Principais melhorias:

• Desloca as vias enterradas de L3-6 para L2-7
• Elimina uma etapa de laminação
• 15% redução de custos

Dados de teste: Um módulo 5G que utiliza esta estrutura foi conseguido:

• 0,3dB/cm de perda de inserção a 10GHz
• 12% custo de fabrico inferior ao das estruturas tradicionais
• 8% maior rendimento

3. Projectos avançados de estruturas de laminação HDI

1. Design Skip-Via

Desafios técnicos:

• Vias cegas de L1 a L3, saltando L2
• 100% maior profundidade de perfuração a laser
• Revestimento significativamente mais duro

Soluções:

• Perfuração combinada a laser UV+CO₂
• Aditivos de galvanização especiais para vias profundas
• Alinhamento ótico melhorado (precisão <25μm)

Lição aprendida: Um lote de controladores de voo de drones falhou devido a problemas de revestimento por saltos, causando custos de retrabalho de $50k.

2. Conceção de vias empilhadas

Caraterísticas:

• Vias cegas empilhadas diretamente sobre vias enterradas
• Interligações verticais mais curtas
• Redução dos pontos de reflexão do sinal

Fundamentos de design:

• Controlo rigoroso do alinhamento das camadas (erro <25μm)
• Tampão de resina para evitar bolsas de ar
• Teste de stress térmico adicional (260°C, 10s, 5 ciclos)

4. Seleção da estrutura de laminação HDI

1. Principais factores de seleção

2. Recomendações específicas para o sector

Eletrónica de consumo:

• Preferenciais: (1+4+1)
• Traço/Espaço: 3/3mil
• Via cega: 0,1 mm

Eletrónica automóvel:

• Recomendado: (1+1+4+1+1)
• Material: TG≥170°C
• Vias térmicas adicionais

Dispositivos médicos:

• Requisitos de fiabilidade mais elevados
• Obturação com resina de baixo vazio
• 100% inspeção por microsecção

5. Técnicas práticas de conceção de HDI

1. Através de princípios de otimização

• ≤3 Vias em percursos de sinal de alta velocidade
• Espaçamento entre vias adjacentes ≥5× diâmetro da via
• Vias de alimentação duplas

2. Regras de ouro do Stack-Up

• Camadas de sinal adjacentes a planos de terra
• Encaminhar internamente os sinais de alta velocidade (reduz a radiação)
• Acoplamento estreito entre o plano de potência e o plano de terra

3. Melhorias de fiabilidade

• Adicionar matrizes de vias térmicas de 0,1 mm
• Protecções de solo para sinais críticos
• 0,5 mm de zona sem fresagem nos bordos da placa

6. Tendências futuras

Tecnologias emergentes:

• Processo semi-aditivo modificado (mSAP): traço/espaço de 20/20μm
• Cerâmica co-cozida a baixa temperatura (LTCC): Frequência ultra-alta
• Componentes incorporados: Resistências/capacitores no interior das placas

Inovações em materiais:

• Poliimida modificada: Dk=3,0, Df=0,002
• Adesivo condutor de nano-prata: Alternativa ao revestimento
• Grafeno térmico: condução de calor 5 vezes melhor

Um laboratório conseguiu criar um protótipo de um HDI de interconexão 3D com 16 camadas (1 mm de espessura, 1024 canais), o que prefigura dispositivos futuros ainda mais compactos.

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Recomendações Topfast

Ao selecionar a estrutura laminada HDI adequada, é necessário encontrar o equilíbrio ideal entre a densidade da cablagem, a integridade do sinal, o custo de fabrico e a fiabilidade. A estrutura mais simples proporciona frequentemente a taxa de rendimento mais elevada e o custo mais baixo.