Ii. Содержание
Развитие высокоплотных соединительных схем в современной электронике
По мере того как электронные устройства, такие как флагманские смартфоны, носимые устройства с технологией дополненной реальности и имплантируемые медицинские устройства, продолжают уменьшаться в размерах, традиционные методы трассировки печатных плат (PCB) уперлись в физические ограничения. Просто не хватает плоскостного пространства для разветвления компонентов BGA (Ball Grid Array) с большим количеством выводов с использованием стандартных механически просверленных сквозных отверстий.
Это пространственное ограничение послужило толчком к появлению технологии высокоплотных межсоединений (HDI). Однако даже стандартная технология HDI (со структурами типа 1+N+1 или 2+N+2) порой оказывается недостаточной. И вот тут на сцену выходит Изготовление печатных плат HDI любого слоя—абсолютный пик развития технологий высокоплотной печатной схемы. В этом подробном техническом руководстве мы подробно рассмотрим архитектуру HDI с произвольным расположением слоев, проанализируем сложности, связанные с её производством, сравним её с традиционной технологией HDI и предложим инженерам-разработчикам аппаратного обеспечения план действий для её успешной интеграции.
Что такое печатная плата HDI с возможностью размещения компонентов на любом слое?
В стандартной печатной плате HDI микропереходные отверстия, как правило, ограничиваются внешними слоями, соединяя 1-й слой со 2-м или 3-м слоем. Внутреннее «N»-ядро обычно соединяется с помощью традиционного, просверленного механическим способом заглубленного переходного отверстия. Такое механическое ядро занимает значительное пространство и ограничивает плотность трассировки на внутренних слоях.
. Печатные платы HDI любого слоя (также известная как Every Layer Interconnect, или ELIC) полностью исключает использование жесткого механического сердечника. Вместо этого каждый отдельный слой печатной платы формируется последовательно, и каждый слой может соединяться с соседним слоем с помощью микропроходов, просверленных лазером. Эти микропроходные отверстия могут располагаться непосредственно одно над другим, образуя прочный, заполненный медью столбик, проходящий от любого слоя к любому другому — что обеспечивает свободную прокладку сигналов в трёх измерениях без занятия места на промежуточных слоях.
Основные преимущества технологии HDI «Any Layer»
- Максимальная миниатюризация: Отказ от использования крупных механических отверстий и площадок для переходных отверстий позволяет освободить до 40% дополнительного пространства для трассировки. Это дает возможность создавать печатные платы значительно меньших размеров без ущерба для функциональности.
- Превосходная целостность сигнала: Многослойные микропроходные отверстия с медным заполнением обладают значительно меньшей паразитной ёмкостью и индуктивностью по сравнению с традиционными сквозными отверстиями. Это имеет решающее значение для передачи сигналов со скоростью в несколько гигабит, что мы подробно рассматриваем в Основные методы высокоскоростной трассировки печатных плат.
- Поддержка BGA с большим количеством выводов: Это единственный эффективный способ прокладки трасс для компонентов с шагом 0,4 мм или менее, позволяющий избежать потери сигналов и образования узких мест в трассировке.
- Повышенная надежность: Поскольку микропереходные отверстия значительно меньше по размеру и заполнены сплошной медью, они менее подвержены растрескиванию под воздействием термических нагрузок по сравнению с полыми переходными отверстиями, просверленными механическим способом.
Подробный анализ: микровиа в вертикальном и шахматном расположении
При проектировании многослойной платы HDI с произвольным расположением слоев у вас есть два основных метода перехода между несколькими слоями: укладка микропереходов в стопку или их чередование.
Многоуровневые микровиа
Многоярусные микропроходные отверстия располагаются непосредственно одно над другим.
Плюсы: Занимает абсолютно минимальную площадь. Обеспечивает максимально короткий электрический путь, что способствует улучшению целостности сигнала.
Cons: Процесс производства отличается высокой степенью сложности. Нижняя микропереходная отверстие должно быть идеально заполнено сплошной медью и выровнено (сглажено), прежде чем можно будет просверлить лазером следующее микропереходное отверстие и нанести на него покрытие. Наслоение более трёх-четырёх микропереходных отверстий приводит к возникновению значительных термических напряжений по оси Z, что повышает риск отслоения переходных отверстий во время пайки методом рефлоу.
Смещенные микропроходные отверстия
Смещенные микропроходные отверстия расположены с перекрытием друг относительно друга на соседних слоях.
Плюсы: Гораздо проще в производстве. Термическая нагрузка распределяется по более обширной площади, что значительно повышает механическую надежность платы как на этапе сборки, так и в условиях эксплуатации.
Cons: Занимает больше места на печатной плате. Длина электрической цепи немного больше, что на крайне высоких частотах может иметь незначительное влияние.
Как разработать схему для HDI любого слоя (пошаговое руководство)
Соблюдайте следующие технические правила.
- Обратитесь в компанию «Fab House» как можно раньше
Для изготовления печатных плат HDI с произвольным количеством слоев требуется применение передовой технологии лазерной прямой экспонировки (LDI) и последовательного ламинирования. Уточните у производителя конкретные ограничения по соотношению сторон микровиа (обычно 0,8:1 или 1:1) и минимальную толщину диэлектрика.
- Определение структуры проходных отверстий
Настройте вашу программу САПР таким образом, чтобы разрешить использование слепых и погруженных микропереходов на всех смежных слоях. Определите правила для «наслоенных переходов» и «смещенных переходов» в вашей системе проверки соответствия правилам проектирования (DRC).
- Отдавайте предпочтение шахматному расположению, а не вертикальному
Хотя многослойные переходные отверстия обеспечивают кратчайший электрический путь, количество слоев следует ограничить максимум двумя или тремя, чтобы избежать сильной тепловой нагрузки во время пайки методом рефлоу. Если позволяет пространство для трассировки, располагайте микропереходные отверстия в шахматном порядке.
- Реализация «Via-in-Pad»
Прокладывайте микропереходные отверстия непосредственно внутри контактных площадок BGA. Поскольку эти микропереходные отверстия должны быть полностью покрыты медью и выровнены, они не будут отводить припой в процессе сборки, что позволит избежать образования слабых паяных соединений.
- Использование меди с полимерным покрытием (RCC)
Традиционный препрег содержит стекловолоконные плетения, которые могут отклонять лазерный луч, приводя к образованию некруглых отверстий. Для наплавочных слоев следует использовать препрег RCC или специальные препреги, пригодные для лазерного сверления, чтобы обеспечить формирование чистых и точных микропроходов.
Проектирование печатной платы HDI с произвольным количеством слоев требует коренного изменения подхода к использованию инструментов EDA (автоматизации проектирования электроники). Для обеспечения технологичности выполните следующие шаги:
Решение любых задач, связанных с производством HDI-плат любого уровня сложности
Переход к Изготовление печатных плат HDI любого слоя не обходится без трудностей. Уровень выхода продукции в значительной степени зависит от качества управления производственным процессом и от состояния основного оборудования.
Пустоты при медном покрытии
Заполнение слепых микропереходов сплошной медью без образования пузырьков воздуха или остатков химических веществ представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Для этого требуется применение передовых технологий импульсного гальванического покрытия. Если внутри многослойного перехода образуется пустота, она выступает в качестве концентратора напряжений, что почти наверняка приведет к появлению трещин при высоких температурах, возникающих в процессе сборки.
Точность регистрации
Поскольку печатная плата формируется слой за слоем в процессе последовательного ламинирования, для обеспечения точности совмещения (регистрации) между 10 или 12 слоями требуются самые современные оптические системы выравнивания (LDI). Отклонение всего в 20 микрометров может привести к тому, что микропереход не попадет в целевую контактную площадку, что приведет к браку всей платы.
Плоскостность поверхности
Чтобы уложить переходную отверстие, поверхность под ним должна быть идеально ровной. Производители должны применять химико-механическую планаризацию (CMP) или специальные методы гальваники, чтобы обеспечить полную гладкость медной поверхности перед нанесением следующего диэлектрического слоя.
Если ваше устройство эксплуатируется в условиях динамических механических нагрузок, вам также может понадобиться сочетать технологии HDI с гибкими материалами. Ознакомьтесь с нашим руководством по Ориентирование в правилах проектирования гибко-жестких печатных плат для получения дополнительной информации.
Пример из практики: внедрение ELIC в мобильные устройства
Рассмотрим материнскую плату современного смартфона с поддержкой 5G. Эта плата отличается невероятной плотностью компоновки и выполнена по 12-слойной технологии ELIC (Any-Layer HDI).
Задача: Размещение прикладного процессора с шагом 0,35 мм на одной плате вместе с высокоскоростной памятью LPDDR5 и модулями радиочастотного фронт-энда 5G на площади меньше кредитной карты.
Решение: Благодаря использованию многоуровневых микропереходов типа «via-in-pad» инженеры смогли разветвить сигналы процессора непосредственно на внутренние слои, обойдясь без выводящих дорожек на поверхности. Для распределения питания и заземления на внутренние слои использовались микропереходы, расположенные в шахматном порядке, что обеспечило стабильную работу сети питания (PDN).
Результат: Высоконадежная материнская плата с невероятно высокой плотностью компоновки, способная выдерживать скорости в несколько гигабит и значительные тепловые нагрузки.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Хотя теоретически количество слоев может быть неограниченным, в большинстве практических применений используются HDI-структуры с любым количеством слоев от 10 до 14. При превышении 14 последовательных циклов ламинирования выход готовой продукции снижается, а затраты растут экспоненциально из-за сложностей с выравниванием и накопления термических напряжений.
Стандартный FR4 с высоким содержанием стекла сложно точно просверлить лазером. Для получения чистых микропроходов и надежного гальванического покрытия настоятельно рекомендуется использовать специализированный FR4 с низким содержанием стекла или с равномерно распределенным стеклом, либо материал с медным слоем, покрытым смолой (RCC).
Она значительно дороже. 10-слойная плата ELIC может стоить в 2–3 раза дороже стандартной платы HDI 2+6+2 из-за необходимости проведения нескольких последовательных циклов ламинирования, обширного лазерного сверления и применения сложных технологий заполнения медными слоями.
Iii. Выводы и рекомендации
Изготовление печатных плат HDI любого слоя представляет собой абсолютный передовой уровень в области проектирования аппаратного обеспечения для бытовой, автомобильной и медицинской электроники. Хотя этот подход требует строгой проектной дисциплины и более значительных производственных бюджетов, результаты в плане миниатюризации, плотности размещения компонентов и целостности сигнала не имеют себе равных. Благодаря тесному сотрудничеству с высококвалифицированным поставщиком услуг по производству электронных систем (EMS) и соблюдению строгих принципов DFM при использовании многослойных микропереходов инженеры могут успешно применять эту технологию для создания ультракомпактных устройств нового поколения.