Innehållsförteckning
Utvecklingen av högtäthetsanslutningar inom modern elektronik
I takt med att elektroniska enheter som flaggskeppssmartphones, bärbara enheter för förstärkt verklighet och implanterbara medicintekniska enheter blir allt mindre har de traditionella teknikerna för ledningsdragning på kretskort (PCB) stött på en fysisk gräns. Det finns helt enkelt inte tillräckligt med plan yta för att fördela BGA-komponenter (Ball Grid Array) med stort antal anslutningsstift med hjälp av standardmässiga, mekaniskt borrade genomgående hål.
Denna utrymmesbrist ledde till utvecklingen av HDI-tekniken (High Density Interconnect). Men även standard-HDI (med strukturer som 1+N+1 eller 2+N+2) räcker ibland inte till. Här kommer Tillverkning av HDI-kretskort i valfritt antal lager—den absoluta höjdpunkten inom högdensitetsrouting. I denna avancerade tekniska guide kommer vi att granska arkitekturen för HDI med valfritt skikt, analysera tillverkningsutmaningarna, jämföra den med traditionell HDI och presentera en vägkarta för hårdvaruingenjörer som vill integrera den på ett framgångsrikt sätt.
Vad är ett HDI-kretskort med valfritt skikt?
I ett vanligt HDI-kretskort är mikrovias vanligtvis begränsade till de yttre skikten, där de förbinder skikt 1 med skikt 2 eller skikt 3. Den inre ”N”-kärnan ansluts vanligtvis via en traditionell, mekaniskt borrad nedgrävd via. Denna mekaniska kärna tar upp betydande utrymme och begränsar ledningsläggningstätheten på de inre skikten.
En HDI-kretskort för valfritt skikt (även känt som Every Layer Interconnect eller ELIC) eliminerar den styva mekaniska kärnan helt. Istället byggs varje enskilt lager i kretskortet upp sekventiellt, och varje lager kan anslutas till sitt intilliggande lager med hjälp av laserborrade mikrovias. Dessa mikrovias kan staplas direkt ovanpå varandra, vilket skapar en solid, kopparfylld pelare som sträcker sig från vilket lager som helst till vilket annat lager som helst – vilket möjliggör fri signalföring i tre dimensioner utan att ta upp utrymme på lagren däremellan.
De viktigaste fördelarna med HDI i alla skikt
- Den ultimata miniatyriseringen: Genom att undvika stora mekaniska borrhål och istället använda via-fästpunkter frigör du upp till 40% mer utrymme för ledningsdragning. Detta möjliggör betydligt mindre kretskortsformat utan att funktionaliteten påverkas.
- Överlägsen signalintegritet: Staplade, kopparfyllda mikrovias har betydligt lägre parasitisk kapacitans och induktans jämfört med traditionella genomgående hål. Detta är avgörande för signalöverföring i flera gigabit, vilket vi behandlar ingående i Grundläggande tekniker för höghastighetsfräsning av kretskort.
- Stöd för BGA-kretsar med stort antal anslutningsstift: Det är det enda genomförbara sättet att dra ledningar mellan komponenter med ett avstånd på 0,4 mm eller mindre utan att signalerna går förlorade eller att det uppstår flaskhalsar i ledningsdragningen.
- Förbättrad tillförlitlighet: Eftersom mikrovias är betydligt mindre och fyllda med massiv koppar är de mindre benägna att spricka vid termisk belastning jämfört med ihåliga, mekaniskt borrade vias.
Fördjupning: Staplade kontra förskjutna mikrovias
När man konstruerar ett HDI-kretskort med valfria lager finns det två huvudsakliga metoder för att skapa övergångar mellan flera lager: stapling eller förskjutning av mikrovias.
Staplade mikrovias
Staplade mikrovias är placerade direkt ovanpå varandra.
Proffs: Tar upp minimalt med utrymme. Ger den kortast möjliga strömvägen, vilket förbättrar signalintegriteten.
Nackdelar: Tillverkningen är mycket komplex. Den undre mikrovia måste fyllas perfekt med massiv koppar och planeras (jämnas ut) innan nästa mikrovia kan laserborras och pläteras ovanpå den. Att stapla fler än tre eller fyra mikrovior medför betydande termisk spänning längs Z-axeln, vilket ökar risken för att via-förbindelserna lossnar under reflow-lödningen.
Förskjutna mikrovias
Förskjutna mikrovias är förskjutna i förhållande till varandra på intilliggande skikt.
Proffs: Mycket enklare att tillverka. Den termiska belastningen fördelas över ett större område, vilket avsevärt förbättrar kretskortets mekaniska tillförlitlighet både under monteringen och i drift.
Nackdelar: Tar upp mer fysiskt utrymme på kretskortet. Den elektriska ledningsvägen är något längre, vilket kan ha försumbara effekter vid extrema frekvenser.
Så här utformar du för alla lager i HDI (steg-för-steg-guide)
Följ dessa tekniska riktlinjer.
- Kontakta Fab House i god tid
HDI-kretskort med valfritt antal skikt kräver avancerad Laser Direct Imaging (LDI) och sekventiell laminering. Kontrollera tillverkarens specifika gränsvärden för mikrovias bildförhållande (vanligtvis 0,8:1 eller 1:1) samt minsta dielektriska tjocklek.
- Definiera via-uppbyggnaden
Konfigurera ditt CAD-verktyg så att det tillåter blinda och inbäddade mikrovias i alla angränsande lager. Definiera reglerna för ”staplade vias” respektive ”förskjutna vias” i din DRC (Design Rule Check).
- Prioritera förskjutna placeringar framför staplade
Även om staplade via-hål erbjuder den kortaste elektriska vägen bör staplingen begränsas till högst 2 eller 3 lager för att undvika kraftig termisk belastning vid reflow-lödning. När utrymmet vid ledningsdragningen tillåter det bör du placera mikrovia-hålen förskjutet.
- Implementera Via-in-Pad
Placera dina mikrovias direkt inuti BGA-kontaktytorna. Eftersom dessa mikrovias måste vara helt kopparpläterade och planerade kommer de inte att suga upp lödtenn under monteringsprocessen, vilket förhindrar svaga lödförband.
- Använd hartsbelagd koppar (RCC)
Traditionella prepreg-material innehåller glasfiberväv som kan avleda laserborrningen och därmed orsaka icke-cirkulära hål. Ange RCC eller specialiserade laserborrbara prepreg-material för uppbyggnadsskikten för att säkerställa en ren och precis bildning av mikrovia.
Att utforma ett HDI-kretskort med valfritt antal lager kräver en grundläggande förändring i hur du arbetar med ditt EDA-verktyg (Electronic Design Automation). Följ dessa steg för att säkerställa tillverkningsbarheten:
Att övervinna alla utmaningar inom tillverkningen av HDI-kretskort
Övergången till Tillverkning av HDI-kretskort i valfritt antal lager är inte utan utmaningar. Avkastningsgraden är i hög grad beroende av tillverkarens processkontroll och maskinpark.
Hålrum vid kopparplätering
Det är mycket komplicerat att fylla blinda mikrovia med massiv koppar utan att luftbubblor eller kemiska rester fastnar. Det krävs avancerad pulspläteringsteknik. Om det bildas ett hålrum inuti den staplade viaen fungerar det som en spänningskoncentrator som med stor sannolikhet kommer att spricka under de höga temperaturerna i monteringsprocessen.
Registreringsnoggrannhet
Eftersom kretskortet byggs upp lager för lager i en sekventiell lamineringsprocess krävs det avancerade optiska inriktningsverktyg (LDI) för att upprätthålla inriktningen (registreringen) över 10 eller 12 lager. En avvikelse på bara 20 mikrometer kan leda till att en mikrovia missar sin målplatta, vilket förstör hela kretskortet.
Ytplanhet
För att kunna stapla en via måste ytan under den vara helt plan. Tillverkarna måste använda kemisk-mekanisk planering (CMP) eller specialiserade pläteringstekniker för att säkerställa att kopparytan är helt slät innan nästa dielektriska skikt läggs på.
Om din enhet används i dynamiska mekaniska miljöer kan det också vara en god idé att kombinera HDI-tekniker med flexibla material. Läs vår guide om Att navigera bland designreglerna för styv-flex-kretskort för mer information.
Fallstudie: Implementering av ELIC i mobila enheter
Tänk dig moderkortet i en modern 5G-smartphone. Kortet är otroligt tätt packat och bygger på en 12-lagers ELIC-struktur (Any-Layer HDI).
Utmaningen: Att placera en applikationsprocessor med 0,35 mm delning tillsammans med höghastighetsminne av typen LPDDR5 och 5G-RF-frontendmoduler på en yta som är mindre än ett kreditkort.
Lösningen: Genom att använda staplade mikrovias av typen ”via-in-pad” kunde ingenjörerna sprida ut processorsignalerna direkt till de inre skikten utan att behöva använda utgångsspår på ytan. Förskjutna mikrovias användes för att distribuera ström och jord till de inre skikten, vilket säkerställde ett stabilt strömförsörjningsnätverk (PDN).
Resultatet: Ett mycket tillförlitligt och otroligt kompakt moderkort som klarar hastigheter på flera gigabit och stora värmebelastningar.
Ofta ställda frågor (FAQ)
Även om antalet lager i teorin är obegränsat används i de flesta praktiska tillämpningarna HDI-strukturer med 10 till 14 lager av valfritt slag. Utbytet minskar och kostnaderna stiger exponentiellt när man överskrider 14 på varandra följande lamineringscykler, på grund av svårigheter med inriktningen och ackumulering av termisk spänning.
Vanlig FR4 med hög glasandel är svår att laserbora med hög precision. Specialiserad FR4 med låg glasandel eller jämnt fördelad glasandel, eller Resin Coated Copper (RCC), rekommenderas starkt för att uppnå rena mikrovia och tillförlitlig plätering.
Det är betydligt dyrare. Ett ELIC-kort med 10 lager kan kosta 2 till 3 gånger mer än ett standard-HDI-kort av typen 2+6+2 på grund av de många på varandra följande lamineringscyklerna, den omfattande laserborrningen och de avancerade kopparfyllningsprocesserna som krävs.
Slutsats
Tillverkning av HDI-kretskort i valfritt antal lager utgör den absoluta spetsen inom hårdvarudesign för konsument-, fordons- och medicinsk elektronik. Även om det kräver strikt designdisciplin och högre tillverkningsbudgetar är vinsterna i form av miniatyrisering, komponenttäthet och signalintegritet oöverträffade. Genom att samarbeta nära med en mycket kompetent EMS-leverantör och följa strikta DFM-principer för staplade mikrovias kan ingenjörer framgångsrikt använda denna teknik för att bygga nästa generation av ultrakompakta enheter.