تولید PCB HDI: ملاحظات طراحی انتقادی برای الکترونیک با عملکرد بالا

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

PCBهای با چگالی بالا تبدیل به ستون فقرات الکترونیک مدرن شده اند و امکان کوچک سازی و عملکرد مورد نیاز برای دستگاه های 5G، ایمپلنت های پزشکی،و سیستم های پیشرفته خودروبرخلاف PCB های سنتی، طرح های HDI اجزای بیشتری، ردیف های ظریف تر و ویاس های کوچکتر را در فضاهای تنگ تر بسته بندی می کنند که نیاز به استراتژی های دقیق طراحی و تولید دارند.از قرار دادن میکروویا تا بهینه سازی استیک لایه، هر تصمیمی بر یکپارچگی سیگنال، قابلیت اطمینان و هزینه تاثیر می گذارد. این راهنما ملاحظات طراحی اساسی برای تولید PCB HDI را شرح می دهد،کمک به مهندسان برای حرکت در پیچیدگی های طراحی های با تراکم بالا.

نکات کلیدی
1PCB های HDI نیاز به رعایت دقیق قوانین طراحی دارند: میکروویاس (50 ′′ 150μm) ، ردپای های نازک (25 ′′ 50μm) ، و مقاومت کنترل شده (± 5٪) برای پشتیبانی از سیگنال های 100Gbps +.
2طراحی استیک لایه ٬ به ویژه لایه بندی دنباله دار ٬ در مقایسه با لایه بندی دسته سنتی، از دست دادن سیگنال را 40٪ کاهش می دهد که برای برنامه های 5G و هوش مصنوعی حیاتی است.
3.انتخاب مواد (لامینت های کم ضرر، مس نازک) و بررسی DFM (طراحی برای تولید) نقص های تولید را در تولید حجم بالا 60٪ کاهش می دهد.
4تعادل تراکم و قابلیت تولید کلیدی است: طراحی های بیش از حد پیچیده باعث افزایش هزینه ها به میزان 30٪ تا 50٪ بدون افزایش عملکرد متناسب می شود.

چه چیزی PCB های HDI را منحصر به فرد می کند؟
PCB های HDI با توانایی خود برای دستیابی به چگالی بیشتر قطعات و سرعت سیگنال سریعتر از PCB های سنتی تعریف می شوند، به لطف سه ویژگی اصلی:

a.Microvias: سوراخ های کوچک، پوشش داده شده (50-150μm قطر) که لایه ها را بدون نفوذ به کل صفحه متصل می کنند، استفاده از فضای 70٪ در مقایسه با سوراخ های سوراخ را کاهش می دهد.
ب. ردیاب های خوب: خطوط مس باریک (25μ50μm عرض) که امکان مسیرهای متراکم را فراهم می کند، پشتیبانی از 1000+ قطعات در هر اینچ مربع.
c. بهینه سازی استیک لایه: 4 ′′16 لایه نازک (در مقابل 2 ′′8 لایه ضخیم در PCB های سنتی) با لایه بندی متوالی برای تراز دقیق.

این ویژگی ها PCB های HDI را برای دستگاه هایی که اندازه و سرعت آنها مهم است، از ایستگاه های پایه 5G تا مانیتورهای بهداشتی پوشیدنی، ضروری می کنند.

ملاحظات اصلی طراحی برای PCB های HDI
طراحی PCB های HDI نیاز به تعادل تراکم، عملکرد و قابلیت تولید دارد. در زیر عوامل مهمی برای رسیدگی به آن ها آورده شده است:
1طراحی و قرار دادن میکروویا
میکروویا سنگ بنای طراحی HDI هستند، اما موفقیت آنها به برنامه ریزی دقیق بستگی دارد:

انواع میکروویا:
راه های کور: اتصال لایه های بیرونی به لایه های داخلی (به عنوان مثال، لایه 1 به لایه 2) بدون رسیدن به طرف مقابل. ایده آل برای کاهش طول مسیر سیگنال.
ویاس های دفن شده: لایه های داخلی (به عنوان مثال لایه 3 به لایه 4) را به هم متصل می کنند و لایه های بیرونی را برای اجزای موجود پاک می کنند.
ویاس های انباشته شده: چندین میکروویاس که عمودی انباشته شده اند (به عنوان مثال لایه 1→2→3) برای اتصال 3+ لایه، 40٪ فضای در مقایسه با طرح های غیر انباشته را صرفه جویی می کنند.

اندازه و نسبت ابعاد:
قطر: 50-150μm (ویاس های کوچکتر = تراکم بالاتر، اما تولید آن سخت تر است).
نسبت ابعاد (عمق:قطر): ≤1:1 برای قابلیت اطمینان. یک میکرووی 100μm باید قطر ≥100μm داشته باشد تا از مشکلات پوشش جلوگیری شود.

قوانین فاصله گذاری:
برای جلوگیری از مدار کوتاه و صدای عبور سیگنال باید فاصله میان مایکروویا ها ≥2 برابر از قطر آنها باشد (به عنوان مثال فاصله 200μm برای 100μm vias).
برای جلوگیری از رقیق شدن مس در هنگام حک کردن، میکروویا ها را به فاصله ≥100μm از لبه های ردیابی نگه دارید.

2. عرض ردیابی، فاصله و کنترل مقاومت
ردیف های ظریف باعث چگالی می شوند اما چالش های یکپارچگی سیگنال را ایجاد می کنند:

ابعاد ردی:
عرض: 25 ‰ 50μm برای ردیابی سیگنال؛ 100 ‰ 200μm برای ردیابی قدرت (برای مدیریت جریان بالاتر).
فاصله: ≥25μm بین ردیف ها برای به حداقل رساندن crosstalk (مداخلات الکترومغناطیسی). برای سیگنال های فرکانس بالا (28GHz+) ، فاصله را به ≥50μm افزایش دهید.

کنترل مقاومت:
PCB های HDI اغلب نیاز به مقاومت کنترل شده دارند (به عنوان مثال، 50Ω برای ردیف های تک سرانه، 100Ω برای جفت های فرقی) برای جلوگیری از بازتاب سیگنال.
مقاومت به عرض ردیف، ضخامت مس و مواد دی الکتریک بستگی دارد. برای محاسبه ابعاد از ابزارهایی مانند Polar Si8000 استفاده کنید حتی یک تغییر 5μm در عرض ردیف می تواند مانع را 10٪ تغییر دهد.

3. طرح لایه ها
لایه های HDI پیچیده تر از PCB های سنتی هستند، با لایه بندی متوالی (سطح های ساخت یک در یک زمان) دقت را تضمین می کنند:

تعداد لایه ها:
4 × 8 لایه: برای الکترونیک مصرفی (به عنوان مثال گوشی های هوشمند) با تراکم متوسط رایج است.
لایه های 10-16: در سیستم های صنعتی و هوافضا مورد استفاده قرار می گیرند که نیاز به لایه های گسترده قدرت، زمین و سیگنال دارند.

لامیناسیون دنباله دار:
لامیناسیون دسته ای سنتی (فشار همه لایه ها به طور همزمان) خطر عدم تراز (± 25μm) را دارد. لامیناسیون دنباله ای تراز ± 5μm را به دست می آورد، که برای میکروویا های انباشته حیاتی است.
هر لایه جدید با استفاده از نشانگرهای تراز لیزری به انبار موجود متصل می شود، که باعث کاهش 80 درصد مدار کوتاه از ویاس های غلط شده می شود.

نقشه های قدرت و زمین:
شامل قدرت اختصاصی (VCC) و هواپیماهای زمینی برای کاهش سر و صدا و ارائه مسیرهای بازگشت با مقاومت پایین برای سیگنال های با سرعت بالا.
هواپیماهای زمینی را در کنار لایه های سیگنال قرار دهید تا از EMI محافظت شود که برای طرح های 5G mmWave (28GHz+) ضروری است.

4انتخاب مواد
PCB های HDI به مواد نیاز دارند که ویژگی های ظریف و عملکرد فرکانس بالا را پشتیبانی می کنند:

مواد زیربنایی:
FR4 با از دست دادن کم: مقرون به صرفه برای الکترونیک مصرفی (به عنوان مثال، تبلت) با سیگنال های ≤10Gbps. Dk (ثابت دی الکتریک) = 3.8 √ 4.2.
RO4350 راجرز: ایده آل برای 5G و رادار (28GHz) با Dk کم (3.48) و از دست دادن کم (Df = 0.0037) ، کاهش ضایع سیگنال 50٪ در مقایسه با FR4 است.
PTFE (تفلون): در هوافضا برای سیگنال های 60GHz + استفاده می شود، با Dk = 2.1 و ثبات درجه حرارت عالی (-200 °C تا 260 °C).

ورق مس:
مس نازک (1⁄2 ¢ 1 اونس): امکان ایجاد ردپای های نازک (25μm) بدون حکاکی بیش از حد را فراهم می کند.
مس رولد: انعطاف پذیرتر از مس الکترودپوزیت شده، در برابر ترک در طرح های انعطاف پذیر HDI (به عنوان مثال، تلفن های تاشو) مقاومت می کند.

دی الکتریک:
دیالکتریک های نازک (50-100μm) بین لایه ها تاخیر سیگنال را کاهش می دهند، اما ضخامت ≥50μm را برای قدرت مکانیکی حفظ می کنند.

5طراحی برای تولید (DFM)
طرح های HDI بدون بهینه سازی DFM مستعد نقص های سازمانی هستند (به عنوان مثال، خلاهای میکروویا، زیرپوشیدن ردیابی):

در صورت امکان ساده سازی کنید:
اجتناب از لایه های غیر ضروری یا لایه های انباشته شده هر پیچیدگی اضافی هزینه و خطر نقص را افزایش می دهد. یک طراحی 10 لایه ممکن است 30٪ بیشتر از یک طراحی 8 لایه با عملکرد مشابه هزینه کند.
استفاده از اندازه های استاندارد میکروویا (100μm) به جای کوچکتر (50μm) برای بهبود بهره وری (95٪ در مقایسه با 85٪ در تولید حجم بالا).

ملاحظات حکاکی و پوشش:
اطمینان حاصل کنید که انتقال های ردیابی به پد صاف است (زاویه 45 °) برای جلوگیری از شلوغ شدن جریان و حفره های پوشش.
حداقل ضخامت پوشش مس (15μm) را در میکروویا مشخص کنید تا از مقاومت بالا و شکست حرارتی جلوگیری شود.

قابل آزمایش:
شامل نقاط آزمایش (قطر ≥0.2mm) برای آزمایش های هواپیمایی یا در مدار که برای تشخیص باز شدن / کوتاه شدن در طرح های متراکم ضروری است.

چالش های تولید در تولید PCB HDI
حتی PCB های HDI که به خوبی طراحی شده اند با موانع تولید روبرو هستند که نیاز به فرآیندهای تخصصی دارند:

1حفاری لیزر برای میکروویا
دریل های مکانیکی نمی توانند به طور قابل اعتماد سوراخ های 50-150μm ایجاد کنند، بنابراین HDI به حفاری لیزر متکی است:

لیزرهای UV: ایجاد سوراخ های تمیز و دقیق (طاقت ± 5μm) با کمترین روغن رزین
لیزرهای CO2: برای میکروویا های بزرگتر (100-150μm) استفاده می شود، اما خطر استفاده از رزین وجود دارد، که نیاز به تمیز کردن پس از حفاری دارد.

چالش: تراز لیزر باید با داده های طراحی با دقت ±5μm مطابقت داشته باشد؛ عدم تراز 30٪ از نقایص HDI را ایجاد می کند.

2. کنترل لامیناسیون دنباله دار
هر مرحله لایه بندی نیاز به دمای دقیق (180~200°C) و فشار (300~400 psi) برای پیوند لایه های بدون لایه بندی دارد:

لایه بندی خلاء: حباب های هوا را از بین می برد و فضای خالی در میکروویا را 70 درصد کاهش می دهد.
پروفایل سازی حرارتی: اطمینان از سفت شدن یکنواخت حتی یک تغییر 10 درجه سانتیگراد می تواند باعث گرسنگی رزین در لایه های داخلی شود.

3بازرسی و آزمایش
نقایص HDI اغلب برای بازرسی بصری بسیار کوچک هستند و به ابزارهای پیشرفته نیاز دارند:

بازرسی اشعه ایکس: مشکلات پنهان را تشخیص می دهد (به عنوان مثال ، از طریق عدم تراز شدن ، حفره های پوشش داده شده).
AOI (بررسی نوری خودکار): چک کردن عیب های ردیابی (به عنوان مثال ترک ها، کاهش) با وضوح 5μm.
TDR (Reflectometry Domain Time): ثابت کردن تداوم مقاومت، برای سیگنال های با سرعت بالا حیاتی است.

کاربردها و تعویضات طراحی
اولویت های طراحی HDI با توجه به برنامه های کاربردی متفاوت است و نیاز به رویکردهای متناسب دارد:
1دستگاه های 5G (اسمارتفون ها، ایستگاه های پایه)
نيازها: سيگنال هاي 28 گيگاهرتز، مينياتوريزه، خسارت کم.
تمرکز طراحی: زیربناهای راجرز، جفت های فرقی 100Ω، میکروویای انباشته شده.
مبادله: هزینه های مواد بالاتر (Rogers 3x FR4) اما برای سرعت داده 10Gbps + ضروری است.

2ایمپلنت های پزشکی
نیازها: سازگاری زیستی، قابلیت اطمینان، اندازه کوچک.
تمرکز طراحی: 4 × 6 لایه، بستر PEEK، حداقل میکروویا برای کاهش نقاط شکست.
مبادله: تراکم کمتر اما برای طول عمر 10+ سال حیاتی است.

3. ADAS خودرو
الزامات: مقاومت در برابر دما (-40°C تا 125°C) ، تحمل لرزش.
تمرکز طراحی: FR4 Tg بالا (Tg ≥170 °C) ، مس ضخیم (2 اونس) برای رد اثر قدرت.
تجارت: واس های کمی بزرگتر (100-150μm) برای تولید در تولید حجم بالا.

سوالات عمومی
س: کوچکترین اندازه میکروویا برای PCB های تولید انبوه HDI چیست؟
A: 50μm با حفاری لیزر UV قابل دستیابی است، اما 75 ‰ 100μm برای تولید حجم بالا مقرون به صرفه (برآمد > 95٪ در مقابل 85٪ برای 50μm) رایج تر است.

س: لایه بندی متوالی چگونه بر هزینه تاثیر می گذارد؟
ج: لایه بندی متوالی 20٪ تا 30٪ هزینه تولید را در مقایسه با لایه بندی دسته اضافه می کند اما نرخ نقص را 60٪ کاهش می دهد و کل هزینه مالکیت را کاهش می دهد.

س: آیا PCB های HDI می توانند سخت و انعطاف پذیر باشند؟
ج: بله، HDI سخت و انعطاف پذیر، بخش های سخت (برای قطعات) را با لایه های انعطاف پذیر پلی آمید (برای خم کردن) ترکیب می کند و برای اتصال آنها از میکروویا استفاده می کند. ایده آل برای تلفن های تاشو و اندوسکوپ های پزشکی است.

س: حداکثر تعداد لایه برای PCB های HDI چیست؟
A: تولید کنندگان تجاری تا 16 لایه تولید می کنند، در حالی که نمونه های اولیه هوافضا / دفاع از 20+ لایه با لایه بندی تخصصی استفاده می کنند.

س: چگونه می توانم تراکم و قابلیت اطمینان را متعادل کنم؟
A: تمرکز بر روی مناطق مهم (به عنوان مثال، 0.4 میلی متر BGA) برای ویژگی های خوب، و استفاده از رد / Vias بزرگتر در مناطق کمتر متراکم. بررسی DFM با سازنده خود را می تواند بیش از مهندسی شناسایی.

نتیجه گیری
تولید PCB HDI نیاز به ترکیبی دقیق از دقت طراحی و تخصص تولید دارد. از قرار دادن میکرووی تا انتخاب مواد، هر تصمیمی بر عملکرد، هزینهو قابلیت اطمینانبا اولویت بندی DFM، استفاده از لایه بندی متوالی و هماهنگی طرح ها با نیازهای برنامه، مهندسان می توانند پتانسیل کامل فناوری HDI را آزاد کنندو الکترونيک قابل اعتماد تر.

در حالی که شبکه های 5G، هوش مصنوعی و اینترنت اشیا به گسترش محدودیت های امکان پذیر ادامه می دهند، PCB های HDI همچنان ضروری خواهند بود. نکته کلیدی این است که نوآوری را با عملی بودن متعادل کنیم: به اندازه کافی متراکم برای رسیدن به اهداف عملکرد،اما به اندازه کافی قابل تولید برای مقیاس موثر استبا توجه به طراحی مناسب، PCB های HDI نسل بعدی پیشرفت های الکترونیکی را ادامه خواهند داد.