میکروویای PCB HDI: تجزیه و تحلیل هزینه و سود طرح های انباشته در مقابل طرح های مرحله ای

PCB های High-Density Interconnect (HDI) به ستون فقرات الکترونیک مدرن تبدیل شده اند و باعث کوچک شدن و عملکرد مورد نیاز برای دستگاه های 5G، ایمپلنت های پزشکی و سنسورهای IoT می شوند.در قلب تکنولوژی HDI، مسیرهای رسانا دارای قطر کوچک (≤0.15 میلی متر) که لایه ها را بدون مصرف فضای سطحی ارزشمند به هم متصل می کنند. دو پیکربندی اصلی میکروویا بر طراحی HDI تسلط دارند: انباشته و مرحله ای.در حالی که هر دو امکان چگالی بیشتر از قطعات از طریق سوراخ های سنتی را فراهم می کنند، هزینه ها، ویژگی های عملکردی و مناسب بودن برای کاربردهای خاص به طور قابل توجهی متفاوت است. این راهنما تجزیه و تحلیل هزینه و سود مفصل از میکروویا های انباشته در مقابل مرحله ای را ارائه می دهد.کمک به مهندسان و تیم های خرید برای تصمیم گیری آگاهانه که عملکرد را متعادل می کند، قابل اعتماد و بودجه.

درک میکروویای HDI: انباشته شده در مقابل مستحکم
میکروویا ها سوراخ های لیزری یا مکانیکی حفاری شده با مس هستند که برای اتصال لایه ها در PCB های HDI طراحی شده اند. اندازه کوچک آنها (معمولاً قطر 0.1 ~ 0.15 میلی متر) و عمق کم (≤ 0.1 تا 0.3 میلی متر)2mm) اجازه می دهد تا فاصله ردیابی تنگ تر و تراکم قطعات بالاتر از ویاس های استاندارد.

میکروویای انباشته شده
میکروویا های انباشته شده عمودی هم تراز شده اند و هر یک از لایه های بالای آن به طور مستقیم به لایه های پایین تر متصل می شوند و یک ستون رسانا مستمر از طریق چندین لایه را تشکیل می دهند.یک میکروویای انباشته شده ممکن است لایه 1 را به لایه 2 متصل کند، لایه 2 به لایه 3 و غیره، ایجاد یک مسیر از لایه بالا به لایه 4 بدون نفوذ به لایه های متوسط.

ویژگی اصلی: نیاز به "فاس های عبور" که لایه ها را دور می کنند را از بین می برد و بهره وری فضای را به حداکثر می رساند.

تنظیمات معمولی: در PCB های HDI 6+ لایه استفاده می شود که فضای عمودی بسیار مهم است.

میکروویای به هم پیوسته
میکروویا های متراکم افقی هستند، بدون هیچ تراز عمودی بین ویاس ها در لایه های مجاور.یک از طریق اتصال لایه 1 به لایه 2 خواهد شد در میان vias اتصال لایه 2 به لایه 3 قرار داده شده است، اجتناب از انباشت عمودی مستقیم.
ویژگی اصلی: فشار مکانیکی را در وصلات از طریق کاهش می دهد، زیرا هیچ توده مس متمرکز در یک خط عمودی واحد وجود ندارد.
تنظیمات معمولی: رایج در PCB های HDI 4 × 6 لایه که در آن قابلیت تولید و هزینه اولویت دارند.

مقایسه هزینه ها: مایکروویا های انباشته شده در مقابل انباشته شده
تفاوت هزینه بین میکروویا های انباشته شده و مرحله ای ناشی از پیچیدگی تولید، استفاده از مواد و نرخ بهره می باشد. در اینجا یک تجزیه دقیق وجود دارد:
1هزینه های تولید

کل هزینه تولید: مایکروویا های انباشته شده به طور معمول 30٪ تا 50٪ بیشتر از مایکروویا های مرحله ای برای تعداد لایه های معادل هزینه می کنند.

2هزینه های مواد
زیربنای: میکروویا های انباشته نیاز به لایه های کم ضایعات و Tg بالا (به عنوان مثال، Rogers RO4830) برای حفظ یکپارچگی سیگنال از طریق مسیرهای عمودی دارند.افزایش هزینه های مواد 15~20% در مقایسه با استاندارد FR-4 استفاده شده با ویاس های مرحله ای.
مس: طرح های انباشته به ۲۰ تا ۳۰ درصد مس بیشتر برای اطمینان از اتصال قابل اعتماد از طریق لایه های متعدد نیاز دارند و هزینه های مواد را افزایش می دهند.

3نرخ های بازده
مایکروویا های انباشته شده: به دلیل الزامات صمیمیت و تداوم سختگیرانه ، به طور متوسط 75-85٪ تولید می کنند. یک مسیر نادرست می تواند کل PCB را معیوب کند.
میکروویای متراکم: بازده بالاتر (85٪) است زیرا خطاهای تراز بر عملکرد تأثیر کمتری دارد.
تاثیر هزینه بر تولیدات: برای تولید 10،000 واحد، میکروویا های انباشته شده به 1500 PCB اضافی برای جبران تولیدات کمتر نیاز دارند و کل هزینه ها را 15٪ افزایش می دهند.

مزایای عملکرد: هنگامی که میکروویای انباشته شده هزینه را توجیه می کند
علیرغم هزینه های بالاتر، میکروویا های انباشته مزایای عملکردی را ارائه می دهند که آنها را برای کاربردهای خاص ضروری می کند:

1چگالي اجزا بالاتر
مایکروویا های انباشته شده فضای افقی مورد نیاز برای انتقال لایه را در مقایسه با طرح های مرحله ای 40٪ تا 60٪ کاهش می دهند و این امکان را فراهم می کنند:
ردپای PCB کوچکتر (برای پوشیدنی ها، سمعک ها و سنسورهای هواپیماهای بدون سرنشین حیاتی است).
تعداد اجزای بالاتر در هر اینچ مربع (تا 2000 جزء در مقابل 1200 با ویاس های تکان دهنده).
مثال: یک PCB تلفن هوشمند 5G با استفاده از میکروویاس های انباشته شده 25٪ بیشتر از اجزای RF در همان منطقه 100 سانتی متر مربع نسبت به یک طراحی مرحله ای قرار می گیرد، که پردازش سریعتر داده ها را امکان پذیر می کند.

2بهبود صداقت سیگنال
در طرح های فرکانس بالا (28GHz+) ، میکروویای انباشته شده از دست دادن سیگنال را با:
کوتاه کردن مسیرهای سیگنال (۳۰٪ تا ۴۰٪ کوتاه تر از راه های مرحله ای).
کاهش قطعیت مقاومت (ویاس های تکان دهنده ایجاد استوب هایی می کنند که سیگنال های فرکانس بالا را منعکس می کنند).
آزمایشات نشان می دهد که مایکروویا های انباشته شده از دست دادن ورودی را در 60GHz به میزان 0.5-1.0dB / اینچ در مقایسه با طرح های مرحله ای کاهش می دهند که برای برنامه های 5G mmWave بسیار مهم است.

3مدیریت حرارتی بهتر
ستون های عمودی مس در مایکروویا های انباشته به عنوان لوله های حرارتی عمل می کنند و گرما را از اجزای داغ (به عنوان مثال پردازنده ها) به هواپیماهای خنک کننده 20٪ تا 30٪ با کارایی بیشتری نسبت به ویاس های مرحله ای گسترش می دهند.این باعث کاهش نقاط گرم در 10 ≈ 15 ° C در PCB های فشرده شده می شود، طول عمر قطعات را افزایش می دهد.

مزایایی عملی از میکروویا
میکروویای مرحله ای در کاربردهایی که در آن هزینه، قابلیت تولید و قابلیت اطمینان بر تراکم شدید اولویت دارند، برجسته می شوند:
1خطر پایین تر از خرابی مکانیکی
ویاس های متراکم فشار را به طور مساوی تر در سراسر PCB توزیع می کنند و آنها را در برابر:
چرخه حرارتی (ویاس های تک مرحله ای 1500+ چرخه در مقابل 1000+ برای ویاس های انباشته را تحمل می کنند).
خم شدن مکانیکی (برای PCB های انعطاف پذیر و سخت در دستگاه های خودرو و پزشکی حیاتی است).
مطالعه موردی: یک تولید کننده از PCB های خودرو ADAS از مایکروویا های انباشته به مایکروویا های مرحله ای تغییر کرد و شکست های میدان ناشی از ارتعاش را 40٪ کاهش داد.

2آسان تر ساخت و بازکاری
الزامات ترازوی مایکروویا­ها در مراحل ساده­تر می­شوند:
لایه بندی (از آنجا که لایه ها تغییر می کنند، کمتر رد می شوند).
کار مجدد (برخی از لوله های نقص دار را بدون تاثیر بر لایه های مجاور آسان تر تر می توان تعمیر کرد).
این باعث می شود که طرح های مرحله ای برای تولید حجم کم یا نمونه سازی ایده آل باشند، جایی که چرخش سریع بسیار مهم است.

3- بهره وری از هزینه برای تراکم متوسط
برای PCB هایی که نیاز به مینیاتوریزاسیون شدید ندارند (به عنوان مثال، سنسورهای صنعتی، لوازم خانگی) ، میکروویا های مرحله ای تعادل تراکم و هزینه را ارائه می دهند:
30 تا 40 درصد چگالي بالاتر از لوله هاي سوراخ دار
30 تا 50 درصد هزینه کمتری نسبت به میکروویای انباشته شده دارد.

توصیه های کاربردی خاص
انتخاب بین میکروویا های انباشته شده و مرحله ای بستگی به نیازهای برنامه دارد.
1. ميکرووي هاي انباشته را انتخاب کنيد:
تراکم بسیار مهم است: پوشیدنی ها، سمعک ها و ماژول های 5G که اندازه یک محدودیت اصلی است.
مسائل مربوط به عملکرد فرکانس بالا: 28GHz + 5G، رادار و سیگنال های ارتباطی ماهواره ای.
مدیریت حرارتی کلیدی است: دستگاه های با قدرت بالا (به عنوان مثال، ماژول های محاسباتی لبه هوش مصنوعی) با طرح های اجزای متراکم.

2. ميکرووي هاي ايستگري شده را انتخاب کنيد
هزینه یک اولویت است: الکترونیک مصرفی (به عنوان مثال تلویزیون های هوشمند، هاب های IoT) با نیازهای تراکم متوسط.
قابلیت اطمینان در محیط های خشن: PCB های خودرو، هوافضا و صنعتی که در معرض لرزش و نوسانات دمایی هستند.
تولید حجم کم: نمونه های اولیه یا PCB های سفارشی که در آن بهره وری و قابلیت بازکاری بسیار مهم است.

روش های ترکیبی: تعادل هزینه و عملکرد
بسیاری از طرح های HDI از ترکیبی از مایکروویا های انباشته و مرحله ای برای بهینه سازی هزینه و عملکرد استفاده می کنند:
مسیرهای حیاتی: میکروویا های انباشته شده در مناطق با فرکانس بالا یا تراکم بالا (به عنوان مثال، پد های BGA).
مناطق غیر حیاتی: میکروویا های متناوب در مناطق سیگنال قدرت یا سرعت پایین.
این رویکرد هزینه ها را در مقایسه با طرح های کامل در حالی که عملکرد در بخش های حیاتی را حفظ می کند، 15-20٪ کاهش می دهد.

مطالعه موردی: هزینه و سود در PCB ایستگاه پایه 5G
یک تولید کننده مخابراتی، میکروویای انباشته شده در مقابل مایکروویای مرحله ای برای یک PCB ایستگاه پایه 12 لایه 5G را ارزیابی کرد:

تصمیم: سازنده یک طراحی ترکیبی را انتخاب کرد ٫ مایکروویا های انباشته شده در مسیر سیگنال 28 گیگاهرتز، در جای دیگر تکان داده شده ٫ به دست آوردن 80٪ از مزایای عملکرد در 90٪ از هزینه های کامل انباشته شده.

روند آینده در میکروویای HDI
پیشرفت در تولید، مرز بین میکروویای انباشته شده و انباشته شده را محو می کند:
حفاری پیشرفته لیزر: لیزرهای نسل بعدی با دقت ±1μm هزینه های تراز برای ویاس های انباشته شده را کاهش می دهند.
طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: ابزارهای یادگیری ماشین، قرار دادن میکروویا را بهینه می کنند و نیاز به پیکربندی های مرتب شده یا مرتب شده خالص را کاهش می دهند.
نوآوری های مواد: لایه های جدید با رسانایی حرارتی بهتر عملکرد ویاس های مرحله ای را در کاربردهای قدرت بالا بهبود می بخشند.

سوالات عمومی
س: آیا می توان از میکروویا های انباشته و تکان داده شده در یک PCB استفاده کرد؟
A: بله، طرح های ترکیبی رایج هستند، با استفاده از ویاس های انباشته در مناطق با تراکم بالا / فرکانس بالا و ویاس های تکان دهنده در جاهای دیگر برای تعادل هزینه و عملکرد.

س: کوچکترین قطر میکروویا ممکن با طرح های انباشته و تکان دهنده چیست؟
A: میکروویا های انباشته شده می توانند به اندازه 0.05mm (50μm) با حفاری پیشرفته لیزر باشند، در حالی که میکروویا های پراکنده به طور معمول از 0.1~0.15mm می باشند.

س: آیا میکروویا ها برای PCB های انعطاف پذیر مناسب هستند؟
A: بله، میکروویا های متناوب برای PCB های انعطاف پذیر ترجیح داده می شوند زیرا طراحی آفست آنها غلظت استرس را در طول خم کردن کاهش می دهد و خطر ترک را به حداقل می رساند.

س: چگونه تعداد لایه ها بر تفاوت هزینه بین میکروویای انباشته شده و انباشته تاثیر می گذارد؟
A: شکاف هزینه با تعداد لایه ها گسترش می یابد. در PCB های 4 لایه ، هزینه های Vias Stacked ~ 30% بیشتر است. در PCB های 12 لایه ، این تفاوت می تواند به دلیل افزایش الزامات تراز و بازرسی ، به 50% برسد.

نتیجه گیری
انتخاب بین میکروویا های انباشته شده و مرحله ای در PCB های HDI به تعادل هزینه، تراکم و عملکرد بستگی دارد.مایکروویا های انباشته شده هزینه های ۳۰ تا ۵۰ درصد بالاتر خود را در کاربردهایی که نیاز به کوچک سازی شدید دارند توجیه می کنند.در این میان، میکروویا های مستمر یک راه حل مقرون به صرفه برای نیازهای تراکم متوسط را ارائه می دهند.با قابلیت اطمینان بهتر در محیط های خشن.
برای بسیاری از طرح ها، یک رویکرد ترکیبی بهترین از هر دو جهان را فراهم می کند، با استفاده از ویاس های انباشته در مناطق مهم و ویاس های متراکم در جای دیگر.با هماهنگی پیکربندی میکروویا با الزامات برنامه، مهندسان می توانند PCB های HDI را برای عملکرد و هزینه بهینه کنند.
نکته کلیدی: میکروویای انباشته شده و مرحله ای فناوری های رقابتی نیستند بلکه راه حل های مکمل هستند. انتخاب درست بستگی به این دارد که آیا اولویت شما تراکم و عملکرد شدید است یا هزینه،قابلیت اطمینان، و قابلیت تولید.