PCB های چند لایه ای با تراکم بالا: تقویت مینیاتوریزه شدن و عملکرد نسل بعدی

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

در مسابقه برای ساخت الکترونیک کوچکتر، سریعتر و قدرتمندتر، PCB های سنتی در حال برخورد با یک دیوار هستند. دستگاه هایی مانند تلفن های هوشمند تاشو، پوشیدنی های پزشکی،و سنسورهای خودروهای مستقل نیاز به عملکرد بیشتری در فضاهای تنگ دارنددر این زمینه، شرکت های مختلف در زمینه تولید PCB های چند لایه ای با تراکم بسیار بالا (HDI) ، به عنوان یک فناوری که از میکروویا، مواد پیشرفته،و تولید دقیق برای بسته بندی مدارهای پیچیده به ردپای کوچک. HDI فقط یک ارتقاء نیست؛ این یک انقلاب در نحوه طراحی و ساخت الکترونیک است. در اینجا به این دلیل است که HDI به ستون فقرات دستگاه های مدرن تبدیل می شود، چگونه کار می کند،و زمان انتخاب آن برای پروژه خود را.

PCB های چند لایه ای HDI چیست؟
PCB های HDI تخته های چند لایه ای پیشرفته ای هستند که برای چگالی بسیار زیاد طراحی شده اند. بر خلاف PCB های سنتی که به ویاس های سوراخ شده (در سراسر تخته سوراخ شده) و فاصله ردیابی بزرگتر متکی هستند،استفاده از HDI:

a.Microvias: سوراخ های کوچک و لیزر سوراخ شده (6-10 میلی متر قطر) که لایه ها را بدون سوراخ کردن کل تخته به هم متصل می کنند.
ب.پایه های کور/پایه های دفن شده:پایه هایی که تنها لایه های سطحی را به لایه های داخلی متصل می کنند (پایه های کور) یا لایه های داخلی را به یکدیگر متصل می کنند (پایه های دفن شده) ، به طوری که فضا را صرفه جویی می کنند.
ج. لایه های ساخت: لایه های باریک و متناوب دی الکتریک (عایق) و مس، که به صورت تدریجی اضافه می شوند تا عرض ردیابی ظریف تر (≤3 میلی متر) و فاصله تنگ تر (≤2 میلی متر) را امکان پذیر کنند.

این طراحی تعداد لایه های مورد نیاز برای مدارهای پیچیده را کاهش می دهد، مسیرهای سیگنال را کوتاه می کند و نویز را به حداقل می رساند که برای برنامه های کاربردی با سرعت بالا مانند مودم های 5G یا سنسورهای مبتنی بر هوش مصنوعی حیاتی است.

HDI در مقابل PCB های چند لایه سنتی: یک مقایسه انتقادی
تفاوت های بین HDI و PCB های سنتی بسیار فراتر از اندازه است. در اینجا نشان داده شده است که چگونه آنها در شاخص های کلیدی عملکرد و طراحی قرار می گیرند:

چگونه PCB های چند لایه ای HDI تولید می شوند
تولید HDI یک فرآیند دقیق است که ترکیبی از ماشین آلات پیشرفته و کنترل کیفیت سختگیرانه برای دستیابی به ویژگی های میکروسکالی است.

1آماده سازی هسته
HDI اغلب با یک لایه نازک هسته ای (معمولاً 0.2 mm 0.4 mm ضخیم) از مواد با عملکرد بالا مانند FR-4 یا راجرز آغاز می شود. این هسته ثبات ساختاری را فراهم می کند و پایه برای لایه های ساخت را تشکیل می دهد.

2حفاری لیزر برای میکروویا
حفاری های مکانیکی سنتی نمی توانند سوراخ های کوچکتر از 50 میلی لیتر ایجاد کنند، بنابراین HDI از لیزرهای UV یا CO2 برای حفاری میکروویا (6-10 میلی لیتر) با دقت ± 1μm استفاده می کند.این مرحله تضمین می کند که ویاس دقیقا در جایی که مورد نیاز قرار می گیرد، حتی در خوشه های متراکم (تا 100 ویاس در هر سانتی متر مربع).

3. لایه های ساختاری
لایه های نازک دی الکتریک (0.05~0.1 میلی متر ضخامت) و مس (0.5~1 اونس) به صورت تدریجی اضافه می شوند:

a. دی الکتریک بر روی هسته لایه بندی می شود و سپس با لیزر سوراخ می شود تا نقاط اتصال را نشان دهد.
b. مس در سوراخ ها (برای تشکیل ویاس های رسانا) پوشش داده می شود و با استفاده از فوتولیتوگرافی به ردیف های نازک (عریض ۲٫۳ میلی متر) حک شده است.
c. این فرآیند برای هر لایه ساخت تکرار می شود و یک ساختار متراکم و لایه دار ایجاد می شود.

4. بازرسي و تست
ویژگی های کوچک HDI نیاز به چک کیفیت دقیق دارد:

الف.بررسی نوری خودکار (AOI): اسکن برای پیدا کردن نقص های ردیابی یا خطوط نوری غلط.
b.بررسی اشعه ایکس: از طریق کیفیت پوشش (بدون خلا) در لایه های داخلی بررسی می شود.
c.بررسی مقاومت: اطمینان از یکپارچگی سیگنال (مهم برای طرح های با سرعت بالا).

مزایای اصلی PCB های چند لایه HDI
طراحی و ساخت منحصر به فرد HDI مزایای غیر قابل توجهی را برای الکترونیک مدرن ایجاد می کند:

1. کوچک کردن شدید
با جایگزینی ویاس های بزرگ سوراخ با میکروویاس ها و کاهش فاصله ردیابی، HDI قابلیت های 2 × 4 برابر بیشتری را در همان منطقه نسبت به PCB های سنتی بسته بندی می کند. به عنوان مثال:

a.یک PCB هوشمند 5G با استفاده از HDI می تواند یک طرح 6 لایه را در 10 سانتی متر مربع قرار دهد، در حالی که PCB سنتی به 8 لایه و 15 سانتی متر مربع نیاز دارد.
ب.برچسب های پوشیدنی پزشکی (به عنوان مثال، مانیتورهای قند خون) از HDI برای کوچک کردن قطر از 30 میلی متر به 15 میلی متر استفاده می کنند و باعث بهبود راحتی کاربر می شوند.

2سرعت سیگنال سریعتر و کاهش سر و صدا
مسیرهای سیگنال کوتاه تر (به لطف میکروویا و ویاس های کور) تاخیر انتشار را به حداقل می رساند و تداخل بین ردیف ها را کاهش می دهد. این HDI را برای:

a. دستگاه های فرکانس بالا (5G، رادار، Wi-Fi 6E) که در 28+ GHz کار می کنند.
b. انتقال اطلاعات با سرعت بالا (به عنوان مثال PCIe 6.0، که به 64 گيگابايت در ثانيه رسيده است).

3مدیریت حرارتی بهبود یافته
لایه های نازک HDI و میکروویا ها مانند لوله های حرارتی عمل می کنند که حرارت را به طور مساوی تر در سراسر هیئت مدیره پخش می کنند. در ترکیب با ویاس های حرارتی (میکروویا های پر از اپوکسی رسانا) ،این باعث کاهش نقاط گرم 30٪ تا 40٪ در مقایسه با PCB های سنتی می شود که برای دستگاه های پر انرژی مانند تراشه های هوش مصنوعی یا کنترل کننده های موتور EV حیاتی است..

4. اعتماد به نفس بالا
PCB های سنتی زمانی که در معرض استرس (به عنوان مثال، ارتعاش در اتومبیل ها) شکسته می شوند، شکست می خورند.مقاومت در برابر 10 برابر بیشتر چرخه های حرارتی یا مکانیکی (به هر آزمایش IPC-TM-650)این باعث می شود که آن ها برای محیط های سخت مانند هوافضا و یا ماشین آلات صنعتی ایده آل باشند.

انواع PCB چند لایه ای HDI: انتخاب پیچیدگی مناسب
HDI در سطوح مختلف (یا سفارشات) بر اساس پیچیدگی از طریق وجود دارد. انتخاب درست بستگی به نیازهای تراکم طراحی شما دارد:

بهترین کاربردهای PCB های چند لایه HDI
HDI یک راه حل برای همه نیست، اما در این بخش های با تقاضای بالا برجسته است:

1الکترونیک مصرفی
الف.اسمارتفون ها/تبلت ها: تلفن های تاشو (به عنوان مثال، سامسونگ گلکسی Z فولد) از HDI برای قرار دادن مودم های 5G، دوربین ها و باتری ها در طرح های انعطاف پذیر و نازک استفاده می کنند.
ب. وسایل پوشیدنی: ساعت های هوشمند (Apple Watch) برای بسته بندی سنسور ضربان قلب، GPS و بلوتوث در کیس های 40 میلی متری به HDI تکیه می کنند.

2دستگاه های پزشکی
a. تشخیص قابل حمل: سنج های سونوگرافی دستگیر از HDI برای کوچک شدن از 200 گرم به 100 گرم استفاده می کنند که باعث می شود دست زدن به آنها برای پزشکان آسان تر شود.
ب. قابل کاشت: محرک های عصبی (برای درمان صرع) از مواد HDI سازگار با زیست برای قرار دادن 8 لایه مدار در یک کیس قطر 10 میلی متر استفاده می کنند.

3الکترونیک خودرو
a.ADAS (سیستم های پیشرفته کمک به راننده): ماژول های رادار و LiDAR از HDI برای پردازش بیش از 100 نقطه داده در ثانیه در یک طراحی فشرده و مقاوم در برابر گرما استفاده می کنند (که 125 °C را تحت هود تحمل می کند).
b.کنترول EV: سیستم های مدیریت باتری (BMS) از HDI برای نظارت بر 100 سلول در فضای 30٪ کوچکتر از PCB های سنتی استفاده می کنند، وزن خودرو را کاهش می دهند.

4هوافضا و دفاع
a. ارتباطات ماهواره ای: طراحی سبک وزن HDI (۴۰ درصد سبک تر از PCB های سنتی) هزینه های پرتاب را کاهش می دهد، در حالی که مقاومت در برابر تشعشعات اطمینان از قابلیت اطمینان در فضا را تضمین می کند.
b. رادیوهای نظامی: PCB های HDI مقاوم در برابر ارتعاش و دمای شدید (-55 °C تا 125 °C) در دستگاه های ارتباطی میدان نبرد مقاومت می کنند.

چه زمانی باید HDI را انتخاب کنیم (و چه زمانی باید به PCB های سنتی پایبند باشیم)
مزایای HDI با هزینه های تولید بالاتری همراه است، بنابراین همیشه لازم نیست.

HDI را انتخاب کنید اگر:
دستگاه شما باید کوچکتر از 50 سانتی متر مربع باشد (به عنوان مثال، پوشیدنی ها، تلفن های هوشمند).
شما برای فرکانس های بالا (≥10 گیگاهرتز) یا سرعت بالا (≥10 گیگابایت در ثانیه) طراحی می کنید.
قابلیت اطمینان در محیط های خشن (تلاطم، گرما) بسیار مهم است.
شما می خواهید تعداد قطعات را کاهش دهید (قرص های کمتر، محفظه های کوچکتر).

با PCB های سنتی ادامه دهید اگر
هزینه اولویت اصلی است (به عنوان مثال، دستگاه های مصرفی پایین مانند کنترل های از راه دور).
طراحی شما ساده است (≤4 لایه، اجزای بزرگ مانند مقاومت ها / هک کننده ها).
فرکانس های عملیاتی کم هستند (<1 گیگاهرتز) و اندازه محدود نیست.

غلبه بر چالش های HDI
پیچیدگی HDI ها موانع منحصر به فردی را به وجود می آورد، اما با برنامه ریزی دقیق قابل مدیریت هستند:

a.هزینه بالاتر: با کاهش اندازه محفظه، اجزای کمتر و نرخ شکست پایین تر (وفور در دراز مدت) جبران می شود.
b. پیچیدگی طراحی: از ابزارهای CAD خاص HDI (به عنوان مثال، Altium Designer با ماژول های HDI) برای مدل سازی میکروویا و لایه های انباشته استفاده کنید.
c.حدود تولید: با تولید کنندگان HDI با تجربه همکاری کنید و فایل های طراحی (IPC-2581) را به اشتراک بگذارید تا امکان پذیر بودن قبل از تولید را تأیید کنید.

نتیجه گیری
PCB های چند لایه ای HDI بیش از یک روند هستند، آنها پایه ای از نسل بعدی الکترونیک هستند.HDI بزرگترین چالش های طراحی دستگاه های مدرن را حل می کنددر حالی که با هزینه های اولیه بالاتر همراه است، توانایی آن برای کاهش اندازه، افزایش عملکرد و کاهش شکست های طولانی مدت، آن را به یک سرمایه گذاری هوشمند برای برنامه های کاربردی حیاتی تبدیل می کند.

این که آیا شما در حال ساخت یک تلفن تاشو هستید، یک دستگاه پزشکی نجات دهنده زندگی، یا یک ابزار نظامی محکم، HDI به شما قدرت می دهد تا مرزهای آنچه که الکترونیک می تواند انجام دهد را گسترش دهید.