Bir HDI PCB katman dizilimi seçmek, tek bir iz çizilmeden önce maliyetinizi, teslim sürenizi ve verimliliğinizi sessizce belirleyen bir karardır. 1+N+1, 2+N+2 ve “herhangi bir katman” gibi notasyonlar bir menü gibi görünse de, merdivenin her basamağına çıktıkça laminasyon döngüleri, bakır dolgu gereksinimleri ve düzen kilitlendikten sonra geri alınamayacak proses riskleri artar. Bu kılavuz, menüyü bir tedarikçi broşüründen değil, kendi BGA aralığınız ve yönlendirme gereksinimlerinizden yola çıkarak izleyebileceğiniz bir seçim yoluna dönüştürür.
Sayıların gerçekte ne anlama geldiği
Bu gösterim, geleneksel bir çekirdeğin her iki tarafında kaç adet yüksek yoğunluklu biriktirme katmanı bulunduğunu açıklar. 1+N+1’de, dıştaki iki “1”, “N” katmanlı bir çekirdeğin her iki tarafına lamine edilmiş tek bir biriktirme katmanıdır; çekirdek, mekanik geçiş delikleri ile oluşturulmuş normal çok katmanlı bir yapıdır. 2+N+2 yapısında ise her bir yüzeye iki ardışık biriktirme katmanı uygulanır; bu sayede çok daha yüksek yoğunluklu paketler elde edilebilir. Any-layer (bazen ELIC [Every Layer Interconnect] olarak da yazılır), geleneksel çekirdeği tamamen ortadan kaldırır ve her katmanı, bakır dolgulu yığılmış mikro delikler aracılığıyla komşu katmanlara bağlar.
Bir isimlendirme tuzağı, teklifler konusunda zaman kaybına neden olur: üreticiler i+N+i (veya “b” harfinin çekirdek içindeki gömülü viyaları işaret ettiği M+bN+M) terimini kullanırken, IPC belgeleri Tip I, II ve III terimlerini kullanır. Bunlar aynı fiziksel yapıyı tanımlar. Uyum belgeleri için IPC tiplerini, atölye kapasitelerini karşılaştırırken ise i+N+i formatını kullanın. Bunları tek bir spesifikasyonda karıştırmak, sadece uyumsuz tekliflere yol açar. Yapı matematiğinden önce HDI’nın ne olduğu ve neden var olduğu konusundaki daha geniş bağlam için, tam metne bakınız HDI PCB mühendislik kılavuzunun tamamına bakın.
Bunu belirleyen tek faktör
Yığın yapısını belirleyen, hırs değil, BGA aralığı ve yönlendirme gereksinimidir. Aralık daraldıkça, paketin altındaki kaçış kanalları, dog-bone’lar (BGA topunun yanındaki küçük fan-out pedleri) ortadan kalkana kadar küçülür ve mikro delikler tek çıkış yolu haline gelir. Kabaca şöyle: 0,8 mm veya üzeri bir aralık genellikle standart çok katmanlı bir kartta yönlendirilir; 0,5 ila 0,65 mm civarında bir aralıkta 1+N+1 katman yapısı genellikle rotayı kapatır; 0,35 ile 0,5 mm arasında 2+N+2’ye geçmeniz gerekir; 0,3 mm ve altında ise 3+N+3 veya herhangi bir katmanlı yapı söz konusudur. Aralık, dog-bone için hiç yer bırakmadığında via-in-pad gerekli hale gelir; bu da bakır dolguyu ve düzleştirmeyi yapıya dahil eder.
1+N+1 — her bir taraf için bir katman yeterli olduğunda
1+N+1, çekirdeğin her bir yüzü için tek bir biriktirme katmanıdır ve tek bir sıralı laminasyon döngüsüyle oluşturulur. Bu, HDI’ye giriş noktasıdır ve en esnek seçenektir: kademeli mikro delikler, herhangi bir tek bakır sütununa gerilim binmesini önler ve çekirdek yine de güç, toprak ve gömülü bağlantılarını taşır. Kaba ince aralıklı modülleri, maliyet duyarlı tüketici elektroniği ürünlerini ve her bir tarafta tek bir kaçış katmanının gerçekten yeterli olduğu tasarımları düşünün. Maliyet, geleneksel bir karttan nispeten daha yüksektir; genellikle 1,3x ila 1,5x aralığında belirtilse de, yayınlanan rakamlar tedarikçiye ve üretim hacmine göre değişiklik gösterir.
2+N+2 — yaygın olarak kullanılan ince aralıklı iş gücü
2+N+2, her bir yüz için ikinci bir biriktirme katmanı ekler; bu da çekirdek tabanlı süreçten vazgeçmeden, yoğun bir paket altında kullanılabilir kaçış kanallarını kabaca iki katına çıkarır. Bu nedenle, kartın her iki yüzündeki ince aralıklı programlar için en yaygın HDI yığınlama şeklidir. Maliyet daha da artar ve genellikle geleneksel bir kartın yaklaşık 1,8 ila 2,5 katı seviyesine ulaşır; ayrıca bu yapı genellikle, çoklu pres döngülerine dayanabilen yüksek Tg’li, CAF dirençli laminatların yanı sıra istiflenmiş veya kademeli mikro delikler gerektirir. Çekirdek üretim süreci, bu ekstra pres döngülerinin aslında sağladığı avantajdır. Çoğu ticari ince aralıklı iş için bu, ideal noktadır: 1+N+1’den daha fazla yoğunluk, herhangi bir katmandan çok daha az risk.
3+N+3 ve ötesi — 2+N+2’de yer kalmadığında
Deneme aşamasında 2+N+2’nin hala tıkanık olduğu ortaya çıktığında, 3+N+3 (her bir tarafta üç biriktirme katmanı) ekstra kanalları sağlar; bu durumda maliyet yaklaşık 2,5 kat ila 3,5 kat artar ve güvenilirlik, üçten fazla laminasyon döngüsü boyunca bakır dolum kalitesine büyük ölçüde bağlıdır. Aşırı hesaplama ve havacılık uygulamaları için dörtten fazla biriktirme katmanı mevcuttur; bu, geleneksel bir kartın dört katı ve üzerindedir. Kural her seviyede aynıdır: Bir biriktirme katmanını yalnızca yönlendirme ihtiyacı gerektirdiği için ekleyin, sayıca fazla olması daha gelişmiş bir çözüm olduğu izlenimini verdiği için değil.
Her Katman / ELIC — çekirdeksizliğin neden son çare olduğu
Her Katman, çekirdeği ortadan kaldırır ve her katmanın birbirine bağlanmasına izin verir; bu da maksimum yönlendirme özgürlüğü ve en ince bitmiş kartları sağlar. Bu özgürlük gerçektir, ancak maliyeti de öyledir; dolgu yoğunluğu, malzeme ve verime bağlı olarak genellikle geleneksel bir kartın yaklaşık 2 katından 6 katına kadar çıkmaktadır. Bu, teslim süresi ve verim açısından en kısıtlı seçenektir; ayrıca istifli via sayısı, dolgu kalitesi ve z ekseni CTE’si, 1+N+1’e kıyasla güvenilirliği daha fazla etkiler. Pitch, yoğunluk veya kalınlık, i+N+i ile kabul edilebilir bir katman sayısında karşılanamadığında bu yöntemi kullanın. Bu yöntem otomatik olarak daha güvenilir değildir ve bir statü yükseltmesi de değildir.
Yığılmış ve kademeli mikro delikler
Neredeyse her 2+N+2 veya herhangi bir katmanlı teklifin içinde bu seçim yer alır. Kademeli mikro delikler, iniş yuvalarını katman katman kaydırır; böylece gerilim tek bir bakır sütunda yoğunlaşmaz ve bir sonraki lazer vuruşundan önce alt delik doldurulmasına gerek kalmaz. Daha esnektirler ve genellikle daha ucuzdurlar. Yığılmış mikro delikler, birçok dar 2+N+2 fanout ve herhangi bir katman için gerekli olan BGA’nın hemen altındaki dikey alanı tasarruf sağlar, ancak doldurulmuş, kaplamayla kapatılmış deliklere ve kontrollü bir en-boy oranına ihtiyaç duyarlar.
Güvenilir kaplama için mikro delik en-boy oranını (derinlik bölü çap) yaklaşık 0,75:1 veya altında tutun; 1:1’in üzerinde kimyasal madde dibe ulaşmakta zorlanır ve boşluklar oluşur. Bu tek sayı, birikim etiketi kadar değil, sahada güvenilirlik konusunda çok daha belirleyicidir. Mikro-via sınıflandırması ve tasarım kurallarının tamamı için mikro-via kılavuzlarına bakınız.
Maliyet ve laminasyon döngüleri
Sıralı laminasyon döngüleri, hem maliyetin hem de riskin arkasındaki itici güçtür. HDI kart maliyetini asıl belirleyen, çizimdeki etiket değil, bu döngülerin toplamıdır. 1+N+1 için bir, 2+N+2 için iki, 3+N+3 için üç veya daha fazla döngü gerekir; ayrıca her katmanda mikro delikler bulunur. Her döngü, birikerek artan kayıt toleransı ekler; bu nedenle hizalama sapmasını telafi etmek için yakalama pedlerinin boyutu artırılmalıdır ve boyutları yetersiz pedler, CAM reddi nedenleri arasında en yaygın olanlardır.
Yığılmış mikro delikler, dolgu ve düzleştirme aşaması nedeniyle kademeli mikro deliklere kıyasla üretim maliyetini yaklaşık yüzde 15 ila 20 artırır. Bu makaledeki her çarpanı bir aralık olarak değerlendirin, kesin bir rakam olarak değil: tedarikçiler arasında görüş ayrılıkları vardır ve bir HDI PCB yığınlamasını diğeriyle karşılaştırdığınızda, hacim, malzeme ve verim, etiket üzerinde yazan rakamdan daha fazla etkiye sahiptir.
Yığınlamayı seçmeden önce empedansı ve malzemeleri planlayın
Bir yığınlama, sadece bir via stratejisi değildir; geri dönüş yolları, empedans kontrolü ve malzeme maliyeti için bir plandır. Kontrollü PCB empedansı, yığın seçilmeden önce burada belirlenir; çünkü daha sonra değiştirmek yeniden tasarım anlamına gelir. Kontrollü empedans önemliyse, dielektrik kalınlığı, bakır ağırlığı, laminat Dk, hedef empedans ve referans düzlem konumu, yapı seçilmeden önce belirlenmelidir; çünkü bunları daha sonra değiştirmek yeniden tasarım anlamına gelir.
Malzemeler, döngü sayısı arttıkça daha pahalı hale gelir: 1+N+1 yapıları genellikle orta veya yüksek Tg’li FR-4 üzerinde kalabilirken, 2+N+2 ve üzeri yapılar genellikle yüksek Tg’li, CAF’a dayanıklı, düşük profilli bakır sistemlere ihtiyaç duyar ve herhangi bir katman veya yüksek hızlı kanallar için düşük kayıplı laminatlar gerekebilir. Ağlar gerçekten gerektirmiyorsa, her katmanlı kartı varsayılan olarak premium RF malzemesine ayarlamayın; çekirdek ve gömülü viyaları, güç ve toprak iletiminde hala yararlı bir işlev görür.
Bugün uygulayabileceğiniz bir seçim süreci
En yoğun paketinizi açın ve en dar BGA aralığını okuyun, ardından bu aralıktan kaçmak için ihtiyacınız olan yönlendirme katmanlarını sayın, ağları yönlendirin ve empedansı koruyun. Aralık 0,8 mm veya üzerindeyse ve geçişli viyalı çekirdek zaten yönlendirmeyi sağlıyorsa, standart Çok Katmanlı pcb kartta kalın. Aralık yaklaşık 0,5 ila 0,65 mm ise, 1+N+1’i seçin. Aralık 0,35 ila 0,5 mm ise veya her iki tarafta da yoğun bir paket bulunuyorsa, 2+N+2’yi seçin. Aralık 0,3 mm veya daha azsa ya da form faktörü ultra inceyse, 3+N+3 veya ELIC’e geçin.
Ardından bir soru daha sorun: N çekirdeği, aksi takdirde oluşturmanız gereken güç, toprak ve gömülü bağlantılarını hâlâ taşıyor mu? Yararlı olduğu durumlarda bunu koruyun. Tüm süreç tek bir cümleye indirgenebilir: rotayı kapatan en düşük yapı seviyesini seçin.
HDI katmanlamasının kârlı olmadığı durumlar
HDI, tasarımda olmayan bir sorunu çözdüğü anda artık kârlı olmaktan çıkar. Eğer aralıklarınız genişse ve hat çekimi kolaysa, geleneksel çok katmanlı bir kart da hat çekimini sorunsuz bir şekilde gerçekleştirir ve maliyet, verim ve teslim süresini lehinize tutar. HDI ve geleneksel yapı arasındaki ayrıntılı karşılaştırma için, standart çok katmanlı PCB’nin bir HDI yapısından nasıl farklı olduğunu ve bu ek maliyetin, aslında ihtiyacınız olmayan daha ince bir kart yerine yoğunluk açısından ne kadar fayda sağladığını inceleyin. Doğru HDI PCB katman dizilimi, en yetenekli gibi görünen değil, aralık ve yönlendirme gereksinimlerinizin gerektirdiği dizilimdir.
