Выбор слоевой структуры печатные платы HDI — это решение, которое незаметно определяет ваши затраты, сроки изготовления и выход готовой продукции ещё до того, как будет начерчена хотя бы одна трасса. Обозначения 1+N+1, 2+N+2 и «любой слой» выглядят как меню, но каждый шаг вверх по лестнице добавляет циклы ламинирования, требования к заполнению медью и технологические риски, которые невозможно отменить после фиксации компоновки. Данное руководство превращает это «меню» в алгоритм выбора, который вы можете применить, исходя из собственных требований к шагу BGA и трассировке, а не из брошюры поставщика.
Что на самом деле означают эти цифры
Эта нотация описывает, сколько слоёв высокой плотности наносится на каждую сторону стандартного сердечника. В схеме 1+N+1 два внешних «1» обозначают по одному слою высокой плотности, ламинированному на каждую сторону «N»-слойного сердечника; сам сердечник представляет собой обычную многослойную конструкцию с механическими сквозными переходными отверстиями.
В схеме 2+N+2 на каждую сторону наносится по два последовательных слоя наслоения, что позволяет создавать гораздо более плотные корпуса. Схема «Any-layer», иногда обозначаемая как ELIC (Every Layer Interconnect), полностью исключает традиционный сердечник и соединяет каждый слой с соседними с помощью заполненных медью многослойных микропереходных отверстий.
Одна из ловушек в терминологии приводит к потере времени при запросе предложений: производители используют обозначение 1+N+1 (или M+bN+M, где «b» обозначает погруженные переходные отверстия внутри ядра), в то время как в документации IPC используются типы I, II и III. Они описывают одну и ту же физическую структуру.
Используйте типы IPC для документации по соответствию стандартам и 1+N+1 при сравнении производственных возможностей предприятий. Смешивание этих терминов в одной спецификации приводит только к несоответствиям в ценовых предложениях. Чтобы лучше понять, что такое HDI и зачем оно существует, прежде чем углубляться в математику построения, ознакомьтесь с полной версией Руководство по проектированию печатных плат HDI.
Единственный фактор, определяющий это
Шаг BGA и требования к трассировке, а не амбиции, определяют структуру слоев. По мере уменьшения шага каналы отвода под корпусом сокращаются до тех пор, пока не исчезнут «dog-bones» (небольшие площадки разветвления рядом с шариком BGA), и микровиа становятся единственным выходом. Грубо говоря: при шаге 0,8 мм или выше трассировка часто выполняется на стандартной многослойные печатные платы; при шаге около 0,5–0,65 мм трассировка обычно замыкается в конфигурации 1+N+1; при шаге от 0,35 до 0,5 мм приходится переходить к схеме 2+N+2; при шаге 0,3 мм и ниже рассматриваются схемы 3+N+3 или «any-layer». Использование «via-in-pad» становится необходимым, когда шаг не оставляет места для «dog-bone» вообще, что в свою очередь влечет за собой заполнение медью и планаризацию в конструкции.
1+N+1 — когда достаточно одного слоя наслоения на каждую сторону
1+N+1 — это один слой наслоения на каждую сторону ядра, создаваемый за один последовательный цикл ламинирования. Это отправная точка для HDI и наиболее универсальный вариант: смещенные микропереходные отверстия снимают нагрузку с отдельных медных столбцов, а ядро по-прежнему несет питание, заземление и погруженные межсоединения.
Речь идет о модулях с крупным шагом межсоединений, бюджетной бытовой электронике и конструкциях, где одного эскейп-слоя с каждой стороны действительно достаточно. Стоимость лишь незначительно превышает стоимость обычной платы, как правило, в пределах 1,3–1,5, хотя опубликованные цифры варьируются в зависимости от поставщика и объема заказов.
2+N+2 — основной рабочий вариант с мелким шагом
Конфигурация 2+N+2 добавляет второй наслоечный слой с каждой стороны, что примерно удваивает количество доступных каналов отвода под плотным корпусом без отказа от процесса на основе сердечника. Именно поэтому это наиболее распространённая схема слоения HDI для проектов с мелким шагом с обеих сторон платы.
Стоимость ещё больше возрастает, часто достигая 1,8–2,5 раз по сравнению с обычной платой, а для изготовления обычно требуются многослойные или ступенчатые микровиа, а также ламинаты с высоким Tg, устойчивые к CAF, способные выдержать многократные циклы прессования. Именно процесс изготовления сердечника и является тем, что фактически обеспечивают эти дополнительные циклы прессования. Для большинства коммерческих проектов с мелким шагом это оптимальный вариант: большая плотность, чем у схемы 1+N+1, и гораздо меньший риск, чем у схемы «any-layer».
3+N+3 и далее — когда в схеме 2+N+2 не хватает места
Когда пробная трасса доказывает, что схема 2+N+2 по-прежнему перегружена, схема 3+N+3 (три слоя наслоения с каждой стороны) обеспечивает дополнительные каналы, при этом стоимость увеличивается примерно в 2,5–3,5 раза, а надёжность в значительной степени зависит от качества заполнения медью в течение трёх и более циклов ламинирования.
Четыре и более слоёв наслоения используются для экстремальных вычислений и в аэрокосмической отрасли, при этом их стоимость в четыре раза превышает стоимость обычной платы и выше. Правило остаётся неизменным на всех уровнях: добавляйте слой наслоения только тогда, когда этого требует трассировка, а не потому, что большее количество слоёв кажется более передовым.
Any-layer / ELIC — почему отсутствие ядра является крайней мерой
Технология «Any-layer» устраняет ядро и позволяет соединять все слои между собой, что обеспечивает максимальную свободу трассировки и позволяет получать готовые платы минимальной толщины. Эта свобода реальна, но реальна и стоимость: как правило, она составляет от примерно 2 до 6 раз больше, чем у обычной платы, в зависимости от плотности заполнения, материала и выхода готовой продукции.
Это вариант с наибольшими ограничениями по срокам изготовления и выходу готовой продукции, а количество многослойных переходных отверстий, качество заполнения и коэффициент теплового расширения по оси Z оказывают на его надёжность большее влияние, чем в схеме 1+N+1. Используйте его, когда шаг, плотность или толщина не позволяют уложиться в приемлемое количество слоёв при схеме 1+N+1. Он не является автоматически более надёжным и не представляет собой повышение статуса.
Микропереходные отверстия, расположенные в стопке и в шахматном порядке
Практически в каждом предложении по схемам 2+N+2 или «any-layer» присутствует этот выбор. При ступенчатом расположении микровиа их посадочные площадки смещены от слоя к слою, благодаря чему напряжение не концентрируется в одной медной колонне, а нижнюю виа не нужно заполнять перед следующим лазерным прорезанием.
Такой вариант более универсален и, как правило, дешевле. Наслоенные микровиа позволяют сэкономить вертикальное пространство непосредственно под BGA, что необходимо для многих плотных разветвлений 2+N+2 и для схем с произвольным количеством слоёв, но они требуют заполненных и гальванически закрытых виа, а также контролируемого соотношения сторон.
Для надёжного гальванического покрытия соотношение сторон микросквозных отверстий (глубина, деленная на диаметр) должно быть не выше примерно 0,75:1; при соотношении выше 1:1 химический раствор с трудом достигает дна, и возникают пустоты. Именно это число в гораздо большей степени определяет надежность в эксплуатации, чем показатель толщины покрытия. Полную классификацию микросквозных отверстий и правила проектирования см. в руководстве по микросквозным отверстиям.
Стоимость и циклы ламинирования
Последовательные циклы ламинирования являются определяющим фактором как стоимости, так и риска. То, что на самом деле определяет стоимость плат HDI, — это сумма этих циклов, а не обозначение на чертеже. Схема 1+N+1 требует одного цикла, 2+N+2 — двух, 3+N+3 — трёх или более, а многослойные схемы предполагают прокладку микропереходных отверстий через каждый слой. Каждый цикл увеличивает допуск по регистрации, который накапливается, поэтому контактные площадки должны быть увеличены, чтобы компенсировать смещение при выравнивании, а площадки меньшего размера являются одной из наиболее распространённых причин брака при CAM-обработке.
Многослойные микропереходные отверстия увеличивают стоимость изготовления примерно на 15–20 процентов по сравнению со ступенчатыми из-за этапа заполнения и планаризации. Рассматривайте каждый множитель в этой статье как диапазон, а не точную цифру: мнения поставщиков расходятся, а объём производства, материалы и выход готовой продукции влияют на эти цифры в большей степени, чем сами обозначения, когда вы сравниваете одну схему слоевой структуры печатной платы HDI с другой.
Планируйте импеданс и материалы, прежде чем выбирать структуру слоев
Структура слоев — это не просто стратегия размещения переходных отверстий; это план обратных путей, контроля импеданса и затрат на материалы. Контролируемое импеданс печатной платы устанавливается здесь, до выбора структуры слоев, поскольку его изменение позже приведет к перепроектированию. Если контролируемое сопротивление имеет значение, толщина диэлектрика, вес меди, Dk ламината, целевое сопротивление и положение опорной плоскости должны быть заданы до выбора структуры слоев, поскольку их изменение впоследствии приведет к перепроектированию.
Требования к материалам растут с увеличением количества циклов: Схема 1+N+1 часто может оставаться на FR-4 со средним или высоким Tg, в то время как схемы 2+N+2 и выше обычно требуют систем с высоким Tg, устойчивых к CAF и с низкопрофильной медью, а каналы любого слоя или высокоскоростные каналы могут потребовать ламинатов с низкими потерями. Не следует по умолчанию использовать для всех плат с произвольным расположением слоев материалы премиум-класса для РЧ, если сети на самом деле в этом не нуждаются; сердечник и его заглубленные переходные отверстия по-прежнему выполняют полезную работу, передавая питание и заземление.
Алгоритм выбора, который можно применить уже сегодня
Откройте свой самый плотный корпус и определите самый малый шаг BGA, затем подсчитайте количество плоскостей трассировки, необходимых для обхода этого шага, проложите цепи и обеспечьте заданное сопротивление. Если шаг составляет 0,8 мм или более, и сердечник со сквозными переходными отверстиями уже обеспечивает трассировку, оставайтесь на стандартной многослойные печатные платы. Если шаг составляет примерно от 0,5 до 0,65 мм, выберите схему 1+N+1. Если шаг составляет от 0,35 до 0,5 мм или с обеих сторон расположены плотные корпуса, выберите схему 2+N+2. Если шаг составляет 0,3 мм или меньше, либо форм-фактор является ультратонким, перейдите на схему 3+N+3 или ELIC.
Затем задайте ещё один вопрос: несет ли ядро N по-прежнему питание, заземление и скрытые межсоединения, которые в противном случае пришлось бы выводить на поверхность? Сохраняйте его, если это помогает. Всё сводится к одному предложению: выбирайте самый низкий уровень вывода, который позволяет замкнуть трассу.
Когда многослойная структура HDI не окупается
HDI перестает окупаться в тот момент, когда решает проблему, которой в проекте нет. Если шаг между контактами достаточно большой, а трассировка проста, то обычная многослойная плата трассируется отлично и позволяет сэкономить на стоимости, обеспечить высокий выход готовой продукции и сократить сроки изготовления.
Чтобы подробно сравнить конструкцию HDI и традиционную, посмотрите, чем стандартная многослойные печатные платы отличается от конструкции HDI, и за что на самом деле вы платите больше: за плотность размещения или за более тонкую плату, которая вам не нужна. Правильная HDI печатная плата это та, которую диктуют ваш шаг между контактами и требования к трассировке, а не та, которая звучит наиболее перспективной.
