Что такое печатная плата HDI? Печатная плата HDI (печатная плата с высокой плотностью соединений) это печатная плата, которая обеспечивает значительно более высокую плотность проводки на единицу площади по сравнению с обычной многослойные печатные платы. Это достигается за счет замены крупных механически просверленных сквозных отверстий на микроотверстия, просверленные лазером, сочетания слепых и погруженных переходных отверстий, а также послойного формирования платы посредством последовательного ламинирования.
Согласно стандарту IPC-2226, плата считается HDI, если ширина линий и межлинейное расстояние составляют 100 мкм или менее, размер переходных отверстий не превышает 150 мкм, размер контактных площадок не превышает 400 мкм, а плотность контактных площадок превышает 20 шт./см². Практический результат: больше соединений и компонентов на более компактной, легкой и тонкой плате — с лучшей целостностью сигнала, чем у эквивалентной платы стандартной конструкции.
В данном руководстве объясняется, чем HDI отличается от стандартной платы, как работают структуры межсоединений, как классифицируются многослойные конструкции и — что наиболее важно — в каких случаях эта технология оправдывает свою более высокую стоимость.
Что считается HDI: определение по стандарту IPC-2226
HDI — это не маркетинговый термин; у него есть измеримое определение. Стандарт IPC-2226, устанавливающий требования к проектированию печатных плат с высокой плотностью межсоединений (hdi pcb), устанавливает следующие геометрические пороговые значения:
| Параметр | Пороговое значение по стандарту IPC-2226 HDI |
|---|---|
| Линии и промежутки | ≤ 100 мкм |
| Диаметр переходных отверстий | < 150 мкм |
| Контактные площадки | < 400 мкм |
| Плотность соединительных контактных площадок | > 20 площадок/см² |
При значениях ниже этих пределов традиционное механическое сверление становится «узким местом». Механически просверленная переходная отверстие редко бывает меньше 0,25 мм, занимает пространство трассировки на каждом проходном слое и требует соотношений сторон, которые процесс гальванического покрытия может надёжно обеспечить. Технология HDI существует для устранения этого узкого места: микропереходные отверстия просверливаются лазером, они достаточно малы, чтобы размещаться внутри или рядом с контактными площадками компонентов, и достаточно неглубоки для равномерного гальванического покрытия.
Основные структуры межсоединений
Три типа структур переходных отверстий, а также одна техника их размещения определяют практически каждый проект печатные платы HDI.
Микросквозные отверстия
Микровиа это небольшое неглубокое сквозное отверстие, образованное с помощью лазерного сверления, а не механического. Типичные производственные диаметры варьируются от 0,05 мм до 0,15 мм, а глубина не превышает 0,25 мм. Поскольку отверстие неглубокое, соотношение сторон невелико — примерно от 0,6:1 до 1:1 — что и позволяет обеспечить надёжное гальваническое покрытие и заполнение медью. С электрической точки зрения микровиа добавляет гораздо меньше паразитной ёмкости и индуктивности, чем сквозное отверстие, и занимает пространство трассировки только на одном или двух слоях, а не на всех.
Слепые и погруженные переходные отверстия
Слепые переходные отверстия соединяют внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями, не проходя через всю плату. Заглубленные переходные отверстия соединяют только внутренние слои и невидимы с поверхности. Оба типа освобождают каналы трассировки на внешних слоях, где размещаются компоненты с мелким шагом, а именно там требуется место для плотного разветвления BGA.
Via-in-pad
Via-in-pad размещает микровиа непосредственно внутри посадочной площадки компонента. Это сокращает токовую петлю между выводом ИС и плоскостями питания/заземления, что снижает паразитную индуктивность и позволяет развязывающим конденсаторам быстрее реагировать на переходные процессы в токе. Одно предупреждение: незаполненная переходная отверстие в контактной площадке позволяет припою стекать вниз по отверстию за счет капиллярного действия во время сборки, что приводит к недостатку припоя в соединении. Поэтому конструкции с переходными отверстиями в контактной площадке требуют заполнения — обычно медным наполнителем — перед нанесением покрытия на площадку.
Слоистые структуры HDI: типы структур по стандарту IPC и обозначения слоистых структур
Существуют две системы наименования многослойные печатные платы HDI, и их четкое разграничение позволяет избежать значительной путаницы в производственных чертежах.
Стандарт IPC-2226 определяет типы структур в зависимости от того, как слои микросквозных отверстий и погруженные сквозные отверстия комбинируются вокруг сердечника:
- Тип I — один слой микровиа на одной или обеих сторонах сердечника, при этом остальные соединения обеспечиваются металлизированными сквозными отверстиями. Заглубленных переходных отверстий нет.
- Тип II — по одному слою микропроводов с каждой стороны, плюс погруженные переходные отверстия в сердцевине.
- Тип III — два или более последовательных слоя микропереходных отверстий с одной или обеих сторон, а также погруженные переходные отверстия. Стандарт распространяется на более высокие типы для более сложных многослойных конструкций.
Названия многослойных конструкций, которые инженеры используют в повседневной практике, учитывают количество слоев микропереходных отверстий на каждой стороне сердечника:
| Структура | Значение | Типичное применение |
|---|---|---|
| 1+N+1 | Один слой микроотверстий с каждой стороны | Потребительская электроника, промышленные контроллеры |
| 2+N+2 | Два слоя микропереходных отверстий с каждой стороны | Автомобилестроение, связь |
| 3+N+3 | Три слоя микропереходных отверстий с каждой стороны | ASIC с большим количеством выводов, высокопроизводительные вычисления |
| Любой слой (ELIC) | Каждая пара слоев соединена микроотверстиями | Смартфоны, передовые модули |
Каждый дополнительный слой в структуре означает ещё один цикл ламинирования, ещё один этап выравнивания и больше возможностей для потери выхода — именно поэтому выбор структуры слоёв в основном является решением, обусловленным затратами, о чём говорится ниже.
Почему HDI улучшает целостность сигнала и питания
Электрические преимущества HDI напрямую обусловлены геометрией переходных отверстий.
Более короткие пути возврата и меньшие отводы. Сквозное переходное отверстие, проходящее через всю печатные платы, оставляет неиспользуемую часть отверстия — отвод — которая действует как резонансная структура.При высоких скоростях передачи данных резонанс отвода искажает формы сигналов и ухудшает запасы по «глазу». Слепые и погруженные микропереходные отверстия по своей сути не имеют отводов, поскольку они проходят только через те слои, которые соединяют.
Снижение паразитных эффектов. Типичная сквозная переходная отверстие вносит паразитную ёмкость порядка 1–2 пФ, а также значительную индуктивность. В плотной высокоскоростной сети десятки таких переходных отверстий приводят к разрывам импеданса, отражениям и перекрестным помехам. Микропереходные отверстия, будучи физически меньшими и короче, снижают и то и другое.
Улучшенная подача питания. Микропереходные отверстия типа «via-in-pad» значительно сокращают индуктивность контура между выводами питания устройства и плоскостями по сравнению со сквозными соединениями, улучшая характеристики развязки и переходную характеристику.
Более плотное соединение заземляющих линий. Поскольку микровиа занимают мало площади, переходные отверстия для обратного тока можно размещать в непосредственной близости от каждого перехода высокоскоростного сигнала, что позволяет обеспечить плотность обратных путей и сдерживать электромагнитные помехи.
Как изготавливаются печатные платы HDI
Изготовление HDI отличается от стандартного производства многослойные печатные платы тремя основными процессами.
Лазерное сверление. Микросквозные отверстия формируются с помощью CO₂- или УФ-лазеров, а не механических сверл. Лазер удаляет диэлектрик до целевого слоя меди либо на фиксированной глубине, либо конформно вдоль медных элементов. Чистота отверстий затем зависит от этапа удаления остатков материала перед гальваническим покрытием.
Последовательное ламинирование. Стандартная многослойная печатная плата ламинируется один раз, затем в ней просверливаются отверстия и наносится металлическое покрытие. Плата HDI изготавливается циклически: сначала изготавливается сердечник, затем каждый слой с микровиями подвергается ламинированию, сверлению, гальваническому покрытию и формированию рисунка, прежде чем добавляется следующий слой. Таким образом, плата типа 2+N+2 проходит больше циклов ламинирования, чем плата типа 1+N+1, а плата с произвольным количеством слоёв — ещё больше. Именно это повторение является основной причиной более высокой стоимости HDI — как правило, на 15–40 % выше, чем у стандартной платы с аналогичными электрическими характеристиками — и требует строгой регистрации слоёв относительно друг друга, которая обычно проверяется с помощью рентгеновского контроля.
Заполнение и планаризация переходных отверстий. Многослойные структуры с микропереходными отверстиями требуют заполнения и закрытия переходных отверстий, чтобы следующий слой мог быть нанесен поверх них. Заполненные медью микропереходные отверстия также проводят тепло и пропускают более высокий ток, чем незаполненные.
Документация по качеству для HDI подпадает под требования стандарта IPC-6012 (класс 2 или класс 3), при этом методы испытаний на надежность микропереходных отверстий определены в серии стандартов IPC-TM-650.
Наслоенные и ступенчатые микросквозные отверстия
В любой многослойной структуре микровии могут быть расположены в стопке или в шахматном порядке:
- Наслоенные микровиа выстраиваются вертикально по слоям, обеспечивая кратчайший возможный электрический путь и максимальную плотность. Они требуют, чтобы каждая нижележащая виа была заполнена и закрыта, и концентрируют механическое напряжение в одной точке.
- В микропереходных отверстиях со смещением отверстия каждого слоя смещены относительно друг друга, что распределяет механическое напряжение по более широкой площади. Испытания на надёжность показывают, что конфигурации со смещением выдерживают значительно больше термических циклов, чем наслоенные — в одном из опубликованных сравнений упоминается примерно на 30 % больше.
Практическое правило, вытекающее из этого компромисса: используйте микросквозные отверстия со смещением там, где позволяет плотность размещения; оставляйте микросквозные отверстия, расположенные в стопке (и заполненные), для трассировки выводов BGA с мелким шагом, где плотность размещения вынуждает их использовать; и указывайте толщину гальванического покрытия в соответствии с вашим классом производительности (для конструкций класса 3 по стандарту IPC-6012 требуется более толстое покрытие виа, чем для класса 2).
Когда HDI оправдывает себя? Практический алгоритм принятия решения
Поскольку каждый наслоеваемый слой увеличивает количество циклов ламинирования и стоимость, технологию HDI следует применять там, где её плотность обеспечивает конкретные преимущества. Практическая последовательность действий:
- Шаг BGA менее 0,5 мм — использование сквозных отверстий для распределения выводов больше нецелесообразно; требуются микровиа, вероятно, типа «via-in-pad» с заполнением.
- Шаг BGA 0,4–0,5 мм — чередующееся расположение 1+N+1 обычно позволяет экономично избежать сложной схемы разметки.
- Шаг BGA менее 0,3 мм, «package-on-package» или компоненты с матричной компоновкой — планируйте как минимум многоуровневую схему 2+N+2 или HDI с произвольным количеством слоёв для самых плотных схем.
- Площадь платы ограничена размерами корпуса, а не функциональными требованиями — типичное уменьшение площади на 20–40 %, обеспечиваемое технологией HDI, может быть единственным способом, позволяющим разместить продукт, при этом иногда сокращение общего количества слоев бывает достаточным, чтобы компенсировать часть дополнительных затрат.
- Высокоскоростные цепи с узкими границами «глаза» — слепые переходные отверстия без отводов могут решить проблему соответствия требованиям, которую невозможно решить одними только усилиями по компоновке.
- Ничего из вышеперечисленного — хорошо спроектированная стандартная многослойные печатные платы обычно обойдется дешевле и будет проще в изготовлении. Не стоит внедрять технологию HDI просто ради самой технологии.
Еще один фактор, влияющий на стоимость: объем производства.Наценка в значительной степени обусловлена технологическим процессом,поэтому она окупается лучше при средних и больших объемах, чем при производстве прототипов хотя производитель,предлагающий бесплатную экспертизу DFM,часто может выявить излишнюю сложность конструкции до того, как она станет дорогостоящей.
Печатные платы HDI и стандартные печатные платы: сравнение в таблице
| Параметр | Стандартная многослойная печатная плата | HDI печатная плата |
|---|---|---|
| Технология сквозных отверстий | Механически просверленные сквозные отверстия | Микросквозные отверстия, просверленные лазером, глухие и потайные сквозные отверстия |
| Минимальный диаметр переходного отверстия | ~0,25 мм | 0,05–0,15 мм |
| Соотношение сторон переходного отверстия | До 10:1 | ~0,6:1 до 1:1 |
| Плотность трассировки | Умеренная | На 3–5 раз больше соединений на единицу площади |
| Размер платы при той же функциональности | Больше | На 20–40 % меньше |
| Циклы ламинирования | Один | Несколько (последовательное наслоение) |
| Относительная стоимость одной платы | Базовая | +15–40 % (типично) |
| Поддержка BGA с мелким шагом | Ограниченная | Встроенная |
| Целостность сигнала при высоких скоростях | Ограничивается отводами переходных отверстий и паразитными эффектами | Улучшается за счёт коротких межсоединений без отводов |
Типичные области применения
HDI в настоящее время является стандартом везде, где возникает конфликт между шагом размещения компонентов и площадью платы:
- Смартфоны, носимые устройства и устройства Интернета вещей — HDI любого уровня является нормой в флагманских телефонах
- Автомобильная электроника — модули ADAS, информационно-развлекательные системы и доменные контроллеры
- Высокопроизводительные вычисления и сети — ASIC с большим количеством выводов, коммутационные матрицы, ускорители искусственного интеллекта
- Медицинское оборудование — имплантаты, диагностика и мониторинг пациентов, где размер является клиническим ограничением
- Аэрокосмическая и оборонная промышленность —ограничения по размеру и весу стимулируют внедрение, несмотря на стоимость
Часто задаваемые вопросы
В чём разница между печатные платы HDI и стандартной печатные платы?
В печатных плат HDI механически просверленные сквозные отверстия заменяются лазерно просверленными микровиами и слепыми/погребенными виами, используются более тонкие линии и промежутки, а изготовление осуществляется методом последовательного ламинирования. Это обеспечивает в 3–5 раз большую плотность межсоединений и лучшую целостность сигнала при более высокой стоимости изготовления.
Что такое микровиа?
Это просверленная лазером виа, как правило, диаметром 0,05–0,15 мм и глубиной менее 0,25 мм, с соотношением сторон примерно 1:1. Она соединяет только те слои, которые перекрывает, освобождая пространство для трассировки в других местах.
Что определяет стандарт IPC-2226?
Это стандарт проектирования IPC для плат HDI. Он определяет геометрию HDI (расстояние между линиями ≤ 100 мкм, сквозные отверстия < 150 мкм, захватные площадки < 400 мкм, > 20 площадок/см²) и классы структуры Тип I/II/III… для многослойных микропереходных структур.
Что надежнее: многослойные или ступенчатые микропереходные отверстия?
Ступенчатые микропереходные отверстия распределяют механическое напряжение и выдерживают большее количество термоциклов; многослойные микропереходные отверстия обеспечивают максимальную плотность,но требуют обработки методом заполнения и закрытия. Выбирайте многослойные микропереходные отверстия только в тех случаях,когда этого требует плотность размещения.
Когда следует избегать использования HDI?
Когда шаг между компонентами позволяет использовать сквозные отверстия или стандартные слепые переходные отверстия, площадь платы не ограничена, а скорости передачи сигналов не требуют соединений без отводов, стандартная многослойные печатные платы обычно является более экономичным решением.