Могут ли HDI-ПП удовлетворить ваши потребности? Экспертный анализ

Недавно резко вырос спрос на сложные электронные устройства с высокой вычислительной мощностью для الناشющих технологий: IoT, 4G/5G сети. HDI-ПП — ключевой энейблер для создания мощных, но компактных устройств на той же или меньшей площади по сравнению с традиционной технологией ПП.

В статье глубоко разберем эту технологию: определение HDI-ПП, проектирование, производство, материалы, выбор производителя и мировой рыночный прогноз.

1. Что такое HDI-ПП?

Тренд на более легкие, тонкие и маленькие устройства толкнул эволюцию ПП к High-Density Interconnection (HDI) — высокоплотным взаимосвязям. Главное отличие от традиционных: высокая плотность за счет микровайных слоев (micro-via layers).

Традиционная трассировка не достигает такой плотности. В HDI слои микровай имеют диаметры и глубину 50–150 мкм. Это позволяет создавать малые и тонкие платы для компактных устройств с расширенными возможностями.

Обычно микровай-слои строят над базовой платой (одно- или многослойной). Можно наращивать слои с обеих сторон. Электрическая связь базовой платы и наращенных слоев — через микровайы.

Благодаря микроскопическим пэдам микровай можно драматически уменьшить размер и вес платы → уменьшение габаритов всего изделия. Микровайы также улучшают электрические характеристики.

Преимущества HDI-ПП:

• Уменьшенные габариты
• Сниженный вес
• Лучшая электрическая производительность
• Костэффективность (при правильном подходе)
• Более быстрые производственные циклы
• Меньше теплопередачи
• Эффективное потребление энергии → дольше работа от батареи
• Высокая скорость передачи сигналов и лучшее качество сигнала

2. Проектирование HDI-ПП

Большинство доступных упаковочных технологий зависят от HDI-процесса. Для стабильного промышленного выхода требуется минимальная ширина/зазор дорожек 100 мкм.

Build-up технология HDI использует лазерное/плазменное сверление или фотообразование диэлектриков для формирования слепых вай (blind vias), необходимых для растрачивания flip-chip массивов.

Часто нужен только 1–2 flip-chip, и HDI недозадействована на остальной плате. По стандартам IPC-2221A и IPC-2222: соотношение сторон (aspect ratio) для through-hole вай — 6:1 ÷ 8:1. Рекомендуемый диаметр сверла 0.25 мм для типичной толщины 1.60 мм. Эти ограничения уместны для производства, WellPCB их рекомендует. Для IPC Class 3 такие параметры критичны.

По соображениям надежности нельзя снижать размер пэда вая и диаметр отверстия. По IPC-2221A: размер пэда ограничивается 0.55–0.60 мм.

3. Ключевые параметры производства HDI-ПП

Апертурное соотношение (Aperture Ratio)

Ключевой параметр при проектировании сквозных и слепых отверстий. При механическом сверлении: апертура ~0.15 мм, соотношение толщина/апертура ≥ 8:1. При лазерном: диаметр 3–6 мкм (вероятно, 0.03–0.06 мм), апертурное соотношение ≤ 1:1.

Стэк-ап (Stack-up)

На стыковке слоев (stacking) влияют температура и давление. Асимметричный стэк-ап → неравномерное напряжение → варпидж (искривление) → снижение выходного коэффициента. Проектировщик должен учитывать симметричность и равномерность распределения отверстий.

Технологический поток (Process Flow)

Процесс HDI во многом похож на стандартный. Пример: 6-слойная HDI с 2 наращиваниями (2 stacks) — тот же поток, кроме последовательности сверления. Лазерное сверление формирует слепые отверстия при высокой температуре (обжиг стенок). Для 2-слойных HDI слепые ваи заполняют и металлизируют — это дорого.

4. Выбор материалов для HDI-ПП

Тонкие материалы критичны для конечного изделия. В HDI используют разные материалы под итоговые спецификации: FR-4, металл, стекловолокно и др.

Поверхностные покрытия: ENIG, HASL, иммерсионное олово/серебро/золото. Рекомендуем ENIG за идеальную гладкость и паяемость.

5. Критерии выбора производителя HDI-ПП

Выбор производителя, способного сделать сложные высококачественные платы — критично. HDI — сложный процесс. Ищите компанию с компетенциями в высокомногослойных технологиях, коммитированную к качеству.

WellPCB дает конкурентные преимущества: быстрые надежные котировки, многолетний опыт, инновационные предложения от фазы дизайна до финала. Инженерная команда коммитирована к выдающимся продуктам с минимальными дефектами. Узнайте больше о наших услугах.

6. Глобальный прогноз рынка HDI-ПП

Производители годами инвестируют в HDI. Рыночная стоимость: $9,5 млрд (2017). Ожидается $22 млрд к 2025 году при CAGR 11%.

С приходом смартфонов и компактных мобильных устройств полупроводники увеличивают число выводов при сокращении корпуса. К 2020 году: >4000 высокоскоростных I/O выводов на flip-chip → ультратонкий шаг в массиве. Большинство китайских поставщиков следуют упаковочному дорожному карте ITRI. Логистику организуйте самостоятельно.

Числа выводов растут по закону Мура. Упаковка таких чипов — вызов по стоимости и производительности.

Основная доступная упаковочная технология сейчас — HDI-процесс, гарантирующий min line/space 100 мкм для стабильного выхода.

Заключение

Частая практика повышения плотности — увеличение числа металлических слоев и контроль толщины диэлектрика и металлизации для минимизации размера. HDI-ПП — лучший выбор для сложных схем, требующих компактных габаритов.