Три ключевых принципа проектирования высококачественных HDI печатных плат

Введение в технологию HDI

HDI (High Density Interconnection — высокоплотное соединение) — это технология печатных плат, начавшая развиваться в конце XX века. Для традиционных печатных плат используется механическое сверление, которое имеет существенные недостатки: высокая стоимость при диаметре отверстий 0,15 мм и сложность улучшения из-за ограничений сверлильного инструмента. В HDI-платах применяется лазерное сверление, которое сразу получило широкое распространение. HDI-платы также называют лазерными: диаметр отверстий обычно составляет 3,0–6,0 мил (0,076–0,152 мм), а ширина проводников — 3,0–4,0 мил (0,076–0,10 мм). Это позволяет резко уменьшить размер контактных площадок и разместить больше трассировки на единицу площади. Технология HDI стимулировала развитие отрасли печатных плат и теперь широко применяется в различных устройствах.

Особенности проектирования HDI-плат

В плане проектирования главное отличие HDI-плат от обычных — использование слепых и зарытых отверстий вместо сквозных для межслойных соединений. Кроме того, применяются более тонкие проводники и меньшие зазоры, что позволяет максимально эффективно использовать площадь для размещения и трассировки. Новички в проектировании HDI должны уметь распределять пространство под компоненты, переключаться между типами отверстий (слепые, зарытые, сквозные) и выделять место для сигнальных линий. Но первой и главной задачей является понимание технологических параметров производства HDI-плат.

Технологический процесс производства

Диаметр отверстий

При проектировании сквозных и слепых/зарытых отверстий необходимо учитывать соотношение толщины платы к диаметру отверстия. Для механического сверления обычных плат диаметр сквозного отверстия должен быть более 0,15 мм, а соотношение толщина/диаметр — более 8:1 (в особых случаях до 12:1 и выше). Для лазерного сверления диаметр отверстия должен составлять 3–6 мил (рекомендуется 4 мил), а соотношение глубины метализации к диаметру — не более 1:1.

Чем толще плата, тем меньше может быть диаметр отверстия. При метализации химический раствор плохо проникает в глубину отверстий. Хотя установки для метализации загоняют раствор в центр отверстий вибрацией или давлением, градиент концентрации приводит к более тонкому слою в центре, что может вызвать микроперерывы. При повышении напряжения или механических нагрузках дефекты проявляются ярче, в итоге приводя к обрывам цепей и отказу платы. Поэтому проектировщики должны заранее знать технологические возможности производителя, иначе возникнут трудности в производстве, повысится брак или плата станет непроизводимой.

Слоевая структура (Stack-up)

Слоевая структура HDI-плат классифицируется по порядку слоев со слепыми отверстиями. Основные типы:

• 1-HDI (с зарытыми отверстиями): слепые 1-2, 6-5; зарытое 2-5; сквозное 1-6.
• 2-HDI без стакования (с зарытыми отверстиями): слепые 1-2, 2-3, 8-7, 7-6 (нестакованные); зарытое 3-6; сквозное 1-8.
• 2-HDI со стакованием без смолозаполнения: слепые 1-2, 2-3, 8-7, 7-6 (стакованные); зарытое 3-6; сквозное 1-8.
• 2-HDI со стакованием и смолозаполнением: слепые 1-2 (стакованные), 2-3 (стакованные, смолозаполненные), 8-7 (стакованные), 7-6 (стакованные, смолозаполненные); зарытое 3-6; сквозное 1-8.

При прессовке платы возникают остаточные напряжения. Если структура асимметрична (неравномерное распределение напряжений по разные стороны), возникает односторонний изгиб, резко снижающий выход годной продукции. Проектировщики должны выбирать симметричную структуру и учитывать распределение слепых/зарытых отверстий.

Последовательность технологических операций

Рассмотрим на примерах 4-слойной HDI с 1 стакованием и 6-слойной HDI с 2 стакованиями.

4-слойная HDI с 1 стакованием

Процесс похож на обычную плату, но меняется последовательность сверления: сначала механическое сверление зарытых отверстий слоев 2-3, затем сквозных 1-4, затем слепых 1-2 и 4-3. Если проектировщик сразу задаст отверстия 1-3 или 4-2 без промежуточного 2-3, это создаст экстремальные трудности в производстве, увеличит стоимость и брак. Выбор типа отверстий должен учитывать текущие технологические возможности.

6-слойная HDI с 2 стакованиями

Последовательность: зарытые отверстия 3-4, зарытые 2-5, слепые 2-3 и 5-4, сквозные 1-6, затем слепые 1-2 и 6-5. Лазерное сверление слепых отверстий обжигает стенки, образуя коксовые отложения и окисляя медь на втором слое. Требуется предобработка перед метализацией. Из-за малого диаметра удалить кокс сложно. Для 2-HDI необходима профессиональная метализация и заполнение слепых отверстий, что значительно повышает стоимость. Кроме того, накопление ошибок совмещения повышает брак. 2-HDI не рекомендуется, кроме экстремально сложных изделий.

Размещение компонентов (Layout)

Плотность размещения на HDI-платах высока, необходимо обеспечивать монтажность, паяемость и ремонтопригодность. Минимальные зазоры между компонентами:

Компоненты на HDI	Зазор
Обычные SOP и выводы других компонентов	>40 мил
BGA и выводы других компонентов	>80 мил
Выводы обычных компонентов	>20 мил

Указанные значения — минимальные для обычной пайки. В реальном производстве зазоры стоит увеличивать максимально возможным образом для удобства монтажа, перепайки и ремонта.

Другие важные аспекты размещения:

• RF/аналоговые/ЦАП-ADC/цифровые блоки должны быть строго разделены пространственно. Зазоры между ними увеличиваются независимо от стороны размещения.
• Компоненты одного модуля размещайте на одной стороне, чтобы минимизировать площадь отверстий и переходов между слоями. Ключевые цепи определяйте и располагайте вокруг ключевых компонентов по степени важности сигналов.
• Высокомощные сигналы изолируйте от остальных.

Трассировка (Track)

При трассировке учитывайте минимальную ширину проводника, безопасные зазоры и равномерность. Слишком малые зазоры вызывают срастание фотопленки во внутренних слоях (короткое замыкание). Слишком тонкие проводники дают слабое прилегание пленки (разрыв цепи). Неравномерность трассировки приводит к неравномерности толщины меди и скорости течения смолы. Следите за равномерностью распределения меди.

Дополнительные рекомендации:

• Компоненты на верхнем и нижнем слоях хорошо изолированы — минимизируйте переговоры между внутренними сигнальными слоями.
• Для важных сигналов в RF и аналоговых зонах обеспечивайте короткий путь возврата тока по земле вокруг каждого сигнала.
• В зонах трассировки важных сигналов не добавляйте слепые отверстия без физической необходимости (кроме отверстий полигона земли).
• Приоритет трассировки — важные сигналы и сигналы с требованиями к волновому сопротивлению.
• При достаточной способности питания переносить ток избегайте сплошного полигона питания, чтобы снизить воздействие на другие сигналы.
• Если качество сигнала приоритетно, слепые отверстия можно сверлить прямо в контактной площадке. В зоне BGA слепые отверстия и пады лучше делать касательными, чтобы не влиять на пайку BGA.
• Слепые/зарытые отверстия хуже сквозных по непрерывности. Для сигналов с контролем импеданса сокращайте длину проводников между падом и слепым отверстием, слепым и зарытым отверстием; верх и низ сигнального слоя должны быть целыми.

Заключение

При проектировании HDI-плат сложная технологичность должна учитываться заранее. Параметры обычных плат известны большинству проектировщиков, а новичкам в HDI необходимо изучить спецификации производителя custom-плат для гарантии успешного проекта.

Обратитесь в PCBCart за расчетом стоимости HDI-плат

PCBCart имеет более десятилетний опыт производства и сборки HDI-плат. Мы профессионально и стоимоэффективно превратим ваш проект высокоплотных соединений в готовые платы. Завершили проектирование HDI? Обратитесь к нам за бесплатным расчетом стоимости!

Полезные ресурсы:
• Что нужно знать о HDI
• Важные элементы зарытых и слепых отверстий в гибко-ригидных HDI-платах
• Как оценить производителя автомобильных HDI-плат
• Высокотехнологичное производство HDI-плат от PCBCart