Powszechnie stosowane układy stack-up dla wielowarstwowych płyt PCB HDI: konstrukcja, korzyści i zastosowania

Wielowarstwowe płytki PCB High-Density Interconnect (HDI) stały się podstawą zaawansowanej elektroniki – od smartfonów 5G po implanty medyczne – dzięki upakowaniu większej liczby komponentów, szybszych sygnałów i złożonych funkcji w mniejszych obudowach. Jednak sukces tych zaawansowanych płytek PCB zależy od jednej krytycznej decyzji projektowej: układu warstw. Dobrze zaprojektowany układ warstw optymalizuje integralność sygnału, zarządzanie termiczne i wytwarzalność, podczas gdy słaby może obniżyć wydajność, powodować przesłuchy lub prowadzić do kosztownych przeróbek.

Ten przewodnik omawia najczęściej używane układy warstw HDI wielowarstwowych płytek PCB, wyjaśnia, jak wybrać odpowiednią konfigurację dla swojej aplikacji i przedstawia kluczowe zasady projektowania, aby uniknąć pułapek. Niezależnie od tego, czy projektujesz 6-warstwową płytkę PCB do smartfona, czy 12-warstwową płytkę stacji bazowej 5G, zrozumienie tych układów warstw pomoże Ci uwolnić pełny potencjał technologii HDI.

Kluczowe wnioski
1. Układy warstw HDI wielowarstwowych płytek PCB (4–12 warstw) wykorzystują mikrootwory (50–150 μm) i mikrootwory naprzemienne/układane w stosy, aby uzyskać 2–3 razy większą gęstość komponentów niż tradycyjne wielowarstwowe płytki PCB.
2. Najczęstsze konfiguracje to 2+2+2 (6-warstwowa), 4+4 (8-warstwowa), 1+N+1 (elastyczna liczba warstw) i 3+3+3 (9-warstwowa), każda dostosowana do specyficznych potrzeb w zakresie gęstości i wydajności.
3. Dobrze zaprojektowany układ warstw zmniejsza straty sygnału o 40% przy 28 GHz, ogranicza przesłuchy o 50% i obniża rezystancję termiczną o 30% w porównaniu z przypadkowymi układami warstw.
4. Branże takie jak elektronika użytkowa, telekomunikacja i urządzenia medyczne opierają się na specjalistycznych układach warstw: 2+2+2 dla smartfonów, 4+4 dla stacji bazowych 5G i 1+N+1 dla urządzeń do noszenia.

Co to jest układ warstw HDI wielowarstwowej płytki PCB?
Układ warstw HDI wielowarstwowej płytki PCB to rozmieszczenie przewodzących warstw miedzianych (sygnał, zasilanie, masa) i izolacyjnych warstw dielektrycznych (podłoże, prepreg) w płytce PCB. W przeciwieństwie do tradycyjnych wielowarstwowych płytek PCB – które opierają się na przelotowych otworach i prostych układach „sygnał-masa-sygnał” – układy warstw HDI wykorzystują:
  a. Mikrootwory: Drobne otwory (o średnicy 50–150 μm), które łączą sąsiednie warstwy (mikrootwory ślepe: zewnętrzna → wewnętrzna; mikrootwory zagrzebane: wewnętrzna → wewnętrzna).
  b. Mikrootwory układane w stosy/naprzemienne: Mikrootwory ułożone pionowo (w stosy) lub przesunięte (naprzemienne), aby połączyć warstwy nieprzylegające bez otworów przelotowych.
  c. Dedykowane płaszczyzny: Oddzielne warstwy masy i zasilania, aby zminimalizować szumy i poprawić integralność sygnału.
Celem układu warstw HDI jest zmaksymalizowanie gęstości (komponentów na cal kwadratowy) przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wydajności sygnału (25 Gb/s+) i sprawności cieplnej – krytycznej dla kompaktowych urządzeń o dużej mocy.

Dlaczego projekt układu warstw ma znaczenie dla wielowarstwowych płytek PCB HDI
Źle zaprojektowany układ warstw podważa nawet najbardziej zaawansowane funkcje HDI. Oto dlaczego jest to kluczowe:
  1. Integralność sygnału: Sygnały o dużej prędkości (28 GHz 5G, 100 Gb/s łącza centrów danych) są wrażliwe na niedopasowania impedancji i przesłuchy. Właściwy układ warstw (np. warstwa sygnału przylegająca do płaszczyzny masy) utrzymuje kontrolowaną impedancję (50 Ω/100 Ω) i zmniejsza odbicie sygnału o 30%.
  2. Zarządzanie termiczne: Gęste płytki PCB HDI generują ciepło – dedykowane płaszczyzny miedziane w układzie warstw rozprowadzają ciepło 2 razy szybciej niż tradycyjne układy, obniżając temperaturę komponentów o 25°C.
  3. Wytwarzalność: Zbyt złożone układy warstw (np. 12 warstw z mikrootworami 100 μm) zwiększają wskaźnik złomu do 15%; zoptymalizowane projekty utrzymują złom <5%.
  4. Efektywność kosztowa: Wybór 6-warstwowego układu warstw zamiast 8-warstwowego dla płytki PCB smartfona obniża koszty materiałowe o 25% bez poświęcania wydajności.

Najczęściej używane układy warstw HDI wielowarstwowych płytek PCB
Układy warstw HDI są podzielone na kategorie według liczby warstw i konfiguracji mikrootworów. Poniżej znajdują się cztery najczęściej stosowane projekty, z przypadkami użycia, korzyściami i ograniczeniami.

1. Układ warstw 2+2+2 (6-warstwowy) HDI
Układ warstw 2+2+2 to „koń roboczy” elektroniki użytkowej, równoważący gęstość, wydajność i koszt. Składa się z:
  a. Pod-stos górny: 2 warstwy (Sygnał górny + Masa wewnętrzna 1) połączone ślepymi mikrootworami.
  b. Rdzeń środkowy: 2 warstwy (Zasilanie wewnętrzne 2 + Sygnał wewnętrzny 3) połączone zagrzebanymi mikrootworami.
  c. Pod-stos dolny: 2 warstwy (Masa wewnętrzna 4 + Sygnał dolny) połączone ślepymi mikrootworami.
Kluczowe cechy:
  a. Wykorzystuje mikrootwory układane w stosy (Górna → Wewnętrzna 1 → Wewnętrzna 2) do łączenia warstw zewnętrznych i środkowych.
  b. Dedykowane płaszczyzny masy przylegające do warstw sygnałowych zmniejszają przesłuchy.
  c. Obsługuje układy BGA o rozstawie 0,4 mm i elementy pasywne 0201 – idealne do kompaktowych urządzeń.
Metryki wydajności:
  a. Utrata sygnału przy 28 GHz: 1,8 dB/cal (w porównaniu z 2,5 dB/cal dla tradycyjnych 6-warstwowych płytek PCB).
  b. Gęstość komponentów: 800 komponentów/cal kwadratowy (2x tradycyjna 6-warstwowa).
Najlepsze dla:
  a. Smartfony (np. główna płytka PCB iPhone 15), tablety, urządzenia do noszenia (smartwatche) i czujniki IoT.
Zalety i wady:

2. Układ warstw 4+4 (8-warstwowy) HDI
Układ warstw 4+4 to rozwiązanie dla urządzeń o średniej wydajności, dodające dwa kolejne warstwy do konstrukcji 2+2+2 dla dodatkowych ścieżek sygnałowych i zasilania. Zawiera:
  a. Pod-stos górny: 4 warstwy (Sygnał górny 1, Masa wewnętrzna 1, Zasilanie wewnętrzne 2, Sygnał wewnętrzny 3 2) połączone mikrootworami układanymi w stosy.
  b. Pod-stos dolny: 4 warstwy (Sygnał wewnętrzny 4 3, Masa wewnętrzna 5, Zasilanie wewnętrzne 6, Sygnał dolny 4) połączone mikrootworami układanymi w stosy.
  c. Mikrootwory zagrzebane: Łączą Sygnał wewnętrzny 3 (pod-stos górny) z Sygnałem wewnętrznym 4 (pod-stos dolny) w celu routingu sygnału w poprzek stosu.
Kluczowe cechy:
  a. Cztery dedykowane warstwy sygnałowe (obsługuje 4x ścieżki 25 Gb/s).
  b. Podwójne płaszczyzny zasilania (np. 3,3 V i 5 V) dla systemów wielonapięciowych.
  c. Wykorzystuje mikrootwory wiercone laserowo (o średnicy 75 μm) dla wysokiej precyzji.
Metryki wydajności:
  a. Kontrola impedancji: ±5% (krytyczna dla 5G mmWave).
  b. Rezystancja termiczna: 0,8°C/W (w porównaniu z 1,2°C/W dla 6-warstwowego układu warstw).
Najlepsze dla:
  a. Małe komórki 5G, smartfony średniej klasy (np. seria Samsung Galaxy A), bramy przemysłowe IoT i czujniki ADAS w motoryzacji.
Zalety i wady:

3. Układ warstw 1+N+1 (elastyczna liczba warstw) HDI
Układ warstw 1+N+1 to konstrukcja modułowa, w której „N” jest liczbą warstw wewnętrznych (2–8), co czyni ją wszechstronną dla niestandardowych potrzeb. Jest zbudowana jako:
  a. Warstwa górna: 1 warstwa sygnałowa (ślepe mikrootwory do Wewnętrznej 1).
  b. Warstwy wewnętrzne: N warstw (mieszanka sygnału, masy, zasilania – np. 2 masy, 2 zasilania dla N=4).
  c. Warstwa dolna: 1 warstwa sygnałowa (ślepe mikrootwory do Wewnętrznej N).
Kluczowe cechy:
  a. Konfigurowalna liczba warstw wewnętrznych (np. 1+2+1=4-warstwowa, 1+6+1=8-warstwowa).
  b. Mikrootwory naprzemienne (zamiast układanych w stosy) dla prostszej produkcji w małych seriach.
  c. Idealny do prototypowania lub projektów o unikalnych potrzebach w zakresie zasilania/sygnału.
Metryki wydajności:
  a. Utrata sygnału: 1,5–2,2 dB/cal (zmienia się w zależności od N; niższa dla większej liczby płaszczyzn masy).
  b. Gęstość komponentów: 600–900 komponentów/cal kwadratowy (wzrasta wraz z N).
Najlepsze dla:
  a. Prototypy (np. urządzenia IoT dla startupów), urządzenia do noszenia w medycynie (np. monitory glukozy) i czujniki przemysłowe w małych seriach.
Zalety i wady:

4. Układ warstw 3+3+3 (9-warstwowy) HDI
Układ warstw 3+3+3 to konstrukcja o wysokiej wydajności dla złożonych systemów, z trzema równymi pod-stosami:
  a. Pod-stos górny: 3 warstwy (Sygnał górny 1, Masa wewnętrzna 1, Zasilanie wewnętrzne 2) → ślepe mikrootwory.
  b. Pod-stos środkowy: 3 warstwy (Sygnał wewnętrzny 3 2, Masa wewnętrzna 4, Sygnał wewnętrzny 5 3) → zagrzebane mikrootwory.
  c. Pod-stos dolny: 3 warstwy (Zasilanie wewnętrzne 6, Masa wewnętrzna 7, Sygnał dolny 4) → ślepe mikrootwory.
Kluczowe cechy:
  a. Potrójne płaszczyzny masy (maksymalizuje redukcję szumów).
  b. Obsługuje 4+ pary różnicowe o dużej prędkości (100 Gb/s+).
  c. Wykorzystuje mikrootwory wypełnione miedzią dla ścieżek zasilania (przenosi 5–10 A na otwór).
Metryki wydajności:
  a. Utrata sygnału przy 40 GHz: 2,0 dB/cal (najlepsza w swojej klasie dla HDI).
  b. Przesłuchy: <-40dB (w porównaniu z <-30dB dla 8-warstwowego układu warstw).
Najlepsze dla:
  a. Makro stacje bazowe 5G, transceivery centrów danych (100 Gb/s+), awionika lotnicza i wysokiej klasy urządzenia do obrazowania medycznego.
Zalety i wady:

Porównanie typowych układów warstw HDI
Użyj tej tabeli, aby szybko ocenić, który układ warstw pasuje do potrzeb Twojego projektu:

Kluczowe zasady projektowania dla układów warstw HDI wielowarstwowych płytek PCB
Nawet najlepsza konfiguracja układu warstw zawodzi bez odpowiedniego projektu. Postępuj zgodnie z tymi zasadami, aby zoptymalizować wydajność:
1. Sparuj warstwy sygnałowe z płaszczyznami masy
Każda warstwa sygnałowa o dużej prędkości (≥1 Gb/s) musi przylegać do solidnej płaszczyzny masy. To:
  a. Zmniejsza obszar pętli (główne źródło EMI) o 50%.
  b. Utrzymuje kontrolowaną impedancję (np. 50 Ω dla sygnałów jednostronnych), zapewniając spójną grubość dielektryka między ścieżką sygnału a masą.
Przykład: W układzie warstw 2+2+2 umieszczenie Sygnału górnego (28 GHz) bezpośrednio nad Masą wewnętrzną 1 zmniejsza odbicie sygnału o 30% w porównaniu z warstwą sygnału bez przylegającej masy.

2. Oddziel warstwy zasilania i sygnału
Płaszczyzny zasilania generują szumy (tętnienia napięcia, stany przejściowe przełączania), które zakłócają sygnały o dużej prędkości. Aby to złagodzić:
  a. Umieść płaszczyzny zasilania po przeciwnej stronie płaszczyzn masy od warstw sygnałowych (np. Sygnał → Masa → Zasilanie).
  b. Użyj oddzielnych płaszczyzn zasilania dla różnych poziomów napięcia (np. 3,3 V i 5 V), aby uniknąć przesłuchów między domenami zasilania.
  c. Dodaj kondensatory odsprzęgające (rozmiar 01005) między płaszczyznami zasilania a warstwami sygnałowymi, aby stłumić szumy.
Dane: Oddzielenie warstw zasilania i sygnału za pomocą płaszczyzny masy zmniejsza szumy związane z zasilaniem o 45% w projektach 10 Gb/s.

3. Zoptymalizuj rozmieszczenie mikrootworów
Mikrootwory są krytyczne dla gęstości HDI, ale mogą powodować problemy z sygnałem, jeśli zostaną nieprawidłowo umieszczone:
  a. Mikrootwory układane w stosy: Używaj do projektów o dużej gęstości (np. smartfony), ale ogranicz do 2–3 warstw (układanie w stosy 4+ warstw zwiększa ryzyko pustek).
  b. Mikrootwory naprzemienne: Używaj do projektów w małych seriach lub o wysokiej niezawodności (np. urządzenia medyczne) – są łatwiejsze w produkcji i mają mniej pustek.
  c. Trzymaj mikrootwory z dala od narożników ścieżek: Umieść mikrootwory ≥0,5 mm od zagięć ścieżek, aby uniknąć skoków impedancji.

4. Zrównoważ potrzeby termiczne i elektryczne
Płytki PCB HDI o dużej gęstości zatrzymują ciepło – zaprojektuj układ warstw tak, aby je rozpraszał:
  a. Użyj miedzi 2oz dla płaszczyzn zasilania (w porównaniu z 1oz), aby poprawić przewodność cieplną.
  b. Dodaj mikrootwory termiczne (wypełnione miedzią, o średnicy 0,3 mm) między gorącymi komponentami (np. moduły 5G PA) a wewnętrznymi płaszczyznami masy.
  c. W przypadku urządzeń o mocy 10 W+ uwzględnij warstwę rdzenia metalowego (aluminiowego lub miedzianego) w układzie warstw (np. 2+1+2+1+2=8-warstwowy z 1 rdzeniem metalowym).
Studium przypadku: Układ warstw 4+4 z płaszczyznami zasilania 2oz i 12 mikrootworami termicznymi obniżył temperaturę modułu 5G PA o 20°C w porównaniu z konstrukcją 1oz.

5. Przestrzegaj standardów IPC-2226
IPC-2226 (światowy standard dla płytek PCB HDI) zawiera krytyczne wytyczne dotyczące układów warstw:
  a. Minimalna średnica mikrootworu: 50 μm (wiercone laserowo).
  b. Minimalna odległość między mikrootworami: 100 μm.
  c. Grubość dielektryka między warstwami: 50–100 μm (dla kontrolowanej impedancji).
Przestrzeganie IPC-2226 zapewnia, że Twój układ warstw jest wytwarzalny i spełnia branżowe standardy niezawodności

Wybór materiałów dla układów warstw HDI

Właściwe materiały zwiększają wydajność układu warstw – wybierz je w oparciu o prędkość sygnału i środowisko:

Typowe wyzwania związane z układami warstw i rozwiązania
Nawet przy starannym projektowaniu układy warstw HDI napotykają unikalne przeszkody. Oto jak je pokonać:

Realne zastosowania układów warstw HDI
1. Elektronika użytkowa: Smartfony
  a. Urządzenie: Główna płytka PCB iPhone 15 Pro
  b. Układ warstw: 2+2+2 (6-warstwowy)
  c. Dlaczego: Równoważy gęstość (1200 komponentów/cal kwadratowy) i koszt; mikrootwory układane w stosy umożliwiają układy BGA o rozstawie 0,35 mm dla układu A17 Pro.
  d. Wynik: 30% mniejsza płytka PCB niż iPhone 13, z 2x szybszymi prędkościami 5G (pobieranie 4,5 Gb/s).

2. Telekomunikacja: Małe komórki 5G
  a. Urządzenie: Jednostka radiowa Ericsson 5G
  b. Układ warstw: 4+4 (8-warstwowy)
  c. Dlaczego: Cztery warstwy sygnałowe obsługują sygnały mmWave 28 GHz i 4G LTE; podwójne płaszczyzny zasilania obsługują wzmacniacze 20 W.
  d. Wynik: 40% mniejsza utrata sygnału niż w przypadku tradycyjnych 8-warstwowych płytek PCB, zwiększając zasięg małych komórek o 25%.

3. Medycyna: Przenośne USG
  a. Urządzenie: Sonda USG GE Healthcare Logiq E
  b. Układ warstw: 1+4+1 (6-warstwowy)
  c. Dlaczego: Modułowa konstrukcja pasuje do niestandardowych potrzeb czujników; podłoże poliimidowe wytrzymuje sterylizację (134°C).
  d. Wynik: 50% lżejsza sonda niż w poprzednich modelach, z wyraźniejszym obrazowaniem (dzięki niskim przesłuchom).

4. Motoryzacja: Radar ADAS
  a. Urządzenie: Moduł radarowy Tesla Autopilot
  b. Układ warstw: 3+3+3 (9-warstwowy)
  c. Dlaczego: Potrójne płaszczyzny masy redukują EMI z elektroniki samochodowej; mikrootwory wypełnione miedzią obsługują zasilanie 15 A dla nadajników radarowych.
  d. Wynik: 99,9% dokładności wykrywania w deszczu/mgle, spełniając normy bezpieczeństwa ISO 26262.

Często zadawane pytania dotyczące układów warstw HDI wielowarstwowych płytek PCB
P: Jak wybrać między układem warstw 2+2+2 a 4+4?
O: Użyj 2+2+2, jeśli Twój projekt potrzebuje ≤2 ścieżek o dużej prędkości (np. smartfon z 5G + Wi-Fi 6E) i priorytetowo traktuje koszt. Wybierz 4+4 dla 3+ ścieżek o dużej prędkości (np. mała komórka 5G z 28 GHz + 39 GHz) lub rozpraszania mocy 10 W+.

P: Czy układy warstw HDI mogą obsługiwać elastyczne płytki PCB?
O: Tak – użyj układu warstw 1+N+1 z podłożem poliimidowym (np. 1+2+1=4-warstwowe elastyczne HDI). Jest to powszechne w składanych telefonach (obszary zawiasów) i urządzeniach do noszenia.

P: Jaka jest minimalna liczba warstw dla płytki PCB 5G mmWave?
O: 6 warstw (2+2+2) z podłożem Rogers RO4350. Mniej warstw (4-warstwowe) powoduje nadmierną utratę sygnału (>2,5 dB/cal przy 28 GHz).

P: Ile układ warstw HDI dodaje do kosztu PCB?
O: Układ warstw 2+2+2 kosztuje o 30% więcej niż tradycyjna 6-warstwowa płytka PCB; układ warstw 3+3+3 kosztuje 2x więcej. Premia jest kompensowana przez mniejszy rozmiar urządzenia i lepszą wydajność.

P: Czy potrzebuję specjalnego oprogramowania do projektowania układów warstw HDI?
O: Tak – narzędzia takie jak Altium Designer, Cadence Allegro i Mentor Xpedition mają funkcje specyficzne dla HDI: zasady projektowania mikrootworów, kalkulatory impedancji i symulatory układów warstw.

Wnioski
Układy warstw HDI wielowarstwowych płytek PCB są bohaterami współczesnej elektroniki, umożliwiającymi kompaktowe, wysokowydajne urządzenia, na których polegamy na co dzień. Konfiguracje 2+2+2, 4+4, 1+N+1 i 3+3+3 służą unikalnym potrzebom – od niedrogich smartfonów po krytyczne dla misji stacje bazowe 5G.
Kluczem do sukcesu jest dopasowanie układu warstw do Twojej aplikacji: priorytetowo traktuj koszt z 2+2+2, wydajność z 3+3+3 i elastyczność z 1+N+1. Połącz to z inteligentnymi zasadami projektowania (parowanie sygnał-masa, optymalizacja mikrootworów) i wysokiej jakości materiałami, a stworzysz płytki PCB HDI, które wyróżniają się gęstością, szybkością i niezawodnością.

Ponieważ elektronika wciąż się kurczy, a prędkości rosną do 60 GHz+ (6G), projektowanie układów warstw HDI będzie tylko zyskiwać na znaczeniu. Opanowując te konfiguracje i najlepsze praktyki, będziesz gotowy do budowy nowej generacji najnowocześniejszych urządzeń – takich, które są mniejsze, szybsze i bardziej wydajne niż kiedykolwiek wcześniej.