Projektowanie HDI PCB: Dobór materiałów, warstwica i optymalizacja wydajności sygnału​

Obrazy autoryzowane przez klienta

PCB o wysokiej gęstości łączności (HDI) stały się podstawą nowoczesnej elektroniki, umożliwiając miniaturyzację i wysoką wydajność wymaganą przez urządzenia 5G, procesory AI,i sprzętu medycznego do obrazowaniaW przeciwieństwie do tradycyjnych płyt PCB, projekty HDI pakować więcej komponentów w mniejszych przestrzeniach za pomocą mikrovia, drobniejsze ślady i zaawansowane materiały, ale ta gęstość wiąże się z wyjątkowymi wyzwaniami.Sukces zależy od trzech kluczowych czynnikówWłaściwie wykonane PCB HDI zmniejszają straty sygnału o 40% i zmniejszają rozmiar urządzenia o 30% w porównaniu ze standardowymi PCB.Oto jak opanować każdy element- Nie.

Kluczowe informacje.
1.PCB HDI wymagają niskich strat, stabilnych materiałów, aby utrzymać integralność sygnału w częstotliwościach powyżej 10 GHz.
2Konstrukcja układu zestawu (1+N+1 konfiguracje, umieszczenie mikrovia) ma bezpośredni wpływ na kontrolę impedancji i zarządzanie cieplne.
3Mikrovias (≤ 150 μm) zmniejszają odbicie sygnału i umożliwiają 30% większą gęstość komponentów niż tradycyjne konstrukcje otworów.
4Wydajność sygnału zależy od właściwości dielektrycznych materiału, geometrii śladów i rozstawienia warstw, co jest kluczowe dla 5G i szybkich aplikacji cyfrowych.

Co czyni PCB HDI wyjątkowymi?
PCB HDI są definiowane przez ich zdolność do obsługi elementów o cienkiej rozdzielczości (≤0,4 mm) i wysokiej gęstości połączeń przy użyciu:
1Mikrowiasy: przewody o małej średnicy (50-150 μm), które łączą warstwy bez przenikania całej płyty, zmniejszając utratę sygnału.
2.Fine Traces: miedziane linie wąskie do 25 μm (1 mil), umożliwiające większą przepływność w ciasnych przestrzeniach.
3Wysoka liczba warstw: kompaktowe układy (często 6-12 warstw) z blisko rozmieszczonymi płaszczyznami sygnału i mocy.
Funkcje te sprawiają, że HDI jest idealne dla urządzeń takich jak smartfony (w których znajduje się ponad 1000 komponentów), stacje bazowe 5G i noszone monitory zdrowia, w których przestrzeń i prędkość nie są przedmiotem negocjacji.

Wybór materiału: podstawa HDI
Materiały HDI muszą zrównoważyć trzy krytyczne właściwości: stałą dielektryczną (Dk), współczynnik rozpraszania (Df) i stabilność termiczną.Nawet niewielkie zmiany w tych właściwościach mogą pogorszyć wydajność sygnału, zwłaszcza w częstotliwościach powyżej 10 GHz.

- Nie.
Dlaczego Dk i Df mają znaczenie?

1Stała dielektryczna (Dk): mierzy zdolność materiału do magazynowania energii elektrycznej. Mniejszy Dk (≤3,5) zmniejsza opóźnienie sygnału, które jest krytyczne dla 5G, gdzie zmniejszenie o 0,5 Dk zmniejsza opóźnienie rozprzestrzeniania się o 10%.
2.Współczynnik rozpraszania (Df): mierzy utratę energii jako ciepło. Niski Df (<0,005) minimalizuje tłumienie sygnału; przy 28 GHz Df 0,002 powoduje 50% mniejszą utratę niż Df 0,01 w śladach 10 cm.
Na przykład stacja bazowa 5G wykorzystująca PPO/PTFE (Dk 3.2, Df 0,003) utrzymuje moc sygnału o 30% lepszą niż w przypadku standardowego FR-4, zwiększając zasięg zasięgu o 150 metrów.

Projektowanie układów HDI: równoważenie gęstości i wydajności

Projekt układu HDI określa, w jaki sposób warstwy wchodzą w interakcje, wpływając na integralność sygnału, zarządzanie cieplne i możliwość produkcji.i oddzielić warstwy mocy hałasowej od warstw sygnału wrażliwego- Nie.

Wspólne konfiguracje zestawów HDI

Kluczowe zasady
1. Oddzielenie mocy sygnału: Umieść płaszczyznę naziemną obok warstw sygnału dużych prędkości (np. ślady 50Ω RF) w celu kontroli impedancji i zmniejszenia EMI. W przypadku par różnicowych (np. USB 3.2),utrzymanie impedancji 90Ω poprzez rozkład śladów 00,3 mm.
2.Strategia mikrowia: użyj mikrowia z stosunkiem stron 1: 1 (50 μm średnicy, 50 μm głębokości) w celu zminimalizowania odbicia sygnału.
3. Warstwa cieplna: do wysokiej mocy HDI (np. ładowarki EV) do rozpraszania ciepła należy włączyć grube warstwy miedzi (2 uncji) lub rdzeń aluminiowy.12-warstwowy HDI z 2 oz miedzianą płaszczyzną podłoża obniża temperaturę komponentów o 15 ° C- Nie.

Optymalizacja wydajności sygnału w projektach HDI
Wysoka gęstość HDI zwiększa ryzyko degradacji sygnału z powodu krzyżowego hałasu, odbicia i EMI.

1Kontrola impedancji.
a. Impedansy docelowe: 50Ω dla pojedynczych śladów RF, 90Ω dla par różnicowych (np. PCIe 4.0) i 75Ω dla sygnałów wideo.
b.Narzędzia obliczeniowe: Użyj oprogramowania takiego jak Polar Si8000 do regulowania szerokości śladu (35 mil dla 50Ω w płytkach o grubości 0,8 mm) i grubości dielektrycznej (46 mil dla materiałów o niskiej Dk).
c. Badanie: sprawdzenie za pomocą TDR (Time Domain Reflectometry) w celu zapewnienia, że zmiana impedancji utrzymuje się w zakresie ± 10% docelowego.

2- Redukcja przesłuchu.
a.Odległość pomiędzy śladami: utrzymywać odległość między równoległymi śladami co najmniej 3 razy większą od ich szerokości (np. ślady o szerokości 5 mil wymagają odległości 15 mil) w celu zmniejszenia hałasu krzyżowego poniżej -30 dB.
b.Płaszczyzny gruntowe: Twarde płaszczyzny gruntowe między warstwami sygnału działają jako osłony, zmniejszając przesłanie poprzeczne o 60% w 12-warstwowym HDI.
c. Routing: unikaj skrętu pod kątem prostym (używaj kątów 45°) i minimalizuj równoległe biegi dłuższe niż 0,5 cala.

3Poprzez optymalizację.
a. Ślepe lub zakopane przewody: przewody te nie przenikają przez całą płytę, zmniejszając długość sztubu (źródło odbicia) o 70% w porównaniu z otworami.
b.Przez sztuby: utrzymywać długość sztubu < 10% długości fali sygnału (np. < 2 mm dla sygnałów 28 GHz) w celu uniknięcia rezonancji.
c.Projekt anty-pad: Wykorzystanie anty-padów o średnicy 2x (100μm anty-pad dla 50μm) w celu zapobiegania zakłóceniom płaszczyzny podłoża.

4- EMI Shielding.
a. Klatki Faraday'a: Obejmują wrażliwe obwody (np. moduły GPS) uziemionymi miedzianymi osłonami podłączonymi do płaszczyzny naziemnej.
b.Filtrowanie: Dodawanie żwirów ferrytowych lub kondensatorów w portach złącza w celu blokowania EMI przed wejściem/wyjściem z HDI.

Aplikacje i wyniki HDI w rzeczywistości
a.5G Smartphones: 6,7-calowy telefon z 1+4+1 HDI stackupem (low-Dk FR-4) zawiera o 20% więcej komponentów niż sztywne PCB, obsługując kamery 5G mmWave i 4K bez zwiększania rozmiaru.
b.Medyczny ultradźwięk: 12-warstwowy pełny HDI z materiałem PTFE (Dk 2.8) umożliwia o 30% szybsze przetwarzanie sygnału, zwiększając rozdzielczość obrazu o 15%.
c. Czujniki lotnicze: 8-warstwowy HDI z ceramicznie wypełnionym PTFE działa niezawodnie w temperaturze od -55°C do 125°C, z utratą sygnału < 0,5 dB w częstotliwości 40 GHz, co jest krytyczne dla łączności satelitarnej.

Częste pytania
P: Ile HDI dodaje do kosztów PCB?
Odpowiedź: HDI kosztuje 20-50% więcej niż tradycyjne płytki PCB, ale 30% oszczędności przestrzeni i 40% zwiększenia wydajności uzasadniają inwestycje w urządzenia o wysokiej wartości (np. modemy 5G, sprzęt medyczny).
P: Jaka jest najmniejsza szerokość śladu w HDI?
Odpowiedź: Zaawansowany HDI obsługuje ślady o długości 10 μm (0,4 mil), ale standardowym jest 25 ‰ 50 μm dla możliwości wytwarzania.
P: Kiedy należy stosować laminację sekwencyjną?
A: Laminat sekwencyjny (warstwa budowlana po jednej) jest idealny do HDI 12+ warstw, umożliwiając precyzyjniejszą kontrolę umieszczenia mikrowód i zmniejszając nieprawidłowe wyrównanie warstw do <10 μm.

Wniosek
Projektowanie płyt HDI wymaga strategicznej równowagi między materiałami, układem i optymalizacją sygnału.Inżynierowie mogą wykorzystać cały potencjał elektroniki o wysokiej gęstościNiezależnie od tego, czy chodzi o 5G, urządzenia medyczne, czy systemy lotnicze, HDI to nie tylko pakowanie większej liczby komponentów, ale dostarczanie niezawodnych, wydajnych rozwiązań w możliwie najmniejszym formie.