Produkcja HDI PCB: Wyzwania techniczne i sprawdzone rozwiązania dla produkcji o wysokiej wydajności

Wyobraźnia zmodernizowana przez klienta

PCB o wysokiej gęstości łączenia (HDI) są podstawą zminiaturyzowanej, wydajnej elektroniki ̇ od smartfonów 5G po urządzenia medyczne do noszenia.,Jednakże wytwarzanie HDI jest znacznie bardziej złożone niż standardowa produkcja płyt PCB:60% projektów HDI realizowanych po raz pierwszy boryka się z problemami z wydajnością ze względu na wady mikrociągów, błędy w ustawieniu laminacji lub awarie maski lutowej (dane IPC 2226).

Dla producentów i inżynierów zrozumienie tych wyzwań technicznych i sposobu ich rozwiązywania ma kluczowe znaczenie dla dostarczania spójnych, wysokiej jakości płyt PCB HDI.W tym przewodniku przedstawiono 7 głównych wyzwań związanych z produkcją HDI, zapewnia rozwiązania oparte na danych branżowych i podkreśla najlepsze praktyki wiodących dostawców, takich jak LT CIRCUIT.Niezależnie od tego, czy produkujesz 10-warstwowy HDI dla radarów samochodowych, czy 4-warstwowy HDI dla czujników IoT, te spostrzeżenia pomogą Ci zwiększyć plony z 70% do 95% lub więcej.

Kluczowe wnioski
1.Wady mikrowirusów (płytki, przerwy wiertnicze) powodują 35% strat wydajności HDI, rozwiązywane za pomocą wiertni laserowej UV (dokładność ± 5 μm) i galwanizacji miedzi (prędkość wypełniania 95%).
2Niedopasowanie warstwy (± 10 μm) niszczy 25% płyt HDI ◄stawionych za pomocą systemów optycznego wyrównania (tolerancja ± 3 μm) i optymalizacji znaku fiducjalnego.
3. Peeling maski lutowej (20% wskaźnika niepowodzenia) jest eliminowany przez oczyszczanie plazmy (Ra 1,5 ‰ 2,0 μm) i UV-trudne, specyficzne HDI maski lutowe.
4Podcięcie grawerowe (zmniejsza szerokość śladu o 20%) jest kontrolowane głęboką litografią UV i monitorowaniem szybkości grawerowania (± 1 μm/min).
5Niezawodność cyklu termicznego (50% wskaźnika awarii w przypadku nieoptymalizowanych konstrukcji) jest zwiększana poprzez dopasowanie współczynnika rozszerzenia termicznego (CTE) między warstwami i stosowanie elastycznych dielektryk.
6.Efektywność kosztowa: rozwiązanie tych wyzwań obniża koszty ponownego obróbki o 0,80$/2,50$ na PCB HDI i skraca czas produkcji o 30% w przypadku dużych serii (10 000+ jednostek).

Co czyni wytwarzanie płyt PCB HDI wyjątkowym?
PCB HDI różnią się od standardowych PCB na trzy kluczowe sposoby, które napędzają złożoność produkcji:

1.Mikrowiasy: Ślepe/pogrzebane wiasy (średnica 45 ‰ 100 μm) zastępują wiasy otwarte, wymagające wiercenia laserowego i precyzyjnego pokrycia.
2.Fine Features: 25/25μm trace/space i 0,4mm pitch BGA wymagają zaawansowanych technologii etsu i umieszczania.
3.Laminat sekwencyjny: Budowanie płyt HDI w podstopach 2 ∼4 warstw (w porównaniu z laminatą jednokształtową dla standardowych płyt PCB) zwiększa ryzyko wyrównania.

Te cechy umożliwiają miniaturyzację, ale stwarzają wyzwania, których standardowe procesy PCB nie mogą rozwiązać.10-warstwowa płyta HDI wymaga 5 razy więcej etapów procesów niż 10-warstwowa standardowa płytka PCB.

7 największych wyzwań technicznych w produkcji PCB HDI (i rozwiązania)
Poniżej przedstawiono najczęstsze wyzwania związane z produkcją HDI, ich podstawowe przyczyny i sprawdzone rozwiązania, poparte danymi z ponad 10-letniego doświadczenia LT CIRCUIT w produkcji HDI.
1Wady mikrowirusów: pustki, przerwy wiertnicze i niewłaściwe pokrycie
Mikrovia są najbardziej krytyczną i podatną na błędy cechą PCB HDI. Dwa wady dominują: próżnice (szefy powietrza w pokrytych wiasach) i przerwy wiertnicze (niepełne otwory spowodowane błędnym ustawieniem lasera).

Główne przyczyny:
Problemy z wiertaniem laserowym: niska moc lasera (nie przenika przez dielektryk) lub duża prędkość (przyczynia rozmazanie żywicy).
Problemy z pokryciem: Niewystarczające odmazanie (resztki żywicy blokują przyczepność miedzi) lub niska gęstość prądu (nie wypełniają przewodu).
Niezgodność materiału: stosowanie standardowego prepregu FR4 z podłożami HDI o wysokim Tg (z powodu delaminacji wokół przewodów).

Wpływ:
Pustki zmniejszają przepustowość prądu o 20% i zwiększają odporność termiczną o 30%.
Przerwy wiertnicze powodują otwarte obwody, niszczące 15-20% płyt HDI, jeśli nie zostaną złapane.

Rozwiązanie:

Badanie przypadku: LT CIRCUIT zmniejszyło wady mikrovia z 35% do 5% dla producenta modułu 5G poprzez przejście na wiercenie laserowe UV i platowanie impulsowe, oszczędzając 120 tys. dolarów rocznie na przebudowach.

2Nieprawidłowe ustawienie warstwy: krytyczne dla układanego mikrovia
Sekwencyjna laminacja HDI wymaga wyrównania podstóp w granicach ±3 μm, w przeciwnym razie układane mikrovia (np. Górna → Wewnętrzna 1 → Wewnętrzna 2) pękają, powodując zwarcia lub otwarte obwody.

Główne przyczyny:
Błędy w znakach powierniczych: źle umieszczone lub uszkodzone znaki powiernicze (używane do wyrównania) prowadzą do błędnego odczytu.
Mechaniczny dryf: Sprzęt do tłoczenia zmienia się podczas laminowania (często występuje w przypadku dużych paneli).
Warpage termiczny: Podstawy rozszerzają się / kurczą się nierównomiernie podczas ogrzewania / chłodzenia.

Wpływ:
Niewłaściwe wyrównanie > ± 10 μm niszczy 25% płyt HDI – kosztuje 50 000 $ – 200 000 $ za serię produkcji.
Nawet niewielkie błędy (± 5 ‰ 10 μm) zmniejszają przewodność mikrowia o 15%.

Rozwiązanie:

Przykład:Producent wyrobów medycznych zmniejszył ilość złomu związanego z nieprawidłowym wyrównaniem z 22% do 3% poprzez wdrożenie systemu optycznego wyrównania LT CIRCUIT, umożliwiającego spójną produkcję 8-warstwowych PCB HDI do monitorów glukozy.

3. Maska lutowa, łuszczenie i dziury szpilkowe
HDI® ma subtelne cechy i gładkie powierzchnie miedziane, co sprawia, że przyczepność do maski lutowej jest dużym wyzwaniem.

Główne przyczyny:
Gładka powierzchnia miedziana: miedź walcowana HDI (Ra < 0,5 μm) zapewnia mniejszą przyczepność niż standardowa miedź elektrolityczna (Ra 1 ‰ 2 μm).
Zanieczyszczenie: olej, pył lub pozostałości na miedzi uniemożliwiają przyłączenie się maski lutowej.
Niezgodna maska lutowa: stosowanie standardowej maski lutowej FR4 (sformułowanej dla włókna szklanych) na podłogach HDI.

Wpływ:
Peeling naraża miedź na korozję, zwiększając awarie pola o 25% w wilgotnych warunkach.
Otwory szpilkowe powodują powstawanie mostów lutowych między śladami 25μm, skracając 10−15% płyt HDI.

Rozwiązanie:

Wynik: LT CIRCUIT zmniejszyło defekty maski lutowej z 30% do 3% dla klienta czujnika IoT ‒ obniżając zwrot pole o 80 000 USD rocznie.

4- Podcięcie grawerowe: zawężenie drobnych śladów
Odcinek podgrzewający występuje, gdy odcinek chemiczny usuwa więcej miedzi z stron śladów niż górne zwężanie śladów 25 μm do 20 μm lub mniej.

Główne przyczyny:
Nadmierne grafowanie: zbyt długie pozostawianie desek w grafowaniu (często przy ręcznym sterowaniu procesem).
Słabe przyczepność fotorezystyczne: fotorezystyczne podnoszą się z miedzi, narażając strony na etant.
Nierównomierne rozmieszczenie grafikacji: martwe strefy w zbiornikach grafikacyjnych powodują niespójne grafikacje.

Wpływ:
Podcięcie > 5 μm zmienia impedancję o 10% ̇ nie osiągając celów 50Ω/100Ω dla sygnałów dużych prędkości.
Odciski osłabione rozpadają się podczas umieszczania elementów ‒ 8 ∙ 12% płyt HDI.

Rozwiązanie:

Badanie: ślad o szerokości 25 μm wygrawerowany za pomocą zautomatyzowanego procesu LT CIRCUIT® utrzymywał szerokość 24 μm (1 μm podcięcia) w porównaniu z 20 μm (5 μm podcięcia) przy ręcznym wygrawerowaniu.Zmiana impedancji utrzymywana w granicach ±3% (zgodnie ze standardami 5G).

5Niezawodność cyklu termicznego: delaminacja i pękanie
PCB HDI są narażone na ekstremalne wahania temperatury (-40 ° C do 125 ° C) w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i przemysłowym.

Główne przyczyny:
Niezgodność CTE: warstwy HDI (miedziane, dielektryczne, prepregowe) mają różne tempo rozszerzania, np. miedź (17 ppm/°C) w porównaniu z FR4 (13 ppm/°C).
Brzydkie dielektryki: Dielektryki o niskim Tg (Tg < 150 °C) pękają w wyniku wielokrotnego rozszerzania/zmniejszania.
Słabe wiązanie: Nieodpowiednie ciśnienie laminacji tworzy słabe wiązania warstw.

Wpływ:
Delaminacja zmniejsza przewodność cieplną o 40%, powodując przegrzanie komponentów.
Pęknięcia łamie ślady - 50% płyt HDI ulega awarii po 1000 cyklach termicznych.

Rozwiązanie:

Badanie przypadku: PCB radarów HDI klienta z branży motoryzacyjnej przetrwały 2000 cykli termicznych (-40°C do 125°C) po tym, jak LT CIRCUIT dodał warstwy między warstwami poliamidów w porównaniu z 800 cyklami poprzednimi.Spełniało to normy IATF 16949 i zmniejszyło roszczenia gwarancyjne o 60%.

6Brak przyczepności folii miedzianej
Odkładanie folii miedzi z warstwy dielektrycznej jest ukrytą wadą HDI, często odkrywaną tylko podczas lutowania części.

Główne przyczyny:
Zanieczyszczony dielektryczny: pył lub olej na powierzchni dielektrycznej uniemożliwiają wiązanie miedzi.
Nieodpowiednie utwardzanie prepregu: niedostatecznie utwardzony prepreg (często przy niskiej temperaturze laminacji) ma słabe właściwości klejących.
Niewłaściwy rodzaj miedzi: użycie miedzi elektrolitycznej (słaba adhezja do gładkich dielektryków) zamiast miedzi walcowanej do HDI.

Wpływ:
Odkładanie folii niszczy 7-10% płyt HDI podczas lutowania z powrotem (260°C).
Naprawa jest niemożliwa. Uszkodzone deski muszą zostać wyrzucone.

Rozwiązanie:

Badanie: Badanie przyczepności LT CIRCUIT (ASTM D3359) wykazało, że walcowana folia miedziana ma wytrzymałość wiązania 2,5 N/mm w porównaniu z 1,5 N/mm w przypadku miedzi elektrolitycznej.

7Ciśnienie kosztów i czasu realizacji
Produkcja HDI jest droższa i czasochłonna niż standardowa produkcja PCB, co powoduje presję na obniżenie kosztów bez zaniedbywania jakości.

Główne przyczyny:
Złożone procesy: 5x więcej kroków niż standardowe PCB (wiercenie laserowe, sekwencyjne laminowanie) zwiększa koszty pracy i sprzętu.
Niskie wydajności: Wady (np. pustki mikrowia) wymagają ponownej pracy, dodając 2 ∼ 3 dni do czasu realizacji.
Koszty materiałów: materiały specyficzne dla HDI (walcowana miedź, dielektryki o niskim poziomie Df) kosztują 2×3 razy więcej niż standardowy FR4.

Wpływ:
HDI PCB kosztują 2,5 razy więcej niż standardowe PCB, co wyprowadza niektórych małych producentów z rynku.
Długie terminy realizacji (2-3 tygodnie) opóźniają uruchomienie produktów, co powoduje utratę przychodów w wysokości 1,2 mln USD tygodniowo (dane McKinsey).

Rozwiązanie:

Przykład: LT CIRCUIT pomógł startupom zmniejszyć koszty HDI o 20% i czas realizacji o 40% dzięki automatyzacji i panelizacji, umożliwiając im uruchomienie urządzenia noszonego 6 tygodni wcześniej.

Porównanie wydajności wytwarzania HDI: przed i po rozwiązaniu
Wpływ rozwiązywania tych wyzwań jest jasny podczas porównania wydajności i kosztów.

Krytyczny wgląd: 25% poprawy wydajności oznacza 2500 więcej użytecznych płyt w 10k-jednostek run – oszczędzając 70k $ w kosztach złomu materiału i ponownej obróbki.To daje ponad 700 tysięcy dolarów oszczędności rocznie..

Najlepsze praktyki w zakresie produkcji PCB HDI w celu zapewnienia stałej jakości
Nawet przy odpowiednich rozwiązaniach, spójna produkcja HDI wymaga przestrzegania najlepszych praktyk w branży, opracowanych na podstawie dziesięcioleci doświadczenia z projektami o wysokiej gęstości.Poniżej przedstawiono wskazówki dla producentów i inżynierów:
1Projektowanie do produkcji (DFM)
a.Zapoznaj się z producentem z góry: przed zakończeniem udostępnij dostawcy HDI pliki Gerbera i projekty układów (np. LT CIRCUIT).
b. urządzenia do wykonywania operacji w zakresie oświetlenia, w tym urządzenia do wykonywania operacji w zakresie oświetlenia;
szerokość śladu < 25 μm (przyzwyczajona do podcięcia grawerowania).
Niewystarczające pokrycie płaszczyzny naziemnej (skutki EMI).
b.Wykorzystanie narzędzi DFM specyficznych dla HDI: oprogramowanie takie jak Altium Designer's HDI DFM Checker automatyzuje 80% przeglądów projektu, zmniejszając błędy ręczne o 70%.

Najlepsza praktyka: W przypadku projektów HDI o 8 warstwach + zaplanuj przegląd DFM na 2 tygodnie przed produkcją, aby uniknąć zmian w ostatniej chwili.

2Standaryzacja materiałów dla przewidywalności
a.Utrzymać się sprawdzonych kombinacji materiałów: Unikaj mieszania niezgodnych materiałów (np. Rogers RO4350 ze standardowym prepregiem FR4).
Substrat: FR4 o wysokim Tg (Tg ≥170°C) lub Rogers RO4350 (dla wysokiej częstotliwości).
Miedź: 1 oz miedzi walcowanej (Ra < 0,5 μm) dla warstw sygnału, 2 oz miedzi elektrolitycznej dla samolotów napędowych.
Prepreg: prepreg FR4 klasy HDI (Tg ≥ 180°C) lub Rogers 4450F (dla wysokiej częstotliwości).
b.Materiały źródłowe od zaufanych dostawców: do zapewnienia spójności materiału należy korzystać z certyfikowanych przez ISO 9001 dostawców.

Przykład: Producent wyrobów medycznych standaryzował zalecany stos materiałów LT CIRCUIT® (FR4 o wysokim Tg + walcowana miedź) i zmniejszył wady związane z materiałem o 40%.

3. Inwestować w walidację procesów
a.Najpierw uruchomić tablice testowe: w przypadku nowych projektów HDI należy wyprodukować 5×10 tablic testowych do walidacji:
Wskaźnik napełniania mikrowia (cel: ≥95%).
Położenie warstwy (cel: ±3μm).
Odcinek podcięty (cel: ≤ 2 μm).
b.Dokumentowanie każdego kroku: Przechowywanie dziennika procesu o temperaturze, ciśnieniu i czasie wytłaczania, co pomaga zidentyfikować przyczyny, jeśli wystąpią wady.
c. Przeprowadzenie badań wewnętrznych: po każdym kluczowym etapie (wiercenie, pokrycie, grafowanie) należy wykorzystać AOI (zautomatyzowaną inspekcję optyczną) w celu wczesnego wykrycia wad przed ich rozprzestrzenieniem się na inne warstwy.

Punkty danych: Producenci, którzy stosują panele testowe, redukują wady pierwszego wykonania o 60% w porównaniu z tymi, którzy pomijają ten krok.

4Operatorzy pociągów dla specyfikacji HDI
a. Szkolenie specjalistyczne: Produkcja HDI wymaga umiejętności wykraczających poza standardowe wytwarzanie płyt PCB  operatorów pociągów w zakresie:
Parametry wiertnicze laserowe (moc, prędkość) dla mikrovia.
Sekwencyjne wyrównanie laminacji.
Aplikacja maski lutowej dla drobnych cech.
b.Certyfikacja operatorów: wymaganie od operatorów przejścia testu certyfikacyjnego (np. IPC-A-610 dla HDI) w celu zapewnienia kompetencji.

Wynik: Program certyfikacji operatorów LT CIRCUIT zmniejszył błędy ludzkie o 25% w linii produkcyjnej HDI.

Badanie przypadku w świecie rzeczywistym: rozwiązywanie wyzwań związanych z produkcją modułów HDI dla producenta modułów 5G
Wiodący producent modułów 5G stał w obliczu ciągłych problemów z wydajnością z 8-warstwowymi płytami HDI PCB (45 μm mikrowia, 25/25 μm ślady):

Problem 1: 30% płyt nie działało z powodu pustek w mikroviach (powodujących otwarte obwody).
Problem 2: 20% płyt zostało wyrzuconych z powodu niewłaściwego wyrównania warstwy (± 10 μm).
Problem 3: 15% desek miało łuszczenie maski lutowej (wyświetlające ślady miedzi).

Rozwiązania LT CIRCUIT
1.Przepaści mikrowirusowe: przejście na elektroplacowanie impulsowe (510A/dm2) i odgazowanie próżniowe
2.Brak wyrównania warstwy: wdrożone wyrównanie optyczne z kamerami 12MP i optymalizacja oznakowania fiducjalnego
3Peeling maski lutowej: dodano oczyszczanie plazmy (5 minut, 100 W) i przełączono na maskę lutową HDI-specyficzną, szybkość peelingu spadła do 2%.

Wynik
a.Ogólna wydajność wzrosła z 35% do 92%.
b. Koszty przebudowy spadły o 180 tys. dolarów rocznie (10 tys. jednostek rocznie).
c. Czas realizacji produkcji skrócony z 21 dni do 12 dni, co umożliwi klientowi dotrzymanie krytycznego terminu uruchomienia 5G.

Często zadawane pytania dotyczące wytwarzania PCB HDI
P1: Jaka jest minimalna wielkość mikrovia do wytwarzania HDI o wysokiej wydajności?
Odpowiedź: Większość producentów obsługuje mikrovia o długości 45 μm (1,8 mil) przy standardowym wiertaniu laserowym UV. Ten rozmiar równoważy gęstość i wydajność.Możliwe są mniejsze mikrovia (30 μm), ale zwiększają one szybkość przerwy wiertniczej o 20% i zwiększają koszty o 30%.W przypadku produkcji dużych objętości 45 μm jest praktycznym minimum.

P2: W czym sekwencyjne laminowanie różni się od standardowego laminowania dla HDI?
A: Standardowe wiązania laminacyjne łączą wszystkie warstwy w jednym etapie (używane w przypadku 4?? 6 warstw PCB).2+2+2+2 dla 8-warstwowego HDI) następnie wiąże pod-stosyZmniejsza to nieprawidłowe wyrównanie warstwy (±3 μm w porównaniu z ±10 μm), ale dodaje 1-2 dni do czasu przeprowadzenia.

P3: Czy PCB HDI mogą być wytwarzane z lutowania wolnego od ołowiu?
Odpowiedź: Tak, ale lutowanie bez ołowiu (Sn-Ag-Cu) ma wyższy punkt topnienia (217°C) niż lutowanie ołowiane (183°C).

a. Używać materiałów o wysokim Tg (Tg ≥ 180°C) w celu wytrzymania temperatury powrotnego przepływu.
b.W celu uniknięcia wstrząsu cieplnego płyty HDI należy podgrzewać powoli (2°C/s).
c. Dodawanie przewodów termicznych pod komponentami o wysokim temperaturze (np. BGA) w celu rozpraszania ciepła.

P4: Jaki jest typowy czas realizacji produkcji PCB HDI?
Odpowiedź: W przypadku prototypów (110 sztuk) czas realizacji wynosi 5 7 dni. W przypadku produkcji niskiej wielkości (100 000 sztuk) 10 14 dni. W przypadku dużej wielkości (10 000 sztuk+) 14 21 dni.LT CIRCUIT oferuje usługi przyspieszone (3-5 dni dla prototypów) w przypadku pilnych projektów.

P5: Ile kosztuje wytwarzanie PCB HDI w porównaniu ze standardowymi PCB?
Odpowiedź: PCB HDI kosztują 2,5×4 razy więcej niż standardowe PCB.

a. 4-warstwowe standardowe PCB: 5 USD/jednostka.
b. 4-warstwowe PCB HDI (45 μm mikrovia): 15 USD/25 USD/jednostkę.
c. 8-warstwowe płytki HDI PCB (nałożone mikrovia): 30 USD/50 USD/jednostka.
d.Premia kosztów zmniejsza się wraz z wielkością produkcji HDI w dużych ilościach (100 tys. i więcej jednostek) kosztuje 2x więcej niż standardowe PCB.

Wniosek
Produkcja płytek HDI jest złożona, ale wyzwania techniczne ‒ defekty mikroorganizmów, niezgodność warstw, awaria maski lutowej ‒ nie są nie do przezwyciężenia.ustawienie optyczne, oczyszczanie plazmowe) i stosując najlepsze praktyki (wczesne DFM, standaryzacja materiałów), producenci mogą zwiększyć wydajność z 70% do 95% lub więcej.

Kluczem do sukcesu jest współpraca ze specjalistą od HDI jak LT CIRCUIT, który łączy w sobie wiedzę techniczną, zaawansowany sprzęt i dbałość o jakość.optymalizować procesy, a konsekwentne wyniki oszczędzają czas, pieniądze i frustrację.

Ponieważ elektronika staje się mniejsza i szybsza, PCB HDI staną się jeszcze ważniejsze.Posiadanie obecnych wyzwań związanych z produkcją pozwoli Ci sprostać wymaganiom jutrzejszej technologii, od 6G mmWave po urządzenia noszone z wykorzystaniem sztucznej inteligencji.Przy odpowiednich rozwiązaniach i partnerze produkcja HDI nie musi być bólem głowy, może być przewagą konkurencyjną.