Co to jest PCB HDI? Jak działa technologia łączenia wysokiej gęstości

Wyobraźnia zmodernizowana przez klienta

PCB o wysokiej gęstości łączności (HDI) zrewolucjonizowały projektowanie elektroniki, umożliwiając wykonanie eleganckich, potężnych urządzeń, które definiują współczesne życie, od smartfonów 5G po noszalne monitory zdrowia.W przeciwieństwie do tradycyjnych PCBTechnologia HDI wykorzystuje zaawansowane techniki produkcyjne, aby wypełnić więcej połączeń, szybsze sygnały,i większa gęstość składników w mniejszych czynnikach kształtuAle czym dokładnie jest PCB HDI, jak działa i dlaczego stał się niezbędny dla najnowocześniejszej elektroniki?od podstawowych komponentów do rzeczywistych zastosowań, i wyjaśnia, dlaczego jest podstawą urządzeń nowej generacji.

Kluczowe informacje.
1.PCB HDI wykorzystują mikrovia (średnica ≤ 150 μm), drobne ślady (szerokość ≤ 50 μm) i gęste warstwy, aby osiągnąć 3 × 5x wyższą gęstość komponentów niż tradycyjne PCB.
2Umożliwiają one szybsze prędkości sygnału (do 100 Gbps) z 40% mniejszą stratą, co jest kluczowe dla urządzeń 5G, AI i IoT.
3Technologia HDI zmniejsza rozmiar urządzenia o 30-50% i zwiększa niezawodność o 60% w porównaniu z tradycyjnymi płytami PCB, dzięki mniejszej liczbie złączy i krótszym ścieżkom sygnału.
4Podstawowe cechy obejmują mikrovia (ślepe, zakopane lub ułożone), sekwencyjne laminowanie i materiały o niskiej stratze - wszystkie zoptymalizowane dla wysokiej wydajności w kompaktowych przestrzeniach.

Czym jest PCB HDI?
HDI (High-Density Interconnect) PCB są zaawansowanymi płytami obwodnymi zaprojektowanymi w celu maksymalizacji łączności i zminimalizowania wielkości.
a.Wykorzystanie mikrosprzętów (malutkich otworów) i drobnych śladów miedzi do łączenia warstw bez marnowania miejsca.
b.Wzrost gęstości: pakowanie większej liczby komponentów (czipów, czujników, złączy) na cal kwadratowy ∼ do 1000 komponentów/in2, w porównaniu z 200 ∼ 300 w przypadku tradycyjnych PCB.
c.Optymalizacja warstw: Wykorzystanie 416 cienkiej warstwy (w porównaniu z 2 8 grubościami w tradycyjnych PCB) w celu zmniejszenia masy i poprawy przepływu sygnału.
Krótko mówiąc, płyty HDI są rozwiązaniem krytycznego problemu: nowoczesna elektronika wymaga większej mocy i funkcjonalności, ale konsumenci chcą mniejszych, lżejszych urządzeń.

Jak działają PCB HDI: podstawowe komponenty i technologia
PCB HDI opierają się na trzech kluczowych innowacjach zapewniających wysoką gęstość i wydajność: mikrowiach, drobnych śladach i zaawansowanym układzie warstw.
1Mikrovias: sekret gęstości
Ściany są “dziurami” w PCB, które łączą warstwy miedzi, ale tradycyjne “dziury” (przenikające przez całą płytę) marnują przestrzeń i powolne sygnały.Precyzyjne otwory o średnicy 50-150 μm (około szerokości ludzkiego włosa)- Nie.
Mikrowiany występują w trzech rodzajach, z których każdy służy określonemu celowi:
Ślepe mikrowia: połączenie warstwy zewnętrznej z jedną lub większą ilością warstw wewnętrznych, ale nieprzekraczanie całej płyty.
Zakopane mikrowia: połączyć warstwy wewnętrzne bez dotarcia do powierzchni zewnętrznej, utrzymując zewnętrzną powierzchnię płyty wolną od elementów.
Mikrowiany ułożone w stos: Wiele mikrowian ułożonych pionowo w celu połączenia 3+ warstw, zmniejszając liczbę przewodów wymaganych o 40% w gęstych konstrukcjach.
Wyeliminując ′′stubs′′ tradycyjnych przewodów przepuszczalnych, mikrovia zmniejszają odbicie sygnału o 70% i zmniejszają opóźnienie sygnału o 30%, umożliwiając szybszą transmisję danych.

2. Szczegółowe ślady: Więcej połączeń w mniejszej przestrzeni
Tradycyjne PCB używają śladów (przewodów miedzianych) o szerokości 100 ‰ 200 μm, ale PCB HDI używają drobnych śladów tak wąskich jak 25 ‰ 50 μm ≈ około połowy szerokości ludzkiego włosa.zwiększenie gęstości routingu o 2×3x- Nie.
Cienkie ślady poprawiają również integralność sygnału: węższe ślady z kontrolowaną odległością zmniejszają przepływ (zakłócenia elektromagnetyczne między sygnałami) o 50% w porównaniu z szerszymi śladami,krytyczne dla danych dużych prędkości (e.g., sygnały 5G mmWave przy częstotliwości 28GHz).

3Laminat sekwencyjny: Precyzyjne tworzenie warstw
Tradycyjne płytki PCB powstają poprzez laminowanie wszystkich warstw naraz, co ogranicza dokładność wyrównania.z każdą nową warstwą wyrównaną z poprzednią za pomocą pozycjonowania laserowegoW ten sposób osiąga się wyrównanie ±5 μm (1/20 szerokości ludzkiego włosa), w porównaniu z ±25 μm w przypadku tradycyjnej laminacji.
Sekwencyjne laminowanie jest kluczowe dla konstrukcji HDI o ponad 8 warstwach, zapewniając doskonałe wyrównanie mikrovia i śladów w warstwach, które są kluczowe dla uniknięcia zwarć i utraty sygnału.

Jak HDI PCB porównuje się z tradycyjnymi PCB

Rodzaje PCB HDI: konfiguracje dla każdej potrzeby

PCB HDI są dostępne w kilku konfiguracjach, z których każda jest zoptymalizowana dla konkretnych zastosowań:

1. 1+N+1 PCB HDI
Jest to najczęstsza konstrukcja HDI, zawierająca:
a.1 zewnętrzna warstwa na górze i na dole, każda z nich połączona z wewnętrznymi warstwami za pomocą mikrowia.
b.N wewnętrzne warstwy (zwykle 2 ̇6) dla zasilania, uziemienia i sygnałów.
c.Przez przewody otworne dla połączeń obejmujących wszystkie warstwy (choć zminimalizowane w celu oszczędzania miejsca).
Najlepiej dla: smartfonów, tabletów i urządzeń elektronicznych średniej klasy, które wymagają równowagi między gęstością a kosztami.

2. 2+N+2 PCB HDI
Wzrost złożoności:
a.2 zewnętrzne warstwy na górze i na dole, umożliwiające większe przepływy.
b. Ślepe/pochowane mikrowia, które łączą warstwy bez przenikania całej płyty, zmniejszając utratę sygnału.
c.812 warstwy całkowite dla większej gęstości składników.
Najlepsze do: routerów 5G, urządzeń medycznych do obrazowania i systemów ADAS w motoryzacji.

3. PCB w pełnym HDI
Najnowocześniejsza konfiguracja, z:
a. 12+ warstw połączonych poprzez układane mikrovia (bez przewodowych).
b. Laminat sekwencyjny dla precyzyjnego wyrównania wszystkich warstw.
c.Materiały o niskiej stratze (np. Rogers RO4350) do sygnałów o wysokiej częstotliwości (28GHz+).
Najlepiej dla: czujników lotniczych, procesorów AI i systemów komunikacji satelitarnej.

Materiały stosowane w PCB HDI
PCB HDI wymagają specjalistycznych materiałów do obsługi dużych prędkości, ciasnych tolerancji i gęstych komponentów:

1. Substraty (materiały podstawowe)
a.FR-4 o niskiej stratze: ekonomiczna opcja dla urządzeń elektronicznych użytkownika (np. smartfonów) o stałej dielektrycznej (Dk) wynoszącej 3,8?? 4.5- Nie.
b.Rogers RO4350: Wysokiej wydajności laminowany z Dk 3.48, idealnie nadaje się do zastosowań 5G i systemów radarowych (2860GHz).
c.Isola I-Tera MT: materiał o niskiej stratze Dk 3.0, zaprojektowany do przesyłania sygnałów o prędkości 100 Gbps+ w centrach danych.

2Miedziana folia.
a. Miedź zdeponowana w elektrodoku: standardowa dla większości płyt PCB HDI, o grubości 1/3 ‰ 1 oz (12 ‰ 35 μm).
b.Wrolowana miedź: Ciętsza (612 μm) i bardziej elastyczna, stosowana w HDI sztywnych i elastycznych (np. składane telefony) w celu przeciwdziałania pękaniu podczas gięcia.

3- Pokrywki i maski lutowe.
a.Polyimidowe powłoki pokrywcze: Chronią drobne ślady przed wilgocią i ścieraniem w elastycznych sekcjach.
b. Maska lutowa do fotografowania płynów (LPI): wystarczająco precyzyjna, aby pokryć ślady 25 μm bez łączenia, zapewniając niezawodność.

Dlaczego PCB HDI są kluczowe dla nowoczesnej elektroniki

Technologia HDI rozwiązuje trzy kluczowe wyzwania stojące przed dzisiejszymi projektantami urządzeń:
1- Miniaturyzacja.
Konsumenci domagają się mniejszych urządzeń z większą liczbą funkcji.
Nowoczesny smartfon zawiera ponad 1500 elementów w 6-calowym kształcie, co jest niemożliwe z tradycyjnymi płytami PCB.
Noszone urządzenia do monitorowania aktywności fizycznej wykorzystują HDI do umieszczania monitorów tętna, GPS i baterii w urządzeniu wielkości zegara.

2Sygnały wysokiej prędkości.
Urządzenia 5G, AI i IoT wymagają, aby sygnały podróżowały szybciej niż kiedykolwiek (do 100 Gbps).
Skrócenie ścieżek sygnału (szlaków) o 50~70% w porównaniu z tradycyjnymi PCB, zmniejszając opóźnienie.
Wykorzystanie materiałów o niskiej stratze w celu zminimalizowania tłumienia sygnału (straty) przy wysokich częstotliwościach.

3- Niezawodność.
W przypadku PCB HDI awaria występuje rzadziej niż w przypadku tradycyjnych PCB, ponieważ:
Wyeliminują one 60% złączy i przewodów (powszechne punkty awarii w tradycyjnych projektach).
Krótkie ścieżki sygnału zmniejszają EMI (zakłócenia elektromagnetyczne) i przesłanie krzyżowe, poprawiając stabilność.

Rzeczywiste zastosowania PCB HDI
Technologia HDI jest podstawą niezliczonych urządzeń, których używamy codziennie:
1. Smartfony 5G
Nowoczesne telefony 5G (np. iPhone 15 Pro, Samsung Galaxy S24) polegają na 1+6+1 PCB HDI do:
Włóż modemy 5G, anteny mmWave i kamery 48MP do ciała o grubości 7 mm.
Przekazuje sygnały 5G w częstotliwości 28 GHz z utratą < 2 dB, zapewniając szybkie prędkości danych.

2. Urządzenia medyczne
Noszone monitory EKG: Użyj 2+2+2 PCB HDI do dopasowania czujników, chipów Bluetooth i baterii do urządzenia wielkości płata, z drobnymi śladami (25μm) dla dokładnego śledzenia tętna.
Implantowalne defibrylatory: PCB HDI z biocompatibilnymi materiałami (np. poliamid) zapewniają niezawodną pracę w organizmie przez ponad 10 lat.

3Elektronika samochodowa
Systemy ADAS: 8-warstwowe PCB HDI w modułach LiDAR i radaru przetwarzają ponad 100 punktów danych na sekundę, umożliwiając unikanie kolizji przy prędkości 70 mil na godzinę.
Zarządzanie baterią EV: PCB HDI monitorują 100+ ogniw baterii w czasie rzeczywistym, przy czym mikrowia redukuje opóźnienie sygnału o 30% w porównaniu z tradycyjnymi projektami.

4- Lotnictwo i obrona.
Komunikacja satelitarna: PCB Full HDI z 16 warstwami działają w temperaturze od -200°C do 260°C w przestrzeni kosmicznej, wspierając połączenia satelitarne 5G z czasem działania 99,99%.
Czujniki dronów: lekkie 1+4+1 PCB HDI zmniejszają masę o 20%, wydłużając czas lotu o 15 minut.

Produkcja PCB HDI: wyzwania i innowacje
Produkcja PCB HDI wymaga dokładności wykraczającej poza tradycyjną produkcję PCB:
1- Wykopywanie mikroorganizmów.
Stworzenie mikrowiazy 50 μm wymaga wiertarki laserowej UV (w porównaniu z wiertarkami mechanicznymi dla tradycyjnych wiertarek), które osiągają dokładność 98% ‒ krytyczne dla uniknięcia zwarć.

2Świetne Ety.
Etycja śladów 25 μm wymaga zaawansowanej fotolitografii (wykorzystującej światło UV do przenoszenia wzorów) z tolerancją ± 2 μm. Nawet niewielkie zmiany mogą powodować utratę sygnału.

3. Sekwencyjna laminacja
W celu uniknięcia delaminacji konieczne są prasy kontrolowane temperaturą i ciśnieniem, przy czym każda warstwa jest wyrównana za pomocą markerów laserowych.

4- Inspekcja.
PCB HDI wymagają inspekcji rentgenowskiej w celu sprawdzenia jakości mikrovia i wyrównania warstw, ponieważ wady (np. poprzez próżnia) są zbyt małe, aby można je było zobaczyć gołym okiem.

Koszty PCB HDI: dlaczego warto inwestować
PCB HDI kosztują 1,5 ‰ 3 razy więcej niż tradycyjne PCB, ale korzyści często uzasadniają cenę:
a.Mniejszy rozmiar urządzenia: umożliwia dostęp do produktów wysokiej jakości o ograniczonej przestrzeni (np. smartfonów o wartości ponad 1000 USD), w których rozmiar jest kluczowym punktem sprzedaży.
b.Szybszy czas wprowadzania na rynek: Mniej złączy i prostsze zespoły skracają czas produkcji o 2-3 tygodnie.
c.Mniejsze koszty gwarancji: o 60% mniej awarii zmniejszają koszty zwrotu i naprawy, oszczędzając 10−15% całkowitych kosztów produktu w ciągu całego cyklu życia urządzenia.

Częste pytania
P: Jaka jest najmniejsza wielkość mikrovia w komercyjnych PCB HDI?
Odpowiedź: Producenci komercyjni produkują mikrowia tak małe, jak 50 μm, chociaż 75-100 μm jest bardziej powszechne ze względu na efektywność kosztową.

P: Czy PCB HDI mogą być sztywne i elastyczne?
Odpowiedź: Tak. PCB HDI z sztywnym i elastycznym układem łączą sztywne sekcje (w przypadku komponentów) z elastycznymi sekcjami (w przypadku gięcia), co jest idealne dla składanych telefonów i endoskopów medycznych.

P: Jak PCB HDI obsługują ciepło?
Odpowiedź: Do rozpraszania ciepła wykorzystują grube warstwy miedzi (2 ′′ 3 oz) i przewody termiczne, a niektóre konstrukcje integrują rdzenie aluminiowe do komponentów o dużej mocy (np. wzmacniacze 5G).

P: Czy PCB HDI są przeznaczone tylko dla urządzeń wysokiej klasy?
Odpowiedź: Nie. Nawet smartfony i czujniki IoT wykorzystują podstawowe PCB HDI 1+2+1 w celu zrównoważenia kosztów i gęstości, chociaż mogą one wykorzystywać większe mikrovia (100-150 μm).

P: Jaka jest przyszłość technologii HDI?
Odpowiedź: Następna generacja płytek HDI będzie zawierać ślady 10 μm, mikrowia 25 μm i ponad 20 warstw, umożliwiając sygnały terabitów na sekundę, a także mniejsze urządzenia, kluczowe dla 6G i obliczeń kwantowych.

Wniosek
PCB HDI przekształciły elektronikę, umożliwiając gęstość, prędkość i miniaturyzację wymaganą przez nowoczesne urządzenia.rozwiązują podstawowe wyzwanie związane z pakowaniem większej liczby funkcjonalności na mniejszą przestrzeń, jednocześnie poprawiając wydajność sygnału i niezawodnośćChociaż są droższe od tradycyjnych płyt PCB, ich zalety - mniejsze urządzenia, szybsze prędkości i niższy wskaźnik awarii - czynią je niezbędnymi w zastosowaniach 5G, medycznych, motoryzacyjnych i lotniczych.W miarę postępu technologii, PCB HDI będą tylko coraz bardziej krytyczne, napędzając kolejną falę innowacji w elektroniczności.