Обычно используемые слои для многослойных печатных плат HDI: проектирование, преимущества и применение

Многослойные печатные платы (PCB) с межсоединениями высокой плотности (HDI) стали основой передовой электроники — от смартфонов 5G до медицинских имплантатов — за счет размещения большего количества компонентов, более быстрых сигналов и сложной функциональности в меньших габаритах. Но успех этих передовых печатных плат зависит от одного критического решения при проектировании: структуры слоев. Хорошо спроектированная структура оптимизирует целостность сигнала, терморегулирование и технологичность, в то время как плохая может снизить производительность, вызвать перекрестные помехи или привести к дорогостоящей переделке.

Это руководство разбивает наиболее часто используемые структуры слоев многослойных печатных плат HDI, объясняет, как выбрать правильную конфигурацию для вашего приложения, и описывает основные принципы проектирования, чтобы избежать подводных камней. Независимо от того, проектируете ли вы 6-слойную печатную плату для смартфона или 12-слойную плату базовой станции 5G, понимание этих структур поможет вам раскрыть весь потенциал технологии HDI.

Основные выводы
1. Структуры слоев многослойных печатных плат HDI (4–12 слоев) используют микропереходы (50–150 мкм) и ступенчатые/стекированные переходы для достижения в 2–3 раза более высокой плотности компонентов, чем традиционные многослойные печатные платы.
2. Наиболее распространенными конфигурациями являются 2+2+2 (6-слойная), 4+4 (8-слойная), 1+N+1 (гибкое количество слоев) и 3+3+3 (9-слойная), каждая из которых адаптирована к конкретным потребностям в плотности и производительности.
3. Хорошо спроектированная структура снижает потери сигнала на 40% при 28 ГГц, уменьшает перекрестные помехи на 50% и снижает тепловое сопротивление на 30% по сравнению со случайными компоновками слоев.
4. Такие отрасли, как потребительская электроника, телекоммуникации и медицинские устройства, полагаются на специализированные структуры: 2+2+2 для смартфонов, 4+4 для базовых станций 5G и 1+N+1 для носимых устройств.

Что такое структура слоев многослойной печатной платы HDI?
Структура слоев многослойной печатной платы HDI — это расположение проводящих медных слоев (сигнал, питание, земля) и изоляционных диэлектрических слоев (подложка, препрег) в печатной плате. В отличие от традиционных многослойных печатных плат, которые полагаются на сквозные переходы и простые компоновки «сигнал-земля-сигнал», структуры HDI используют:
  a. Микропереходы: крошечные отверстия (диаметром 50–150 мкм), которые соединяют смежные слои (глухие переходы: внешний слой → внутренний; скрытые переходы: внутренний слой → внутренний).
  b. Стекированные/ступенчатые переходы: микропереходы, расположенные вертикально (стекированные) или со смещением (ступенчатые) для соединения несмежных слоев без сквозных отверстий.
  c. Выделенные плоскости: отдельные слои земли и питания для минимизации шума и улучшения целостности сигнала.
Цель структуры HDI — максимизировать плотность (компоненты на квадратный дюйм) при сохранении высокой скорости сигнала (25 Гбит/с+) и тепловой эффективности — критически важной для компактных устройств высокой мощности.

Почему важен дизайн структуры для многослойных печатных плат HDI
Плохо спроектированная структура подрывает даже самые передовые функции HDI. Вот почему это решающий фактор:
  1. Целостность сигнала: высокоскоростные сигналы (28 ГГц 5G, каналы центров обработки данных 100 Гбит/с) чувствительны к несоответствиям импеданса и перекрестным помехам. Правильная структура (например, сигнальный слой, прилегающий к плоскости земли) поддерживает контролируемый импеданс (50 Ом/100 Ом) и снижает отражение сигнала на 30%.
  2. Терморегулирование: плотные печатные платы HDI генерируют тепло — выделенные медные плоскости в структуре распространяют тепло в 2 раза быстрее, чем традиционные компоновки, снижая температуру компонентов на 25°C.
  3. Технологичность: чрезмерно сложные структуры (например, 12 слоев с микропереходами 100 мкм) увеличивают процент брака до 15%; оптимизированные конструкции сохраняют процент брака <5%.
  4. Экономическая эффективность: выбор 6-слойной структуры вместо 8-слойной для печатной платы смартфона снижает затраты на материалы на 25% без ущерба для производительности.

Наиболее часто используемые структуры слоев многослойных печатных плат HDI
Структуры HDI классифицируются по количеству слоев и конфигурации микропереходов. Ниже приведены четыре наиболее широко используемые конструкции с вариантами использования, преимуществами и ограничениями.

1. Структура HDI 2+2+2 (6-слойная)
Структура 2+2+2 — это «рабочая лошадка» потребительской электроники, обеспечивающая баланс между плотностью, производительностью и стоимостью. Она состоит из:
  a. Верхняя подструктура: 2 слоя (верхний сигнал + внутренний 1 земля), соединенные глухими микропереходами.
  b. Средний сердечник: 2 слоя (внутренний 2 питание + внутренний 3 сигнал), соединенные скрытыми микропереходами.
  c. Нижняя подструктура: 2 слоя (внутренний 4 земля + нижний сигнал), соединенные глухими микропереходами.
Основные особенности:
  a. Использует стекированные микропереходы (верхний → внутренний 1 → внутренний 2) для соединения внешних и средних слоев.
  b. Выделенные плоскости земли, прилегающие к сигнальным слоям, уменьшают перекрестные помехи.
  c. Поддерживает корпуса BGA с шагом 0,4 мм и пассивные компоненты 0201 — идеально подходит для компактных устройств.
Метрики производительности:
  a. Потери сигнала при 28 ГГц: 1,8 дБ/дюйм (против 2,5 дБ/дюйм для традиционных 6-слойных печатных плат).
  b. Плотность компонентов: 800 компонентов/квадратный дюйм (в 2 раза больше, чем у традиционных 6-слойных).
Лучше всего подходит для:
  a. Смартфонов (например, основная печатная плата iPhone 15), планшетов, носимых устройств (умных часов) и датчиков IoT.
Преимущества и недостатки:

2. Структура HDI 4+4 (8-слойная)
Структура 4+4 — это оптимальный вариант для устройств средней производительности, добавляющий еще два слоя к конструкции 2+2+2 для дополнительных сигнальных и силовых путей. Она включает в себя:
  a. Верхняя подструктура: 4 слоя (верхний сигнал 1, внутренний 1 земля, внутренний 2 питание, внутренний 3 сигнал 2), соединенные стекированными микропереходами.
  b. Нижняя подструктура: 4 слоя (внутренний 4 сигнал 3, внутренний 5 земля, внутренний 6 питание, нижний сигнал 4), соединенные стекированными микропереходами.
  c. Скрытые переходы: соединяют внутренний 3 (верхняя подструктура) с внутренним 4 (нижняя подструктура) для маршрутизации сигнала между слоями.
Основные особенности:
  a. Четыре выделенных сигнальных слоя (поддерживает 4 пути по 25 Гбит/с).
  b. Двойные плоскости питания (например, 3,3 В и 5 В) для многовольтных систем.
  c. Использует микропереходы, просверленные лазером (диаметр 75 мкм), для высокой точности.
Метрики производительности:
  a. Контроль импеданса: ±5% (критично для mmWave 5G).
  b. Тепловое сопротивление: 0,8°C/Вт (против 1,2°C/Вт для 6-слойной структуры).
Лучше всего подходит для:
  a. Малых сот 5G, смартфонов среднего класса (например, серия Samsung Galaxy A), промышленных шлюзов IoT и автомобильных датчиков ADAS.
Преимущества и недостатки:

3. Структура HDI 1+N+1 (гибкое количество слоев)
Структура 1+N+1 — это модульная конструкция, где «N» — количество внутренних слоев (2–8), что делает ее универсальной для пользовательских нужд. Она структурирована следующим образом:
  a. Верхний слой: 1 сигнальный слой (глухие микропереходы к внутреннему 1).
  b. Внутренние слои: N слоев (смесь сигнала, земли, питания — например, 2 земли, 2 питания для N=4).
  c. Нижний слой: 1 сигнальный слой (глухие микропереходы к внутреннему N).
Основные особенности:
  a. Настраиваемое количество внутренних слоев (например, 1+2+1=4-слойная, 1+6+1=8-слойная).
  b. Ступенчатые микропереходы (вместо стекированных) для более простого производства в небольших объемах.
  c. Идеально подходит для прототипирования или конструкций с уникальными потребностями в питании/сигнале.
Метрики производительности:
  a. Потери сигнала: 1,5–2,2 дБ/дюйм (зависит от N; ниже для большего количества плоскостей земли).
  b. Плотность компонентов: 600–900 компонентов/квадратный дюйм (увеличивается с N).
Лучше всего подходит для:
  a. Прототипов (например, устройств IoT для стартапов), медицинских носимых устройств (например, мониторов глюкозы) и промышленных датчиков малого объема.
Преимущества и недостатки:

4. Структура HDI 3+3+3 (9-слойная)
Структура 3+3+3 — это высокопроизводительная конструкция для сложных систем с тремя равными подструктурами:
  a. Верхняя подструктура: 3 слоя (верхний сигнал 1, внутренний 1 земля, внутренний 2 питание) → глухие микропереходы.
  b. Средняя подструктура: 3 слоя (внутренний 3 сигнал 2, внутренний 4 земля, внутренний 5 сигнал 3) → скрытые микропереходы.
  c. Нижняя подструктура: 3 слоя (внутренний 6 питание, внутренний 7 земля, нижний сигнал 4) → глухие микропереходы.
Основные особенности:
  a. Тройные плоскости земли (максимизируют снижение шума).
  b. Поддерживает 4+ высокоскоростные дифференциальные пары (100 Гбит/с+).
  c. Использует заполненные медью микропереходы для силовых путей (переносит 5–10 А на переход).
Метрики производительности:
  a. Потери сигнала при 40 ГГц: 2,0 дБ/дюйм (лучший в своем классе для HDI).
  b. Перекрестные помехи: <-40 дБ (против <-30 дБ для 8-слойной структуры).
Лучше всего подходит для:
  a. Макробазовых станций 5G, приемопередатчиков центров обработки данных (100 Гбит/с+), аэрокосмической авионики и высококачественных медицинских устройств визуализации.
Преимущества и недостатки:

Сравнение распространенных структур HDI
Используйте эту таблицу, чтобы быстро оценить, какая структура соответствует потребностям вашего проекта:

Основные принципы проектирования структур слоев многослойных печатных плат HDI
Даже лучшая конфигурация структуры выходит из строя без надлежащего проектирования. Следуйте этим принципам, чтобы оптимизировать производительность:
1. Соедините сигнальные слои с плоскостями земли
Каждый высокоскоростной сигнальный слой (≥1 Гбит/с) должен прилегать к сплошной плоскости земли. Это:
  a. Уменьшает площадь контура (основной источник электромагнитных помех) на 50%.
  b. Поддерживает контролируемый импеданс (например, 50 Ом для односторонних сигналов), обеспечивая постоянную диэлектрическую толщину между сигнальной трассой и землей.
Пример: в структуре 2+2+2 размещение верхнего сигнала (28 ГГц) непосредственно над внутренним 1 землей снижает отражение сигнала на 30% по сравнению с сигнальным слоем без прилегающей земли.

2. Разделите слои питания и сигнала
Плоскости питания генерируют шум (пульсации напряжения, переходные процессы переключения), который мешает высокоскоростным сигналам. Чтобы смягчить это:
  a. Разместите плоскости питания на противоположной стороне от плоскостей земли от сигнальных слоев (например, сигнал → земля → питание).
  b. Используйте отдельные плоскости питания для разных уровней напряжения (например, 3,3 В и 5 В), чтобы избежать перекрестных помех между доменами питания.
  c. Добавьте развязывающие конденсаторы (размер 01005) между плоскостями питания и сигнальными слоями для подавления шума.
Данные: разделение слоев питания и сигнала с помощью плоскости земли снижает шум, связанный с питанием, на 45% в конструкциях со скоростью 10 Гбит/с.

3. Оптимизируйте размещение микропереходов
Микропереходы имеют решающее значение для плотности HDI, но могут вызывать проблемы с сигналом, если они размещены неправильно:
  a. Стекированные переходы: используйте для конструкций высокой плотности (например, смартфонов), но ограничьте 2–3 слоями (стекирование 4+ слоев увеличивает риск образования пустот).
  b. Ступенчатые переходы: используйте для небольших объемов или конструкций с высокой надежностью (например, медицинских устройств) — их легче производить и у них меньше пустот.
  c. Держите переходы подальше от углов трасс: размещайте микропереходы на расстоянии ≥0,5 мм от изгибов трасс, чтобы избежать скачков импеданса.

4. Сбалансируйте тепловые и электрические потребности
Печатные платы HDI высокой плотности задерживают тепло — спроектируйте структуру так, чтобы рассеивать его:
  a. Используйте медь 2 унции для плоскостей питания (против 1 унции), чтобы улучшить теплопроводность.
  b. Добавьте тепловые переходы (заполненные медью, диаметром 0,3 мм) между горячими компонентами (например, модулями 5G PA) и внутренними плоскостями земли.
  c. Для устройств мощностью 10 Вт+ включите слой с металлическим сердечником (алюминий или медь) в структуру (например, 2+1+2+1+2=8-слойная с 1 металлическим сердечником).
Пример: структура 4+4 с плоскостями питания 2 унции и 12 тепловыми переходами снизила температуру модуля 5G PA на 20°C по сравнению с конструкцией 1 унции.

5. Соблюдайте стандарты IPC-2226
IPC-2226 (глобальный стандарт для печатных плат HDI) предоставляет критические рекомендации по структурам:
  a. Минимальный диаметр микроперехода: 50 мкм (сверление лазером).
  b. Минимальное расстояние между микропереходами: 100 мкм.
  c. Диэлектрическая толщина между слоями: 50–100 мкм (для контролируемого импеданса).
Соблюдение IPC-2226 гарантирует, что ваша структура технологична и соответствует отраслевым стандартам надежности

Выбор материалов для структур HDI

Правильные материалы улучшают производительность структуры — выбирайте их в зависимости от скорости сигнала и окружающей среды:

Общие проблемы со структурой и решения
Даже при тщательном проектировании структуры HDI сталкиваются с уникальными проблемами. Вот как их преодолеть:

Реальные применения структур HDI
1. Потребительская электроника: смартфоны
  a. Устройство: основная печатная плата iPhone 15 Pro
  b. Структура: 2+2+2 (6-слойная)
  c. Почему: обеспечивает баланс между плотностью (1200 компонентов/кв. дюйм) и стоимостью; стекированные микропереходы обеспечивают корпуса BGA с шагом 0,35 мм для чипа A17 Pro.
  d. Результат: печатная плата на 30% меньше, чем у iPhone 13, со скоростью 5G в 2 раза выше (загрузка 4,5 Гбит/с).

2. Телекоммуникации: малые соты 5G
  a. Устройство: радиомодуль Ericsson 5G
  b. Структура: 4+4 (8-слойная)
  c. Почему: четыре сигнальных слоя обрабатывают сигналы mmWave 28 ГГц и 4G LTE; двойные плоскости питания поддерживают усилители мощностью 20 Вт.
  d. Результат: потери сигнала на 40% ниже, чем у традиционных 8-слойных печатных плат, что увеличивает дальность действия малых сот на 25%.

3. Медицина: портативное ультразвуковое исследование
  a. Устройство: ультразвуковой датчик GE Healthcare Logiq E
  b. Структура: 1+4+1 (6-слойная)
  c. Почему: модульная конструкция соответствует потребностям пользовательских датчиков; полиимидная подложка выдерживает стерилизацию (134°C).
  d. Результат: датчик на 50% легче, чем предыдущие модели, с более четким изображением (благодаря низким перекрестным помехам).

4. Автомобилестроение: радар ADAS
  a. Устройство: модуль радара Tesla Autopilot
  b. Структура: 3+3+3 (9-слойная)
  c. Почему: тройные плоскости земли уменьшают электромагнитные помехи от автомобильной электроники; заполненные медью переходы обрабатывают питание 15 А для передатчиков радара.
  d. Результат: точность обнаружения 99,9% в дождь/туман, соответствие стандартам безопасности ISO 26262.

Часто задаваемые вопросы о структурах слоев многослойных печатных плат HDI
В: Как мне выбрать между структурой 2+2+2 и 4+4?
О: Используйте 2+2+2, если вашей конструкции требуется ≤2 высокоскоростных пути (например, смартфон с 5G + Wi-Fi 6E) и приоритетом является стоимость. Выберите 4+4 для 3+ высокоскоростных путей (например, малая сота 5G с 28 ГГц + 39 ГГц) или рассеивания мощности 10 Вт+.

В: Могут ли структуры HDI поддерживать гибкие печатные платы?
О: Да — используйте структуру 1+N+1 с полиимидной подложкой (например, 1+2+1=4-слойная гибкая HDI). Это распространено в складных телефонах (области шарниров) и носимых устройствах.

В: Каково минимальное количество слоев для печатной платы mmWave 5G?
О: 6 слоев (2+2+2) с подложкой Rogers RO4350. Меньшее количество слоев (4-слойная) вызывает чрезмерные потери сигнала (>2,5 дБ/дюйм при 28 ГГц).

В: Сколько добавляет структура HDI к стоимости печатной платы?
О: Структура 2+2+2 стоит на 30% больше, чем традиционная 6-слойная печатная плата; структура 3+3+3 стоит в 2 раза больше. Премия компенсируется меньшим размером устройства и лучшей производительностью.

В: Нужен ли мне специальный софт для проектирования структур HDI?
О: Да — такие инструменты, как Altium Designer, Cadence Allegro и Mentor Xpedition, имеют специальные функции HDI: правила проектирования микропереходов, калькуляторы импеданса и симуляторы структуры.

Заключение
Многослойные печатные платы HDI — это незамеченные герои современной электроники, обеспечивающие компактные высокопроизводительные устройства, на которые мы полагаемся ежедневно. Конфигурации 2+2+2, 4+4, 1+N+1 и 3+3+3 каждая из которых служит уникальным потребностям — от недорогих смартфонов до критически важных базовых станций 5G.
Ключом к успеху является соответствие структуры вашему приложению: отдавайте приоритет стоимости с 2+2+2, производительности с 3+3+3 и гибкости с 1+N+1. Сочетайте это с разумными принципами проектирования (сопряжение сигнал-земля, оптимизация микропереходов) и высококачественными материалами, и вы создадите печатные платы HDI, которые превосходят по плотности, скорости и надежности.

Поскольку электроника продолжает уменьшаться, а скорости растут до 60 ГГц+ (6G), проектирование структуры HDI будет только расти в важности. Освоив эти конфигурации и лучшие практики, вы будете готовы создавать следующее поколение передовых устройств — тех, которые будут меньше, быстрее и эффективнее, чем когда-либо прежде.