Проектирование HDI PCB: выбор материалов, структура слоев и оптимизация характеристик сигнала​

Изображения, разрешенные заказчиком

Печатные платы (PCB) высокой плотности межсоединений (HDI) стали основой современной электроники, обеспечивая миниатюризацию и высокую производительность, требуемые устройствами 5G, процессорами искусственного интеллекта и медицинским оборудованием для визуализации. В отличие от традиционных печатных плат, конструкции HDI позволяют размещать больше компонентов в меньшем пространстве, используя микропереходы, более тонкие трассы и передовые материалы, но эта плотность сопряжена с уникальными проблемами. Успех зависит от трех критических факторов: выбора правильных материалов, разработки эффективной структуры слоев и оптимизации целостности сигнала. При правильном выполнении печатные платы HDI снижают потери сигнала на 40% и уменьшают размер устройства на 30% по сравнению со стандартными печатными платами. Вот как освоить каждый элемент.

Основные выводы
1. Печатные платы HDI требуют материалов с низкими потерями и стабильностью для поддержания целостности сигнала на частотах выше 10 ГГц.
2. Конструкция структуры слоев (конфигурации 1+N+1, размещение микропереходов) напрямую влияет на управление импедансом и терморегулирование.
3. Микропереходы (≤150 мкм) уменьшают отражение сигнала и обеспечивают на 30% более высокую плотность компонентов, чем традиционные конструкции со сквозными отверстиями.
4. Производительность сигнала зависит от диэлектрических свойств материала, геометрии трассировки и расстояния между слоями — критически важно для 5G и высокоскоростных цифровых приложений.

Что делает печатные платы HDI уникальными?
Печатные платы HDI характеризуются способностью поддерживать компоненты с мелким шагом (≤0,4 мм) и высокую плотность соединений, используя:
 1. Микропереходы: Переходы малого диаметра (50–150 мкм), которые соединяют слои, не проникая через всю плату, уменьшая потери сигнала.
 2. Тонкие трассы: Медные линии шириной всего 25 мкм (1 мил), позволяющие выполнять больше трассировки в ограниченном пространстве.
 3. Большое количество слоев: Компактные структуры слоев (часто 6–12 слоев) с близко расположенными сигнальными и силовыми слоями.
Эти особенности делают HDI идеальным для таких устройств, как смартфоны (в которых содержится более 1000 компонентов), базовые станции 5G и носимые мониторы здоровья, где пространство и скорость не подлежат обсуждению.

Выбор материала: Основа производительности HDI
Материалы HDI должны обеспечивать баланс между тремя критическими свойствами: диэлектрической проницаемостью (Dk), коэффициентом диэлектрических потерь (Df) и термической стабильностью. Даже небольшие изменения этих свойств могут ухудшить характеристики сигнала, особенно на частотах выше 10 ГГц.

Почему важны Dk и Df
1. Диэлектрическая проницаемость (Dk): Измеряет способность материала накапливать электрическую энергию. Более низкий Dk (≤3,5) уменьшает задержку сигнала — критически важно для 5G, где снижение Dk на 0,5 сокращает задержку распространения на 10%.

2. Коэффициент диэлектрических потерь (Df): Измеряет потери энергии в виде тепла. Низкий Df (
<0,005) минимизирует затухание сигнала; при 28 ГГц Df 0,002 приводит к на 50% меньшим потерям, чем Df 0,01 на трассах длиной 10 см.Например, базовая станция 5G, использующая PPO/PTFE (Dk 3,2, Df 0,003), поддерживает мощность сигнала на 30% лучше, чем станция, использующая стандартный FR-4, увеличивая дальность покрытия на 150 метров.
Конструкция структуры слоев HDI: баланс между плотностью и производительностью

Конструкция структуры слоев HDI определяет взаимодействие слоев, влияя на целостность сигнала, терморегулирование и технологичность. Цель состоит в том, чтобы минимизировать длину переходов, контролировать импеданс и отделять шумные силовые слои от чувствительных сигнальных слоев.

Общие конфигурации структуры слоев HDI

Тип структуры слоев

1. Разделение сигнала и питания: Размещайте слои заземления рядом с высокоскоростными сигнальными слоями (например, трассы RF 50 Ом) для управления импедансом и уменьшения электромагнитных помех. Для дифференциальных пар (например, USB 3.2) поддерживайте импеданс 90 Ом, располагая трассы на расстоянии 0,2–0,3 мм друг от друга.
2. Стратегия микропереходов: Используйте микропереходы с соотношением сторон 1:1 (диаметр 50 мкм, глубина 50 мкм) для минимизации отражения сигнала. Штабелированные микропереходы (соединяющие 2+ слоя) уменьшают количество переходов на 40% в конструкциях высокой плотности.
3. Тепловые слои: Включите толстый медный слой (2 унции) или алюминиевый сердечник в HDI высокой мощности (например, зарядные устройства для электромобилей) для отвода тепла. 12-слойный HDI с медным слоем заземления толщиной 2 унции снижает температуру компонентов на 15°C.
Оптимизация производительности сигнала в конструкциях HDI

Высокая плотность HDI увеличивает риск ухудшения сигнала из-за перекрестных помех, отражения и электромагнитных помех. Эти стратегии обеспечивают надежную работу:
1. Контроль импеданса

a. Целевые импедансы: 50 Ом для односторонних RF-трасс, 90 Ом для дифференциальных пар (например, PCIe 4.0) и 75 Ом для видеосигналов.
b. Инструменты расчета: Используйте программное обеспечение, такое как Polar Si8000, для регулировки ширины трассы (3–5 мил для 50 Ом в платах толщиной 0,8 мм) и толщины диэлектрика (4–6 мил для материалов с низким Dk).
c. Тестирование: Проверьте с помощью TDR (Time Domain Reflectometry), чтобы убедиться, что изменение импеданса остается в пределах ±10% от целевого значения.
2. Уменьшение перекрестных помех

a. Расстояние между трассами: Держите параллельные трассы на расстоянии не менее 3x их ширины (например, трассы 5 мил требуют расстояния 15 мил), чтобы уменьшить перекрестные помехи ниже -30 дБ.
b. Слои заземления: Сплошные слои заземления между сигнальными слоями действуют как экраны, уменьшая перекрестные помехи на 60% в 12-слойном HDI.
c. Маршрутизация: Избегайте поворотов под прямым углом (используйте углы 45°) и минимизируйте параллельные проходы длиной более 0,5 дюйма.
3. Оптимизация переходов

a. Слепые/заглубленные переходы: Эти переходы не проникают через всю плату, уменьшая длину штыря (источник отражения) на 70% по сравнению со сквозными отверстиями.
b. Штыри переходов: Держите длину штыря
<10% от длины волны сигнала (например, c. Конструкция анти-площадки: Используйте анти-площадки в 2 раза больше диаметра перехода (анти-площадка 100 мкм для перехода 50 мкм) для предотвращения помех от слоя заземления.<2mm for 28GHz signals) to avoid resonance.​
4. Экранирование от электромагнитных помех

a. Клетки Фарадея: Заключите чувствительные схемы (например, модули GPS) с заземленными медными экранами, подключенными к слою заземления.
b. Фильтрация: Добавьте ферритовые бусины или конденсаторы в порты разъемов, чтобы блокировать попадание/выход электромагнитных помех из HDI.
Реальные приложения и результаты HDI

a. Смартфоны 5G: Телефон с диагональю 6,7 дюйма со структурой слоев HDI 1+4+1 (FR-4 с низким Dk) вмещает на 20% больше компонентов, чем жесткая печатная плата, поддерживая 5G mmWave и камеры 4K без увеличения размера.
b. Медицинское ультразвуковое исследование: 12-слойный полный HDI с материалом PTFE (Dk 2,8) обеспечивает на 30% более быструю обработку сигнала, улучшая разрешение изображения на 15%.
c. Аэрокосмические датчики: 8-слойный HDI с керамическим наполнителем PTFE надежно работает при температуре от -55°C до 125°C, с потерями сигнала
<0,5 дБ при 40 ГГц — критически важно для спутниковой связи.Часто задаваемые вопросы

В: Насколько HDI увеличивает стоимость печатной платы?
О: HDI стоит на 20–50% дороже, чем традиционные печатные платы, но экономия пространства на 30% и повышение производительности на 40% оправдывают инвестиции в высокоценные устройства (например, модемы 5G, медицинское оборудование).
В: Какова наименьшая ширина трассы в HDI?
О: Современный HDI поддерживает трассы 10 мкм (0,4 мил), но 25–50 мкм является стандартом для технологичности. Более узкие трассы требуют более точного травления (допуск ±1 мкм).
В: Когда следует использовать последовательное ламинирование?
О: Последовательное ламинирование (послойное построение слоев) идеально подходит для HDI с 12+ слоями, обеспечивая более точный контроль над размещением микропереходов и уменьшая смещение слоев до
<10 мкм.Заключение

Конструкция печатных плат HDI требует стратегического баланса материалов, структуры слоев и оптимизации сигнала. Выбирая материалы с низким Dk и низким Df, разрабатывая эффективные структуры слоев и смягчая ухудшение сигнала, инженеры могут раскрыть весь потенциал электроники высокой плотности. Будь то 5G, медицинские устройства или аэрокосмические системы, HDI — это не просто размещение большего количества компонентов, а обеспечение надежных, высокопроизводительных решений в самом маленьком форм-факторе.