Что такое 2+N+2 HDI PCB Stackup? Структура, преимущества и руководство по дизайну

customer-anthroized imagery

СОДЕРЖАНИЕ
1. Основные выводы: основы стека 2+N+2 HDI PCB
2. Разбор структуры стека 2+N+2 HDI PCB
3. Технология микропереходов и последовательное ламинирование для конструкций 2+N+2
4. Основные преимущества стеков 2+N+2 HDI PCB
5. Основные области применения плат 2+N+2 HDI
6. Важные советы по проектированию и производству
7. FAQ: часто задаваемые вопросы о стеках 2+N+2 HDI

В мире печатных плат (PCB) с межсоединениями высокой плотности (HDI) стек 2+N+2 стал оптимальным решением для баланса между производительностью, миниатюризацией и стоимостью. Поскольку электроника становится меньше — вспомните тонкие смартфоны, компактные медицинские устройства и автомобильные датчики с ограниченным пространством — разработчикам нужны архитектуры печатных плат, которые вмещают больше соединений без ущерба для целостности сигнала или надежности. Стек 2+N+2 обеспечивает именно это, используя многослойную структуру, которая оптимизирует пространство, уменьшает потери сигнала и поддерживает сложную трассировку.

Но что именно представляет собой стек 2+N+2? Как работает его структура и когда следует выбирать его вместо других конфигураций HDI? Это руководство подробно описывает все, что вам нужно знать, — от определений слоев и типов микропереходов до реальных приложений и лучших практик проектирования — с практическими рекомендациями, которые помогут вам использовать этот стек для вашего следующего проекта.

1. Основные выводы: основы стека 2+N+2 HDI PCB
Прежде чем углубляться в детали, давайте начнем с основных принципов, определяющих стек 2+N+2 HDI PCB:

a. Конфигурация слоев: метка «2+N+2» означает 2 слоя наращивания на верхней внешней стороне, 2 слоя наращивания на нижней внешней стороне и «N» основных слоев в центре (где N = 2, 4, 6 или более, в зависимости от потребностей проектирования).
b. Зависимость от микропереходов: крошечные микропереходы, просверленные лазером (размером всего 0,1 мм), соединяют слои, устраняя необходимость в больших переходных отверстиях и экономя критическое пространство.
c. Последовательное ламинирование: стек собирается поэтапно (не сразу), что позволяет точно контролировать микропереходы и выравнивание слоев.
d. Сбалансированная производительность: он обеспечивает оптимальное сочетание плотности (больше соединений), целостности сигнала (более быстрые, четкие сигналы) и стоимости (меньше слоев, чем полностью настраиваемые конструкции HDI).
e. Универсальность: идеально подходит для высокоскоростных устройств с ограниченным пространством — от маршрутизаторов 5G до имплантируемых медицинских инструментов.

2. Разбор структуры стека 2+N+2 HDI PCB
Чтобы понять стек 2+N+2, вам сначала нужно разобрать его три основных компонента: внешние слои наращивания, внутренние основные слои и материалы, которые удерживают их вместе. Ниже приводится подробный разбор, включающий функции слоев, толщину и варианты материалов.

2.1 Что на самом деле означает «2+N+2»
Соглашение об именовании простое, но каждое число служит критической цели:

Например, 10-слойная плата 2+6+2 HDI PCB (модель: S10E178198A0, распространенная отраслевая конструкция) включает в себя:

a. 2 верхних слоя наращивания → 6 основных слоев → 2 нижних слоя наращивания
b. Использует материал TG170 Shengyi FR-4 (термостойкий для высокопроизводительных приложений)
c. Имеет иммерсионное золотое покрытие (2 мкм) для защиты от коррозии
d. Поддерживает 412 200 отверстий на квадратный метр и минимальный диаметр микроперехода 0,2 мм

2.2 Толщина слоев и вес меди
Постоянная толщина имеет решающее значение для предотвращения деформации печатной платы (распространенная проблема с несбалансированными стеками) и обеспечения надежной работы. В таблице ниже приведены типичные характеристики стеков 2+N+2:

Почему это важно: сбалансированная толщина стека 2+N+2 (одинаковые слои сверху и снизу) минимизирует напряжение во время ламинирования и пайки. Например, стек 2+4+2 (всего 8 слоев) со слоями наращивания 3 мил и основными слоями 6 мил будет иметь одинаковую толщину сверху/снизу (всего 6 мил с каждой стороны), снижая риск деформации на 70% по сравнению с несбалансированной конструкцией 3+4+1.

2.3 Выбор материалов для стеков 2+N+2
Материалы, используемые в платах 2+N+2 HDI PCB, напрямую влияют на производительность, особенно для высокоскоростных или высокотемпературных приложений. Выбор правильных основных, наращиваемых и препреговых материалов не подлежит обсуждению.

Пример: стек 2+N+2 для базовой станции 5G будет использовать основные слои Rogers 4350B (низкий Dk = 3,48) и слои наращивания ABF, чтобы минимизировать потери сигнала на частотах 28 ГГц. Потребительский планшет, напротив, будет использовать экономичные основные слои FR-4 и слои наращивания RCC.

3. Технология микропереходов и последовательное ламинирование для конструкций 2+N+2
Производительность стека 2+N+2 зависит от двух критических производственных процессов: сверления микропереходов и последовательного ламинирования. Без них стек не смог бы достичь своей фирменной плотности и целостности сигнала.

3.1 Типы микропереходов: какой использовать?
Микропереходы — это крошечные отверстия (диаметром 0,1–0,2 мм), которые соединяют смежные слои, заменяя громоздкие переходные отверстия, которые тратят пространство. Для стеков 2+N+2 наиболее распространены четыре типа микропереходов:

Сравнительная таблица: сложенные и разнесенные микропереходы

Совет: для большинства конструкций 2+N+2 разнесенные микропереходы являются оптимальным вариантом — они уравновешивают плотность и стоимость. Сложенные микропереходы необходимы только для сверхплотных приложений (например, 12-слойные печатные платы для аэрокосмической промышленности).

3.2 Последовательное ламинирование: пошаговое построение стека
В отличие от традиционных печатных плат (ламинированных сразу все слои), стеки 2+N+2 используют последовательное ламинирование — поэтапный процесс, который обеспечивает точное размещение микропереходов. Вот как это работает:

Шаг 1: Ламинирование основных слоев: Сначала основные слои N соединяются вместе с препрегом и отверждаются под воздействием тепла (180–220°C) и давления (200–400 фунтов на квадратный дюйм). Это формирует жесткий внутренний «основной блок».
Шаг 2: Добавление слоев наращивания: Один слой наращивания добавляется к верхней и нижней частям основного блока, затем сверлится лазером для микропереходов. Микропереходы металлизируются для обеспечения электрических соединений.
Шаг 3: Повторите для второго слоя наращивания: Второй слой наращивания добавляется с обеих сторон, сверлится и металлизируется. Это завершает структуру «2+N+2».
Шаг 4: Окончательное отверждение и отделка: весь стек снова отверждается для обеспечения адгезии, затем выполняется поверхностная отделка (например, иммерсионное золото) и тестирование.

Зачем нужно последовательное ламинирование?

a. Обеспечивает меньшие микропереходы (до 0,05 мм) по сравнению с традиционным ламинированием.
b. Снижает риск смещения микропереходов (критично для сложенных переходов).
c. Позволяет «вносить изменения в конструкцию» между слоями (например, регулировать расстояние между трассами для целостности сигнала).

Пример:LT CIRCUIT использует последовательное ламинирование для производства плат 2+6+2 (10-слойных) HDI PCB с сложенными микропереходами 0,15 мм, достигая точности выравнивания 99,8%, что значительно выше среднего показателя по отрасли, составляющего 95%.

4. Основные преимущества стеков 2+N+2 HDI PCB
Популярность стека 2+N+2 обусловлена его способностью решать ключевые задачи современной электроники: миниатюризация, скорость сигнала и стоимость. Ниже приведены его наиболее значимые преимущества:

Реальный пример:Производитель смартфонов перешел со стандартной 4-слойной печатной платы на стек 2+2+2 HDI. Результат: размер печатной платы уменьшился на 40%, скорость сигнала для 5G увеличилась на 20%, а производственные затраты снизились на 18% — и все это при поддержке на 30% большего количества компонентов.

5. Основные области применения плат 2+N+2 HDI
Стек 2+N+2 превосходен в приложениях, где пространство, скорость и надежность не подлежат обсуждению. Ниже приведены его наиболее распространенные области применения с конкретными примерами:

5.1 Потребительская электроника
a. Смартфоны и планшеты: поддерживает компактные материнские платы с модемами 5G, несколькими камерами и быстрыми зарядными устройствами. Пример: стек 2+4+2 для флагманского телефона использует сложенные микропереходы для подключения процессора к чипу 5G.
b. Носимые устройства: помещается в небольшие форм-факторы (например, умные часы, фитнес-трекеры). Стек 2+2+2 со слоями наращивания из полиимида обеспечивает гибкость для устройств, носимых на запястье.

5.2 Автомобильная электроника
a. ADAS (передовые системы помощи водителю): питает радары, лидары и модули камер. Стек 2+6+2 с основными слоями из высокотемпературного FR-4 выдерживает температуру под капотом (-40°C to 125°C).
b. Информационно-развлекательные системы: обрабатывают высокоскоростные данные для сенсорных экранов и навигации. Разнесенные микропереходы предотвращают сбои, связанные с вибрацией.

5.3 Медицинские устройства
a. Имплантируемые инструменты: (например, кардиостимуляторы, глюкометры). Стек 2+2+2 с биосовместимыми покрытиями (например, химическое никелирование иммерсионное золото, ENIG) и заглубленными микропереходами уменьшает размер и EMI.
b. Диагностическое оборудование: (например, аппараты УЗИ). Основные слои Rogers с низкими потерями в стеке 2+4+2 обеспечивают четкую передачу сигнала для визуализации.

5.4 Промышленность и аэрокосмическая промышленность
a. Промышленные системы управления: (например, ПЛК, датчики). Стек 2+6+2 с толстыми медными основными слоями выдерживает высокие токи и суровые условия эксплуатации на заводе.
b. Аэрокосмическая электроника: (например, спутниковые компоненты). Стек 2+8+2 со сложенными микропереходами максимизирует плотность, соответствуя стандартам надежности MIL-STD-883H.

6. Важные советы по проектированию и производству
Чтобы получить максимальную отдачу от стека 2+N+2 HDI, следуйте этим лучшим практикам — они помогут вам избежать распространенных ошибок (например, потери сигнала или задержек производства) и оптимизировать производительность.

6.1 Советы по проектированию
1. Планируйте стек заранее: определите функции слоев (сигнал, питание, земля) перед трассировкой. Например:
a. Размещайте высокоскоростные сигнальные слои (например, 5G) рядом с плоскостями заземления, чтобы минимизировать EMI.
b. Размещайте плоскости питания ближе к центру стека, чтобы сбалансировать толщину.
2. Оптимизируйте размещение микропереходов:
a. Избегайте сложения микропереходов в областях с высоким напряжением (например, края печатной платы). Вместо этого используйте разнесенные переходы.
b. Поддерживайте соотношение диаметра микроперехода к глубине ниже 1:1 (например, диаметр 0,15 мм → максимальная глубина 0,15 мм), чтобы предотвратить проблемы с металлизацией.
3. Выбирайте материалы для вашего варианта использования:
a. Не переусердствуйте: используйте FR-4 для потребительских приложений (экономично) вместо Rogers (ненужные расходы).
b. Для высокотемпературных приложений (автомобилестроение) выбирайте основные материалы с Tg >180°C.
4. Соблюдайте правила DFM (проектирование для технологичности):
a. Поддерживайте минимальную ширину/расстояние трассы 2 мил/2 мил для слоев наращивания (чтобы избежать проблем с травлением).
b. Используйте технологию via-in-pad (VIP) для BGA, чтобы сэкономить место, но убедитесь, что переходы правильно заполнены паяльной маской или медью, чтобы предотвратить впитывание припоя.

6.2 Советы по сотрудничеству в производстве
1. Сотрудничайте со специализированным производителем HDI: не все мастерские по производству печатных плат имеют оборудование для стеков 2+N+2 (например, лазерные сверла, прессы для последовательного ламинирования). Ищите производителей, таких как LT CIRCUIT, с:
a. Сертификация IPC-6012 Class 3 (для высоконадежного HDI).
b. Опыт работы с вашим приложением (например, медицинским, автомобильным).
c. Возможности внутреннего тестирования (AOI, рентген, летающий зонд) для проверки качества микропереходов.

2. Запросите проверку DFM перед производством: хороший производитель проверит ваш дизайн на наличие таких проблем, как:
a. Глубина микроперехода, превышающая толщину материала.
b. Несбалансированные слои стека (риск деформации).
c. Трассировка, нарушающая требования к импедансу.
LT CIRCUIT предоставляет бесплатные обзоры DFM в течение 24 часов, отмечая проблемы и предлагая исправления (например, изменение размера микроперехода с 0,1 мм до 0,15 мм для облегчения металлизации).

3. Уточните отслеживаемость материалов: для регулируемых отраслей (медицина, аэрокосмическая промышленность) запросите номера партий материалов и сертификаты соответствия (RoHS, REACH). Это гарантирует, что ваш стек 2+N+2 соответствует отраслевым стандартам и упрощает отзыв при необходимости.

4. Проверьте качество ламинирования: после производства запросите рентгеновские отчеты для проверки:
a. Выравнивание микропереходов (допуск должен составлять ±0,02 мм).
b. Пустоты в препреге (могут вызвать потерю сигнала или расслоение).
c. Толщина медного покрытия (минимум 20 мкм для надежных соединений).

6.3 Советы по тестированию и проверке
1. Электрическое тестирование: используйте тестирование летающим зондом для проверки целостности микропереходов (отсутствие обрывов/коротких замыканий) и контроля импеданса (критично для высокоскоростных сигналов). Для конструкций 5G добавьте тестирование методом рефлектометрии во временной области (TDR) для измерения потерь сигнала.
2. Тепловое тестирование: для приложений с высокой плотностью мощности (например, автомобильные ЭБУ) проведите тепловизионное исследование, чтобы убедиться, что тепло рассеивается равномерно по всему стеку. Хорошо спроектированный стек 2+N+2 должен иметь перепады температуры <10°C по всей плате.
3. Механическое тестирование: выполните испытания на изгиб (для гибких конструкций 2+N+2) и испытания на вибрацию (для автомобильной/аэрокосмической промышленности), чтобы подтвердить надежность. LT CIRCUIT подвергает платы 2+N+2 10 000 циклам вибрации (10–2000 Гц), чтобы убедиться, что они соответствуют стандартам MIL-STD-883H.

7. FAQ: часто задаваемые вопросы о стеках 2+N+2 HDI
В1: Может ли «N» в 2+N+2 быть любым числом?
О1: Хотя «N» технически относится к количеству основных слоев и может варьироваться, это обычно четное число (2, 4, 6, 8), чтобы поддерживать баланс стека. Нечетное количество основных слоев (например, 2+3+2) создает неравномерную толщину, увеличивая риск деформации. Для большинства приложений лучше всего подходит N=2 (базовая плотность) до N=6 (высокая плотность) — N=8 зарезервировано для сверхсложных конструкций (например, аэрокосмические датчики).

В2: Является ли стек 2+N+2 дороже, чем стандартная 4-слойная печатная плата?
О2: Да, но разница в стоимости оправдана его преимуществами. Стек 2+2+2 (6 слоев) HDI стоит примерно на 30–40% дороже, чем стандартная 4-слойная печатная плата, но обеспечивает на 50% более высокую плотность компонентов и лучшую целостность сигнала. Для крупносерийного производства (10 000+ единиц) разрыв в стоимости за единицу уменьшается, особенно если вы работаете с производителем, таким как LT CIRCUIT, который оптимизирует использование материалов и этапы ламинирования.

В3: Могут ли стеки 2+N+2 поддерживать приложения с высокой мощностью?
О3: Абсолютно — с правильным выбором материала и веса меди. Для конструкций с высокой мощностью (например, промышленные источники питания) используйте:

a. Основные слои с медью 2 унции (выдерживают более высокий ток).
b. Препрег с высоким Tg (устойчив к нагреву от силовых компонентов).
c. Тепловые переходы (подключены к плоскостям заземления) для рассеивания тепла.
LT CIRCUIT произвела стеки 2+4+2 для промышленных инверторов мощностью 100 Вт с медными слоями, выдерживающими токи 20 А без перегрева.

В4: Каков минимальный размер микроперехода для стека 2+N+2?
О4: Большинство производителей могут производить микропереходы размером всего 0,1 мм (4 мил) для стеков 2+N+2. Однако 0,15 мм (6 мил) — это оптимальный вариант, который уравновешивает плотность и выход продукции. Меньшие микропереходы (0,08 мм или меньше) возможны, но увеличивают стоимость и снижают выход продукции (больше ошибок сверления).

В5: Сколько времени занимает производство платы 2+N+2 HDI PCB?
О5: Время выполнения зависит от сложности и объема:

a. Прототипы (1–100 единиц): 5–7 дней (с услугами быстрой обработки от LT CIRCUIT).
b. Средний объем (1000–10 000 единиц): 10–14 дней.
c. Большой объем (10 000+ единиц): 2–3 недели.
d. Последовательное ламинирование добавляет 1–2 дня по сравнению с традиционными печатными платами, но более быстрая итерация дизайна (благодаря поддержке DFM) часто компенсирует это.

В6: Могут ли стеки 2+N+2 быть гибкими?
О6: Да — используя гибкие основные и наращиваемые материалы (например, полиимид вместо FR-4). Гибкие стеки 2+N+2 идеально подходят для носимых устройств (например, ремешки для умных часов) и автомобильных приложений (например, изогнутая электроника приборной панели). LT CIRCUIT предлагает гибкие стеки 2+2+2 с минимальным радиусом изгиба 5 мм (для многократного изгиба).

Заключительные мысли: подходит ли вам стек 2+N+2 HDI?
Если ваш проект требует:

a. Меньший размер печатной платы без ущерба для количества компонентов.
b. Высокоскоростные сигналы (5G, 100 Гбит/с) с минимальными потерями.
c. Баланс производительности и стоимости.

Тогда стек 2+N+2 HDI — отличный выбор. Его универсальность делает его подходящим для потребительской электроники, медицинских устройств, автомобильных систем и многого другого, в то время как его структурированный дизайн упрощает производство и снижает риски.

Ключ к успеху? Сотрудничайте с производителем, который специализируется на стеках 2+N+2. Опыт LT CIRCUIT в области последовательного ламинирования, сверления микропереходов и выбора материалов гарантирует, что ваш стек будет соответствовать вашим спецификациям — вовремя и в рамках бюджета. От обзоров DFM до окончательного тестирования LT CIRCUIT выступает в качестве продолжения вашей команды, помогая вам превратить ваш дизайн в надежную, высокопроизводительную печатную плату.

Не позволяйте ограничениям по пространству или скорости ограничивать ваш проект. Со стеком 2+N+2 HDI вы можете создавать электронику, которая меньше, быстрее и надежнее — без ущерба для стоимости.