什么是HDI？PCB設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與HDI PCB制造工藝

隨著科技的發(fā)展，將更多功能集成在更小的封裝中的需求也隨之增長(zhǎng)。使用高密度互連（HDI）技術(shù)設(shè)計(jì)的PCB通常更小，因?yàn)楦嗟脑谎b在更小的空間里。HDI PCB使用盲孔、埋孔和微孔、焊盤內(nèi)孔以及非常細(xì)的走線，將更多元件集中在更小的區(qū)域內(nèi)。我們將向您展示HDI的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以及Vxin Mars如何幫助您創(chuàng)建強(qiáng)大的HDI PCB板設(shè)計(jì)。

高密度互連（HDI）印制電路設(shè)計(jì)和制造始于1980年，當(dāng)時(shí)研究人員開始研究減小PCB中過(guò)孔尺寸的方法。第一個(gè)生產(chǎn)用的疊層或順序印刷電路板出現(xiàn)在1984年。從那時(shí)起，設(shè)計(jì)師和元件制造商一直在尋找方法，將更多功能集成到單個(gè)芯片和單個(gè)電路板上。如今，HDI板設(shè)計(jì)和制造已在IPC-2315、IPC-2226、IPC-4104和IPC-6016標(biāo)準(zhǔn)中得到規(guī)范。

在規(guī)劃HDI PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，有一些設(shè)計(jì)和制造挑戰(zhàn)需要克服。以下是設(shè)計(jì)HDI PCB時(shí)可能遇到的一些挑戰(zhàn)：

• 有限的板面積
• 更小的元件和更緊密的間距
• PCB堆疊兩面都有更多的元件
• 更長(zhǎng)的走線路徑導(dǎo)致更長(zhǎng)的信號(hào)傳輸時(shí)間
• 需要更多的走線來(lái)完成電路板

使用基于規(guī)則驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)引擎的正確布局和布線工具，你可以打破PCB設(shè)計(jì)中的常規(guī)規(guī)則，創(chuàng)建具有非常高互連密度的強(qiáng)大PCB。當(dāng)您使用為HDI PCB板設(shè)計(jì)而構(gòu)建的先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)軟件時(shí)，更容易處理高密度PCB布線和細(xì)間距元件。您可以使用Vxin Mars中的世界級(jí)設(shè)計(jì)功能創(chuàng)建新的HDI板設(shè)計(jì)并規(guī)劃HDI制造過(guò)程。

HDI PCB板設(shè)計(jì)和制造有何不同？

HDI制造過(guò)程與傳統(tǒng)PCB制造過(guò)程在幾個(gè)簡(jiǎn)單但重要的方面有所不同。這里的一個(gè)重點(diǎn)是，制造商的限制會(huì)約束設(shè)計(jì)自由度，并設(shè)定電路板布線的限制。使用更細(xì)的走線、更小的過(guò)孔、更多的層和更小的元件仍然可以在您的設(shè)計(jì)軟件中得到適應(yīng)，但為了滿足制造設(shè)計(jì)（DFM）要求，意味著要利用設(shè)計(jì)軟件中的自動(dòng)化功能。具體的DFM要求取決于用于構(gòu)建電路板的制造過(guò)程和材料。當(dāng)我們考慮可靠性要求時(shí)，DFM要求也變得重要。

材料選擇需要回答以下問(wèn)題：

• 介電材料的化學(xué)成分是否與當(dāng)前核心基板材料使用的化學(xué)成分兼容?
• 介電材料是否能與電鍍銅有足夠的粘合力?(許多原始設(shè)備制造商(OEM)要求>6磅/英寸[1.08千克米/厘米],對(duì)應(yīng)1盎司[35.6微米]銅箔。)
• 介電材料是否能在金屬層之間提供足夠和可靠的介電間距?
• 它是否能滿足熱性能需求?
• 介電材料是否能為焊線鍵合和返工提供理想的"高"玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)?
• 它是否能在多個(gè)連續(xù)構(gòu)建單元(SBU)層中經(jīng)受住熱沖擊(即焊料浮動(dòng)、加速熱循環(huán)、多次回流)?
• 它是否能有可靠的電鍍微通孔?

HDI基板中使用的介電材料大致可分為九種。IPC斜線表如IPC-4101B和IPC-4104A涵蓋了其中許多材料,但有些尚未被IPC標(biāo)準(zhǔn)指定。這些材料包括:

• 光敏液體介電材料
• 光敏干膜介電材料
• 聚酰亞胺柔性膜
• 熱固化干膜
• 熱固化液體介電材料
• 樹脂涂覆銅(RCC)箔,雙層和增強(qiáng)型
• 傳統(tǒng)FR-4芯板和預(yù)浸料
• 新型"展開玻璃"激光可鉆(LD)預(yù)浸料
• 熱塑性塑料

HDI PCB板設(shè)計(jì)流程如下所示。HDI的布線效率取決于疊層結(jié)構(gòu)、過(guò)孔結(jié)構(gòu)、元件布置、BGA扇出和設(shè)計(jì)規(guī)則。規(guī)劃HDI布局時(shí)最重要的部分是考慮走線寬度、過(guò)孔尺寸以及BGA元件的布置/避讓布線。

在進(jìn)行HDI PCB制造時(shí)，始終要與你的電路板制造商確認(rèn)他們的制造方法。你需要確定他們制造方法的極限，因?yàn)檫@將影響你在布局中可以放置的尺寸。BGA元件的球間距將決定你需要使用的過(guò)孔尺寸，這進(jìn)而決定了制造電路板所需的HDI制造工藝。HDI PCB的一個(gè)核心特征是微通孔，需要精確設(shè)計(jì)以適應(yīng)層間布線。

HDI PCB板設(shè)計(jì)和制造工藝概述

典型的PCB制造過(guò)程涉及許多步驟，但HDI PCB制造使用了一些可能不會(huì)在其他電路板中使用的特殊步驟。HDI電路板設(shè)計(jì)過(guò)程開始時(shí)與許多其他過(guò)程相似，其中：

1. 確定布線所有信號(hào)所需的層數(shù)，可以通過(guò)使用電路板上最大的BGA元件，或使用電路板上最大IC的接口+方向數(shù)來(lái)確定。
2. 聯(lián)系你的制造商選擇材料并獲取介電數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建你的PCB疊層結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)層數(shù)和厚度，確定將用于通過(guò)內(nèi)層布線信號(hào)的過(guò)孔類型。
4. 如果相關(guān)，進(jìn)行可靠性評(píng)估，以驗(yàn)證材料在組裝處理和運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)對(duì)互連造成應(yīng)力導(dǎo)致斷裂。
5. 根據(jù)制造商的能力和可靠性要求（淚滴過(guò)孔的需求、走線寬度、間距等）確定設(shè)計(jì)規(guī)則，以確保可靠的制造和組裝。

疊層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和設(shè)計(jì)規(guī)則的確定是關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儗Q定電路板的可布線性和最終產(chǎn)品的可靠性。一旦完成這些步驟，設(shè)計(jì)師就可以在他們的ECAD軟件中將制造商的DFM要求和可靠性要求實(shí)施為設(shè)計(jì)規(guī)則。在前期做好這一點(diǎn)非常重要，它將有助于確保設(shè)計(jì)的可靠性、可布線性和可制造性。

設(shè)計(jì)您的特定尺寸以滿足HDI DFM要求

盡管HDI PCB中與間距相關(guān)的DFM要求相當(dāng)嚴(yán)格，但通過(guò)利用PCB設(shè)計(jì)軟件中的設(shè)計(jì)規(guī)則，可以滿足這些要求。在布局和布線之前需要收集的一些重要DFM要求包括：

? 走線寬度和間距限制

? 環(huán)形焊盤和長(zhǎng)寬比限制，特別是對(duì)于高可靠性設(shè)計(jì)

? 電路板中使用的材料系統(tǒng)，以確保所需疊層結(jié)構(gòu)中的阻抗控制

? 如果可用，所需疊層結(jié)構(gòu)或?qū)訉?duì)的阻抗曲線

你的設(shè)計(jì)工具對(duì)于設(shè)計(jì)滿足這些DFM要求的HDI電路板至關(guān)重要。使用正確的設(shè)計(jì)工具集，在HDI PCB中布線阻抗控制走線相當(dāng)容易。你只需創(chuàng)建一個(gè)阻抗曲線，并在考慮制造商DFM指南的同時(shí)定義所需的走線寬度。布線軟件中的在線DRC引擎將在你創(chuàng)建HDI布局時(shí)檢查你的布線。確保獲得制造商工藝的完整規(guī)格集，以確保你已考慮到所有相關(guān)的HDI DFM規(guī)則。

HDI PCB布線中的通孔類型

下圖展示了HDI PCB布局和布線中使用的典型過(guò)孔樣式。這些過(guò)孔樣式具有較低的長(zhǎng)寬比，理想情況下小于1，盡管一些制造商可能聲稱長(zhǎng)寬比高達(dá)2的可靠性，包括堆疊微通孔。在PCB疊層結(jié)構(gòu)的中心是一個(gè)常規(guī)埋孔，用于提供通過(guò)較厚芯層的連接；這個(gè)內(nèi)層埋孔可以有較大的長(zhǎng)寬比，因?yàn)樗鼘⑼ㄟ^(guò)機(jī)械鉆孔進(jìn)行加工。一旦確定了層數(shù)和介電層厚度，設(shè)計(jì)師就可以根據(jù)上述長(zhǎng)寬比限制設(shè)計(jì)過(guò)孔。遵守這些微通孔的長(zhǎng)寬比限制是可靠性的重要部分，特別是當(dāng)這些電路板經(jīng)過(guò)回流焊接，或部署在具有重復(fù)熱/機(jī)械沖擊和循環(huán)的環(huán)境中時(shí)。在HDI PCB中使用微孔及其可靠性的信息

順序構(gòu)建

順序?qū)訅汗に囍饕糜谝詫訉臃绞綐?gòu)建HDI疊層結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)可以用于任何多層PCB，但對(duì)HDI尤其重要。這是因?yàn)楦呙芏取⒎浅１〉慕殡妼邮窃诤裥緦又車詥为?dú)層的形式形成的，所以層壓將分多個(gè)步驟進(jìn)行以構(gòu)建疊層。順序?qū)訅汗に嚢ㄒ韵虏襟E：

光刻膠沉積和曝光：這用于定義需要蝕刻的區(qū)域，從而在層壓板上留下導(dǎo)體圖案。

蝕刻和清洗：當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的蝕刻劑是氯化鐵溶液。蝕刻后，剩余的光刻膠可以回收，而形成的導(dǎo)體圖案需要清洗。

過(guò)孔形成和鉆孔：需要使用機(jī)械或激光鉆孔來(lái)定義過(guò)孔。對(duì)于高密度過(guò)孔，可以通過(guò)化學(xué)方法去除過(guò)孔。

過(guò)孔金屬化：一旦定義了過(guò)孔，就對(duì)其進(jìn)行金屬化處理，形成連續(xù)的導(dǎo)電互連。

疊層構(gòu)建：在外層處理之前，通過(guò)多個(gè)層壓循環(huán)堆疊各層以構(gòu)建疊層結(jié)構(gòu)。

在下面的金屬化部分可以找到顯示疊層構(gòu)建過(guò)程的流程圖。

HDI中的過(guò)孔形成

HDI PCB需要的互連通常會(huì)達(dá)到機(jī)械鉆孔可在PCB上放置的最小過(guò)孔尺寸。一旦過(guò)孔尺寸小于6密耳（約0.15毫米），就需要一種替代的過(guò)孔形成工藝來(lái)在層間放置微通孔。由于填充電鍍微通孔是HDI PCB的標(biāo)準(zhǔn)特征，它們可以用于過(guò)孔墊設(shè)計(jì)方法，有助于提高密度。使用過(guò)孔墊是在設(shè)計(jì)中容納更多元件的簡(jiǎn)單方法，因?yàn)樗鼈兲峁┝藦脑_到內(nèi)部層的直接連接。

當(dāng)對(duì)微通孔的可靠性有擔(dān)憂時(shí)，也可以使用近墊技術(shù)，即從焊盤引出一個(gè)很小的走線段并接觸微通孔。這完成了到內(nèi)部層的連接，并提供了一個(gè)更大的分離通道，以防鉆孔偏移導(dǎo)致實(shí)際鉆孔位置偏離預(yù)期位置。

金屬化

在順序?qū)訅哼^(guò)程中，HDI PCB的每一層都會(huì)經(jīng)歷過(guò)孔金屬化、填充和電鍍過(guò)程。產(chǎn)生的過(guò)孔內(nèi)部必須沒(méi)有空隙，頸部周圍有足夠的包覆電鍍，以避免在回流焊循環(huán)和操作過(guò)程中出現(xiàn)裂紋。HDI制造中使用的四種過(guò)孔金屬化工藝如下：

· 傳統(tǒng)的化學(xué)鍍和電鍍銅

· 傳統(tǒng)的導(dǎo)電石墨或其他聚合物

· 全加性和半加性化學(xué)鍍銅

· 導(dǎo)電膏或?qū)щ娔?/p>

可以鉆更大的過(guò)孔，但隨著需要更慢的鉆孔速度，成本最終會(huì)超過(guò)激光鉆孔成本，且生產(chǎn)效率更低。激光鉆孔是目前最流行的微通孔形成工藝，但它并不是最快的過(guò)孔形成工藝。化學(xué)蝕刻小過(guò)孔是最快的，估計(jì)速率為每秒8,000到12,000個(gè)過(guò)孔。等離子體過(guò)孔形成和光刻過(guò)孔形成也是如此。

在激光鉆孔中，使用高能量密度的光束在PCB層壓板上打孔。激光能夠燒蝕介電材料，并在碰到銅線路時(shí)停止，因此它們非常適合創(chuàng)建深度可控的盲孔。激光能量的波長(zhǎng)在紅外和紫外區(qū)域。光束斑點(diǎn)大小可以小到約20微米。

如果電路板上的過(guò)孔足夠?qū)捒梢糟@孔，可以使用受控鉆孔步驟來(lái)放置過(guò)孔。這需要一個(gè)中間順序?qū)訅翰襟E來(lái)粘合電路板的兩層，然后進(jìn)行鉆孔和電鍍以定義過(guò)孔桶、與內(nèi)層的連接以及上層的著陸焊盤。這些過(guò)孔在下一個(gè)順序?qū)訅翰襟E之前可能會(huì)被填充（如果它們?cè)趦?nèi)層），或者如果保留在外層，可能會(huì)保持未填充狀態(tài)。整個(gè)鉆孔和順序過(guò)程如下所示。

將你的電路板納入HDI制造流程

HDI PCB工藝比傳統(tǒng)剛性PCB處理步驟更先進(jìn)，但它們?nèi)匀皇褂媚鸀榈湫蛣傂訮CB使用的同一套制造數(shù)據(jù)。一旦您完成了HDI PCB布局并通過(guò)了DFM審查，就該準(zhǔn)備交付給制造商和組裝商的材料了。Vxin Mars中的統(tǒng)一設(shè)計(jì)環(huán)境會(huì)利用您所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，用它來(lái)創(chuàng)建Gerber/ODB++/IPC-2581制造文件、鉆孔表、物料清單以及新HDI PCB的裝配圖紙。

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