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PCB資訊

PCB資訊 - HDI 印刷電路技術與製程能力

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PCB資訊 - HDI 印刷電路技術與製程能力

HDI 印刷電路技術與製程能力
2019-09-16
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Author:ipcb      分享文章

大多數新組件需要高密度的 PCB 來增強電氣性能。用於適應這些和研發的HDI 印刷電路板

HDI 板是 PCB 中發展最快的技術之一。這些包含盲孔和埋孔,並且通常包含直徑小於 0.1 毫米的微孔。


直徑0.1mm以下必須用激光鑽孔機鑽孔。並且線路走線和空間非常配合,必須使用LDI機器生產。


HDI 印刷電路板具有比傳統 PCB 更高的電路密度。下面是 iPCB HDI PCB Technics 能力,請看一下。

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iPCB HDI PCB 工藝能力

HDI技術的發展路徑

對於HDI技術,是按照層合板-->多層板-->增層式多層板-->高密度電路板Roadmap技術路徑發展的。

PCB板,始於1960年代前後,通常是由樹脂基材生產的電鍍通孔板。 因其生產複製快,體積小,單價低的特點取代了早期的電線裝配產品。

漸漸,隨著電子產品的小型化和多功化,對IC元件接點距離、訊號傳送速率的要求也越來越高,雙面板已經無法應對複雜的訊號和穩定性要求,囙此電路板逐漸往多層電路板發展。 使用多層電路板層疊使用來滿足效能要求的電路板稱之為多層板。

而4G、5G時代的來臨,使得現時的電子設備必須具備高頻需求,而對應的電路板需要具備特性阻抗控制、高頻傳輸、低輻射干擾等效能,這就要求採用低介電質係數和低衰减率的絕緣材料。

另外,隨著電子設備的小型化,元器件也緊湊化和小型化,繼而發展出了BGA、CSP、DCA等零件,這使得電路板推向了前所未有的高密度狀況。 而為了滿足高密度要求,利用微孔結構(直徑小於150um以下的孔為微孔、提高組裝和空間利用率。對於這類型的電路板,稱為增層式多層板。

當通訊頻率再次提高後,增層式多層板就無法滿足需求了。 為了提高元器件的連結密度,從幾何上看壓縮線路和連接點空間,或是將多元件在同一位置堆疊才能提高構裝密度。 這種技術就是HDI技術,即高密度電路板技術。


HDI技術應用場景

目前來看,HDI技術主要應用場景包括:載板與仲介板、模組、可攜式產品、高性能需求產品。

1、載板與仲介板載板與仲介板技術被用在覆晶或打線的應用,微孔設計可以讓非常高密度的覆晶區域建構出陣列配寘的接點與繞線。

2、模組:HDI技術可以構築模組,讓IC在小載板上進行打線鍵結、覆晶構裝或TAB連接,又或者也可以用來製造細緻的CSP。

3、可攜式產品使用HDI技術的可攜式產品和小型化消費型產品,產品外形較小,特性尺寸也較為細緻。

4、高性能需求產品:HDI PCB板和微孔結構搭配使用,用作製造高層屬、高I/O、小間隔的原件製造,特別是高密度元件。


HDI技術的優勢

導入HDI技術,在線路配寘、元件安排、資料選用、產品設計和製造程式上帶來很多益處,這些方面都是評估產品是否有意的名額。 具體的益處體現在:

1、改善效能表現改善的典型效能主要有:

a、呈現比較低的導通孔寄生電力雜訊;

b、讓連結孔與線路分枝結構最小化;

c、有穩定的電壓通路;

d、可以去除不必要的去耦合電容;

e、比較低的交談式與一般雜訊;

f、RFI/EMI的干擾低了許多;

g、比較近的接地平面,比較近的電容量分佈;

h、表面接地平面搭配孔在墊內結構,可阻絕放射作用;

2、導入先進元件

當使用0.8mm間隔元件後的IC構裝後,HDI具備了比層合板更明顯的優勢。 舉例來說,對於FPGA高引脚產品,通孔技術可能需要20層上結構,而使用HDI技術後只需要60%左右的層數。 此外,HDI技術盲孔還節省了內層與孔襯墊空間,也能做孔在墊內設計。

3、產品進入市場的時間加快

HDI技術採用了盲孔和孔在墊內結構,方便電子元件配寘,也讓產品進入市場時間縮短。 同時如此設計佔用空間小,產品設計空間效率新增,提升了BGA元件應用效能,加大繞線彈性,使線路設計更簡捷。

另外,採用盲、埋孔設計而讓電性提升,可以大幅縮短系統設計調整時間,降低訊號綜合與雜訊縮減的工作,减少重新設計的機會。

4、HDI技術改善信賴度

與傳統通孔相比,盲孔縱橫比大多小於1:1,而傳統通孔處於4:1到20:1範圍內。 這使得盲孔/微孔結構具備較高的序號傳輸可靠度。

此外,HDI PCB板採用薄結構、低Z-軸膨脹係數資料,使得HDI PCB板具有低潜在電感以及較好的熱傳導能力。

5、較低的成本

採用HDI技術能够降低電路板設計層數,提升元件密度,同時提升系統速度,調整阻抗表現。 囙此結合來看,HDI多層結構比傳統通孔成本低。


HDI技術的難點

HDI技術帶來了諸多好處,但在具體實施層面上也有諸多問題。

1、可預測性

由於HDI技術運用較少,囙此在現時的PCB設計中沒有足够的經驗積累,無法在項目設計初始預估HDI的堆疊狀況、鑽孔數量、價位。 這與現時的報價流程相悖,需要依託後續的經驗積累。

2、設計模型

對於簡單的HDI結構,社區域佈局簡單,設計難度小; 而對於複雜結構的產品,需要借助有效的工具對繞線模型、元件數據、幾何關係和電路板尺寸進行導入建模,並借此類比最終產品的效能。 而現時這種能力僅有少數製造商具備。

3、訊號綜合

HDI結構的使用前提是理解它能帶來的電性改善效果,但這對現時喜好通孔設計的傳統電路板設計而言存在一定的轉換難度。

4、新材料的應用

對於HDI PCB板,現時導入不少新材料,例如樹脂塗裝銅皮、真空壓合介電質層等。 這些新材料的各類參數對電路板的特性影響重大,需要不斷地實踐和摸索。 在各類參數中,低損失基材、低介電質參數和高耐熱能力等是關鍵。

5、組裝問題

全填空結構可以新增線路的電感,但會新增電路板製造成本超過10%。 囙此如何合理選用這些結構,關係到效能和成本之間的平衡。

6、測試

在HDI PCB板設計初始就需要考慮搭配測試設計,需要測試工程師和電路板設計師共同規劃,這有利於後期預測可能故障狀況,規劃測試策略,瞭解故障範疇。 這一點對於大量生產相當重要,涉及到產品測試費用。

合理的測試設計可以合理預期每個節點、元件、板面訊號的可能故障類型並提供合理的測試方案。

7、成本預估

如何建立設計中的Design Sheet? 如何選用最佳設計參數? 最小孔徑、孔圈、線路寬度等,對產出良率表現影響明顯,而資料厚度、疊構、線孔數、孔密度等對成本端有較大影響。

另外,最終金屬表面處理、填空、允許公差等等都對成本端有影響。 諸多參數對成本和效能均有很大影響。 如何權衡,依賴於經驗以及成本效能的模型建立。

8、設計工具

對於HDI PCB板,傳統的通孔自動化設計工具已經不適用了。 而現時的設計工具價格相對昂貴,但在盲微孔設計、堆疊結構、繞線等方面有著完善的功能。

9、電力效能與訊號綜合性

孔在高速網絡中的電性影響不容忽視。 通孔具有高電容、電感等寄生雜訊,而通孔周邊結構,帶來了十倍以上的寄生雜訊量,這都將成為明顯訊號效能表現的干擾。 而HDI中存在較多的通孔盲孔,囙此如何結合結構設計和訊號影響進行設計是重要考慮的設計點之一。


HDI技術的設計流程,HDI設計流程分成六個部分:

1、系統分割

新產品設計伊始,整個產品會分解成為元件等級進行設計製造。 合理的系統分割有利於分清系統性能,加快設計進度,並在設計初期就掌握結構構型、元件、風控管控和可製作性上的權衡,保證產品的成功。

2、產品設計

產品設計包括了邏輯設計、線路類比、元件類比、慣用IC、機械設計等等。 HDI PCB板在電力和熱管理上具有較大優勢,能够改善產品的電器和熱特性。

3、電路板設計與佈局

不同於傳統板結構,因為有盲孔、埋孔,HDI PCB板的設計佈局影響到HDI PCB板的效能和製造。 囙此需要充分做好預研工作,充分瞭解各類設計對效能和製造的影響。

4、電路板製造

電路板製造對成品影響的貢獻度較大。 其中影響比較大的工藝包括:對位、細線路影像技術、金屬化處理、電鍍等等。

如何在HDI PCB板上做好這些工藝並測試,這就是對各廠商的最大要求。

5、電路板組裝不同的HDI PCB板元件要求不同的回焊操作曲線和修補技術。 而因為元件密度較大,HDI PCB板較薄,在回焊過程中容易引起不同的故障和風險。

對於更多組裝中的問題,需要在具體製造過程中進行徹底的評估與測試。

6、組裝測試

HDI技術的最終結果步驟是組裝測試。

合理佈置測試襯墊能够减少測試的複雜度和成本,降低不必要的寄生雜訊。 囙此組裝測試在設計初始就要有所考慮。