Drie Essentiële Principes voor het Ontwerpen van Hoogwaardige HDI-printplaten

Wat is HDI-technologie?

HDI (High Density Interconnection) is een printplattechnologie die aan het einde van de 20e eeuw begon te ontwikkelen. Bij traditionele printplaten wordt mechanisch geboord, met nadelen zoals hoge kosten bij een boorgaten-diameter van 0,15 mm en moeilijke verbetering door de beperkingen van het boorwerkzeug. HDI-printplaten gebruiken laserboortechnologie, die direct enorme populariteit genoot. HDI-borden, ook wel laserborden genoemd, hebben een boorgaten-diameter van doorgaans 3,0–6,0 mil (0,076–0,152 mm) en een spoorbreedte van 3,0–4,0 mil (0,076–0,10 mm), waardoor de pad-grootte aanzienlijk kan worden verkleind en meer layout per eenheidsoppervlakte mogelijk is. HDI-technologie drijft de ontwikkeling van de printplatenindustrie vooruit en wordt nu massaal toegepast in allerlei apparaten.

Productieproces

Boorgaten-diameter

De diameterverhouding moet worden overwogen bij het ontwerpen van doorboorgaten en blinde/verborgen gaten. Voor traditionele mechanische boortechniek bij gewone printplaten moet de doorboorgaten-diameter meer dan 0,15 mm zijn en de dikte-diameterverhouding meer dan 8:1 (in speciale gevallen 12:1 of hoger). Bij laserboortechniek moet de diameter van het lasergat tussen 3 en 6 mil liggen, waarbij 4 mil wordt aanbevolen, en de diepte-diameterverhouding van het geplateerde gevulde gat mag maximaal 1:1 zijn.

Hoe dikker het bord, hoe kleiner de diameter. Tijdens het verhardingsproces is het moeilijk voor de chemische oplossing om de diepte van de boorgaten te bereiken. Hoewel verhardingsapparaten de oplossing door trilling of druk naar het midden van de boorgaten drukken, zorgt de concentratiegradiënt ervoor dat de centrale verharding relatief dun is, wat leidt tot lichte printbaan-openingen in de boorgaatlagen. Bij hogere spanning of zware omgevingsbelasting worden defecten nog duidelijker, wat uiteindelijk leidt tot printbaanbreuk en bordfouten. Ontwerpers moeten daarom de technische mogelijkheden van de fabrikant volledig kennen voordat ze beginnen, anders ontstaan fabricageproblemen, hogere schrootpercentages of zelfs fabricage-onmogelijkheid.

Layer-opbouw (Stack-up)

De layer-opbouw van HDI-printplaten kan worden geclassificeerd op basis van de volgorde van lagen met blinde gaten. Typische categorieën:

• 1-HDI (met verborgen gaten): structuur met 1-2 blinde gaten, 6-5 blinde gaten, 2-5 verborgen gaten, 1-6 doorboorgaten.
• Non-gestapelde 2-HDI (met verborgen gaten): 1-2 blinde gaten (niet gestapeld), 2-3 blinde gaten (niet gestapeld), 8-7 blinde gaten (niet gestapeld), 7-6 blinde gaten (niet gestapeld), 3-6 verborgen gaten, 1-8 doorboorgaten.
• Gestapelde maar niet hars-gevulde 2-HDI: 1-2 blinde gaten (gestapeld), 2-3 blinde gaten (gestapeld), 8-7 blinde gaten (gestapeld), 7-6 blinde gaten (gestapeld), 3-6 verborgen gaten, 1-8 doorboorgaten.
• Gestapelde en hars-gevulde 2-HDI: 1-2 blinde gaten (gestapeld), 2-3 blinde gaten (gestapeld en hars-gevuld), 8-7 blinde gaten (gestapeld), 7-6 blinde gaten (gestapeld en hars-gevuld), 3-6 verborgen gaten, 1-8 doorboorgaten.

Borden worden tijdens de opbouw beïnvloed door druk en temperatuur, waardoor spanningen achterblijven. Als de opbouw asymmetrisch is (ongelijke spanningverdeling aan beide kanten), ontstaat eenzijdige vervorming, wat de opbrengst drastisch verlaagt. Ontwerpers moeten asymmetrische opbouw vermijden en de verdeling van blinde/verborgen gaten in overweging nemen.

Processtroom

De processtroom wordt toegelicht aan de hand van 4-laags HDI met 1 stapeling en 6-laags HDI met 2 stapelingen.

4-laags HDI met 1 stapeling: Eerst mechanisch boren van verborgen gaten in laag 2-3, dan mechanische doorboorgaten 1-4, daarna 1-2 blinde gaten en 4-3 blinde gaten. Als ontwerpers direct 1-3 of 4-2 gaten boren zonder 2-3 conversie, leidt dit tot extreme fabricageproblemen, hogere kosten en schroot. De keuze voor doorboorgaten moet rekening houden met huidige techniek en fabricage-eisen.

6-laags HDI met 2 stapelingen: Eerst mechanisch boren van verborgen gaten op 3-4, dan verborgen gaten 2-5, daarna blinde gaten 2-3 en 5-4, doorboorgaten 1-6, en tenslotte 1-2 en 6-5 blinde gaten. Laserboortechniek voor blinde gaten genereert koolknopen op de gatwand en oxideert het koper op de tweede laag. Na laserboren is een voorbehandeling nodig voor verharding. Vanwege de kleine diameter is verwijdering van koolknopen moeilijk. Voor 2-HDI is professionele verharding en vulling van blinde gaten vereist, wat de kosten aanzienlijk verhoogt. De accumulatie van afstempelfouten verhoogt het schrootpercentage. 2-HDI wordt niet aanbevolen, behalve voor extreem geavanceerde producten.

Layout

Componentenlayout op HDI-borden heeft zo'n hoge dichtheid dat later installeerbaarheid, soldeerbaarheid en onderhoudbaarheid gegarandeerd moeten zijn. De afstanden tussen componenten kunnen worden bepaald op basis van de onderstaande tabel.

De parameters in de tabel zijn minimumaarden voor gewone soldeereisen. In de praktijk moet de afstand zo groot mogelijk worden gekozen binnen de beschikbare ruimte voor gemakkelijke montage, herwerk en soldeerwerk.

Overwegingen bij layout:

• RF/analog/analog-digitale conversie/digitale delen moeten strikt ruimtelijk gescheiden zijn. Afstand tussen hen moet worden vergroot, of ze nu aan dezelfde of verschillende kanten liggen.
• Layout van dezelfde module moet aan dezelfde kant worden geplaatst om boorgaten of laagwisselingen te minimaliseren. Belangrijke circuits moeten worden bepaald en volgens signaalbelang rondom sleutelcomponenten geplaatst.
• Hoogvermogensignalen moeten ver van andere signalen worden geplaatst.

Routing (Tracking)

Bij routing moeten rekening worden gehouden met minimale spoorbreedte, veilige afstandscontrole en uniformiteit van sporen. Te kleine afstand veroorzaakt filmklemming in het innerlijke droge filmproces; filmrestanten veroorzaken kortsluiting. Te kleine spoorbreedte zorgt voor zwakke filmadsorptie en open printbanen. Non-uniformiteit van printbanen leidt tot non-uniformiteit van koperdikteverdeling en harsstroomsnelheid. Daarom moet op spoor- en koperuniformiteit worden gelet.

Andere routing-overwegingen:

• Componenten op boven- en onderlaag hebben goede isolatie; wederzijdse overspraak tussen binnenlaagsignalen moet worden verminderd.
• Voor belangrijke signalen in RF- en analoge gebieden moet een korte ground-to-ground terugkoppelpad worden gegarandeerd rondom elk signaal.
• Blinde gaten zonder fysieke verbindingsinterferentie mogen niet worden toegevoegd aan het spoorgebied van belangrijke signalen om wederzijdse interferentie te voorkomen; blinde gaten behorend tot ground-net wel.
• Vanwege beperkte routingsruimte heeft de routing van belangrijke signalen en signalen met impedantie-eisen voorrang.
• Op voorwaarde dat vermogensstroom de stroom aan kan, moet monoblock bekleding worden vermeden om interferentie met andere signalen te reduceren.
• Als signaalkwaliteit voorop staat, kunnen blinde gaten direct op de pad worden geboord. Voor BGA-gebied kunnen blinde gaten en pad tangentiël worden gehouden om invloed op BGA-soldeering te voorkomen.
• Blinde/verborgen gaten zijn slechter dan doorboorgaten wat continuïteit betreft. Voor signalen met impedantie-eis moeten leidenlengtes tussen pad en blinde gaten, blinde en verborgen gaten worden verkort en boven- en onderoppervlakte van signalen compleet gehouden.

Concluderend: bij HDI-bordontwerp moet de gecompliceerde fabricagebaarheid vooraf volledig worden overwogen. Procesparameters van gewone printplaten zijn bekend, maar HDI-beginners moeten de HDI-specificaties van hun fabrikant kennen om projecten te waarborgen.

Vraag een Offerte aan voor Custom HDI-printplaatfabricage bij PCBCart

PCBCart heeft meer dan tien jaar ervaring in HDI-printplaatfabricage en -montage. Wij hebben alle expertise om uw high-density interconnect-ontwerp om te zetten in volledig functionele printplaten op een professionele en kosteneffectieve manier. Heeft u uw HDI-ontwerp klaar? Neem contact met ons op via deze pagina voor een custom offerte. Het kost u niets om de prijs te vragen!

Nuttige bronnen:
• Wat u moet weten over HDI
• Belangrijke elementen over verborgen en blinde vias in HDI flex-rijge printplaten
• Hoe een automotive HDI-printplaatfabrikant te evalueren
• High-tech HDI-printplaatfabricageservice van PCBCart