Σχεδιασμός HDI PCB: Επιλογή υλικών, στοιβάζοντας και βελτιστοποίηση της απόδοσης σήματος

Φωτογραφίες που επιτρέπονται από τον πελάτη

Τα PCB υψηλής πυκνότητας διασύνδεσης (HDI) έχουν γίνει η ραχοκοκαλιά του σύγχρονου ηλεκτρονικού εξοπλισμού, επιτρέποντας τη μικροποίηση και τις υψηλές επιδόσεις που απαιτούνται από τις συσκευές 5G, τους επεξεργαστές τεχνητής νοημοσύνης,και ιατρικό εξοπλισμό απεικόνισηςΣε αντίθεση με τα παραδοσιακά PCB, τα σχέδια HDI συσκευάζουν περισσότερα συστατικά σε μικρότερους χώρους χρησιμοποιώντας μικροβύθους, πιο λεπτά ίχνη και προηγμένα υλικά, αλλά αυτή η πυκνότητα παρουσιάζει μοναδικές προκλήσεις.Η επιτυχία εξαρτάται από τρεις κρίσιμους παράγοντεςΟι HDI PCB μειώνουν την απώλεια σήματος κατά 40% και μειώνουν το μέγεθος της συσκευής κατά 30% σε σύγκριση με τα τυποποιημένα PCB.Ορίστε πώς να κυριαρχήσεις σε κάθε στοιχείο..

Βασικά συμπεράσματα.
1Τα PCB HDI απαιτούν χαμηλής απώλειας, σταθερά υλικά για τη διατήρηση της ακεραιότητας του σήματος σε συχνότητες άνω των 10 GHz.
2Ο σχεδιασμός των συσσωρευτών (1+N+1 διαμορφώσεις, τοποθέτηση μικροδρόμων) επηρεάζει άμεσα τον έλεγχο της αντίστασης και τη θερμική διαχείριση.
3.Τα μικροκύματα (≤ 150μm) μειώνουν την αντανάκλαση του σήματος και επιτρέπουν 30% υψηλότερη πυκνότητα συστατικών από τα παραδοσιακά σχέδια διατρυφής.
4Η απόδοση του σήματος εξαρτάται από τις διηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού, τη γεωμετρία ίχνη και την απόσταση των στρωμάτων, κρίσιμη για τις εφαρμογές 5G και ψηφιακών εφαρμογών υψηλής ταχύτητας.

Τι κάνει τα HDI PCB μοναδικά;
Τα HDI PCB ορίζονται από την ικανότητά τους να υποστηρίζουν συστατικά λεπτής απόστασης (≤ 0,4 mm) και υψηλής πυκνότητας σύνδεσης χρησιμοποιώντας:
1.Μικροδιαδρομές: Διαδρομές μικρής διαμέτρου (50-150μm) που συνδέουν στρώματα χωρίς να διεισδύουν σε ολόκληρο το πλάνο, μειώνοντας την απώλεια σήματος.
2.Ταλέντο: Χάλυβα γραμμές τόσο στενές όσο 25μm (1mil), επιτρέποντας περισσότερη διαδρομή σε στενούς χώρους.
3.Υψηλός αριθμός στρωμάτων: συμπαγείς στοιβάδες (συχνά 6-12 στρώματα) με στενά διαχωρισμένα επίπεδα σήματος και ισχύος.
Τα χαρακτηριστικά αυτά καθιστούν το HDI ιδανικό για συσκευές όπως τα smartphones (που περιέχουν 1000+ εξαρτήματα), τους σταθμούς βάσης 5G και τις φορητές συσκευές παρακολούθησης της υγείας, όπου ο χώρος και η ταχύτητα δεν είναι διαπραγματεύσιμα.

Επιλογή υλικού: Το θεμέλιο της απόδοσης HDI
Τα υλικά HDI πρέπει να εξισορροπούν τρεις κρίσιμες ιδιότητες: διηλεκτρική σταθερά (Dk), συντελεστή διάσπασης (Df) και θερμική σταθερότητα.Ακόμη και μικρές διαφορές σε αυτές τις ιδιότητες μπορούν να υποβαθμίσουν την απόδοση του σήματος, ειδικά σε συχνότητες άνω των 10GHz.

- Δεν ξέρω.
Γιατί η Dk και η Df έχουν σημασία;

1.Διαλεκτρική σταθερά (Dk): Μετρά την ικανότητα ενός υλικού να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια.
2.Συντελεστής διάσπασης (Df): Μετρά την απώλεια ενέργειας ως θερμότητα.
Για παράδειγμα, ένας σταθμός βάσης 5G που χρησιμοποιεί PPO/PTFE (Dk 3.2, Df 0.003) διατηρεί ένταση σήματος 30% καλύτερη από εκείνη που χρησιμοποιεί πρότυπο FR-4, επεκτείνοντας την εμβέλεια κάλυψης κατά 150 μέτρα.

Σχεδιασμός HDI Stackup: Εξισορρόπηση πυκνότητας και απόδοσης

Ο σχεδιασμός HDI stackup καθορίζει πώς αλληλεπιδρούν τα στρώματα, επηρεάζοντας την ακεραιότητα του σήματος, τη θερμική διαχείριση και την κατασκευαστικότητα.και διαχωρίζουν τα στρώματα δυναμικής θορύβου από τα στρώματα ευαίσθητου σήματος.

Κοινή διαμόρφωση σταθμού HDI

Βασικές αρχές
1.Διαχωρισμός σήματος-δύναμης: Τοποθετήστε τα επίπεδα εδάφους δίπλα σε στρώματα σήματος υψηλής ταχύτητας (π.χ. ίχνη ραδιοσυχνοτήτων 50Ω) για τον έλεγχο της αντίστασης και τη μείωση του EMI. Για ζεύγη διαφορών (π.χ. USB 3.2),διατηρούν αντίσταση 90Ω με διαχωρισμό ίχνη 00,3 χιλιοστά μεταξύ τους.
2Στρατηγική μικροβίων: Χρησιμοποιήστε μικροβία αναλογίας όψεως 1:1 (50μm διάμετρος, 50μm βάθος) για να ελαχιστοποιήσετε την αντανάκλαση του σήματος.
3.Θερμικά στρώματα: Συμπεριλάβετε ένα παχύ στρώμα χαλκού (2oz) ή πυρήνα αλουμινίου σε HDI υψηλής ισχύος (π.χ. φορτιστές EV) για να εξαλείφετε τη θερμότητα.Ένα HDI 12 στρωμάτων με ένα επίπεδο εδάφους 2oz χαλκού μειώνει τις θερμοκρασίες των εξαρτημάτων κατά 15 ° C.

Βελτιστοποίηση της απόδοσης του σήματος στα σχέδια HDI
Η υψηλή πυκνότητα των HDI αυξάνει τον κίνδυνο υποβάθμισης του σήματος από διασταυρούμενη ομιλία, αντανάκλαση και EMI.

1- Έλεγχος αντίστασης.
α.Αντίσταση-στόχος: 50Ω για μονοτελή ραδιοσυχνότητες, 90Ω για ζεύγη διαφορών (π.χ. PCIe 4.0) και 75Ω για σήματα βίντεο.
β.Εργαλεία υπολογισμού: Χρησιμοποιήστε λογισμικό όπως το Polar Si8000 για τη ρύθμιση του πλάτους των ίχνων (35mil για 50Ω σε πλάκες πάχους 0,8mm) και του θραύσματος του διηλεκτρίου (46mil για υλικά χαμηλής Dk).
c. Δοκιμασία: Ελέγξτε με TDR (Time Domain Reflectometry) ώστε να διασφαλιστεί ότι η διακύμανση της αντίστασης παραμένει εντός ± 10% του στόχου.

2- Μείωση των κλήσεων.
α.Διαχωρισμός των ίχνη: διατηρήστε τα παράλληλα ίχνη τουλάχιστον 3 φορές το πλάτος τους (π.χ. τα ίχνη 5 χιλιοστών χρειάζονται διαχωρισμό 15 χιλιοστών) για να μειωθεί η διασταύρωση κάτω από -30 dB.
β.Στρώματα εδάφους: Τα στερεά επίπεδα εδάφους μεταξύ των στρωμάτων σήματος λειτουργούν ως ασπίδες, μειώνοντας το crosstalk κατά 60% σε HDI 12 στρωμάτων.
c. Δρόμος: Αποφύγετε τις στροφές σε ορθή γωνία (χρησιμοποιήστε γωνίες 45°) και ελαχιστοποιήστε τις παράλληλες διαδρομές μεγαλύτερες από 0,5 ίντσες.

3Μέσω της βελτιστοποίησης.
α.Καθαρισμένες/τυφλές οδούς: Αυτές οι οδούς δεν διεισδύουν σε ολόκληρη την πλάκα, μειώνοντας το μήκος του κομματιού (μια πηγή αντανάκλασης) κατά 70% σε σύγκριση με τις διάνοιξεις.
β.Μέσα από κομπίνα: Να διατηρείται το μήκος του κομπίνα < 10% του μήκους κύματος του σήματος (π.χ. < 2 mm για σήματα 28 GHz) για να αποφεύγεται ο συντονισμός.
γ.Σχεδιασμός αντι-πακέτων: Χρησιμοποιήστε αντι-πακέτες διαμέτρου 2x (100μm αντι-πακέτο για 50μm διαμέτρου) για την αποτροπή παρεμβολών στο επίπεδο εδάφους.

4Η προστασία EMI.
α. Κλουβιά Faraday: Περιβάλλουν ευαίσθητα κυκλώματα (π.χ. μονάδες GPS) με γειωμένες ασπίδες χαλκού συνδεδεμένες με το επίπεδο εδάφους.
Β. Φιλτράρισμα: Προσθήκη σφαιριδίων φερριτίου ή πυκνωτών στις θύρες συνδέσμου για να εμποδίζεται η είσοδος/εξόδου EMI από το HDI.

Πραγματικές εφαρμογές και αποτελέσματα του δείκτη HDI
α.5G Smartphones: Ένα τηλέφωνο 6,7 ιντσών με 1+4+1 HDI stackup (low-Dk FR-4) χωράει 20% περισσότερα εξαρτήματα από ένα άκαμπτο PCB, υποστηρίζοντας κάμερες 5G mmWave και 4K χωρίς αύξηση του μεγέθους.
β. Ιατρικός υπερήχιος: Ένα πλήρες HDI 12 στρωμάτων με υλικό PTFE (Dk 2.8) επιτρέπει 30% ταχύτερη επεξεργασία σήματος, βελτιώνοντας την ανάλυση εικόνας κατά 15%.
γ.Αεροδιαστημικοί αισθητήρες: Ένα HDI 8 στρωμάτων με κεραμικό γεμάτο PTFE λειτουργεί αξιόπιστα σε θερμοκρασία -55°C έως 125°C, με απώλεια σήματος < 0,5dB στα 40GHz, κρίσιμη για την δορυφορική επικοινωνία.

Γενικές ερωτήσεις
Ε: Πόσο προσθέτει το HDI στο κόστος των PCB;
Α: Το HDI κοστίζει 20~50% περισσότερο από τα παραδοσιακά PCB, αλλά η εξοικονόμηση 30% χώρου και η αύξηση της απόδοσης κατά 40% δικαιολογούν την επένδυση σε συσκευές υψηλής αξίας (π.χ. μόντεμ 5G, ιατρικός εξοπλισμός).
Ε: Ποιο είναι το μικρότερο πλάτος ίχνη στο HDI;
Α: Το προηγμένο HDI υποστηρίζει ίχνη 10μm (0,4mil), αλλά 25 ̇50μm είναι το πρότυπο για την κατασκευή.
Ε: Πότε θα πρέπει να χρησιμοποιήσω τη διαδοχική λαμινάρισή;
Α: Η διαδοχική στρώση (στρώματα κατασκευής ένα προς ένα) είναι ιδανική για 12+ στρώματα HDI, επιτρέποντας καλύτερο έλεγχο της τοποθέτησης των μικροδιαδρομών και μειώνοντας την αλληλεπίδραση των στρωμάτων σε <10μm.

Συμπέρασμα
Ο σχεδιασμός HDI PCB απαιτεί μια στρατηγική ισορροπία υλικών, συσσώρευσης και βελτιστοποίησης σήματος.Οι μηχανικοί μπορούν να απελευθερώσουν το πλήρες δυναμικό των ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής πυκνότηταςΕίτε για το 5G, ιατρικές συσκευές ή αεροδιαστημικά συστήματα, η HDI δεν αφορά μόνο την συσκευασία περισσότερων εξαρτημάτων, αλλά την παροχή αξιόπιστων λύσεων υψηλής απόδοσης με τον μικρότερο δυνατό συντελεστή φόρμας.