W projektach elektronicznych wykorzystujących komponenty o małym rastrze wyprowadzeń konwencjonalne przelotki mogą zajmować zbyt dużo miejsca, utrudniając prowadzenie ścieżek. Zastosowanie zaawansowanej technologii HDI nie zawsze musi jednak obejmować całą strukturę płytki. Usługa HDI pool firmy Eurocircuits pozwala wykorzystać gęstsze połączenia międzywarstwowe w tych obszarach projektu, w których są rzeczywiście potrzebne, przy zachowaniu tradycyjnej konstrukcji pozostałych warstw.
Na czym polega częściowe HDI
HDI (High-Density Interconnect) to technologia płytek drukowanych o dużej gęstości połączeń, wykorzystująca m.in. mikroprzelotki o znacznie mniejszej średnicy niż konwencjonalne przelotki wiercone mechanicznie. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie liczby połączeń na ograniczonej powierzchni PCB.
W ramach HDI pool stosowana jest konstrukcja obejmująca dwie warstwy mikroprzelotek rozmieszczonych schodkowo, z przesunięciem względem siebie, które łączą trzy sąsiednie warstwy miedzi. Struktura ta znajduje się po jednej stronie płytki – górnej lub dolnej, zależnie od wybranego układu warstwowego. Pozostała część zachowuje konwencjonalną budowę wielowarstwową, a całość może zostać wykonana w jednym cyklu prasowania. Takie rozwiązanie określane jest jako częściowe HDI.
Pozwala ono zwiększyć przestrzeń dostępną do prowadzenia połączeń w pobliżu komponentów o małym rastrze, bez konieczności stosowania rozbudowanej struktury HDI w całej płytce.
Istotną cechą usługi jest standaryzacja procesu produkcyjnego. Eurocircuits może łączyć zgodne technologicznie zamówienia różnych klientów na wspólnych panelach, co umożliwia lepsze wykorzystanie materiałów i rozłożenie kosztów produkcji między poszczególne projekty.
Parametry technologiczne HDI pool
Usługa obejmuje predefiniowane konstrukcje 6- i 8-warstwowe, z mikroprzelotkami o średnicy 100 µm. W zależności od wybranej klasy projektowej możliwe jest stosowanie ścieżek i odstępów między nimi o minimalnych wymiarach 100 µm.
Przewidziano również wypełnianie miedzią przelotek znajdujących się przy warstwie zewnętrznej, obsługę projektów z kontrolowaną impedancją oraz zastosowanie kwalifikowanego laminatu FR-4 o wysokiej temperaturze zeszklenia (Tg). Produkcja odbywa się w Europie.
Wykorzystanie zdefiniowanych układów warstwowych i powtarzalnych parametrów technologicznych pozwala ograniczyć liczbę niestandardowych operacji produkcyjnych. Nie oznacza to jednak, że każde zastosowanie komponentów o małym rastrze wymaga HDI. O wyborze technologii powinny decydować geometria pól lutowniczych, liczba i rozmieszczenie wyprowadzeń, wymagane szerokości ścieżek oraz możliwości ich prowadzenia między padami.
Więcej miejsca na połączenia
Jednym z zastosowań częściowego HDI jest wyprowadzanie ścieżek z obudów BGA o małym rastrze. HDI pool może obsługiwać komponenty o rastrze wyprowadzeń sięgającym 0,4 mm, zależnie od geometrii pól lutowniczych, rozmieszczenia i liczby wykorzystywanych wyprowadzeń oraz wymagań dotyczących ścieżek i odstępów.
Mniejsze przelotki pozostawiają więcej miejsca na prowadzenie połączeń w sąsiedztwie komponentu. Może to umożliwić zastosowanie układu, którego wyprowadzeń nie dałoby się efektywnie rozprowadzić przy użyciu standardowych przelotek przechodzących przez całą grubość płytki.
Kolejnym zagadnieniem jest integralność sygnałów o dużej szybkości transmisji. W konwencjonalnej przelotce przechodzącej przez całą grubość PCB może pozostawać niewykorzystany odcinek przewodzący poza warstwami, między którymi prowadzony jest sygnał. Jest on określany w literaturze technicznej jako via stub – niewykorzystany odcinek przelotki.
Przy wyższych częstotliwościach taka struktura może wpływać na odbicia i pogarszać integralność sygnału. Zastosowanie krótszych połączeń między sąsiednimi warstwami pozwala ograniczyć ten problem. Nie eliminuje jednak konieczności zapewnienia ciągłości płaszczyzn referencyjnych i prawidłowego prowadzenia prądów powrotnych.
Odpowiednia odległość między warstwami sygnałowymi a referencyjnymi sprzyja uzyskaniu kontrolowanej impedancji i ograniczeniu powierzchni pętli prądu powrotnego. Prowadzenie ścieżek nad przerwami w płaszczyźnie odniesienia może natomiast powodować wydłużenie drogi powrotnej prądu i pogorszenie właściwości elektrycznych połączenia.
Odprowadzanie ciepła z komponentów
Technologia częściowego HDI może być również wykorzystywana do tworzenia połączeń termicznych pod komponentami o dużej gęstości mocy, w tym układami w obudowach QFN.
Mikroprzelotki wypełnione miedzią umożliwiają połączenie pada termicznego komponentu z wewnętrzną płaszczyzną miedzianą, wspomagając odprowadzanie ciepła. Ponieważ otwory znajdujące się przy warstwie zewnętrznej są wypełnione i wyrównane do powierzchni, możliwe jest lutowanie elementu bezpośrednio nad nimi.
Takie rozwiązanie ogranicza ryzyko odpływu lutowia do otworów, które występuje w przypadku otwartych przelotek umieszczonych w polach lutowniczych. Jednocześnie pozwala zachować odpowiednią powierzchnię do wykonania połączenia lutowanego.
Trzy przykłady zastosowań HDI
Eurocircuits we współpracy ze specjalistami firmy CIBOARD electronic opracowało sześciowarstwową płytkę demonstracyjną, prezentującą trzy zastosowania częściowego HDI.
Wyprowadzenie sygnałów z mikro-BGA 0,5 mm
Pierwszy przykład obejmuje komponent mikro-BGA o rastrze 0,5 mm i układzie 4 × 4 wyprowadzeń. Ścieżki sygnałowe prowadzone są na warstwach L1 i L3, natomiast L2 stanowi płaszczyznę referencyjną masy. Połączenia masowe realizowane są przez mikroprzelotki między L1 i L2.
Konstrukcja zapewnia dodatkową przestrzeń do wyprowadzenia sygnałów przy zachowaniu zwartego układu połączeń i bez konieczności stosowania pełnej struktury HDI.
Prowadzenie szybkich sygnałów z mikro-BGA 0,4 mm
Drugie zastosowanie dotyczy komponentu o rastrze 0,4 mm, z parami różnicowymi wymagającymi kontrolowanej impedancji. Sygnały prowadzone są na warstwach L1 i L3, a L2 pełni funkcję płaszczyzny referencyjnej.
Schodkowy układ połączeń międzywarstwowych umożliwia krótkie przejścia sygnałów między warstwami. W porównaniu z konwencjonalnymi przelotkami przechodzącymi przez całą grubość płytki pozwala uniknąć powstawania niewykorzystanych odcinków przewodzących, co może ograniczać nieciągłości impedancji i odbicia sygnałów.
Warunkiem prawidłowej pracy jest jednak zachowanie ciągłości płaszczyzn referencyjnych oraz zapewnienie odpowiednich połączeń dla prądów powrotnych przy zmianie warstwy sygnałowej.
Połączenie termiczne pada QFN48
Trzeci przykład przedstawia układ QFN48 o rastrze 0,5 mm, którego pad termiczny połączono z wewnętrzną płaszczyzną masy L2 za pomocą przelotek wypełnionych miedzią.
W aplikacjach wymagających intensywniejszego rozprowadzania ciepła możliwe jest wykorzystanie dodatkowych połączeń między warstwami L2 i L3, zapewniających kontakt z kolejnym obszarem miedzi.
Przykłady te pokazują możliwości częściowego HDI, jednak ostateczna przydatność rozwiązania zależy od kompletnego projektu PCB, obejmującego prowadzenie sygnałów, dystrybucję zasilania, ciągłość płaszczyzn referencyjnych, zarządzanie termiczne oraz wymagania montażowe.
Projektowanie zgodne z wymaganiami produkcji
Przygotowanie projektu HDI pool powinno rozpoczynać się od wyboru dostępnego układu warstwowego i uwzględnienia jego parametrów w środowisku CAD. Pozwala to uniknąć sytuacji, w której gotowy projekt wymaga istotnych zmian w celu dostosowania go do możliwości produkcyjnych.
Dla programu Altium Designer Eurocircuits udostępnia szablon reguł projektowych w formacie .RUL oraz plik układu warstwowego .stackupx. Dane te można pobrać z konta klienta i zaimportować do środowiska projektowego.
Przed rozpoczęciem szczegółowego prowadzenia ścieżek należy również określić wymagania dotyczące impedancji charakterystycznej i różnicowej. Zależą one nie tylko od szerokości ścieżek, ale również od grubości i właściwości dielektryka, grubości miedzi, odległości do płaszczyzny referencyjnej oraz odstępów między ścieżkami par różnicowych.
Do wyznaczenia odpowiedniej geometrii połączeń służą narzędzia Eurocircuits do obliczania impedancji, wykorzystujące parametry wybranego układu warstwowego HDI pool.
Weryfikacja projektu przed produkcją
Po przygotowaniu dokumentacji projekt można przesłać do narzędzia Eurocircuits Visualizer, które przeprowadza wirtualną analizę procesu produkcji i tworzy cyfrowy model projektowanej płytki.
Automatyczna kontrola reguł projektowych (DRC – Design Rule Check) oraz analiza możliwości produkcyjnych (DFM – Design for Manufacturability) pozwalają wykryć niezgodności między dokumentacją a parametrami wybranej technologii.
Weryfikacja obejmuje m.in. szerokość ścieżek i odstępów, wymiary mikroprzelotek, poprawność układu warstwowego, geometrię pierścieni miedzianych wokół otworów oraz potencjalne problemy związane z maską lutowniczą.
Po dostarczeniu dokumentacji montażowej analiza może zostać rozszerzona o kontrolę kompletności i poprawności listy materiałowej (BOM), zgodności komponentów z polami montażowymi, rozmieszczenia i orientacji elementów, ich polaryzacji oraz dostępności.
Takie podejście umożliwia identyfikację części problemów przed skierowaniem projektu do produkcji. Automatyczna weryfikacja nie zastępuje jednak pełnej oceny technicznej przeprowadzanej przez projektanta.
Walidacja procesu produkcyjnego
Przed uruchomieniem HDI pool Eurocircuits przeprowadziło walidację procesów produkcyjnych i montażowych na specjalnie przygotowanych panelach testowych, zawierających reprezentatywne komponenty o małym rastrze.
Badania obejmowały analizę mikroprzekrojów, kontrolę mikroprzelotek wypełnionych miedzią i metalizowanych, inspekcję pasty lutowniczej, wielokrotne cykle lutowania rozpływowego oraz kontrolę rentgenowską połączeń BGA. Oceniano również występowanie pustek w lutowiu, zwarć i problemów z pozycjonowaniem komponentów.
Wyniki prac posłużyły do weryfikacji procesu i opracowania płytki demonstracyjnej we współpracy z CIBOARD electronic. Doświadczenia zebrane podczas walidacji wykorzystano także w systemie kontroli przedprodukcyjnej Eurocircuits Visualizer.
Celem tych działań jest ograniczenie liczby błędów ujawnianych dopiero na etapie produkcji oraz zwiększenie powtarzalności procesu.
Wycena i terminy realizacji
Dla projektów zgodnych z parametrami HDI pool Eurocircuits udostępnia kalkulator online, umożliwiający sprawdzenie ceny i dostępnych terminów realizacji zamówienia.
Według informacji producenta niezmontowane płytki PCB mogą być dostępne od 12 dni roboczych, natomiast kompletne zespoły PCB po montażu – od 17 dni roboczych. Rzeczywisty termin zależy od parametrów projektu, dostępności komponentów, wielkości zamówienia oraz wybranych opcji produkcyjnych.
Usługa obejmuje zarówno wykonanie płytek, jak i możliwość zakupu komponentów oraz montażu elektroniki. Pozwala to przeprowadzić projekt od zweryfikowanej dokumentacji do gotowego prototypu lub krótkiej serii w ramach jednego procesu zamówieniowego.
Podsumowanie
HDI pool Eurocircuits umożliwia wykorzystanie zaawansowanych połączeń międzywarstwowych bez konieczności projektowania całej płytki w pełnej, niestandardowej technologii HDI. Rozwiązanie jest przeznaczone przede wszystkim do konstrukcji wymagających wyprowadzenia sygnałów z komponentów BGA o małym rastrze, prowadzenia szybkich sygnałów z kontrolowaną impedancją oraz tworzenia połączeń termicznych z wewnętrznymi warstwami miedzi.
Standaryzacja układów warstwowych, współdzielenie paneli produkcyjnych i weryfikacja projektu przed rozpoczęciem produkcji pozwalają ograniczać koszty oraz ryzyko błędów technologicznych, szczególnie w prototypowaniu i produkcji małoseryjnej.
Źródło: Eurocircuits
Więcej na www.eurocircuits.com
