什么是HDI？PCB设计基础与HDI PCB制造工艺

随着科技的发展，将更多功能集成在更小的封装中的需求也随之增长。使用高密度互连（HDI）技术设计的PCB通常更小，因为更多的元件被装在更小的空间里。HDI PCB使用盲孔、埋孔和微孔、焊盘内孔以及非常细的走线，将更多元件集中在更小的区域内。我们将向您展示HDI的设计基础，以及Vxin Mars如何帮助您创建强大的HDI PCB板设计。

 

高密度互连（HDI）印制电路设计和制造始于1980年，当时研究人员开始研究减小PCB中过孔尺寸的方法。第一个生产用的叠层或顺序印刷电路板出现在1984年。从那时起，设计师和元件制造商一直在寻找方法，将更多功能集成到单个芯片和单个电路板上。如今，HDI板设计和制造已在IPC-2315、IPC-2226、IPC-4104和IPC-6016标准中得到规范。

在规划HDI PCB板设计时，有一些设计和制造挑战需要克服。以下是设计HDI PCB时可能遇到的一些挑战：

• 有限的板面积
• 更小的元件和更紧密的间距
• PCB堆叠两面都有更多的元件
• 更长的走线路径导致更长的信号传输时间
• 需要更多的走线来完成电路板

使用基于规则驱动设计引擎的正确布局和布线工具，你可以打破PCB设计中的常规规则，创建具有非常高互连密度的强大PCB。当您使用为HDI PCB板设计而构建的先进PCB设计软件时，更容易处理高密度PCB布线和细间距元件。您可以使用Vxin Mars中的世界级设计功能创建新的HDI板设计并规划HDI制造过程。

HDI PCB板设计和制造有何不同？

HDI制造过程与传统PCB制造过程在几个简单但重要的方面有所不同。这里的一个重点是，制造商的限制会约束设计自由度，并设定电路板布线的限制。使用更细的走线、更小的过孔、更多的层和更小的元件仍然可以在您的设计软件中得到适应，但为了满足制造设计（DFM）要求，意味着要利用设计软件中的自动化功能。具体的DFM要求取决于用于构建电路板的制造过程和材料。当我们考虑可靠性要求时，DFM要求也变得重要。

材料选择需要回答以下问题：

• 介电材料的化学成分是否与当前核心基板材料使用的化学成分兼容?
• 介电材料是否能与电镀铜有足够的粘合力?(许多原始设备制造商(OEM)要求>6磅/英寸[1.08千克米/厘米],对应1盎司[35.6微米]铜箔。)
• 介电材料是否能在金属层之间提供足够和可靠的介电间距?
• 它是否能满足热性能需求?
• 介电材料是否能为焊线键合和返工提供理想的"高"玻璃化转变温度(Tg)?
• 它是否能在多个连续构建单元(SBU)层中经受住热冲击(即焊料浮动、加速热循环、多次回流)?
• 它是否能有可靠的电镀微通孔?

HDI基板中使用的介电材料大致可分为九种。IPC斜线表如IPC-4101B和IPC-4104A涵盖了其中许多材料,但有些尚未被IPC标准指定。这些材料包括:

• 光敏液体介电材料
• 光敏干膜介电材料
• 聚酰亚胺柔性膜
• 热固化干膜
• 热固化液体介电材料
• 树脂涂覆铜(RCC)箔,双层和增强型
• 传统FR-4芯板和预浸料
• 新型"展开玻璃"激光可钻(LD)预浸料
• 热塑性塑料

HDI PCB板设计流程如下所示。HDI的布线效率取决于叠层结构、过孔结构、元件布置、BGA扇出和设计规则。规划HDI布局时最重要的部分是考虑走线宽度、过孔尺寸以及BGA元件的布置/避让布线。

 

HDI PCB板设计和布局过程

 

在进行HDI PCB制造时，始终要与你的电路板制造商确认他们的制造方法。你需要确定他们制造方法的极限，因为这将影响你在布局中可以放置的尺寸。BGA元件的球间距将决定你需要使用的过孔尺寸，这进而决定了制造电路板所需的HDI制造工艺。HDI PCB的一个核心特征是微通孔，需要精确设计以适应层间布线。

HDI PCB板设计和制造工艺概述

典型的PCB制造过程涉及许多步骤，但HDI PCB制造使用了一些可能不会在其他电路板中使用的特殊步骤。HDI电路板设计过程开始时与许多其他过程相似，其中：

1. 确定布线所有信号所需的层数，可以通过使用电路板上最大的BGA元件，或使用电路板上最大IC的接口+方向数来确定。
2. 联系你的制造商选择材料并获取介电数据，以创建你的PCB叠层结构。
3. 根据层数和厚度，确定将用于通过内层布线信号的过孔类型。
4. 如果相关，进行可靠性评估，以验证材料在组装处理和运行过程中不会对互连造成应力导致断裂。
5. 根据制造商的能力和可靠性要求（泪滴过孔的需求、走线宽度、间距等）确定设计规则，以确保可靠的制造和组装。

叠层结构的创建和设计规则的确定是关键点，因为它们将决定电路板的可布线性和最终产品的可靠性。一旦完成这些步骤，设计师就可以在他们的ECAD软件中将制造商的DFM要求和可靠性要求实施为设计规则。在前期做好这一点非常重要，它将有助于确保设计的可靠性、可布线性和可制造性。

设计您的特定尺寸以满足HDI DFM要求

尽管HDI PCB中与间距相关的DFM要求相当严格，但通过利用PCB设计软件中的设计规则，可以满足这些要求。在布局和布线之前需要收集的一些重要DFM要求包括：

• 走线宽度和间距限制

• 环形焊盘和长宽比限制，特别是对于高可靠性设计

• 电路板中使用的材料系统，以确保所需叠层结构中的阻抗控制

• 如果可用，所需叠层结构或层对的阻抗曲线

你的设计工具对于设计满足这些DFM要求的HDI电路板至关重要。使用正确的设计工具集，在HDI PCB中布线阻抗控制走线相当容易。你只需创建一个阻抗曲线，并在考虑制造商DFM指南的同时定义所需的走线宽度。布线软件中的在线DRC引擎将在你创建HDI布局时检查你的布线。确保获得制造商工艺的完整规格集，以确保你已考虑到所有相关的HDI DFM规则。

HDI PCB布线中的通孔类型

下图展示了HDI PCB布局和布线中使用的典型过孔样式。这些过孔样式具有较低的长宽比，理想情况下小于1，尽管一些制造商可能声称长宽比高达2的可靠性，包括堆叠微通孔。在PCB叠层结构的中心是一个常规埋孔，用于提供通过较厚芯层的连接；这个内层埋孔可以有较大的长宽比，因为它将通过机械钻孔进行加工。一旦确定了层数和介电层厚度，设计师就可以根据上述长宽比限制设计过孔。遵守这些微通孔的长宽比限制是可靠性的重要部分，特别是当这些电路板经过回流焊接，或部署在具有重复热/机械冲击和循环的环境中时。在HDI PCB中使用微孔及其可靠性的信息

顺序构建

顺序层压工艺主要用于以层层方式构建HDI叠层结构。一般来说，这种技术可以用于任何多层PCB，但对HDI尤其重要。这是因为高密度、非常薄的介电层是在厚芯层周围以单独层的形式形成的，所以层压将分多个步骤进行以构建叠层。顺序层压工艺包括以下步骤：

光刻胶沉积和曝光：这用于定义需要蚀刻的区域，从而在层压板上留下导体图案。

蚀刻和清洗：当前行业标准的蚀刻剂是氯化铁溶液。蚀刻后，剩余的光刻胶可以回收，而形成的导体图案需要清洗。

过孔形成和钻孔：需要使用机械或激光钻孔来定义过孔。对于高密度过孔，可以通过化学方法去除过孔。

过孔金属化：一旦定义了过孔，就对其进行金属化处理，形成连续的导电互连。

叠层构建：在外层处理之前，通过多个层压循环堆叠各层以构建叠层结构。

在下面的金属化部分可以找到显示叠层构建过程的流程图。

HDI中的过孔形成

HDI PCB需要的互连通常会达到机械钻孔可在PCB上放置的最小过孔尺寸。一旦过孔尺寸小于6密耳（约0.15毫米），就需要一种替代的过孔形成工艺来在层间放置微通孔。由于填充电镀微通孔是HDI PCB的标准特征，它们可以用于过孔垫设计方法，有助于提高密度。使用过孔垫是在设计中容纳更多元件的简单方法，因为它们提供了从元件引脚到内部层的直接连接。

当对微通孔的可靠性有担忧时，也可以使用近垫技术，即从焊盘引出一个很小的走线段并接触微通孔。这完成了到内部层的连接，并提供了一个更大的分离通道，以防钻孔偏移导致实际钻孔位置偏离预期位置。

金属化

在顺序层压过程中，HDI PCB的每一层都会经历过孔金属化、填充和电镀过程。产生的过孔内部必须没有空隙，颈部周围有足够的包覆电镀，以避免在回流焊循环和操作过程中出现裂纹。HDI制造中使用的四种过孔金属化工艺如下：

· 传统的化学镀和电镀铜

· 传统的导电石墨或其他聚合物

· 全加性和半加性化学镀铜

· 导电膏或导电墨水

可以钻更大的过孔，但随着需要更慢的钻孔速度，成本最终会超过激光钻孔成本，且生产效率更低。激光钻孔是目前最流行的微通孔形成工艺，但它并不是最快的过孔形成工艺。化学蚀刻小过孔是最快的，估计速率为每秒8,000到12,000个过孔。等离子体过孔形成和光刻过孔形成也是如此。

在激光钻孔中，使用高能量密度的光束在PCB层压板上打孔。激光能够烧蚀介电材料，并在碰到铜线路时停止，因此它们非常适合创建深度可控的盲孔。激光能量的波长在红外和紫外区域。光束斑点大小可以小到约20微米。

如果电路板上的过孔足够宽可以钻孔，可以使用受控钻孔步骤来放置过孔。这需要一个中间顺序层压步骤来粘合电路板的两层，然后进行钻孔和电镀以定义过孔桶、与内层的连接以及上层的着陆焊盘。这些过孔在下一个顺序层压步骤之前可能会被填充（如果它们在内层），或者如果保留在外层，可能会保持未填充状态。整个钻孔和顺序过程如下所示。

HDI制造工艺中的微孔钻孔和金属化工艺

 

将你的电路板纳入HDI制造流程

HDI PCB工艺比传统刚性PCB处理步骤更先进，但它们仍然使用您为典型刚性PCB使用的同一套制造数据。一旦您完成了HDI PCB布局并通过了DFM审查，就该准备交付给制造商和组装商的材料了。Vxin Mars中的统一设计环境会利用您所有的设计数据，用它来创建Gerber/ODB++/IPC-2581制造文件、钻孔表、物料清单以及新HDI PCB的装配图纸。

当您在寻找最佳的HDI PCB设计、布局和制造软件包时，请使用Vxin Mars中的完整设计工具集。集成的设计规则引擎和层叠管理器为您提供了创建裸HDI电路板、计算阻抗值以及考虑PCB材料系统中铜面粗糙度所需的一切。当您完成设计并想要向制造商发布文件时，Vxin Mars平台使协作和共享项目变得简单。