技术资讯 I 高密度互连印刷电路板:如何实现高密度互连 HDI

电子说 2022-06-11 01:10

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高密度互连 (HDI) 需求主要来自于芯片供应商。最初的球栅阵列封装 (BGA) 支持常规过孔。渐渐地,引脚变得更加密集。1.27 毫米的间距变成了 1 毫米,然后是 0.8 毫米,再到 0.65 毫米的中心距。在可以使用电镀通孔 (PTH) 过孔的情况下,这是最后一个节点。

 

下一步是 0.5 毫米级的 BGA。我们仍然可以使用嵌入在焊盘内的过孔,但是存在两个问题:一个是填充和遮盖过孔,以便得到平坦的表面来防止回流焊过程中焊料外流。另一个问题是,典型的“8/18”过孔有一个 0.2 毫米的成品孔和一个 0.45 毫米的定位焊盘。在一个 0.5 毫米间距的器件上,留下 50 微米用于布置走线和走线两侧的空气间隙——这是不切实际的。

 

 


 

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微孔:每平方英寸引脚数量过多的解决方案

 

微孔是进入 HDI设计的第一步。其主要的好处是:微孔是微型的!除了尺寸较小之外,真正的好处是微孔跨越了一个层对。我们可以从第 1 层“钻”到第 2 层,然后在第 2 层扇出到 PTH 过孔,进行其余的布线。这是 HDI 最简单的实现方法。另外想要指出的是:“钻孔”是用激光完成的。

 

混合信号 PCB 的 DSP 端,请注意 ENIG 表面处理优于上述第一次迭代的 HASL。镀金后过孔的平整度有所提高。

 

实际上,两束激光比一束好。一种波长可以穿透铜,另一种波长可以很好地切入电介质材料,但主要是在铜上反射。我们可以用红外线 CO2 激光击穿金属,然后切换到紫外线掺钕钇铝石榴石 (Nd-YAG) 激光来穿透绝缘层。一旦它击中内部的第 2 层金属,就会停止脉冲,而不会烧穿金属。

 

这里有个关键的问题。即使我们要叠加微孔来从第 1 层到达第 3 层,但仍然希望第 2 层的垫片是激光的目标。叠加微孔是有一定成本的。作者本人曾在 Chromecast 的 PCB 上使用了精打细算的交错微孔法。这种方法的缺点是,它占用了更多的传统第 2 层接地平面。为了实现制造厂商的要求,我们花了几个小时才做到这一点。而当出售几百万、几千万个器件时,一分一厘的成本也很重要。请注意,在 HDI 电路板中,接地平面的理想位置不一定是第 2 层。

 

需要较粗的射频走线,以避免测试点出现阻抗问题。只有当参考平面位于电路板的深层时,才需要粗的走线。

 

因此,尺寸差异和单层跨度一直存在,但我们在用微孔设计 PCB 之前,还有一个因素需要了解,即一旦孔中的材料脱落,就必须进行电镀。由于几乎不可能对一个又深又窄的孔进行电镀,因此要使用微孔,电介质材料必须非常薄。这个比例大约在 0.6:1 和 1:1 之间。使成品孔的尺寸与电介质的厚度相同非常重要,这对大多数工厂来说几乎是不可能的。理想情况下,材料要比孔的直径更薄。

 

核心过孔:解决方案的核心

 

这意味着,市场对于薄型电介质一直有需求。正如现在某些消费产品的成本更高一样,对 HDI 友好的材料可能会有一些交货期和价格方面的压力。微孔的使用有限,因此要在成本和性能之间达到平衡。而3-N-3 堆叠则是一个理想选择;3-N-3指的是先从一块 N 层厚的电路板开始,假设 N=4,3 表示围绕核心部分增加的层数。

 

工厂将以常规的方式使用 PTH 过孔几何形状制作一块 4 层电路板。该电路板将成为成品板的中央核心。然后,他们在 4 层电路板的每一侧再叠加一层。这些层的厚度约为 50 微米,以支撑 75-100 微米的过孔。他们一次又一次地进行层压和激光打孔,这样最终就会得到三个激光过孔层、四个机械过孔层和另外三个激光过孔层,总共有 10 层。

 

一个 14 层的 3-N-3 堆叠;未按比例绘制。

 

除了薄薄的半固化片,主要的成本驱动因素是层压周期。从两层、四层、六层或更多的核心层开始并不是什么大问题。因此常用的术语将所有这些核心叠层统称为“N”层。而将电路板再次放入压合机,让电路板在高温和压力下粘接在一起,这才是成本来源。压合机通常是工厂中最昂贵的设备。它们的工作速度不像钻孔机或电镀槽那样快。只有一台冲压机的工厂会面临一个瓶颈,相应的成本必然反映在 HDI 电路板的价格上。

 

2-N-2堆叠法

 

有一种很棒的方法,是在外层使用薄的电介质制作 HDI 板的核心,并在进入第二个层压周期之前在核心上创建微孔。这被称为 2-N-2 加堆叠。与 3-N-3 版本相比,所需层压次数要少一次。其缺点是,核心过孔朝堆叠的顶部和底部进一步延伸了一层。核心过孔突出来的层通常适合作为接地层。

 

从布线的角度来看,在 1-2、2-3、3-4、4-7、7-8、8-9 和 9-10 之间设置过孔,可以解决大多数令人困扰的扇出问题。许多电路板可以采用更少的技术来完成,有些可能需要在整个电路板上都添加微型通孔。到那时,电路板的两边都挤满了元件,而且可能有间距很小的 、具有上千个引脚的BGA 器件。当完成这类电路板时,油然而生的成就感会让我们心潮澎湃。好好享受吧!

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