Благотворное влияние структур с высокой плотностью соединений (HDI) на целостность высокочастотных сигналов. Часть 1

автор Хэппи Хольден (Happy Holden) |

Введение в преимущества микроотверстий.

Постоянно растущее повсеместно использование корпусов BGA с мелким шагом, корпусов CSP и другие форм-факторы развития технологий обозначает, что для создания печатных плат должны использоваться новые методы и технологии производства. Кроме того, чрезвычайно быстрые тактовые частоты и высокая пропускная способность сигналов заставляют разработчиков систем искать лучшие способы для преодоления негативных воздействие от вмешательства шумов, радиочастотных помех (RFI) и электромагнитных помех (EMI), которые воздействуют на эффективность их продукта. Наконец, все большие ограничения по затратам усугубляют проблемы, связанные с сегодняшними все более маленькими, плотными, легкими и быстрыми системами.

 

Чтобы оставаться конкурентоспособными и поставлять продукты, которые хотят люди, необходимо искать и использовать лучшие доступные технологии и методы разработки. Использование печатных плат с встроенными электронными соединениями через микроотверстия – сегодня одно из наиболее эффективных решений на рынке (Рис.1). Внедрение технологии микроотверстий значит, что продукты смогут использовать самые новые, самые быстрые устройства, соответствовать требованиям RFI/EMI и идти в ногу с требованиями по снижению затрат.

Что такое микроотверстия?

Микроотверстия – это отверстия диаметром 6 мил (150 микрон) или меньше. Самое частое их использование сегодня – это слепые или заглубленные отверстия, используемые для создания межсоединений через один слой диэлектрика внутри печатной платы. Микроотверстия широко используются в структуре со слепыми отверстиями, когда внешние слои многослойной печатной платы соединяются с соседним сигнальным слоем. Используемые во всех формах электронных продуктов, они снижают затраты на производство высокоплотных устройств. IPC определило термин «структуры с высокой плотностью межсоединений» (HDIS) для обозначения этих разнообразных технологий микроотверстий. Это определение далеко не является универсальным. Японцы называют любое отверстие, просверленное лазером в тонком диэлектрике, микроотверстием.

Зачем использовать микроотверстия в печатных платах?

С физической и электрической точки зрения микроотверстия предлагают несколько различных преимуществ по сравнению с их механически выполненными коллегами. Системы с более высокой плотностью схем и с лучшей эклектической эффективностью могут быть созданы с помощью самых маленьких и самых продвинутых компонентов, доступных сегодня на рынке. В результате могут быть созданы более маленькие, более легкие и более надежные продукты [1].

Главные преимущества использования микроотверстий:

  • Более низкие затраты за счет уменьшения размера платы (зачастую до 40%) и сокращения слоев (до 33%)
  • Снижение размера продукта: меньший вес подложки, толщина и объем
  • Увеличение плотности проводов: меньшее расстояние между компонентами при большем количестве соединений на один компонент, что позволяет большую плотность при меньших затратах. При более высокой плотности HDI стоит меньше из расчета на одно соединение
  • Улучшение надежности: тонкая природа и соотношение сторон микроотверстий 1:1 дает увеличение надежности по сравнению с более крупными просверленными сквозными отверстиями.
  • Улучшение электрической функциональности (целостности сигнала): HDI имеет одну десятую от паразитной индуктивности и емкости сквозных отверстий, меньшее количество заглушек, меньше отражений, меньше вибрацию земли и более хорошие шумовые поля.
  • Снижение RFI/EMI: так как панели заземления находятся ближе к или на поверхности и распределенная емкость доступна, то RFI/EMI значительно уменьшаются.
  • Улучшение термальной эффективности: тонкие диэлектрики и более высокий Tg у HDI улучшают термальную функциональность.
  • Увеличение эффективности разработки: микроотверстия позволяют легко размещать детали на обеих сторонах сборки, а также улучшают маршрутизацию для компонентов (отверстия-в-площадке).
  • Более быстрый выход на рынок: 100% выполнение HDI автопрокладчиками из-за размещения и более простой трассировки свободного пространства внутренних слоев.

Более низкие затраты на ПП

HDI платы обычно могут обеспечить более высокую плотность (увеличение восьми слоев) при более низких затратах. Когда комплекс слепых и заглубленных отверстий выполняется последовательным покрытием, более простая HDI плата будет обычно стоить меньше.

Уменьшение размера продукта

Увеличение площади маршрутизации увеличивает потенциал сокращения количества слоев ПП в разработка и для физически меньшего форм фактора, полученного за счет увеличения плотности схемы. Это дает возможность лучшему размещению компонентов, улучшению опций схемы и лучшей электрической эффективности. Это будет проиллюстрировано ниже в разборе конкретной ситуации.

Увеличенная плотность схемы

Так как микроотверстия могут быть встроены в структуру площадки, происходит значительное сокращение разветвления. Более того, микроотверстия обеспечивают не только дополнительное увеличение площади маршрутизации, но также улучшают эффективность по затратам во время производства. Большая плотность отверстий на данную площадь обеспечивает большее количество проложенных дорожек на ту же площадь. Преимущества от этого двойные – разработчики могут размещать компоненты в значительно большей близости друг к другу, при этом получая соответствующее увеличение площади для прокладки дорожек.

Улучшенная надежность

Тонкая природа микроотверстий и соотношение сторон 1:1 дает улучшение надежность по сравнению с большими по размеру просверленными сквозными отверстиями. HDI платы долгое время использовались в европейской военной отрасли, транспортной и космических отраслях. Доступны данные от IPC ITRI по тестированию надежности HDI многослойных плат.

Увеличение электрической функциональности/целостности сигнала

Благодаря физической структуре микроотверстий происходит снижение коммутационных помех. Это следствие уменьшенной индуктивности и емкости отверстий, так как их физический размер становится меньше и короче. Микроотверстие будет иметь около одной десятой электрических паразитных элементов от сквозного отверстия. Другим преимуществом использования микроотверстий для создания межсоединений является снижение шумов цепи, отражения сигналов и перекрестных помех между дорожками. Миниатюризация предлагает возможности для уменьшения токовых петель на критических сетях. Соответственное увеличение в площади маршрутизации также позволяет разработчикам размещать дорожки подальше, чтобы уменьшить перекрестные помехи. Больше по этой теме будет ниже в данной статье.

Более низкие RFI/EMI

В царстве RFI/EMI комбинирование увеличенной площади маршрутизации с физическим созданием микроотверстий как отверстий-в-площадке позволяет разработчикам размещать больше панелей заземления вокруг компонентов. Благодаря этому размер возвратных петель заземления уменьшается и улучается эффективность RFI/EMI. Тонкий диэлектрик в HDI плате вместе с парами питание/заземление также снижает EMI и излучение. Больше по этой теме будет ниже в данной статье.

Улучшенная термальная эффективность

Тонкий диэлектрик и более высокий Tg у HDI материалов улучшает тепловую эффективность. Многие комплексных усиленные BGA сделаны из тонкой, просверленной лазером полиимидной пленки.

Более высокая эффективность разработки

Микроотверстия упрощают размещение деталей на обеих сторонах сборки и улучшают прокладку компонентов (отверстия-в-площадке), приводя к упрощению прокладки внутренних слоев за счет свободного пространства и 100% выполнения HDI автопрокладчиками. Можно легко использовать новые детали с очень мелким шагом.

Более быстрый выход на рынок

Размещение микроотверстий на обеих сторонах сборки делает прокладку и размещение компонентов более быстрым. И при ручной, и при автоматической прокладке слепые/заглубленные отверстия обеспечивают в 2-4 раза большую плотность прокладки на сигнальный слой, делая прокладку более простой и быстрой.

Эти преимущества выделены на Рис.1 [1].

Рис.1. Пять основных сфер преимуществ HDI плат.

Таблица 1: Характеристики HDI и проблемы, которые они помогают решать [2,3].

Источник: Журнал The PCB Magazine Октябрь 2017

Назад