O guia definitivo para o projeto de empilhamento de PCB HDI: das estruturas básicas às estratégias avançadas de otimização

À medida que os produtos eletrônicos evoluem rapidamente em direção à miniaturização e ao alto desempenho, a tecnologia tradicional de PCB não consegue mais atender às crescentes demandas por densidade de fiação e integridade de sinal. PCB HDI (Interconexão de alta densidade) tornou-se uma tecnologia essencial para a implementação de projetos de sistemas eletrônicos complexos por meio da tecnologia microvia, empilhamento multicamadas e materiais avançados. Seja enfrentando o desafio do fan-out de chips BGA com passo de 0,4 mm ou os requisitos de integridade da transmissão de sinais em alta velocidade, um projeto de empilhamento HDI bem planejado é fundamental para o sucesso.

Análise detalhada dos tipos de estrutura de empilhamento HDI

1.1 HDI de primeira ordem (estrutura 1+N+1)

• Características estruturais: O tipo HDI mais básico, composto por duas camadas externas (camadas perfuradas a laser) e um núcleo de camada N entre elas.
• Aplicações típicas: Eletrônicos de consumo de média densidade, dispositivos IoT, controladores industriais.
• Vantagens de fabricação: Concluído em um único ciclo de laminação, processo maduro e alta relação custo-benefício.
• Exemplo de design: 1+4+1 six-layer board, suitable for most applications with BGA pitch ≥0.5mm.

1.2 HDI de segunda ordem (estrutura 2+N+2)

• Classificação da estrutura:
• Design escalonado: As microvias em diferentes camadas são deslocadas horizontalmente; um processo simples, com alta confiabilidade.
• Design de vias empilhadasAs microvias são empilhadas verticalmente, economizando espaço, mas exigindo processos de fabricação rigorosos.
• Aplicações típicas: Placas-mãe para smartphones, roteadores de última geração e equipamentos de imagem médica.
• Pontos técnicos: Requer dois ciclos de laminação, suporta largura/espaçamento de linha mais fino (até 3,0 mil/3,0 mil).

1.3 HDI de alta ordem e interconexão em qualquer camada

• Estruturas de terceira ordem e superiores: Adequado para cenários de densidade ultra-alta, como chips de IA e módulos RF 5G.
• Interconexão de qualquer camada (Anylayer)Permite a conexão direta entre quaisquer camadas adjacentes, maximizando a liberdade de fiação.
• Desafios técnicos: Require multiple laminations, precise layer-to-layer alignment (within ±10μm), and advanced plating processes.
• Considerações sobre custosA complexidade do processo e o custo aumentam exponencialmente com o número de laminações sequenciais.

Princípios básicos de design e estratégias de otimização

2.1 Especificações de projeto para vias cegas e enterradas

• Controle de tamanho: The aspect ratio of blind vias should be controlled at ≤1:1 to ensure plating quality and reliability.
• Requisitos de espaçamento:
• Edge-to-edge spacing for blind vias of different nets: ≥9.5mil (0.24mm)
• Edge-to-edge spacing for blind vias of the same net: ≥5mil (0.13mm)
• Via-to-trace distance: Inner layer ≥6mil, outer layer ≥5-6mil
• Via-to-board-edge distance: ≥14mil (0.35mm)
• Seleção do processo:
• Os designs com vias empilhadas devem usar preenchimento de vias galvanizadas para garantir a planicidade da superfície.
• Recomenda-se o tamponamento com resina + revestimento galvanizado para vias enterradas mecanicamente, a fim de evitar o fluxo de resina e a formação de vazios.

2.2 Estrutura entre camadas e otimização da integridade do sinal

• Estratégia de empilhamento de camadasAs camadas de sinal alternam com as camadas de referência (GND/PWR).
• Estrutura recomendada: Sinal superior – Camada 2 terra – Camada 3 alimentação – Camada 4 sinal.
• Vantagens: Fornece caminhos de retorno de sinal claros, reduz a interferência e a radiação EMI.
• Controle de impedância:
• Calcule com precisão as dimensões da microfita e da linha de fita, considerando as variações nos valores Dk do material.
• Os sinais diferenciais de alta velocidade exigem correspondência rigorosa de comprimento, espaçamento igual e roteamento paralelo.
• Integridade da energia:
• Evite criar “ilhas” ao dividir os planos de alimentação para garantir uma distribuição uniforme da corrente.
• Coloque capacitores de desacoplamento próximos aos ICs para reduzir o ruído de energia.

2.3 Base científica para a seleção de materiais

• Aplicativos geraisA série FR-4 atende à maioria das necessidades com boa relação custo-benefício.
• Cenários de alta velocidade: Materiais de baixa perda (por exemplo, Rogers RO4835, Shengyi S1000-2M).
• Stable Dk values, low tanδ, suitable for applications above 5GHz.
• Excelente desempenho do filamento anódico anti-condutor (Anti-CAF).
• Necessidades de gerenciamento térmico:
• Use substratos com núcleo metálico ou designs com cobre pesado em áreas de dispositivos de alta potência.
• Otimize os caminhos de condução térmica com matrizes de vias térmicas.
• Considerações sobre a capacidade de fabricaçãoEvite usar mais de três tipos diferentes de pré-impregnados para reduzir os riscos de variação de espessura.

Pontos-chave do projeto para a capacidade de fabricação (DFM)

3.1 Otimização do processo de laminação

• Minimizando os ciclos de laminação: Reduza os ciclos de laminação otimizando as localizações das vias enterradas.
• Exemplo: Alterar as vias enterradas das camadas 3-6 para as camadas 2-7 pode eliminar um ciclo de laminação.
• Estratégia de LaminaçãoA laminação sequencial é preferível à laminação em uma única etapa para reduzir bolhas e vazios.
• Design simétrico: Contagem uniforme de camadas e distribuição simétrica do material para reduzir o risco de empenamento.

3.2 Restrições de fabricação e adaptação do projeto

• Capacidade de perfuração a laser: Tamanho mínimo do orifício 0,1 mm (padrão), 0,075 mm (limite).
• Limites de largura/espaçamento da linha: 3,0 mil/3,0 mil, atendendo aos requisitos de roteamento de alta densidade.
• Precisão do alinhamento: Layer-to-layer alignment must be controlled within ±10μm to ensure microvia connection reliability.
• Acabamento da superfícieO preenchimento galvanizado garante uma superfície plana, evitando defeitos de soldagem.

3.3 Estratégias de controle de custos

• Simplificação da estrutura: Escolha a estrutura de empilhamento mais simples que atenda aos requisitos de desempenho.
• IDH localizadoUse vias complexas cegas/enterradas apenas em áreas-chave, como BGAs, mantendo as outras áreas tradicionais.
• Padronização do designSiga os parâmetros padrão do processo do fabricante para evitar custos com personalização.
• Colaboração precoce: Comunique as capacidades do processo ao fabricante de PCB (por exemplo, TOPFAST) durante a fase de projeto para reduzir o retrabalho de projeto.

Melhores práticas e tendências do setor

4.1 Análise de casos bem-sucedidos

• Placa-mãe do smartphoneHDI de segunda ordem com design de vias escalonadas, permitindo fan-out BGA de 0,4 mm, equilibrando desempenho e custo.
• Módulo de estação base 5G: Materiais dielétricos híbridos, utilizando Rogers para áreas de RF e FR-4 para áreas digitais.
• Sistema ADAS automotivo: Design HDI de alta confiabilidade, atendendo aos requisitos de ciclagem de temperatura e vibração de nível automotivo.

4.2 Tendências de desenvolvimento futuro

• Tecnologia de linha ultrafina: Avançando para uma largura/espaçamento de linha de 2,0 mil/2,0 mil.
• Componentes incorporadosOs resistores e capacitores estão embutidos na placa de circuito impresso, aumentando ainda mais a densidade.
• Design modular: Projetar áreas HDI complexas como módulos padrão para melhorar a reutilização do projeto.
• Ferramentas de simulação inteligentesOtimização de empilhamento e previsão de integridade de sinal baseadas em IA.

Guia Prático do Engenheiro

5.1 Processo de projeto recomendado

1. Análise de requisitosEsclareça a velocidade do sinal, os requisitos de densidade e as metas de custo.
2. Seleção da estrutura: Escolha a ordem HDI com base no pitch BGA e na contagem de I/O.
3. Seleção de materiaisSelecione materiais dielétricos com base na frequência, perda e necessidades térmicas.
4. Projeto de empilhamentoUse ferramentas profissionais para cálculo de impedância e otimização da sequência de camadas.
5. Verificação DFMConfirme a viabilidade do processo e as regras de projeto com o fabricante.
6. Teste de protótipoFabricar amostras e realizar testes abrangentes de integridade e confiabilidade do sinal.

5.2 Problemas comuns e soluções

• Problema: Vazios no revestimento cego via.
  Solução: Control aspect ratio ≤1:1, optimize plating parameters.
• Problema: Deformação excessiva após a laminação.
  Solução: Adote uma pilha simétrica, controle o equilíbrio da densidade do cobre.
• Problema: Atenuação excessiva de sinais de alta velocidade.
  Solução: Mudar para materiais de baixa perda, otimizar a estrutura da linha de transmissão.

5.3 Pontos-chave para a colaboração com os fabricantes

• Forneça diagramas completos de empilhamento e especificações dos materiais.
• Identifique claramente as redes de sinais críticos e os requisitos de impedância.
• Compartilhe a intenção do projeto e as expectativas de desempenho para obter recomendações sobre o processo.
• Considere as áreas de especialização do fabricante, como a experiência da TOPFAST na fabricação de HDI de pequeno a médio volume.

Conclusão

O projeto de empilhamento de PCB HDI é uma arte técnica que consiste em encontrar o equilíbrio ideal entre densidade, desempenho, confiabilidade e custo. À medida que as tecnologias 5G, inteligência artificial e IoT avançam, o HDI está evoluindo para uma maior densidade, maior velocidade e maior integração. O projeto HDI bem-sucedido depende não apenas de ferramentas e métodos de projeto avançados, mas também da estreita colaboração com fabricantes experientes de PCB, como a TOPFAST. Desde a consultoria de projeto em estágio inicial até a otimização do processo de fabricação, os fabricantes profissionais fornecem suporte técnico essencial e orientação sobre o processo, ajudando os engenheiros a transformar com eficiência projetos complexos em produtos confiáveis.

Problemas comuns no projeto de PCB HDI