HDI PCB – czym są i jak projektować płytki z mikroprzelotkami?

HDI PCB to płytki drukowane o dużej gęstości połączeń, wykorzystujące drobniejsze ścieżki, mniejsze odstępy oraz przelotki pozwalające łączyć wybrane warstwy. Ułatwiają projektowanie zwartej elektroniki z układami o dużej liczbie wyprowadzeń. Projekt takiej płytki wymaga wspólnego dobrania układu warstw, geometrii mikroprzelotek i sposobu kontroli gotowego montażu.

Czym wyróżnia się płytka HDI?

W technologii HDI chodzi o zwiększenie liczby połączeń na dostępnej powierzchni. Węższe ścieżki i mniejsze odstępy pomagają wyprowadzić sygnały z gęsto rozmieszczonych pól lutowniczych. Przelotki ślepe, zagrzebane oraz mikroprzelotki umożliwiają prowadzenie połączeń między warstwami, zależnie od przyjętej konstrukcji płytki.

To rozwiązanie przydatne w urządzeniach przenośnych, takich jak smartfony, tablety czy elektronika noszona na ciele. Mniejsza powierzchnia zajmowana przez połączenia daje projektantowi większą swobodę rozmieszczenia elementów. Nie oznacza jednak dowolnej miniaturyzacji: nadal trzeba uwzględnić montaż, właściwości materiałów i możliwość wykonania płytki.

Dobór technologii warto omówić z producentem PCB przed rozpoczęciem szczegółowego prowadzenia ścieżek. Najpierw należy ustalić, które obudowy i połączenia wymagają większej gęstości, a następnie dobrać konstrukcję odpowiadającą tym potrzebom.

HDI a tradycyjna płytka drukowana

Najważniejsza różnica dotyczy sposobu zagęszczania połączeń. Sam napis HDI w dokumentacji nie określa liczby warstw ani parametrów elektrycznych gotowego urządzenia. Przy porównaniu konstrukcji należy patrzeć na konkretne rozwiązania:

Gęstszy układ połączeń nie jest sam w sobie gwarancją lepszych parametrów sygnałowych. Jakość projektu nadal zależy od doboru materiałów, wymiarów ścieżek i rozmieszczenia elementów. Zastosowanie HDI powinno odpowiadać wymaganiom urządzenia, a nie zastępować ich analizę.

Jak powstają warstwy HDI i jak dobrać materiał?

Jedną z technologii wykonywania płytek HDI jest sekwencyjna dobudowa warstw, określana skrótem SBU. Po obu stronach tradycyjnego rdzenia prowadzi się kolejne etapy laminowania, formowania przelotek, metalizacji oraz wypełniania. Projektant musi więc określić, które warstwy mają być połączone, i uzgodnić konstrukcję z wykonawcą.

Układ warstw warto przygotować przed szczegółowym rozmieszczeniem przelotek. Sama lista warstw miedzi nie wystarcza: potrzebne są również informacje o dielektrykach i przebiegu połączeń między warstwami. Przy mikroprzelotkach szczególne znaczenie ma grubość odcinka, przez który ma przechodzić otwór, ponieważ określa ona jego głębokość.

Przy wyborze materiału należy uwzględnić temperaturę zeszklenia, temperaturę rozkładu, rozszerzalność cieplną oraz odporność na rozwarstwienie. Te cechy trzeba rozpatrywać w odniesieniu do procesu montażu i warunków pracy urządzenia. W układach wymagających kontroli jakości sygnału znaczenie mają również właściwości dielektryczne i straty materiału.

Dobór laminatu powinien wynikać z wymagań projektu oraz danych materiałowych. Ogólne określenie „materiał do HDI” nie zastępuje uzgodnienia konkretnego materiału i grubości warstw z producentem.

Mikroprzelotka według IPC: geometria zamiast samej średnicy

Według definicji IPC z 2013 r. mikroprzelotka ma stosunek głębokości do średnicy nie większy niż 1:1, a jej głębokość nie przekracza 0,25 mm. Oba warunki należy sprawdzić jednocześnie. Starsza definicja odnosiła się do otworów o średnicy nie większej niż 0,15 mm, dlatego nie należy stosować tych kryteriów zamiennie.

Osobną kwestią jest położenie przelotki. Przelotka ślepa jest widoczna tylko z jednej strony płytki. Przelotka zagrzebana łączy warstwy wewnętrzne i nie wychodzi na żadną powierzchnię. Nazwy te opisują przebieg połączenia; przy kwalifikowaniu otworu jako mikroprzelotki trzeba dodatkowo sprawdzić jego geometrię.

Jak obliczyć minimalną średnicę mikroprzelotki?

Oznaczmy głębokość otworu jako h, a jego średnicę jako d. Kryterium geometryczne zapisujemy następująco:

h / d ≤ 1, czyli d ≥ h; dodatkowo h ≤ 0,25 mm.

Przykład obliczeniowy z założonymi wartościami: przyjmujemy, że łączna grubość dielektryka i miedzi między łączonymi warstwami odpowiada głębokości mikroprzelotki h = 0,10 mm. Z warunku proporcji wynika średnica d ≥ 0,10 mm. Dla przyjętej średnicy 0,10 mm obliczenie ma postać:

h / d = 0,10 mm / 0,10 mm = 1.

Warunek 1:1 jest spełniony. Spełniony jest także limit głębokości, ponieważ 0,10 mm < 0,25 mm. To założenia przykładu, a nie deklaracja typowych wymiarów ani możliwości konkretnej fabryki.

W granicznym przykładzie obliczeniowym, przy założeniu głębokości 0,25 mm, średnica musi wynosić co najmniej 0,25 mm. Wówczas 0,25 mm / 0,25 mm = 1, a głębokość osiąga limit wskazanej definicji. Przykład pokazuje, dlaczego sama niewielka średnica nie wystarcza do oceny mikroprzelotki.

Takie sprawdzenie warto wykonać dla każdej planowanej pary łączonych warstw. Spełnienie definicji geometrycznej nie zastępuje potwierdzenia wykonalności otworu u producenta.

Wypełnianie i zakrywanie przelotek a IPC 4761

Geometria otworu oraz sposób jego wykończenia to odrębne informacje. IPC 4761 wyróżnia typy I–VII obejmujące różne sposoby zabezpieczania przelotek, między innymi osłanianie maską, zatykanie, wypełnianie i zakrywanie. W dokumentacji nie warto zastępować tych szczegółów ogólnym zapisem „przelotki zabezpieczone”.

Przy uzgadnianiu projektu należy jasno wskazać oczekiwany stan otworu i jego powierzchni. Samo określenie „wypełniona” nie przekazuje wszystkich informacji o sposobie wykończenia. Dobór właściwego wariantu według IPC 4761 powinien odpowiadać konstrukcji płytki i zostać potwierdzony przez wykonawcę.

Nie należy też utożsamiać liczby poziomów mikroprzelotek ze sposobem ich zabezpieczenia. Mikroprzelotki mogą być ustawione pionowo jedna nad drugą, natomiast wymagania dotyczące wypełnienia i zakrycia trzeba opisać oddzielnie.

Kontrola montażu BGA na płytce HDI

BGA to obudowa, której wyprowadzenia mają postać kulek lutowniczych. Po montażu połączenia znajdują się pod korpusem elementu, dlatego ich kontrola wymaga innego podejścia niż oględziny odsłoniętych wyprowadzeń. Sam raster obudowy nie stanowi tu podstawy do wskazania uniwersalnej granicy, od której trzeba stosować HDI.

Ukryte luty nie są bezpośrednio widoczne dla automatycznej inspekcji optycznej AOI. Przy gęstych obudowach BGA na płytkach HDI należy zatem przewidzieć badanie rentgenowskie oraz testy elektryczne. Plan kontroli warto ustalić już podczas przygotowywania projektu i dokumentacji montażowej.

Zakres badania i sposób oceny wyników należy uzgodnić przed wykonaniem prototypu. Kontrola obrazu połączeń i sprawdzenie elektryczne odpowiadają na różne pytania, dlatego w dokumentacji powinno być jasno wskazane, czego oczekuje się od każdej metody.

Lista kontrolna przed przekazaniem projektu HDI do produkcji

Przegląd pod kątem wykonalności, czyli DFM, warto oprzeć na konkretnych danych. Przed przekazaniem dokumentacji sprawdź:

• Obudowy i rozmieszczenie elementów: czy projekt uwzględnia wybrane wyprowadzenia, pola lutownicze oraz miejsce na prowadzenie połączeń?
• Układ warstw: czy określono materiały, ich grubości i warstwy łączone przez poszczególne przelotki?
• Geometrię mikroprzelotek: czy głębokość i średnicę sprawdzono według wskazanej definicji IPC, a nie tylko według dawnego kryterium średnicy?
• Wykończenie otworów: czy opisano wymagania dotyczące wypełniania i zakrywania oraz uzgodniono właściwy wariant IPC 4761?
• Wykonalność: czy producent potwierdził możliwość wykonania ścieżek, odstępów, otworów i sekwencji dobudowy warstw?
• Kontrolę montażu: czy dla BGA przewidziano odpowiednie obrazowanie i testy elektryczne?

Po takim przeglądzie prototyp służy do oceny przyjętych rozwiązań. Nie musi zawierać wszystkich możliwych rodzajów przelotek: powinien odzwierciedlać konstrukcję, którą rzeczywiście zamierzasz wdrożyć. Wyniki kontroli należy odnieść do wymagań projektu, zanim dokumentacja zostanie przekazana do dalszej produkcji.

FAQ — najczęstsze pytania o HDI PCB

Czy każda przelotka ślepa jest mikroprzelotką?

Określenie „ślepa” mówi o tym, że przelotka wychodzi tylko na jedną powierzchnię płytki. O zakwalifikowaniu jej jako mikroprzelotki według definicji IPC z 2013 r. decydują dodatkowo stosunek głębokości do średnicy oraz limit głębokości.

Czy o mikroprzelotce decyduje średnica do 0,15 mm?

To kryterium pochodzi ze starszej definicji. W definicji IPC z 2013 r. sprawdza się proporcję nie większą niż 1:1 oraz głębokość do 0,25 mm. Trzeba więc wskazać, do której definicji odnosi się dokumentacja.

Czy HDI automatycznie zmniejsza liczbę warstw?

Nie należy tego zakładać. HDI umożliwia zwiększenie gęstości połączeń, ale układ warstw trzeba dobrać do elementów, połączeń i możliwości wykonania konkretnego projektu. Liczba warstw jest wynikiem tych ustaleń.

Czy AOI wystarcza do sprawdzenia lutów pod BGA?

Nie, ponieważ ukryte połączenia nie są bezpośrednio widoczne dla inspekcji optycznej. W planie kontroli należy uwzględnić metody rentgenowskie oraz odpowiednie testy elektryczne, dobrane do projektu.

Podsumowanie

HDI pozwala zagęścić połączenia i projektować zwartą elektronikę. Podstawą dobrego projektu jest spójny dobór warstw, materiałów i przelotek, uzupełniony o sprawdzenie geometrii oraz plan kontroli montażu. Możliwości wykonania trzeba potwierdzić przed zatwierdzeniem dokumentacji. Jeśli przygotowujesz płytkę HDI, skonsultuj z OurPCB układ warstw i wymagania produkcyjne projektu.