Płytka drukowana Ultra HDI | Kompleksowy przewodnik po technologii

Przyspieszony rozwój urządzeń elektronicznych wymusił zapotrzebowanie na mniejsze, wydajniejsze i niezawodne płytki drukowane (PCB). Technologia Ultra HDI PCB jest najbardziej zaawansowana w tej dziedzinie, oferując potencjał zapewnienia wymiarów i wydajności, jakich nigdy wcześniej nie widzieliśmy. Ten artykuł zabierze Cię w głęboką podróż po technologii, obejmującą definicję, procedurę produkcji, zasady projektowania, zastosowania i problemy rozwojowe w postaci wiarygodnych punktów danych i perspektywy branżowej.

O technologii Ultra HDI PCB

Ultra HDI PCB (Ultra High-Density Interconnect Printed Circuit Board) oznacza najwyższą warstwę miniaturyzacji PCB. Zgodnie z definicją ma szerokość linii i odstępy mniejsze niż 40 mikrometrów, oprócz konfiguracji mikroprzelotek o średnicach poniżej 50 mikrometrów i średnio grubych warstw dielektrycznych IPC-2226 definiuje gęstości HDI PCB, a Ultra-HDI przesuwa te granice, podzielne w celu obsługi projektów obsługiwanych przez wiele połączeń międzysystemowych na centymetr kwadratowy, niż jest to możliwe w przypadku konwencjonalnych 2-warstwowych konstrukcji.

Ultra HDI PCB to to, co wyróżnia funkcję projektowania połączeń międzysystemowych 4×4, umożliwiając super skomplikowane trasowanie na tak małej powierzchni. To zmierzone podejście jest uzyskiwane za pomocą zaawansowanych materiałów, mikroprzelotek wierconych laserowo i procesów wielokrotnej sekwencyjnej budowy (MSBU). Dlatego technologia ta odgrywa niezastąpioną rolę w dzisiejszych produktach, szczególnie w przypadku smartfonów, urządzeń do noszenia, modułów RF o wysokiej częstotliwości i zaawansowanych implantów medycznych.

Produkcja Ultra HDI PCB

Tworzenie ultra HDI PCB to zaawansowany proces, który opiera się na różnych najnowocześniejszych technologiach. Zaczyna się od wyboru podłoża. Zastosowanie materiałów o niskiej stracie dielektrycznej i odporności na wysoką temperaturę (modyfikowanych poliimidów lub LCP) jest preferowane w celu zwiększenia integralności sygnału przy wysokich częstotliwościach.

Kluczowe dla produkcji płytek PCB Ultra HDI jest wiercenie laserowe. W przeciwieństwie do klasycznego wiercenia mechanicznego, zaangażowanie lasera prowadzi do mikroprzelotek o rozmiarach zaledwie 25 mikrometrów. Te mikroprzelotki są krytyczne dla łączenia wielu warstw bez zajmowania dużej ilości miejsca na płytce. Proces jest bardzo dobrze kontrolowany, często monitorowany przez zautomatyzowany system kontroli optycznej (AOI) w celu weryfikacji jakości.

Technologia sekwencyjnego budowania (SBU) jest ważną częścią tego innego kawałka olbrzymiej afrykańskiej ryby. Obejmuje ona laminator i oddzielnie wzorowany dielektryk, a warstwy miedzi są dodawane po jednej miedzi na raz, co pozwala na uzyskanie ułożonych w stos i schodkowych struktur mikroprzelotek. W ten sposób struktura umożliwia zaawansowane schematy przelotek w podkładce, co jest bardzo ważne w przypadku trasowania o dużej gęstości płytek PCB Ultra HDI.

Procesy miedziowania i trawienia są również opracowywane dla płytek PCB Ultra HDI. Aby zapewnić spełnienie parametrów definicji linii, grubość miedzi jest starannie kontrolowana (często mniejsza niż 15 mikrometrów). Zaawansowane techniki obrazowania bezpośredniego (DI) są używane do tworzenia obwodów, ponieważ geometrie linii/przestrzeni wahają się od 20 /20 mikrometrów lub mniej.

Projekt płytki PCB Ultra HDI

Projekt płytki PCB Ultra HDI wymaga wielodyscyplinarnej optymalizacji ograniczeń elektrycznych, mechanicznych i termicznych. Integralność sygnału jest najwyższa, szczególnie w przypadku szybkości transmisji danych, które znacznie przekraczają 25 Gb/s w nowoczesnych urządzeniach. Impedancja i host obsługujący problem połączeń, poprzez rozmiarowanie, przesłuchy i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) muszą być zarządzane poprzez zdefiniowanie geometrii ścieżki i układania w stos.

Integralność zasilania to coś, na czym nie można oszczędzać. Ze względu na gęstą naturę płytki PCB Ultra HDI wszystkie sieci dystrybucji zasilania (PDN) muszą być zaprojektowane tak, aby gwarantować minimalny spadek napięcia i szum. Wiele z tych komponentów jest umieszczanych w układzie decap, mniej lub bardziej regularnie, i wspomaganych przez osadzony materiał pojemnościowy. Zarządzanie temperaturą samo w sobie jest wyzwaniem. Lokalne punkty zapalne mogą być spowodowane gęstym rozmieszczeniem komponentów i cienkimi warstwami dielektrycznymi. Zaawansowane przelotki termiczne, rozpraszacze ciepła, a czasami mikroprzepływowe zintegrowane radiatory na obudowie są używane do skutecznego chłodzenia układów scalonych.

Wytyczne DFM dla płytek PCB Ultra HDI są bardzo rygorystyczne, biorąc pod uwagę, że są aspektem produkcyjnym. Większa precyzja i dokładniejsze funkcje, a także stosowanie materiałów wysokiej jakości, wymagają, aby projektanci i producenci byli ze sobą powiązani etapami. Zintegrowany partner zajmujący się produkcją płytek PCB może pomóc w zidentyfikowaniu problemów z wykonalnością projektu i wprowadzeniu modyfikacji w celu zapewnienia niezawodności wydajności/promieniowania.

Zastosowania i zastosowania technologii płytek PCB Ultra HDI
Technologia ta nadaje się do różnych zastosowań w wielu obiecujących sektorach high-tech. Płytki PCB Ultra HDI również do produkcji elektroniki użytkowej: produkcji ultracienkich smartfonów, tabletów i urządzeń do noszenia. Płyty logiczne iPhone'a firmy Apple mają płytki PCB Ultra HDI, aby zapewnić wysoką funkcjonalność w małym formacie, na przykład.

Na przykład ma kluczowe znaczenie w produkcji zminiaturyzowanych urządzeń wszczepialnych, takich jak rozruszniki serca i neurostymulatory w m

sektory zaawansowanej medycyny. Globalny rynek elektroniki medycznej ma wzrosnąć do 8,2 miliarda dolarów według MarketsandMarkets, Ultra HDI PCB będzie kluczowym czynnikiem umożliwiającym wprowadzenie urządzeń diagnostycznych i terapeutycznych nowej generacji.

Sektor motoryzacyjny współpracuje z Ultra HDI PCB w zakresie zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS), modułów informacyjno-rozrywkowych i zarządzania energią pojazdów elektrycznych (EV). Wymagane w zastosowaniach motoryzacyjnych o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa, zapewnia funkcjonalność przekaźników bezpieczeństwa i integralność sygnału o dużej prędkości.

Ultra HDI PCB jest niezbędne w branżach takich jak lotnictwo i obronność w przypadku radarów o wysokiej częstotliwości, komunikacji satelitarnej i zastosowań awioniki o znaczeniu krytycznym dla misji. Umożliwia to przyspieszenie wydajności i obniżenie kosztów startu poprzez skondensowanie większej liczby funkcji w mniejszych, lżejszych pakietach.

Trendy i spostrzeżenia branżowe

Globalny rynek płytek Ultra HDI PCB przechodzi silny wzrost napędzany wzrostem liczby urządzeń opartych na 5G, IoT i AI. Według raportu Prismark Partners w 2023 r. segment HDI PCB ma się rozwijać ze złożoną roczną stopą wzrostu na poziomie 8,5% w okresie od 2023 r. do 2028 r. Ten wzrost popytu wynika ze zwiększonego popytu na gęste, wysokowydajne zespoły elektroniczne.

Produkcja Ultra HDI PCB, jeśli chodzi o ich znaczną wydajność, pochodzi z Chin, Korei Południowej i Tajwanu, które dominują w branży. Azja i Pacyfik pozostają obecnie największym dostawcą Ultra HDI PCB, a Chiny i Korea Południowa, w tym wiodące firmy, takie jak Unimicron, Zhen Ding Technology i AT&S, wszystkie uruchamiają swoje linie produkcyjne z najnowocześniejszymi maszynami do wiercenia laserowego i bezpośredniego obrazowania.

Ultra HDI PCB nie jest przyjmowane bez przeszkód. Wysokie koszty związane zarówno z materiałami, jak i sprzętem, a także wymagana wykwalifikowana siła robocza mogą stanowić barierę wejścia dla małych producentów OEM. Jednak w miarę jak fabryki zaczynają osiągać korzyści skali i wydajność procesów wzrasta, koszt jednostkowy powinien się obniżyć, co umożliwi Ultra HDI większą dostępność w wielu takich samych zastosowaniach.

Badanie i testowanie niezawodności płytek PCB Ultra HDI

Ponieważ płytki PCB Ultra HDI są używane w zastosowaniach o znaczeniu krytycznym, ich niezawodność jest kwestią priorytetową. Normy IPC-6012DA są tak jednoznaczne, jeśli chodzi o integralność mikroprzelotek HDI lub Ultra HDI PCB, rezystancję izolacji i charakterystykę cykli cieplnych.

W szczególności chodzi o niezawodność mikroprzelotek. Badania ogólnej niezawodności mikroprzelotek Journal of Electronic Materials pokazują, że niespójne procesy wypełniania przelotek, parametry powlekania można kontrolować, aby zapobiec braku lub bardzo niskiemu występowaniu awarii mikroprzelotek w płytkach PCB Ultra HDI.

Analiza przekroju poprzecznego i kontrola rentgenowska są powszechnie wykonywane w celu określenia jakości mikroprzelotek. Płytki PCB Ultra HDI są testowane w warunkach środowiskowych, takich jak szok termiczny, wilgotność itp., co zapewnia, że ​​mogą działać w tych trudnych warunkach środowiskowych. Zaawansowane materiały o wysokiej temperaturze zeszklenia (Tg) i niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE) mogą nawet zwiększyć niezawodność.

Rozwój technologii Ultra HDI PCB

Przyszłość Ultra HDI PCB będzie zależeć od ewolucji pakietów półprzewodnikowych. Wkraczając w erę systemów w pakietach (SiP) i chipletów, dążenie do połączeń o większej gęstości inspiruje dalsze postępy. Będzie to kamień milowy w realizacji tych rozwiązań w zakresie opakowań nowej generacji, ponieważ umożliwia obsługę mniejszych punktów i obsługuje więcej wejść/wyjść.

Eksploracja nowych materiałów, takich jak podłoża szklane i górne warstwy poliimidowe lub zaawansowane laminaty organiczne, w celu odblokowania granic Ultra HDI PCB to kolejny kierunek. Szkło posiada również niesamowitą stabilność wymiarową i gładkie powierzchnie, dlatego zostało zaproponowane do przyszłych zastosowań HDI.

Poza tym produkcja Ultra HDI PCB integruje metody produkcji addytywnej (drukowanie atramentowe i bezpośrednie strukturowanie laserowe) i LDS. Metody te są przydatne do szybkiego prototypowania i wytwarzania skomplikowanych trójwymiarowych struktur połączeń.

Poza tym, część innowacji to pasywne i aktywne komponenty wbudowane bezpośrednio w podłoże Ultra HDI PCB. Od rezystorów i kondensatorów, po całe krzemowe matryce, są to początki wbudowanych pakietów IC, które utrzymują montaż w czystości i poprawiają parametry elektryczne.

Zrównoważony rozwój i wpływ na środowisko

Jednym z najważniejszych zagadnień w produkcji Ultra HDI PCB jest możliwość recyklingu. Podczas produkcji lutów o niskiej zawartości ołowiu i bezhalogenowych oraz przetwarzania chemikaliów, aby przynajmniej spełniać normy środowiskowe. Wiodący producenci budują również infrastrukturę recyklingu w obiegu zamkniętym, aby odzyskiwać metale szlachetne i minimalizować odpady.

Niewielkie rozmiary Ultra HDI PCB przekładają się na zrównoważony rozwój i bezużyteczną ilość surowca na urządzenie. Jednym ze skutków mniejszej, lżejszej elektroniki jest jej lepsza efektywność energetyczna podczas transportu i eksploatacji, co uzupełnia globalny trend redukcji emisji dwutlenku węgla.

Wnioski
Technologia Ultra HDI PCB to następna

etap rozwoju urządzeń elektronicznych, przygotowując drogę dla gadżetów elektronicznych. Dzięki wyjątkowemu połączeniu miniaturyzacji, wydajności i niezawodności staje się nieruchomy i niezbędny praktycznie dla każdej branży, od elektroniki użytkowej po przemysł lotniczy. A w miarę postępu technologii wytwarzania i dostępności nowych materiałów, zakres ultra HDI PCB będzie się dalej rozszerzał.

Dla inżynierów, projektantów i producentów, którzy opanowali technologię Ultra HDI PCB, będą w stanie przetrwać w szybko zmieniającym się krajobrazie inżynierii elektronicznej. Aby wykorzystać najnowsze osiągnięcia, przy rygorystycznym przestrzeganiu standardów branżowych, interesariusze mogą wyprzedzić odblokowanie przyszłości innowacji elektronicznych.

Nie technologiczny kamień milowy, ale kamień węgielny. Te ultra HDI PCB są sercem cyfrowej rewolucji, która zmienia — lub więcej ptaków na orbicie, lub telefonów, które trzymasz — nasz świat, sposób, w jaki pracujemy i żyjemy dzisiaj

Źródła:
IPC-2226, „Sectional Design Standard for High Density Interconnect (HDI) Printed Boards”

Prismark Partners, „Global PCB Market Report 2023”

MarketsandMarkets, „Medical Electronics Market - Global Forecast to 2027”

Journal of Electronic Materials, „Reliability of Microvias in High Density Interconnect PCBs”

AT&S, High Quality PCB, Zhen Ding Technology corporate sustainable reports