Stack-Up yang Umum Digunakan untuk HDI Multilayer PCB: Desain, Manfaat, dan Aplikasi

PCB multilayer High-Density Interconnect (HDI) telah menjadi tulang punggung elektronik mutakhir – dari smartphone 5G hingga implan medis – dengan mengemas lebih banyak komponen, sinyal yang lebih cepat,dan fungsionalitas yang kompleks menjadi jejak yang lebih kecilTapi keberhasilan PCB canggih ini bergantung pada satu keputusan desain kritis: layer stack-up. stack-up yang dirancang dengan baik mengoptimalkan integritas sinyal, manajemen termal, dan manufacturability,sementara yang miskin bisa melumpuhkan kinerja, menyebabkan crosstalk, atau mengarah pada rework mahal.

Panduan ini memecah stack-up PCB multilayer HDI yang paling umum digunakan, menjelaskan cara memilih konfigurasi yang tepat untuk aplikasi Anda, dan menguraikan prinsip desain utama untuk menghindari perangkap.Apakah Anda merancang 6 lapis smartphone PCB atau 12 lapis 5G basis station board, memahami stack-up ini akan membantu Anda membuka potensi penuh teknologi HDI.

Hal-Hal Utama
1.HDI multilayer PCB stack-up (4 ′′ 12 layer) menggunakan microvias (50 ′′ 150μm) dan staggered / stacked vias untuk mencapai 2 ′′ 3x kepadatan komponen yang lebih tinggi daripada PCB multilayer tradisional.
2Konfigurasi yang paling umum adalah 2+2+2 (6-lapisan), 4+4 (8-lapisan), 1+N+1 (jumlah lapisan yang fleksibel), dan 3+3+3 (9-lapisan), masing-masing disesuaikan dengan kepadatan dan kebutuhan kinerja tertentu.
3.Pengumpulan yang dirancang dengan baik mengurangi kehilangan sinyal sebesar 40% pada 28GHz, memotong crosstalk sebesar 50%, dan menurunkan ketahanan termal sebesar 30% dibandingkan dengan tata letak lapisan acak.
4Industri seperti elektronik konsumen, telekomunikasi, dan perangkat medis bergantung pada stack-up khusus: 2+2+2 untuk smartphone, 4+4 untuk stasiun dasar 5G, dan 1+N+1 untuk wearables.

Apa itu HDI Multilayer PCB Stack-Up?
HDI multilayer PCB stack-up adalah susunan lapisan tembaga konduktif (sinyal, daya, tanah) dan lapisan dielektrik isolasi (substrat, prepreg) dalam PCB.Berbeda dengan PCB multilayer tradisional yang bergantung pada vias lubang dan tata letak sederhana sinyal-tanah-sinyal penggunaan stack-up HDI:
a. Mikrovia: Lubang kecil (50-150μm diameter) yang menghubungkan lapisan yang berdekatan (via buta: luar → dalam; via terkubur: dalam → dalam).
b.Via bertingkat/bertingkat: Mikrovia bertingkat secara vertikal (bertingkat) atau bertingkat (bertingkat) untuk menghubungkan lapisan yang tidak berdekatan tanpa lubang.
c. Pesawat khusus: Pisahkan lapisan tanah dan daya untuk meminimalkan kebisingan dan meningkatkan integritas sinyal.
Tujuan dari HDI stack-up adalah untuk memaksimalkan kepadatan (komponen per inci persegi) sambil mempertahankan kinerja sinyal kecepatan tinggi (25Gbps+) dan efisiensi termal yang penting untuk kompak,perangkat bertenaga tinggi.

Mengapa Desain Stack-Up Penting untuk HDI Multilayer PCB
Sebuah stack-up yang dirancang dengan buruk merusak bahkan fitur HDI yang paling canggih.
1Integritas sinyal: Sinyal berkecepatan tinggi (28GHz 5G, 100Gbps data center links) sensitif terhadap ketidakcocokan impedansi dan crosstalk.lapisan sinyal yang berdekatan dengan bidang tanah) mempertahankan impedansi terkontrol (50Ω/100Ω) dan mengurangi pantulan sinyal sebesar 30%.
2Pengelolaan termal: PCB HDI padat menghasilkan panas di bidang tembaga yang didedikasikan dalam pemanasan penyebaran tumpukan 2x lebih cepat daripada tata letak tradisional, menurunkan suhu komponen sebesar 25 °C.
3.Manufaktur: Tumpukan yang terlalu kompleks (misalnya, 12 lapisan dengan microvias 100μm) meningkatkan tingkat serpihan menjadi 15%; desain yang dioptimalkan menjaga serpihan <5%.
4Efisiensi biaya: Memilih stack-up 6 lapisan alih-alih 8 lapisan untuk PCB smartphone mengurangi biaya bahan sebesar 25% tanpa mengorbankan kinerja.

PCB Multilayer HDI yang Paling Umum Digunakan
HDI stack-up dikategorikan berdasarkan jumlah lapisan dan konfigurasi microvia.

1. 2+2+2 (6-Layer) HDI Stack-Up
2+2+2 stack-up adalah “workhorse” dari elektronik konsumen, menyeimbangkan kepadatan, kinerja, dan biaya.
a. Sub-stack atas: 2 lapisan (Sinyal atas + Inner 1 Ground) yang terhubung dengan microvias buta.
b. Inti tengah: 2 lapisan (Inner 2 Power + Inner 3 Signal) yang dihubungkan dengan microvias terkubur.
c. Sub-stack bagian bawah: 2 lapisan (Inner 4 Ground + Bottom Signal) yang dihubungkan oleh microvias buta.
Fitur Utama:
a.Menggunakan microvias yang ditumpuk (atas → dalam 1 → dalam 2) untuk menghubungkan lapisan luar dan tengah.
b.Lapangan darat khusus yang berdekatan dengan lapisan sinyal mengurangi crosstalk.
c. Mendukung 0.4mm pitch BGA dan 0201 pasif ˇ ideal untuk perangkat kompak.
Metrik Kinerja:
a. Kehilangan sinyal pada 28GHz: 1,8dB/inci (dibandingkan dengan 2,5dB/inci untuk PCB 6-lapisan tradisional).
Densitas komponen: 800 komponen/inci persegi (2x 6-lapisan tradisional).
Yang terbaik untuk:
a.Smartphone (misalnya, PCB utama iPhone 15), tablet, wearables (jam tangan pintar), dan sensor IoT.
Pro dan kontra:

2. 4+4 (8-Layer) HDI Stack-Up
4+4 stack-up adalah pilihan untuk perangkat dengan kinerja tinggi kelas menengah, menambahkan dua lapisan lagi ke desain 2+2+2 untuk jalur sinyal dan daya tambahan.
a. Sub-stack atas: 4 lapisan (Sinyal atas 1, Inner 1 Ground, Inner 2 Power, Inner 3 Signal 2) yang terhubung dengan microvias yang ditumpuk.
b. Sub-stack bagian bawah: 4 lapisan (Inner 4 Signal 3, Inner 5 Ground, Inner 6 Power, Bottom Signal 4) yang terhubung dengan microvias yang ditumpuk.
c.Via terkubur: Sambungkan Inner 3 (sub-stack atas) ke Inner 4 (sub-stack bawah) untuk routing sinyal cross-stack.
Fitur Utama:
a.Empat lapisan sinyal khusus (mendukung jalur 4x 25Gbps).
b.Lapisan daya ganda (misalnya, 3,3V dan 5V) untuk sistem multi-voltase.
c. Menggunakan microvias yang dibor laser (diameter 75μm) untuk presisi tinggi.
Metrik Kinerja:
Kontrol impedansi: ±5% (kritis untuk 5G mmWave).
b. Rintangan termal: 0,8°C/W (dibandingkan dengan 1,2°C/W untuk penumpuk 6 lapisan).
Yang terbaik untuk:
a.5G sel kecil, smartphone kelas menengah (misalnya, seri Samsung Galaxy A), gateway IoT industri, dan sensor ADAS otomotif.
Pro dan kontra:

3. 1+N+1 (Fleksibel Jumlah Lapisan) HDI Stack-Up
1+N+1 stack-up adalah desain modular di mana N adalah jumlah lapisan dalam (28), sehingga serbaguna untuk kebutuhan kustom.
a.Lapisan atas: 1 lapisan sinyal (mikrovia buta ke bagian dalam 1).
b.Lapisan dalam: N lapisan (campuran sinyal, tanah, daya) misalnya, 2 tanah, 2 daya untuk N = 4).
c. Lapisan bawah: 1 lapisan sinyal (mikrovia buta ke bagian dalam N).
Fitur Utama:
a. Jumlah lapisan dalam yang dapat disesuaikan (misalnya, 1+2+1=4-lapisan, 1+6+1=8-lapisan).
b. Mikrovia yang ditumpuk (bukan ditumpuk) untuk pembuatan yang lebih sederhana dalam seri bervolume rendah.
c. Ideal untuk pembuatan prototipe atau desain dengan kebutuhan daya/sinyal yang unik.
Metrik Kinerja:
a. Kehilangan sinyal: 1,5-2,2dB/inci (berbeda-beda menurut N; lebih rendah untuk lebih banyak bidang tanah).
Densitas komponen: 600~900 komponen/inci persegi (meningkat dengan N).
Yang terbaik untuk:
a.Prototype (misalnya, perangkat IoT startup), wearables medis (misalnya, monitor glukosa), dan sensor industri bervolume rendah.
Pro dan kontra:

4. 3+3+3 (9-Layer) HDI Stack-Up
3+3+3 stack-up adalah desain berkinerja tinggi untuk sistem yang kompleks, dengan tiga sub-stack yang sama:
a. Sub-stack atas: 3 lapisan (Sinyal atas 1, Inner 1 Ground, Inner 2 Power) → microvias buta.
b. Sub-tumpukan tengah: 3 lapisan (Sinyal 3 Dalam, 2, 4 Dalam, 5 Dalam, 3) → microvias terkubur.
c. Sub-stack bawah: 3 lapisan (Inner 6 Power, Inner 7 Ground, Bottom Signal 4) → microvias buta.
Fitur Utama:
a.Triple ground planes (memaksimalkan pengurangan kebisingan).
b. Mendukung 4+ pasangan diferensial kecepatan tinggi (100Gbps+).
c.Menggunakan microvias yang diisi tembaga untuk jalur listrik (membawa 5 ‰ 10A per jalur).
Metrik Kinerja:
a.Hilangnya sinyal pada 40GHz: 2,0dB/inci (terbaik dalam kelas untuk HDI).
b.Crosstalk: <-40dB (versus <-30dB untuk 8-layer stack-up).
Yang terbaik untuk:
a.5G stasiun dasar makro, transceiver pusat data (100Gbps+), avionik aerospace, dan perangkat pencitraan medis kelas atas.
Pro dan kontra:

Perbandingan Tumpukan HDI Umum
Gunakan tabel ini untuk dengan cepat mengevaluasi stack-up mana yang sesuai dengan kebutuhan proyek Anda:

Prinsip Desain Utama untuk HDI Multilayer PCB Stack-Ups
Bahkan konfigurasi stack-up terbaik gagal tanpa desain yang tepat. Ikuti prinsip-prinsip ini untuk mengoptimalkan kinerja:
1. Pasangan lapisan sinyal dengan bidang tanah
Setiap lapisan sinyal kecepatan tinggi (≥1Gbps) harus berdekatan dengan bidang tanah padat.
a. Mengurangi area loop (sumber utama EMI) sebesar 50%.
b.Menjaga impedansi yang terkontrol (misalnya, 50Ω untuk sinyal ujung tunggal) dengan memastikan ketebalan dielektrik yang konsisten antara jejak sinyal dan tanah.
Contoh: Dalam 2+2+2 stack-up, menempatkan Top Signal (28GHz) langsung di atas Inner 1 Ground mengurangi pantulan sinyal sebesar 30% dibandingkan dengan lapisan sinyal tanpa tanah yang berdekatan.

2. Layer daya dan sinyal terpisah
Pesawat tenaga menghasilkan kebisingan (gelombang tegangan, beralih transisi) yang mengganggu sinyal kecepatan tinggi.
a.Tempatkan pesawat tenaga di sisi berlawanan pesawat darat dari lapisan sinyal (misalnya, Signal → Ground → Power).
b. Gunakan bidang daya yang terpisah untuk tingkat tegangan yang berbeda (misalnya, 3,3V dan 5V) untuk menghindari komunikasi silang antara domain daya.
c.Tambahkan kondensator pencabutan (01005 ukuran) antara pesawat daya dan lapisan sinyal untuk menekan kebisingan.
Data: Memisahkan lapisan daya dan sinyal dengan bidang tanah mengurangi kebisingan terkait daya sebesar 45% dalam desain 10Gbps.

3. Optimalkan Penempatan Microvia
Mikrovias sangat penting untuk kepadatan HDI tetapi dapat menyebabkan masalah sinyal jika salah tempat:
a. Vias ditumpuk: Digunakan untuk desain dengan kepadatan tinggi (misalnya, smartphone) tetapi dibatasi hingga 2 ∼3 lapisan (menumpuk 4+ lapisan meningkatkan risiko batal).
b.Staggered Vias: Digunakan untuk desain bervolume rendah atau keandalan tinggi (misalnya, perangkat medis)
c. Jauhkan Vias dari sudut jejak: Letakkan microvias ≥ 0,5 mm dari tikungan jejak untuk menghindari lonjakan impedansi.

4. Keseimbangan Kebutuhan Termal dan Listrik
PCB HDI dengan kepadatan tinggi menangkap panas dan mendesain tumpukan untuk membuangnya:
a. Gunakan 2 oz tembaga untuk pesawat tenaga (versus 1 oz) untuk meningkatkan konduktivitas termal.
b.Tambahkan vias termal (diisi tembaga, diameter 0,3 mm) antara komponen panas (misalnya, modul 5G PA) dan bidang tanah bagian dalam.
c.Untuk perangkat 10W+, sertakan lapisan inti logam (aluminium atau tembaga) dalam stack-up (misalnya, 2+1+2+1+2=8 lapisan dengan 1 inti logam).
Studi kasus: 4+4 stack-up dengan 2oz power planes dan 12 thermal vias mengurangi suhu modul 5G PA ̊s sebesar 20°C dibandingkan dengan desain 1oz.

5. Ikuti Standar IPC-2226
IPC-2226 (standar global untuk HDI PCB) memberikan pedoman penting untuk tumpukan:
a.Minimal diameter microvia: 50μm (dibor laser).
b.Jarak minimum antara microvias: 100μm.
c. Ketebalan dielektrik antara lapisan: 50-100μm (untuk impedansi terkontrol).
Mematuhi IPC-2226 memastikan stack-up Anda dapat diproduksi dan memenuhi standar keandalan industri

Pemilihan Bahan untuk HDI Stack-Up

Bahan yang tepat meningkatkan kinerja stack-up pilih berdasarkan kecepatan sinyal dan lingkungan Anda:

Tantangan dan Solusi Pengumpulan Umum
Bahkan dengan desain yang cermat, HDI stack-up menghadapi hambatan yang unik.

Aplikasi Dunia Nyata dari HDI Stack-Up
1Elektronik Konsumen: Smartphone
a.Perangkat: iPhone 15 Pro PCB utama
b.Tumpuk: 2+2+2 (6-lapisan)
c. Mengapa: Mengimbangi kepadatan (1,200 komponen / inci persegi) dan biaya; microvias ditumpuk memungkinkan BGA pitch 0,35mm untuk chip A17 Pro.
Hasilnya: PCB 30% lebih kecil dari iPhone 13, dengan kecepatan 5G 2x lebih cepat (download 4,5Gbps).

2Telekomunikasi: 5G Sel Kecil
a.Perangkat: Ericsson 5G Radio Unit
b.Tumpuk: 4+4 (8-lapisan)
c. Mengapa: Empat lapisan sinyal menangani sinyal mmWave 28GHz dan 4G LTE; pesawat daya ganda mendukung penguat 20W.
d. Hasilnya: 40% kehilangan sinyal lebih rendah daripada PCB 8-lapisan tradisional, memperpanjang jangkauan sel kecil sebesar 25%.

3Ultrasound portabel.
a. Perangkat: GE Healthcare Logiq E Ultrasound Probe
b.Pemasangan: 1+4+1 (6-lapisan)
c. Mengapa: Desain modular sesuai dengan kebutuhan sensor khusus; substrat poliamida tahan sterilisasi (134 °C).
d. Hasil: 50% lebih ringan probe dari model sebelumnya, dengan pencitraan yang lebih jelas (berkat crosstalk rendah).

4. Otomotif: ADAS Radar
a.Perangkat: Tesla Autopilot Radar Module
b.Tumpuk: 3+3+3 (9-lapisan)
c. Mengapa: Triple ground planes mengurangi EMI dari elektronik mobil; vias yang diisi tembaga menangani daya 15A untuk pemancar radar.
d.Hasil: akurasi deteksi 99,9% dalam hujan / kabut, memenuhi standar keamanan ISO 26262.

FAQ tentang HDI Multilayer PCB Stack-Ups
T: Bagaimana saya memilih antara 2 + 2 + 2 dan 4 + 4 tumpukan?
A: Gunakan 2+2+2 jika desain Anda membutuhkan ≤2 jalur kecepatan tinggi (misalnya, smartphone dengan 5G + Wi-Fi 6E) dan memprioritaskan biaya. Pilih 4+4 untuk 3+ jalur kecepatan tinggi (misalnya,5G sel kecil dengan 28GHz + 39GHz) atau 10W+ disipasi daya.

T: Dapatkah HDI stack-up mendukung PCB fleksibel?
A: Ya, menggunakan 1+N+1 stack-up dengan substrat poliamida (misalnya, 1+2+1=4-layer flexible HDI).

T: Berapa jumlah lapisan minimum untuk 5G mmWave PCB?
A: 6 lapisan (2+2+2) dengan substrat RO4350 Rogers. Lebih sedikit lapisan (4-lapisan) menyebabkan kehilangan sinyal yang berlebihan (> 2,5 dB / inci pada 28GHz).

T: Berapa biaya HDI yang ditambahkan ke PCB?
A: 2+2+2 stack-up biaya 30% lebih dari PCB 6 lapisan tradisional; 3+3+3 stack-up biaya 2x lebih. premi diimbangi dengan ukuran perangkat yang lebih kecil dan kinerja yang lebih baik.

T: Apakah saya membutuhkan perangkat lunak khusus untuk merancang HDI stack-up?
A: Ya, alat seperti Altium Designer, Cadence Allegro, dan Mentor Xpedition memiliki fitur khusus HDI: aturan desain microvia, kalkulator impedansi, dan simulator stack-up.

Kesimpulan
HDI multilayer PCB stack-up adalah pahlawan yang tidak dikenal dari elektronik modern, memungkinkan yang kompak, perangkat berkinerja tinggi yang kita andalkan setiap hari.dan konfigurasi 3+3+3 masing-masing melayani kebutuhan yang unik dari smartphone ramah anggaran ke stasiun dasar 5G misi kritis.
Kunci keberhasilan adalah mencocokkan stack-up dengan aplikasi Anda: memprioritaskan biaya dengan 2+2+2, kinerja dengan 3+3+3, dan fleksibilitas dengan 1+N+1.Pasang ini dengan prinsip desain cerdas (pasangan sinyal-tanah, microvia optimasi) dan bahan berkualitas tinggi, dan Anda akan membuat HDI PCB yang unggul dalam kepadatan, kecepatan, dan keandalan.

Karena elektronik terus menyusut dan kecepatan naik ke 60GHz + (6G), desain HDI stack-up hanya akan tumbuh dalam pentingnya.Anda akan siap untuk membangun generasi berikutnya perangkat mutakhir yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih efisien dari sebelumnya.