Papan PCB HDI Any-Layer: Prinsip Desain, Proses Manufaktur, dan Keuntungan dalam Elektronik Kepadatan Tinggi

High-Density Interconnect (HDI) PCB berlapis apa pun mewakili puncak miniaturisasi dan kinerja dalam elektronik modern.Berbeda dengan papan HDI tradisional, di mana koneksi terbatas pada lapisan tertentu, HDI lapisan apa pun memungkinkan vias untuk menghubungkan lapisan apa pun ke lapisan lain., menghilangkan kendala routing dan membuka fleksibilitas desain yang belum pernah terjadi sebelumnya. inovasi ini mendorong kemajuan dalam perangkat 5G, akselerator AI, dan teknologi wearable,di mana ruang terbatas dan kecepatan sinyal sangat penting.

Panduan ini mengeksplorasi prinsip-prinsip desain, teknik manufaktur, dan aplikasi dunia nyata dari PCB HDI berlapis apa pun, menyoroti bagaimana mereka mengungguli PCB konvensional dan bahkan HDI standar.Apakah Anda seorang insinyur merancang perangkat keras generasi berikutnya atau produsen skala produksi, memahami HDI lapisan apa pun adalah kunci untuk tetap kompetitif dalam elektronik kepadatan tinggi.

Apa itu HDI Any-Layer PCB?
HDI PCB berlapis apa pun adalah papan sirkuit canggih yang ditandai dengan:
a.Sambungan Lapisan yang Tidak Terbatas: Microvias (diameter ≤0,15mm) menghubungkan lapisan apa pun ke lapisan lain, tidak seperti HDI standar, yang membatasi koneksi ke lapisan yang berdekatan atau tumpukan yang telah ditentukan sebelumnya.
b.Fitur Ultra-Fine: Lebar jejak dan jarak yang kecil sebesar 3/3 mil (0,075mm/0,075mm), memungkinkan penempatan komponen yang padat (misalnya, BGA pitch 0,4mm).
c. Bahan inti tipis: Substrat tipis sebesar 0,1 mm mengurangi ketebalan keseluruhan papan, penting untuk perangkat ramping seperti smartphone dan jam tangan pintar.
Desain ini menghilangkan "bottlenecks" pada PCB tradisional, di mana routing di sekitar tetap melalui tumpukan memaksa jejak yang lebih panjang, meningkatkan kehilangan sinyal dan crosstalk.

Bagaimana HDI Berlapis Berbeda dengan HDI Standar
Perbedaan utama terletak pada arsitektur via. HDI standar menggunakan “stacked” atau “staggered” vias dengan koneksi tetap, sedangkan HDI berlapis apa pun menggunakan “free” vias yang menghubungkan lapisan apa pun.Perbedaan ini mengubah kinerja:

Prinsip-prinsip desain untuk HDI PCB berlapis apapun
Mendesain HDI berlapis manapun membutuhkan pergeseran dari PCB tradisional 思维, berfokus pada optimasi microvia dan fleksibilitas lapisan:
1Strategi Mikrovia
Via Diameter: Gunakan microvias 0,1 mm (4 mil) untuk sebagian besar koneksi; 0,075 mm (3 mil) untuk area yang sangat padat (misalnya, di bawah BGA).
Rasio aspek: Pertahankan rasio aspek microvia ( kedalaman / diameter) ≤1:1 untuk memastikan plating yang dapat diandalkan.
Melalui Penempatan: Cluster microvias di bawah komponen (misalnya, BGA pad) untuk menghemat ruang, menggunakan teknik via-in-pad (VIPPO) untuk integrasi yang lancar.

2. Layer Stackup Optimasi
Simetris Tumpukan: Keseimbangan distribusi tembaga untuk meminimalkan warpage selama laminasi (kritis untuk inti tipis).
Pasangan Layer Odd/Even: Kelompok lapisan sinyal dengan bidang tanah yang berdekatan untuk mengurangi EMI, bahkan ketika lapisan tidak berurutan.
Dielektrik tipis: Gunakan 0,05 ∼ 0,1 mm prepreg antara lapisan untuk memperpendek kedalaman microvia dan meningkatkan kecepatan sinyal.

3. Penempatan komponen
Prioritas Pitch Fine: Tempatkan BGA, QFP, dan komponen pitch fine lainnya terlebih dahulu, karena mereka membutuhkan paling banyak microvias.
Pengelolaan termal: Mengintegrasikan pulau tembaga di bawah komponen daya (misalnya, PMIC), yang terhubung ke lapisan lain melalui micro-via termal (diameter 0,2 mm).
Hindari kemacetan lintas lapisan: Gunakan perangkat lunak desain (Altium, Cadence) untuk mensimulasikan routing di semua lapisan, memastikan tidak ada lapisan yang menjadi kemacetan.

Proses manufaktur untuk HDI PCB berlapis apa pun
Untuk memproduksi HDI berlapis manapun membutuhkan peralatan presisi dan teknik canggih di luar pembuatan PCB standar:
1. Pengeboran Laser untuk Microvias
Pengeboran Laser UV: Membuat microvias 0,075 ∼0,15 mm dengan akurasi ± 2 μm, penting untuk menghubungkan lapisan yang tidak berdekatan.
Pengeboran kedalaman terkontrol: Berhenti dengan tepat pada lapisan target untuk menghindari kerusakan fitur tembaga lainnya.
Deburring: Plasma etching menghilangkan noda resin dan burrs dari dinding microvia, memastikan plating yang dapat diandalkan.

2. Laminasi berurutan
Tidak seperti PCB standar (dilaminasi dalam satu langkah), HDI berlapis apa pun menggunakan laminasi berurutan:
Persiapan inti: Mulailah dengan inti tipis (0,1 ∼0,2 mm) dengan microvias yang sudah dibor.
Plating: Mikrovia lempeng tembaga untuk membuat koneksi listrik antara lapisan.
Tambahkan Lapisan: Terapkan peledak dan lapisan tembaga baru, mengulangi langkah pengeboran dan plating untuk setiap lapisan baru.
Laminasi akhir: Ikatan semua lapisan dalam pers (180 ∼ 200 °C, 300 ∼ 500 psi) untuk memastikan keseragaman.

3. Advanced Plating
Electroless Copper Plating: Deposit lapisan dasar 0,5 ‰ 1 μm di dalam microvias untuk konduktivitas.
Electroplating: Membangun ketebalan tembaga hingga 15 ‰ 20 μm, memastikan ketahanan rendah dan kekuatan mekanik.
ENIG Finish: Emas perendaman (0,1 ∼0,5 μm) di atas nikel (5 ∼10 μm) melindungi bantalan dari oksidasi, penting untuk pengelasan dengan nada halus.

4. Pemeriksaan dan Uji
Pemeriksaan sinar-X: Memverifikasi integritas plating microvia dan keselarasan lapisan (toleransi ± 5μm).
AOI dengan Pencitraan 3D: Memeriksa untuk jejak pendek atau terbuka di daerah yang tajam.
Pengujian TDR: Memvalidasi kontrol impedansi (50Ω ±10%) untuk sinyal kecepatan tinggi.

Keuntungan dari PCB HDI Any-Layer
HDI berlapis apa pun memecahkan tantangan penting dalam elektronik kepadatan tinggi:
1. Integritas Sinyal Superior
Jejak yang lebih pendek: Koneksi lapisan yang tidak terbatas mengurangi panjang jejak sebesar 30-50% dibandingkan dengan HDI standar, mengurangi hilangnya sinyal.
Reduced Crosstalk: Jarak jejak halus (3/3 mil) dengan bidang tanah yang berdekatan meminimalkan EMI, penting untuk 5G (28GHz +) dan PCIe 6.0 (64Gbps).
Impedansi Terkontrol: Dielektrik tipis (0,05 mm) memungkinkan pencocokan impedansi yang tepat, mengurangi refleksi.

2. Miniaturisasi
Footprint yang Lebih Kecil: 30~40% lebih kecil dari HDI standar untuk fungsionalitas yang sama.
Lebih Banyak Komponen: Mikrovia padat memungkinkan 20~30% lebih banyak komponen (misalnya, sensor, pasif) di area papan yang sama.

3. Peningkatan Keandalan
Kinerja termal: Mikrovias bertindak sebagai konduktor panas, mengurangi suhu komponen sebesar 10 ̊15 °C dibandingkan dengan PCB tradisional.
Resistensi getaran: Tidak ada vias lubang (yang melemahkan papan) membuat HDI berlapis ideal untuk aplikasi otomotif dan aerospace (sesuai dengan MIL-STD-883).

4. Efisiensi Biaya dalam Volume Tinggi
Sementara biaya awal lebih tinggi daripada PCB standar, HDI berlapis apa pun mengurangi biaya sistem:
Lebih sedikit lapisan yang dibutuhkan untuk fungsi yang sama (misalnya, 8 lapisan dari setiap lapisan versus 12 lapisan standar).
Langkah perakitan yang dikurangi (tidak perlu pengikat kawat atau konektor di ruang sempit).

Aplikasi dari HDI Any-Layer PCB
HDI berlapis apa pun unggul di industri di mana ukuran, kecepatan, dan keandalan tidak dapat dinegosiasikan:
1. Perangkat 5G
Smartphone: Mengaktifkan antena 5G mmWave dan sistem multi-kamera dalam desain ramping (misalnya, iPhone 15 Pro menggunakan HDI lapisan apa pun).
Base Station: Mendukung frekuensi 28GHz/39GHz dengan kehilangan sinyal rendah, penting untuk 5G band tinggi.

2. AI dan Komputer
AI Accelerators: Sambungkan GPU ke memori bandwidth tinggi (HBM) dengan 100+ Gbps link.
Data Center Switches: Mengatasi 400G / 800G Ethernet dengan latensi minimal.

3. Perangkat medis
Wearables: Paskan monitor EKG dan sensor glukosa darah ke dalam bentuk yang kompak.
Peralatan Pencitraan: Aktifkan probe ultrasound resolusi tinggi dengan elektronik padat.

4. Elektronik Otomotif
Sensor ADAS: Hubungkan LiDAR, radar, dan kamera di modul kendaraan terbatas ruang.
Infotainment: Mendukung tampilan 4K dan koneksi data berkecepatan tinggi di dasbor.

Tantangan dan Pengurangan
HDI berlapis apa pun menghadirkan tantangan manufaktur yang unik yang dapat dikelola dengan perencanaan yang cermat:
1Biaya dan Kompleksitas
Tantangan: Pengeboran laser dan laminasi berurutan menambah biaya produksi 30-50% dibandingkan dengan HDI standar.
Mitigasi: Gunakan desain hibrida (layar apa pun untuk bagian kritis, HDI standar untuk yang lain) untuk menyeimbangkan biaya dan kinerja.

2. Warpage
Tantangan: Inti tipis dan beberapa langkah laminasi meningkatkan risiko warpage.
Mitigasi: Gunakan tumpukan simetris dan bahan CTE rendah (koefisien ekspansi termal) seperti Rogers 4350.

3. Kompleksitas Desain
Tantangan: Routing melalui 16+ lapisan membutuhkan perangkat lunak dan keahlian canggih.
Mitigasi: Bermitra dengan produsen yang menawarkan dukungan DFM (Design for Manufacturability) untuk mengoptimalkan tata letak.

Tren Masa Depan dalam Teknologi HDI Any-Layer
Kemajuan dalam bahan dan manufaktur akan memperluas kemampuan HDI lapisan apa pun:
a.Nano-Bor: Sistem laser yang mampu microvias 0,05 mm akan memungkinkan desain yang lebih padat.
b. AI-Driven Routing: Perangkat lunak yang secara otomatis mengoptimalkan koneksi lintas lapisan, mengurangi waktu desain sebesar 50%.
c. Bahan Berkelanjutan: Prepreg berbasis bio dan tembaga yang dapat didaur ulang untuk memenuhi standar ramah lingkungan.

FAQ
T: Berapa jumlah pesanan minimum untuk HDI PCB berlapis apa pun?
A: Prototipe bisa berupa 5 ‰ 10 unit, tetapi produksi bervolume tinggi (10.000+) mengurangi biaya per unit secara signifikan.

T: Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk memproduksi HDI berlapis apa pun?
A: 2-3 minggu untuk prototipe; 4-6 minggu untuk produksi bervolume tinggi, karena langkah-langkah laminasi berurutan.

T: Dapatkah HDI berlapis apa pun menggunakan komponen standar?
A: Ya, tetapi mereka unggul dengan komponen pitch halus (≤ 0,4 mm pitch) yang membutuhkan koneksi microvia padat.

T: Apakah HDI berlapis sesuai dengan RoHS?
A: Ya, produsen menggunakan solder bebas timbal, laminasi bebas halogen, dan plating yang sesuai dengan RoHS (ENIG, HASL).

T: Perangkat lunak desain apa yang terbaik untuk HDI berlapis apa pun?
A: Altium Designer dan Cadence Allegro menawarkan alat khusus untuk microvia routing dan manajemen stackup lintas lapisan.

Kesimpulan
HDI PCB berlapis apa pun membentuk kembali industri elektronik, memungkinkan perangkat yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih dapat diandalkan dari sebelumnya.Mereka menyelesaikan hambatan routing yang menghambat HDI tradisional, membuat mereka sangat diperlukan untuk 5G, AI, dan teknologi wearable.
Sementara manufaktur mereka rumit, manfaat-integritas sinyal yang superior, miniaturisasi, dan penghematan biaya sistem-membuktikan investasi untuk aplikasi kinerja tinggi.Seiring kemajuan teknologi, HDI berlapis apa pun akan tetap berada di garis depan inovasi, mendorong batas-batas apa yang mungkin dalam desain elektronik.