Desain PCB HDI: Pemilihan Bahan, Stackup, dan Optimasi Kinerja Sinyal

Gambar yang disetujui pelanggan

PCB High-Density Interconnect (HDI) telah menjadi tulang punggung elektronik modern, memungkinkan miniaturisasi dan kinerja tinggi yang dibutuhkan oleh perangkat 5G, prosesor AI,dan peralatan pencitraan medisTidak seperti PCB tradisional, desain HDI mengemas lebih banyak komponen ke dalam ruang yang lebih kecil menggunakan microvias, jejak yang lebih halus, dan bahan canggih.Keberhasilan bergantung pada tiga faktor pentingJika dilakukan dengan baik, PCB HDI mengurangi kehilangan sinyal sebesar 40% dan mengurangi ukuran perangkat sebesar 30% dibandingkan dengan PCB standar.Inilah cara menguasai setiap elemen.

Kunci untuk mengambil
1.HDI PCB membutuhkan bahan yang stabil dan kehilangan rendah untuk mempertahankan integritas sinyal pada frekuensi di atas 10GHz.
2Desain stackup (konfigurasi 1 + N + 1, penempatan microvia) secara langsung mempengaruhi kontrol impedansi dan manajemen termal.
3.Microvias (≤150μm) mengurangi pantulan sinyal dan memungkinkan kepadatan komponen 30% lebih tinggi daripada desain lubang tradisional.
4Kinerja sinyal tergantung pada sifat dielektrik material, geometri jejak, dan jarak lapisan yang penting untuk aplikasi digital 5G dan kecepatan tinggi.

Apa yang Membuat HDI PCB Unik?
HDI PCB didefinisikan oleh kemampuan mereka untuk mendukung komponen pitch halus (≤0,4mm) dan kepadatan koneksi yang tinggi menggunakan:
1.Microvias: Via berdiameter kecil (50-150μm) yang menghubungkan lapisan tanpa menembus seluruh papan, mengurangi hilangnya sinyal.
2.Jalan halus: Lini tembaga sempit 25μm (1mil), memungkinkan lebih banyak rute di ruang sempit.
3Jumlah Lapisan Tinggi: Stackup kompak (sering 6 12 lapisan) dengan sinyal dan pesawat daya yang jaraknya dekat.
Fitur-fitur ini membuat HDI ideal untuk perangkat seperti smartphone (yang memiliki lebih dari 1000 komponen), stasiun pangkalan 5G, dan monitor kesehatan yang dapat dipakai di mana ruang dan kecepatan tidak dapat dinegosiasikan.

Pemilihan bahan: Dasar kinerja HDI
Bahan HDI harus menyeimbangkan tiga sifat kritis: konstanta dielektrik (Dk), faktor disipasi (Df), dan stabilitas termal.Bahkan variasi kecil dalam sifat-sifat ini dapat menurunkan kinerja sinyal, terutama pada frekuensi di atas 10GHz.

Aku tidak tahu.
Mengapa Dk dan Df Penting

1Konstan Dielektrik (Dk): Mengukur kemampuan bahan untuk menyimpan energi listrik. Dk yang lebih rendah (≤3.5) mengurangi keterlambatan sinyal yang kritis untuk 5G, di mana pengurangan 0,5 Dk mengurangi keterlambatan propagasi sebesar 10%.
2.Faktor Dissipasi (Df): Mengukur kehilangan energi sebagai panas. Df rendah (<0,005) meminimalkan attenuasi sinyal; pada 28GHz, Df 0,002 menghasilkan 50% lebih sedikit kerugian daripada Df 0,01 lebih dari jejak 10cm.
Sebagai contoh, stasiun basis 5G menggunakan PPO/PTFE (Dk 3.2, Df 0.003) mempertahankan kekuatan sinyal 30% lebih baik daripada yang menggunakan standar FR-4, memperluas jangkauan cakupan dengan 150 meter.

Desain HDI Stackup: Mengimbangi Densitas dan Kinerja

Desain HDI stackup menentukan bagaimana lapisan berinteraksi, mempengaruhi integritas sinyal, manajemen termal, dan manufacturability.dan memisahkan lapisan daya berisik dari lapisan sinyal sensitif.

Konfigurasi tumpukan HDI umum

Prinsip-prinsip utama stackup
1.Separasi Sinyal-Kekuatan: Tempatkan bidang tanah yang berdekatan dengan lapisan sinyal kecepatan tinggi (misalnya, jejak RF 50Ω) untuk mengontrol impedansi dan mengurangi EMI. Untuk pasangan diferensial (misalnya, USB 3.2),mempertahankan impedansi 90Ω dengan jarak jejak 0.2 0.3mm terpisah.
2.Strategi Mikrovia: Gunakan rasio aspek 1: 1 microvias (50μm diameter, 50μm kedalaman) untuk meminimalkan refleksi sinyal. Mikrovia ditumpuk (menghubungkan 2+ lapisan) mengurangi via count sebesar 40% dalam desain padat.
3Lapisan termal: Sertakan lapisan tembaga tebal (2 oz) atau inti aluminium dalam HDI bertenaga tinggi (misalnya, pengisi daya EV) untuk menghilangkan panas.Sebuah HDI 12 lapisan dengan 2oz bidang tanah tembaga mengurangi suhu komponen dengan 15 ° C.

Mengoptimalkan Kinerja Sinyal dalam Desain HDI
Kepadatan HDI yang tinggi meningkatkan risiko degradasi sinyal dari crosstalk, refleksi, dan EMI.

1Kontrol impedansi.
Impedansi target: 50Ω untuk jejak RF ujung tunggal, 90Ω untuk pasangan diferensial (misalnya, PCIe 4.0) dan 75Ω untuk sinyal video.
Alat Perhitungan: Gunakan perangkat lunak seperti Polar Si8000 untuk menyesuaikan lebar jejak (35mil untuk 50Ω pada papan tebal 0,8mm) dan ketebalan dielektrik (46mil untuk bahan Dk rendah).
c.Pengujian: Verifikasi dengan TDR (Time Domain Reflectometry) untuk memastikan variasi impedansi tetap dalam ± 10% dari target.

2. Pengurangan Crosstalk
a. Jarak jejak: Menjaga jejak paralel setidaknya 3x lebar mereka terpisah (misalnya, jejak 5mil membutuhkan jarak 15mil) untuk mengurangi crosstalk di bawah -30dB.
b.Lapangan tanah: Lapangan tanah padat antara lapisan sinyal bertindak sebagai perisai, memotong crosstalk sebesar 60% dalam HDI 12 lapisan.
c. Routing: Hindari tikungan sudut kanan (menggunakan sudut 45 °) dan meminimalkan lari paralel lebih dari 0,5 inci.

3Melalui Optimasi.
a. Blind/Buried Vias: Vias ini tidak menembus seluruh papan, mengurangi panjang stub (sumber refleksi) sebesar 70% dibandingkan dengan lubang.
b.Via Stubs: Simpan panjang stub < 10% dari panjang gelombang sinyal (misalnya, < 2 mm untuk sinyal 28GHz) untuk menghindari resonansi.
c. Desain Anti-Pad: Gunakan 2x anti-pad diameter (100μm anti-pad untuk 50μm via) untuk mencegah gangguan permukaan tanah.

4. EMI Shielding
a. Faraday Cages: Membungkus sirkuit sensitif (misalnya, modul GPS) dengan perisai tembaga yang tertanam yang terhubung ke bidang tanah.
b.Meng-filter: Tambahkan manik-manik ferrit atau kapasitor di port konektor untuk memblokir EMI dari masuk/keluar dari HDI.

Aplikasi dan Hasil HDI di Dunia Nyata
a.5G Smartphone: Telepon 6,7 inci dengan 1+4+1 HDI stackup (low-Dk FR-4) memuat 20% lebih banyak komponen daripada PCB kaku, mendukung 5G mmWave dan kamera 4K tanpa meningkatkan ukuran.
Ultrasound Medis: HDI penuh 12 lapisan dengan bahan PTFE (Dk 2.8) memungkinkan pemrosesan sinyal 30% lebih cepat, meningkatkan resolusi gambar sebesar 15%.
c. Sensor Aerospace: HDI 8 lapisan dengan PTFE yang diisi keramik beroperasi secara andal pada suhu -55°C sampai 125°C, dengan kehilangan sinyal <0,5dB pada 40GHz yang penting untuk komunikasi satelit.

FAQ
T: Berapa banyak HDI menambah biaya PCB?
A: Biaya HDI 20~50% lebih tinggi daripada PCB tradisional, tetapi penghematan ruang 30% dan peningkatan kinerja 40% membenarkan investasi dalam perangkat bernilai tinggi (misalnya, modem 5G, peralatan medis).
T: Apa lebar jejak terkecil dalam HDI?
A: HDI lanjutan mendukung jejak 10μm (0,4mil), tetapi 25 ¢ 50μm adalah standar untuk manufaktur.
T: Kapan saya harus menggunakan laminasi berurutan?
A: Laminasi berurutan (lapisan bangunan satu per satu) sangat ideal untuk HDI 12+ lapisan, memungkinkan kontrol yang lebih baik atas penempatan microvia dan mengurangi salah selaras lapisan menjadi <10μm.

Kesimpulan
Desain HDI PCB menuntut keseimbangan strategis dari bahan, stackup, dan optimasi sinyal. Dengan memilih bahan rendah Dk, rendah Df, merancang stackup yang efisien, dan mengurangi degradasi sinyal,insinyur dapat membuka potensi penuh dari elektronika kepadatan tinggiBaik untuk 5G, perangkat medis, atau sistem kedirgantaraan, HDI bukan hanya tentang mengemas lebih banyak komponen, tetapi tentang memberikan solusi yang dapat diandalkan dan berkinerja tinggi dalam faktor bentuk terkecil.