Manufaktur PCB HDI: Pertimbangan Desain Kritis untuk Elektronik Berkinerja Tinggi

Citra-citra yang dibuat oleh pelanggan

PCB High-Density Interconnect (HDI) telah menjadi tulang punggung elektronik modern, memungkinkan miniaturisasi dan kinerja yang dibutuhkan untuk perangkat 5G, implan medis,dan sistem otomotif canggihBerbeda dengan PCB tradisional, desain HDI mengemas lebih banyak komponen, jejak yang lebih halus, dan vias yang lebih kecil ke dalam ruang yang lebih sempit.Dari penempatan microvia ke optimasi layer stack, setiap keputusan berdampak pada integritas sinyal, keandalan, dan biaya.membantu insinyur menavigasi kompleksitas desain kepadatan tinggi.

Hal-Hal Utama
1.HDI PCB membutuhkan kepatuhan yang ketat terhadap aturan desain: microvias (50-150μm), jejak halus (25-50μm), dan impedansi terkontrol (± 5%) untuk mendukung sinyal 100Gbps +.
2.Desain layer stack – terutama laminasi berurutan – mengurangi hilangnya sinyal sebesar 40% dibandingkan dengan laminasi batch tradisional, yang penting untuk aplikasi 5G dan AI.
3.Pilihan bahan (lamina dengan kerugian rendah, tembaga tipis) dan DFM (Desain for Manufacturability) mengurangi cacat produksi sebesar 60% dalam manufaktur bervolume tinggi.
4Keseimbangan kepadatan dan kemampuan manufaktur adalah kunci: desain yang terlalu rumit meningkatkan biaya sebesar 30-50% tanpa keuntungan kinerja yang proporsional.

Apa yang Membuat HDI PCB Unik?
PCB HDI didefinisikan oleh kemampuan mereka untuk mencapai kepadatan komponen yang lebih tinggi dan kecepatan sinyal yang lebih cepat daripada PCB tradisional, berkat tiga fitur inti:

a. Mikrovia: Lubang kecil yang dilapisi (50-150μm diameter) yang menghubungkan lapisan tanpa menembus seluruh papan, mengurangi penggunaan ruang sebesar 70% dibandingkan dengan vias lubang.
b.Jalan halus: Jalur tembaga sempit (25 ‰ 50 μm lebar) yang memungkinkan rute padat, mendukung 1.000+ komponen per inci persegi.
c. Optimasi Layer Stack: 4 ′′ 16 lapisan tipis (dibandingkan dengan 2 ′′ 8 lapisan tebal pada PCB tradisional) dengan laminasi berurutan untuk keselarasan yang tepat.

Fitur-fitur ini membuat HDI PCB sangat diperlukan untuk perangkat di mana ukuran dan kecepatan penting, mulai dari stasiun pangkalan 5G hingga monitor kesehatan yang dapat dipakai.

Pertimbangan Desain Inti untuk PCB HDI
Mendesain PCB HDI membutuhkan keseimbangan kepadatan, kinerja, dan kemampuan manufaktur.
1. Desain dan Penempatan Mikrovia
Mikrovias adalah landasan desain HDI, tetapi keberhasilan mereka tergantung pada perencanaan yang cermat:

Jenis Mikrovia:
Via buta: Sambungkan lapisan luar ke lapisan dalam (misalnya, lapisan 1 ke lapisan 2) tanpa mencapai sisi yang berlawanan.
Via terkubur: Hubungkan lapisan dalam (misalnya, lapisan 3 ke lapisan 4), menjaga lapisan luar bebas dari komponen.
Vias ditumpuk: Beberapa microvias ditumpuk secara vertikal (misalnya, lapisan 1→2→3) untuk menghubungkan 3+ lapisan, menghemat 40% ruang dibandingkan dengan desain yang tidak ditumpuk.

Ukuran dan Rasio Aspek:
Diameter: 50-150μm (via yang lebih kecil = kepadatan yang lebih tinggi, tetapi lebih sulit untuk diproduksi).
Rasio aspek (deepness:diameter): ≤1:1 untuk keandalan. Mikrovia 100μm harus memiliki diameter ≥100μm untuk menghindari masalah plating.

Peraturan jarak:
Mikrovia harus terpisah ≥ 2x diameternya (misalnya, jarak 200μm untuk vias 100μm) untuk mencegah sirkuit pendek dan sinyal crosstalk.
Simpan mikro-vias ≥ 100μm dari tepi jejak untuk menghindari penipisan tembaga selama pengetikan.

2. Trace Width, Spacing, dan Impedansi Kontrol
Jejak halus memungkinkan kepadatan tetapi menghadirkan tantangan integritas sinyal:

Dimensi jejak:
Lebar: 2550μm untuk jejak sinyal; 100200μm untuk jejak daya (untuk menangani arus yang lebih tinggi).
Jarak: ≥25μm antara jejak untuk meminimalkan crosstalk (interferensi elektromagnetik).

Kontrol impedansi:
HDI PCB sering membutuhkan impedansi yang terkontrol (misalnya, 50Ω untuk jejak ujung tunggal, 100Ω untuk pasangan diferensial) untuk mencegah refleksi sinyal.
Impedansi tergantung pada lebar jejak, ketebalan tembaga, dan bahan dielektrik.

3. Desain Layer Stack
HDI layer stacks lebih kompleks daripada PCB tradisional, dengan laminasi berurutan (membangun lapisan satu per satu) memastikan presisi:

Jumlah lapisan:
4×8 lapisan: Umum untuk elektronik konsumen (misalnya, smartphone) dengan kepadatan sedang.
10-16 lapisan: Digunakan dalam sistem industri dan aerospace yang membutuhkan lapisan daya, tanah, dan sinyal yang luas.

Laminasi berurutan:
Laminasi batch tradisional (memperset semua lapisan sekaligus) berisiko kesalahan keselarasan (± 25μm). laminasi berurutan mencapai keselarasan ± 5μm, penting untuk microvias ditumpuk.
Setiap lapisan baru diikat ke tumpukan yang ada menggunakan penanda penyelarasan laser, mengurangi sirkuit pendek dari vias yang tidak selaras sebesar 80%.

Kekuatan dan permukaan tanah:
Sertakan daya khusus (VCC) dan pesawat darat untuk mengurangi kebisingan dan menyediakan jalur pengembalian impedansi rendah untuk sinyal kecepatan tinggi.
Tempatkan pesawat darat yang berdekatan dengan lapisan sinyal untuk melindungi terhadap EMI kritis untuk desain 5G mmWave (28GHz+).

4. Pemilihan Bahan
PCB HDI membutuhkan bahan yang mendukung fitur halus dan kinerja frekuensi tinggi:

Substrat:
Low-loss FR4: Biaya-efektif untuk elektronik konsumen (misalnya, tablet) dengan sinyal ≤10Gbps. Dk (konstan dielektrik) = 3,8 ∞ 4.2.
Rogers RO4350: Ideal untuk 5G dan radar (2860GHz) dengan Dk rendah (3.48) dan kehilangan rendah (Df = 0.0037), mengurangi peredupan sinyal sebesar 50% dibandingkan dengan FR4.
PTFE (Teflon): Digunakan di bidang kedirgantaraan untuk sinyal 60GHz+, dengan Dk = 2.1 dan stabilitas suhu yang sangat baik (-200°C sampai 260°C).

Foil tembaga:
Tembaga tipis (1⁄2 ′′ 1 oz): Membuat jejak halus (25μm) tanpa mengikis berlebihan.
Tembaga bergulir: Lebih lentur daripada tembaga yang diletakkan di elektro, tahan retak dalam desain flex-HDI (misalnya, ponsel lipat).

Dielektrik:
Dielektrik tipis (50-100μm) antara lapisan mengurangi keterlambatan sinyal, tetapi mempertahankan ketebalan ≥ 50μm untuk kekuatan mekanik.

5. Desain untuk Manufacturability (DFM)
Desain HDI rentan terhadap cacat manufaktur (misalnya, rongga microvia, trace undercutting) tanpa optimasi DFM:

Sederhanakan Jika Mampu:
Hindari lapisan yang tidak perlu atau vias ditumpuk setiap kompleksitas tambahan meningkatkan biaya dan risiko cacat. Desain 10 lapisan mungkin biaya 30% lebih dari desain 8 lapisan dengan kinerja yang sama.
Gunakan ukuran microvia standar (100μm) alih-alih yang lebih kecil (50μm) untuk meningkatkan hasil (95% vs 85% dalam produksi bervolume tinggi).

Pertimbangan Etching dan Plating:
Pastikan transisi trace-to-pad lancar (sudut 45°) untuk menghindari kerumunan arus dan lubang plating.
Tentukan ketebalan plating tembaga minimum (15μm) dalam microvias untuk mencegah resistensi tinggi dan kegagalan termal.

Kemampuan pengujian:
Sertakan titik uji (diameter ≥ 0,2 mm) untuk uji terbang atau uji dalam sirkuit yang penting untuk mendeteksi bukaan/pendek pada desain padat.

Tantangan Manufaktur dalam Produksi PCB HDI
Bahkan PCB HDI yang dirancang dengan baik menghadapi hambatan manufaktur yang membutuhkan proses khusus:

1. Pengeboran Laser untuk Microvias
Pengeboran mekanik tidak dapat secara andal menciptakan lubang 50-150μm, sehingga HDI bergantung pada pengeboran laser:

Laser UV: Buat lubang yang bersih dan tepat (toleransi ± 5μm) dengan sedikit peradangan resin  ideal untuk 50  100 μm microvias.
CO2 Laser: Digunakan untuk microvias yang lebih besar (100-150μm) tetapi berisiko mencemari resin, yang membutuhkan pembersihan setelah pengeboran.

Tantangan: Alinasi laser harus sesuai dengan data desain dalam ± 5μm; kesalahan keselarasan menyebabkan 30% dari cacat HDI.

2. Kontrol Laminasi berurutan
Setiap langkah laminasi membutuhkan suhu yang tepat (180~200°C) dan tekanan (300~400 psi) untuk mengikat lapisan tanpa delaminasi:

Laminasi vakum: Menghilangkan gelembung udara, mengurangi kekosongan dalam mikrovia sebesar 70%.
Profil Termal: Memastikan pengerasan yang seragam bahkan variasi 10 ° C dapat menyebabkan kelaparan resin di lapisan dalam.

3. Pemeriksaan dan Uji
Cacat HDI seringkali terlalu kecil untuk pemeriksaan visual, membutuhkan alat canggih:

Pemeriksaan sinar-X: Mendeteksi masalah tersembunyi (misalnya, ditumpuk melalui misalignment, plating voids).
AOI (Automated Optical Inspection): Pemeriksaan untuk jejak cacat (misalnya, retakan, undercutting) dengan resolusi 5μm.
TDR (Time Domain Reflectometry): Memverifikasi kontinuitas impedansi, penting untuk sinyal kecepatan tinggi.

Aplikasi dan Perdagangan Desain
Prioritas desain HDI bervariasi berdasarkan aplikasi, yang membutuhkan pendekatan yang disesuaikan:
1Perangkat 5G (Smartphone, Base Station)
Kebutuhan: 28GHz + sinyal, miniaturisasi, kehilangan rendah.
Fokus Desain: Substrat Rogers, pasangan diferensial 100Ω, microvias ditumpuk.
Trade-Off: Biaya bahan yang lebih tinggi (Rogers adalah 3x FR4) tetapi diperlukan untuk kecepatan data 10Gbps +.

2. Implan medis
Kebutuhan: Biokompatibilitas, keandalan, ukuran kecil.
Fokus Desain: 4 ∼6 lapisan, substrat PEEK, microvias minimal untuk mengurangi titik kegagalan.
Trade-Off: kepadatan yang lebih rendah tetapi penting untuk umur 10+ tahun.

3. ADAS otomotif
Kebutuhan: ketahanan suhu (-40°C sampai 125°C), toleransi getaran.
Fokus Desain: FR4 Tg Tinggi (Tg ≥ 170 °C), tembaga tebal (2 oz) untuk jejak daya.
Trade-Off: Via yang sedikit lebih besar (100-150μm) untuk manufaktur dalam produksi bervolume tinggi.

Pertanyaan Umum
T: Berapa ukuran microvia terkecil untuk PCB HDI yang diproduksi secara massal?
A: 50 μm dapat dicapai dengan pengeboran laser UV, tetapi 75 ‰ 100 μm lebih umum untuk produksi volume tinggi yang hemat biaya (hasil > 95% vs 85% untuk 50 μm).

T: Bagaimana laminasi berurutan mempengaruhi biaya?
A: Laminasi berurutan menambah 20-30% biaya produksi dibandingkan dengan laminasi batch tetapi mengurangi tingkat cacat sebesar 60%, menurunkan total biaya kepemilikan.

T: Bisakah PCB HDI kaku-fleksibel?
A: Ya, HDI rigid-flex menggabungkan bagian kaku (untuk komponen) dengan lapisan poliamida fleksibel (untuk lentur), menggunakan microvias untuk menghubungkannya.

T: Berapa jumlah lapisan maksimum untuk HDI PCB?
A: Produsen komersial memproduksi hingga 16 lapisan, sementara prototipe aerospace / pertahanan menggunakan 20+ lapisan dengan laminasi khusus.

T: Bagaimana saya menyeimbangkan kepadatan dan keandalan?
A: Fokus pada area kritis (misalnya, 0,4 mm BGA) untuk fitur halus, dan gunakan jejak / vias yang lebih besar di daerah yang kurang padat.

Kesimpulan
Pembuatan PCB HDI membutuhkan perpaduan yang teliti antara presisi desain dan keahlian manufaktur.dan keandalanDengan memprioritaskan DFM, memanfaatkan laminasi berurutan, dan menyelaraskan desain dengan kebutuhan aplikasi, insinyur dapat membuka potensi penuh teknologi HDIdan elektronik yang lebih andal.

Karena 5G, AI, dan IoT terus mendorong batas-batas yang mungkin, HDI PCB akan tetap penting. Kuncinya adalah menyeimbangkan inovasi dengan kepraktisan: cukup padat untuk memenuhi tujuan kinerja,tapi cukup diproduksi untuk skala efisienDengan pertimbangan desain yang tepat, HDI PCB akan terus mendorong generasi berikutnya dari terobosan elektronik.