Многослойные печатные платы с элементами HDI-дизайна

Рост количества выводов сложных компонентов, рост количества межсоединений при одновременном снижении площади МПП вынуждают разработчиков проектировать МПП со все большим количеством слоев.  Рост количества слоев  приводит к увеличению толщины платы и предъявляет более жесткие требования к проектированию переходных и монтажных отверстий.  Ужесточение требований  затрудняет успешный дизайн МПП и вызывает необходимость в применении новых  дополнительных слоев. Ко всему прочему, определенные типы структур МПП имеют конструктивный предел толщины платы. Вырваться из этого «заколдованного круга» можно только путем одновременного выполнения следующих действий:

• увеличив плотность трассировки за счет уменьшения ширины проводников и зазора между ними на сигнальных слоях;
• применяя многоуровневые межслойные переходы разных типов;
• применяя межслойные переходы минимальных размеров, соизмеримые с размерами проводников;
• применяя сверхтонкие диэлектрики.

Многослойные печатные платы, которые реализованы с применением указанных решений, получили название МПП высокой плотности соединений или HDI (High Density Interconnect). Еще один фактор, стимулирующий развитие технологии HDI, – уменьшение шага выводов компонентов и миниатюризация корпусов. Это вынуждает применять технологию изготовления переходных отверстий непосредственно в площадках компонентов. Такая технология требует изготовления переходных отверстий очень малого диаметра, а в случае применения переходных отверстий в площадках BGA-корпусов требуется заполнение канала сверловки медью.
Как правило, МПП высокой плотности соединений имеют ширину проводников менее 0,1 мм, а также содержат несквозные переходные отверстия.

Область применения многослойных печатных плат с элементами HDI-дизайна:

• мобильные устройства высокой сложности;
• портативные медицинские приборы и датчики;
• миниатюрные системы слежения и наблюдения;
• системы специального применения;
• сложные мультимедийные устройства.

Конструкция

Конструкция МПП высокой плотности соединений практически ничем не отличается от конструкции обычных многослойных печатных плат,  состоящих из чередующихся слоев диэлектрика и проводящего рисунка. Отличие заключается в применении фольгированных материалов с малой толщиной диэлектрика и ультратонкой фольги. Изготовить элементы топологии с высоким разрешением на стандартных толщинах фольги технологически невозможно. Для некоторых видов МПП с технологией HDI применяются диэлектрические материалы на основе эпоксидных смол без армирования стекловолокном. Это RCC (Resin Coated Copper Foil) – медная фольга, покрытая смолой.

Технология изготовления

Большинство МПП высокой плотности соединений изготавливаются способом послойного наращивания или комбинацией методов попарного прессования и послойного наращивания. Это связано с необходимостью изготовления двух типов межслойных переходов в структуре платы: слепые – с наружного слоя на внутренний (blind, или глухие), и между двумя внутренними слоями – скрытые (buried – снаружи их не видно) Технология изготовления таких отверстий может быть различной. Она зависит от конструкции, заложенной разработчиком, и возможностей завода-изготовителя. У современных МПП высокой плотности соединений межслойные переходы выполняются путем лазерной сверловки с внешнего слоя на ближайший внутренний. При этом при послойном наращивании уже созданное лазерное глухое микроотверстие накрывается следующим слоем диэлектрика и становится скрытым. При попарном прессовании отверстие сначала сверлится в ядре, затем металлизируется, а после этого ядра прессуются в составе заготовки МПП. В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных технологий изготовления отверстий.

Долгое время для изготовления топологии МПП высокой плотности соединений применялись аддитивные и полуаддитивные техпроцессы. Применение этих технологических процессов обеспечивало высокое разрешение и точность изготовления элементов токопроводящего рисунка.  Обеспечить высокую точность и создать рисунок проводников шириной менее 0,1 мм с такими же параметрами зазоров, применяя чисто субтрактивный или комбинированный метод, долгое время не удавалось — имел место значительный боковой подтрав проводников. Аддитивные и полуаддитивные методы имеют ряд недостатков, сдерживающих их широкое применение. Помимо высокой стоимости аддитивных технологий, следует учесть невысокую прочность сцепления меди с диэлектрическим основанием, рыхлость и неоднородность осажденной меди, сложность контроля ее толщины после осаждения. Эти факторы негативно сказывались на эксплуатационных свойствах МПП – платы часто выходили из строя еще на этапе сборки или наладки, электрические параметры плат были далеки от требуемых.

Кардинально ситуация изменилась с массовым освоением технологии изготовления тонкомерной фольги. Диэлектрики, облицованные тонкомерной фольгой (12, 9, 5 мкм), стали широко применяться при изготовлении МПП высокой плотности соединений. Благодаря этому стало возможным применение субтрактивного и комбинированного методов изготовления токопроводящего рисунка, а величина бокового подтрава стала незначительной. Следствием применения данных методов стало значительное снижение стоимости изготовления HDI-плат.

В настоящее время аддитивные и полуаддитивные технологические процессы применяются для изготовления топологии МПП высокой плотности соединений только при ультрасложном дизайне или в случае необходимости обеспечить особые конструкторские решения, которые невозможно реализовать с помощью субтрактивного и комбинированного методов изготовления топологии.

Технологические параметры изготовления многослойных печатных плат с элементами HDI-дизайна

Рекомендации

Перед началом проектирования новых МПП с технологией HDI следует согласовать структуру глухих и скрытых отверстий, а также параметры стека платы и наличие применяемых в конструкции материалов с инженерами НИИ КТ. В ходе разработки дизайна МПП с технологией HDI всегда уточняйте у инженеров НИИ КТ параметры технических решений, которые не были апробированы вами ранее. Это позволит избежать ошибок и трудностей при подготовке проекта к производству. Примите к сведению, что корректировка дизайна МПП высокой плотности соединений по трудоемкости часто более сложна, чем создание дизайна платы с нуля.