Yüksek Performanslı Elektronikler için 10 Katmanlı HDI PCB Yükleme Tasarımı ve Sinyal Bütünlüğü Rehberi

5G, AI ve elektrikli araçlar (EV'ler) döneminde, yüksek yoğunluklu ara bağlantı (HDI) PCB'ler kompakt, hızlı ve güvenilir elektroniklerin omurgası haline gelmiştir. HDI varyantları arasında, 10 katmanlı tasarımlar “tatlı nokta” olarak öne çıkıyor-denge yoğunluğu (0.4 mm aralık BGA'ları ve 45μm mikrovyaları destekleyen), sinyal hızı (28GHz+ MMWave) ve üretilebilirlik. 4- veya 6 katmanlı HDI PCB'lerin aksine, 10 katmanlı versiyonlar yüksek hızlı sinyalleri gürültülü güç yollarından izole edebilir, EMI'yi%40 azaltabilir ve çok voltajlı sistemleri (3.3V, 5V, 12V) tek bir kartta işleyebilir.

Bununla birlikte, 10 katmanlı HDI PCB'ler karmaşıklığı yoktur. Kötü tasarlanmış bir yığın, sinyal bütünlüğünü (SI) mahvedebilir, termal sıcak noktalara neden olabilir veya% 30 daha yüksek kusur oranlarına yol açabilir. Mühendisler ve üreticiler için, 10 katmanlı HDI yığın tasarımına hakim olmak, 5G taban istasyonlarından EV Pil Yönetim Sistemlerine (BMS) kadar yüksek performanslı cihazların tam potansiyelinin kilidini açmak için kritik öneme sahiptir.

Bu kılavuz, 10 katmanlı HDI PCB yığın, optimal katman konfigürasyonları, malzeme seçimi, sinyal bütünlüğü en iyi uygulamaları ve gerçek dünya uygulamalarının temellerini bozar. Veri odaklı karşılaştırmalar ve eyleme geçirilebilir ipuçları ile, üretim maliyetlerini kontrol altında tutarken katı performans standartlarını karşılayan yığınlar tasarlamanıza yardımcı olacaktır.

Kilit çıkarımlar
1. iyi tasarlanmış 10 katmanlı HDI yığın, 6 katmanlı HDI'dan% 40 daha düşük EMI sunar ve <1db/inç kaybı olan 28GHz+ MMWave sinyallerini destekler-5G ve radar uygulamaları için kritik.
2. “Sinyal-Geri-Power-Ground-Signal” (SGPGS) Alt Yığın Yapılandırması, çaprazlama% 50 azalır ve ±% 5 toleransla 50Ω/100Ω empedansını korur.
3.Malzeme Seçimi doğrudan Si: Rogers RO4350 (DK = 3.48) 28GHz'de sinyal kaybını en aza indirirken, yüksek TG FR4 (TG≥170 ° C) düşük frekanslı yollar için maliyet ve performansı dengeler.
4. Toplu yığın hataları (örn., Yüksek/düşük hızlı sinyallerin karıştırılması, yetersiz yer düzlemleri) 10 katmanlı HDI SI arızalarının% 60'ına neden olur-katı tabaka izolasyonu ve empedans kontrolü ile kaçınır.
5.10 katmanlı HDI PCB'ler, 6 katmanlı sürümlerden 2,5x daha fazladır, ancak zorlu ortamlarda 2x daha yüksek bileşen yoğunluğu (1.800 bileşen/sq.in) ve% 30 daha uzun ömür sağlar.

10 katmanlı HDI PCB yığın nedir?
10 katmanlı bir HDI PCB yığın, yoğunluğu ve sinyal bütünlüğünü en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmış dielektrik (substrat, prepreg) katmanlarının alternatif iletken bakır (sinyal, güç, toprak) ve yalıtımlı bir yapısıdır. Standart 10 katmanlı PCB'lerin aksine (delikten vias'a dayanan), 10 katmanlı HDI, boşluk kaybetmeden katmanları bağlamak için kör/gömülü mikrovialar (45-100μm çap) kullanır-0.4mm zift BGA'lar ve 25/25μm iz genişliği/aralıklarını karşılamaktadır.

10 katmanlı HDI yığın tasarımının temel hedefleri
Her 10 katmanlı HDI yığın, pazarlık edilemez üç hedefe ulaşmalıdır:

1.Signal İzolasyon: Gürültülü güç düzlemlerinden ve dijital devrelerden ayrı yüksek hızlı sinyaller (28GHz+), karıştırmak için.
2. Tür Yönetimi: Yüksek güçlü bileşenlerde (örn. EV BMS IC'ler) sıcak noktaları önlemek için ısıyı 2-4 zemin/güç düzlemine dağıtın.
3. Üretilebilirlik: ± 3μm tabaka hizalamasını sağlamak için sıralı laminasyon (bina alt yığınları) kullanın-yığılmış mikroviyalar için kritik.

10 katmanlı HDI ve Standart 10 Katmanlı PCB: Temel Farklılıklar
HDI farkı teknoloji ve katman verimliliği üzerinden yatmaktadır. Aşağıda, 10 katmanlı HDI, standart 10 katmanlı PCB'lere karşı nasıl bir yığılmıştır:

Örnek: 5G küçük bir hücre için 10 katmanlı bir HDI yığın, 28GHz alıcı-verici, 4x 2.5Gbps Ethernet bağlantı noktalarına ve 120mm × 120mm ayak izi-VS'de bir güç yönetim ünitesi (PMU) uyar. Standart bir 10 katmanlı PCB için 180mm × 180mm.

Optimal 10 katmanlı HDI yığın yapılandırmaları
“Tek bedene uyan” 10 katmanlı HDI yığın yoktur-ancak iki konfigürasyon yüksek performanslı uygulamalara baskındır: dengeli SGPG'ler (5+5) ve yüksek hızlı izolasyon (4+2+4). Seçim, sinyal karışımınıza (yüksek hızlı ve güç) ve uygulama ihtiyaçlarına bağlıdır.

Yapılandırma 1: Karma sinyal tasarımları için dengeli SGPG'ler (5+5)-
Bu simetrik yığın, 10 katmanı hem yüksek hızlı sinyallere hem de yüksek güçlü yollara (örneğin, EV ADAS, endüstriyel sensörler) sahip tasarımlar için ideal olan iki aynı 5 katmanlı alt yığınlara (üst 1-5 ve alt 6-10) ayrılır.

Neden Çalışıyor
A.Simetri: Laminasyon sırasında çarpıklığı azaltır (katmanlar arasında dengelenmiş CTE uyumsuzluğu).
B. Izolasyon: Çift zemin düzlemleri, yüksek hızlı (katmanlar 1,10) güçten (katmanlar 3,8) ayırarak çapraz%50 oranında kesilir.
C. Flexibility: EV radar modülleri için ideal olan 28GHz MMWAVE ve 12V güç yollarını destekler.

Konfigürasyon 2: Yüksek hızlı izolasyon (4+2+4)-28GHz+Tasarımlar için
Bu yığın, 5G mmwave, uydu iletişimi ve radar sistemleri için mükemmel olan yüksek hızlı alt yığınları (üst 1-4 ve alt 7-10) izole etmek için merkezi bir 2 katmanlı güç/yer bloğu (5-6 katmanları) ayırır.

Neden Çalışıyor
A.Central Kalkanı: Katmanlar 5-6, üst ve alt yüksek hızlı alt yığınlar arasında bir “faraday kafesi” görevi görür ve EMI'yi%60 azaltır.
B. Minimal Güç Geçişleri: Güç, Sinyal Yolu kesintilerinden kaçınarak Katman 5 ile sınırlıdır.
C. Hızlı Odak: 28GHz/10Gbps yollarına adanmış 4 sinyal katmanı-5G baz istasyon alıcı-vericileri için ideal.

Stackup karşılaştırması: Hangi yapılandırmayı seçecek?

Öneri: EV BM'leri veya endüstriyel sensörler (karışık yüksek hızlı/güç) için dengeli yığın kullanın. 5G mmwave veya radar (saf yüksek hızlı) için yüksek hızlı izolasyon yığınını kullanın.

10 katmanlı HDI yığınları için malzeme seçimi
Malzemeler 10 katmanlı HDI SI ve güvenilirliği kırın veya kırın. Yanlış substrat veya prepreg, sinyal kaybını% 40 artırabilir veya termal döngüde delaminasyona neden olabilir. Aşağıda kritik malzemeler ve özellikleri verilmiştir:

1. Substrat ve Prepreg: Denge SI ve Maliyet
Substrat (çekirdek malzeme) ve prepreg (bağlanma malzemesi) dielektrik sabiti (DK), kayıp teğet (DF) ve termal performansı belirler - Si'nin tüm anahtarı.

10 katmanlı ikiz için malzeme stratejisi
A.High Hızlı Katmanlar (1,3,8,10): Sinyal kaybını en aza indirmek için Rogers RO4350 kullanın (28GHz'de 0.8dB/inç, FR4 için 2.5dB/inç).
B. Güç/Zemin Katmanları (2,3,7,8): Maliyet verimliliği ve termal iletkenlik için yüksek TG FR4 veya seramik dolu FR4 kullanın.
C.PREPREG: CTE uyumsuzluğunu önlemek için substrata (örneğin Rogers 4450F) eşleştirin.

Örnek: 5G için 10 katmanlı bir HDI, 1,3,8,10 katmanları için Rogers RO4350 ve geri kalanı için yüksek TG FR4 kullanır-malzeme maliyetlerini tüm katmanlar için Rogers'ı kullanmaya karşı% 30 oranında düşürür.

2. Bakır folyo: yüksek hızlı SI için pürüzsüzlük
Bakır folyo yüzey pürüzlülüğü (RA), iletken kaybını yüksek frekanslarda doğrudan etkiler-yüzeyler cilt etki kaybını arttırır (sinyaller yüzey boyunca hareket eder).

Tavsiye
İletken kaybını%40 azaltmak için yüksek hızlı sinyal katmanları (1,3,8,10) için haddelenmiş bakır kullanın.
B. Akım kapasitesini en üst düzeye çıkarmak için güç/öğütülmüş katmanlar için elektrolitik bakır kullanın (2,3,7,8) (1 mm izler için 2oz ED bakır tutamaçları 30A).

3. Yüzey kaplaması: SI ve lehimlenebilirliği koruyun
Yüzey kaplamaları bakır oksidasyonu önler ve 10 katmanlı HDI'da 0.4 mm'lik zift BGA'lar için kritik olan güvenilir lehimleme sağlar.

Eleştirel seçim
10 katmanlı HDI için Hasl (sıcak hava lehim tesviye) kaçının-Kaba yüzey (RA 1-2μm) 28GHz'de 0.2dB/inç sinyal kaybı ekleyerek Rogers substratlarının faydalarını geri alır. Enig veya Enepig, yüksek hızlı tasarımlar için tek uygun seçeneklerdir.

10 katmanlı HDI yığınları için sinyal bütünlüğü optimizasyonu
Sinyal bütünlüğü (SI), 10 katmanlı HDI PCB'ler için yapım veya kırılma faktörüdür-sinyal kaybında 1dB'lik bir artış bile 5G veya radar tasarımını işe yaramaz hale getirebilir. Verilerle desteklenen en etkili SI optimizasyon stratejileri aşağıdadır:

1. Empedans Kontrolü: 50Ω/100Ω toleransını koruyun
Empedans uyuşmazlığı (örn. 50Ω yerine 55Ω) sinyal yansımasına neden olur, bit hata oranlarını (BER)%40 artırır. 10 katmanlı ikili için:

A.Single uçlu sinyaller (MMWAVE, USB): hedef 50Ω ±%5. Bunu Rogers RO4350 (0.1mm dielektrik kalınlık) üzerinde 0.15 mm genişliğinde, 1 oz haddelenmiş bakır izleri ile elde edin.
B. Farklı Çiftler (Ethernet 10Gbps, PCIE): Hedef 100Ω ±%5. 0.2mm aralıklı 0.2mm genişliğinde izler kullanın (1 oz bakır, Rogers RO4350).

Araç İpucu: İz boyutlarını otomatikleştirmek için Altium Designer'ın Empedans Hesap Makinesi'ni kullanın - manuel hataları%70 azaltır.

2. Katman izolasyonu ile sinyal kaybını en aza indirin
Yüksek hızlı sinyaller (28GHz+) dielektrik kaybı (substrat tarafından emilir) ve iletken kaybı (bakırdaki ısı) nedeniyle mukavemeti kaybeder. Bunu şöyle hafifletin:

A.DDDIDICED GRED UÇALARI: Her yüksek hızlı sinyal katmanına doğrudan bitişik bir zemin düzlemi yerleştirin (örneğin, tabaka 1, katman 2, katman 9 tabaka 10 altında). Bu, kaybı%30 oranında azaltan bir “mikroşerit” veya “şerit çizgisi” yapılandırması oluşturur.
B.Short iz uzunlukları: 28GHz izleri <5cm - her ek santimetre 0.8dB kayıp ekler. Daha uzun yollar için tekrarlayıcılar veya ekolatör kullanın.
C. Stubs aracılığıyla kaçın: Saplar (segmentler yoluyla kullanılmayan) yansıma neden - 28GHz sinyalleri için <0,5 mm'lik saplama yoluyla devam edin. Saplamaları ortadan kaldırmak için kör vias (delikler yerine) kullanın.

Test Sonucu: Özel yer düzlemleri ve 4cm 28GHz izleri olan 10 katmanlı bir HDI, toplam 3,2dB toplam kayıp vardı. Paylaşılan zemin düzlemleri ve 6 cm izleri olan bir tasarım için 5.6dB.

3. Uygun yönlendirme ile çaprazlama azaltın
Çaprazlama (bitişik izler arasındaki sinyal sızıntısı), yüksek yoğunluklu 10 katmanlı HDI'da Si'yi bozar. Düzeltin:

A.Trace Aralık: Yüksek hızlı izler arasında 3x eser genişlik aralığını koruyun (örn. 0.15mm izler için 0.45mm aralık). Bu%60 oranında keser.
Bround Vias: Diferansiyel çiftler boyunca her 2 mm'den bir zemin yerleştirin - sinyal sızıntısını engelleyen bir “kalkan” yaratır.
C.Layer ayrımı: Bitişik katmanlarda yüksek hızlı izleri yönlendirmekten kaçının (örn. Katman 1 ve 3). Dikey inişkili%70 azaltmak için bunları bir zemin düzlemi (katman 2) ile ayırın.

4. SI'yı korumak için termal yönetim
Aşırı ısınma, her ikisi de Si'ye zarar veren substrat DK ve bakır iletkenliğini bozar. 10 katmanlı ikili için:

A.Copper Güç/Zemin Uçakları: Güç düzlemleri için 2oz bakır kullanın (katmanlar 3,8 dengeli yığın) - Isıyı 1 oz bakırdan daha hızlı yayarlar.
B. Termal Vias: Isıyı iç zemin düzlemlerine aktarmak için sıcak bileşenler (örn. 5G PAS) altında 0.3mm bakır dolu vias delin. 10x10 dizi termal vias bileşen sıcaklığını 20 ° C azaltır.
C. Hotspots: Yüksek güçlü bileşenleri (örneğin, voltaj regülatörleri) yüksek hızlı izlerden uzaklaştırın-2W bileşenden ısıtma, yakındaki sinyal kaybını 0.5dB/inç artırabilir.

Yaygın 10 katmanlı HDI yığın hataları (ve bunlardan nasıl kaçınılır)
Deneyimli mühendisler bile Si'yi mahveden yığın hataları yapar. Aşağıda en önemli hatalar ve çözümler:
1. Yüksek hızlı ve güç sinyallerini aynı katmanda karıştırma
A.Mistake: Aynı katmanda 28GHz mmwave izleri ve 12V güç yollarını yönlendirme (örn. Katman 1). Güç gürültüsü yüksek hızlı sinyallere sızar ve BER'i%50 artırır.
B.Solution: Dış/iç sinyal katmanlarına (katmanlar 1,3,8,10) özel düzlemlere (katmanlar 3,8) ve yüksek hızlı sinyalleri sınırlayın. Zemin düzlemlerini engel olarak kullanın.

2. Yetersiz yer düzlemi kapsamı
A.Mistake: Katı düzlemler yerine “ızgara” yer düzlemleri (1 mm boşluklar) kullanarak-yüksek hızlı sinyaller için yüksek emplansa dönüş yolları yaratır.
B.Solution:% 90 kapsama alan katı zemin düzlemleri kullanın. İzleme geçişleri için sadece küçük boşluklar (≤0.5mm) ekleyin-yüksek hızlı yollardan uzakta boşluklar tutun.

3. Yerleştirme yoluyla zayıf
A.Mistake: Yüksek hızlı sinyal yollarına delikten vias yerleştirme-1-2nh parazitik endüktans ekleyerek yansımaya neden olurlar.
B.Solution: Dış katman sinyalleri için kör Vias (örn. Katman 1 → 2) ve iç katman bağlantıları için gömülü vias (örn. Katman 3 → 4) kullanın. > 0,5 mm'lik saplamalarla kaçının.

4. Katmanlar arasında CTE uyumsuzluğu
A.Mistake: Çok farklı CTE (örn., Rogers RO4350 (14 ppm/° C) ve saf alüminyum çekirdeğe (23 ppm/° C)) sahip malzemeler kullanma - termal döngü sırasında delaminasyona neden olur.
B. Örneğin, Rogers RO4350'yi Rogers 4450F Prepreg (14 ppm/° C) ile eşleştirin ve farklı malzemeleri karıştırın.

5. Üretim toleranslarını göz ardı etmek
A.Mistake: Dring toleranslarını (± 0.02mm) hesaba katmadan ideal boyutlar (örn. 0.15mm izler) için tasarlama - empedans varyasyonlarındaki rezervler> ±%10.
B.Solution: Trace boyutlarına% 10 marj ekleyin (örneğin, 0.15 mm hedef için 0.17mm izler tasarlayın). Süreç toleranslarını doğrulamak için üreticilerle birlikte çalışın.

Gerçek Dünya Uygulaması: 5G küçük hücreler için 10 katmanlı HDI yığın
Önde gelen bir telekom OEM, 5G küçük hücresi için 10 katmanlı bir HDI PCB'ye ihtiyaç duyuyor:

A. Support 28GHz MMWAVE (Sinyal kaybı <4db 5 cm'nin üzerinde).
B.
C. 120mm × 120mm muhafaza içinde uygun.

Yığın tasarımı
Yüksek hızlı izolasyonu (4+2+4) yapılandırmayı aşağıdakilerle seçtiler:

A.Layers 1,3,8,10: Rogers RO4350 (28GHz Mmwave, 10Gbps Ethernet).
B.Layers 2,4,7,9: 1 oz katı zemin düzlemleri (% 95 kapsama).
C.Layers 5–6: Yüksek TG FR4 (3.3V güç, 1 oz bakır).
D.Vias: 60μm kör Vias (Katman 1 → 2, 10 → 9), 80μm gömülü Vias (Katman 3 → 4, 7 → 8).

SI test sonuçları

Sonuç
A. Küçük hücre, sinyal kalitesi için 5G NR standartlarını (3GPP Sürüm 16) karşıladı.
B.field testleri, önceki 6 katmanlı HDI tasarımından% 20 daha iyi kapsama alanı gösterdi.
C. Üretim verimi sıralı laminasyon ve optik hizalama ile% 92'ye ulaştı.

10 katmanlı HDI PCB yığınları hakkında SSS
S1: 10 katlı bir HDI yığın tasarımı ne kadar sürer?
C: Deneyimli bir mühendis için, Stackup tasarımı 2-3 gün sürer - malzeme seçimi, empedans hesaplamaları ve DFM kontrolleri dahil. SI simülasyonu (örneğin, hiperlynx) eklemek 1-2 gün ekler, ancak yüksek hızlı tasarımlar için kritiktir.

S2: 10 katmanlı HDI yığınları esnek olabilir mi?
A: Evet - poliimid substratı (TG 260 ° C) kullanın ve tüm katmanlar için haddelenmiş bakır. Esnek 10 katmanlı HDI yığınları 0.5 mm bükme yarıçaplarını destekler ve giyilebilir veya katlanabilir telefonlar için idealdir. Not: Esnek tasarımlar sıralı laminasyon gerektirir ve sert versiyonlardan 3 kat daha fazla maliyettir.

S3: 10 katmanlı ikili ikm'ler için minimum eser genişliği/aralığı nedir?
C: Çoğu üretici lazer aşınması ile 20/20μm (0.8/0.8mil) destekler. Gelişmiş süreçler (derin UV litografisi) 15/15μm'ye ulaşabilir, ancak bu maliyet için% 20 ekler. 28GHz sinyalleri için, aşırı kaybı önlemek için 20/20μm pratik minimumdur.

S4: 10 katmanlı bir HDI PCB'nin 6 katlı bir HDI'ya karşı maliyeti nedir?
C: 10 katmanlı bir HDI PCB, 6 katlı bir HDI'dan 2.5x daha fazladır (örneğin, 100 bin üniteler için birim başına 50 $ 'a karşı 20 $). Premium ekstra tabakalar, sıralı laminasyon ve yüksek hızlı malzemelerden (Rogers) gelir. Yüksek hacimli koşular için birim başına maliyet 35-40 $ 'a düşer.

S5: 10 katmanlı HDI Stackup SI için hangi test gereklidir?
A: Temel testler şunları içerir:

A.TDR (Zaman Doma Alanı Reflitometre): Empedans ve yansımalar yoluyla ölçülür.
B.VNA (Vektör Ağ Analizörü): Hedef frekanslarda sinyal kaybını ve inişsiz testleri test eder (28GHz+).
C.Termal Bisiklet: Güvenilirliği doğrular (-40 ° C ila 125 ° C, 1.000 döngü).
DX-ışını muayenesi: Dolgu ve katman hizalaması yoluyla kontroller.

Çözüm
10 katmanlı HDI PCB yığın tasarımı, yoğunluk ve SI, maliyet ve performans ile üretilebilirlik ve güvenilirlik arasındaki dengeleme eylemidir. Doğru yapıldığında, 10 katmanlı bir HDI yığınak, standart PCB'lerin bileşen yoğunluğunu 2x sağlar, 28GHz+ MMWave sinyallerini destekler ve EMI'yi%40 azaltır-5G, EV ve havacılık için vazgeçilmez hale getirir.

Başarının anahtarı şudur:

1. doğru yığın konfigürasyonunun değişmesi (karışık sinyal için dengelenmiş, yüksek hızlı için izolasyon).
2. Si'ye öncelik veren malzemelerin seçilmesi (yüksek hızlı, yüksek-TG FR4 için Rogers maliyet için).
3. Sinyal kalitesini korumak için empedans, eser yönlendirme ve termal yönetimi anlatmak.
4. Karışık sinyal/güç katmanları veya yetersiz yer kapsamı gibi yaygın hatalardan kaçınma.

Elektronikler daha karmaşık hale geldikçe, 10 katmanlı ikiz, kritik bir teknoloji olarak kalacaktır-minyatürleştirme ve performans arasındaki boşluğu artırmak. Bu kılavuzdaki içgörülerle, en katı standartları karşılayan, üretim kusurlarını azaltan ve rekabetçi bir pazarda öne çıkan ürünler sunan yığınlar tasarlayabileceksiniz.

Üreticiler için, HDI uzmanlarıyla ortaklık (LT devresi gibi), yığınınızın üretime hazır olmasını sağlar-sıralı laminasyon, lazer delme ve her tasarımı doğrulayan SI testi ile. Doğru yığın ve ortağı ile 10 katmanlı HDI PCB'ler sadece özellikleri karşılamıyor, neyin mümkün olduğunu yeniden tanımlıyorlar.