HDI Çok Katmanlı PCB'ler için Genel Kullanılan Yükleme Yapıları: Tasarım, Faydaları ve Uygulamalar

Yüksek yoğunluklu bağlantılı (HDI) çok katmanlı PCB'ler, daha fazla bileşeni, daha hızlı sinyalleri,ve karmaşık işlevselliği daha küçük ayak izlerine dönüştürür.Ancak bu gelişmiş PCB'lerin başarısı kritik bir tasarım kararına bağlı: katman yığımı. İyi tasarlanmış bir yığma sinyal bütünlüğünü, termal yönetimi ve üretilebilirliği optimize eder.Ama kötü olan performansını bozabilir., çapraz konuşmaya neden olur veya pahalı bir yeniden işleme yol açar.

Bu kılavuz, en yaygın olarak kullanılan HDI çok katmanlı PCB yığmalarını ayrıştırır, uygulamanız için doğru konfigürasyonu nasıl seçeceğinizi açıklar ve tuzaklardan kaçınmak için ana tasarım ilkelerini özetler.İster 6 katmanlı bir akıllı telefon PCB veya 12 katmanlı bir 5G baz istasyonu kartı tasarlıyorsanız, bu yüklemeyi anlamak HDI teknolojisinin tüm potansiyelini açığa çıkarmanıza yardımcı olacaktır.

Önemli Önemli Noktalar
1.HDI çok katmanlı PCB yığılmaları (4 ′′ 12 katman) geleneksel çok katmanlı PCB'lere göre 2 ′′ 3 kat daha yüksek bileşen yoğunluğuna ulaşmak için mikro viaslar (50 ′′ 150μm) ve aşamalı / yığılmış viaslar kullanır.
2En yaygın konfigürasyonlar 2+2+2 (6 katmanlı), 4+4 (8 katmanlı), 1+N+1 (esnek katman sayısı) ve 3+3+3 (9 katmanlı), her biri belirli yoğunluk ve performans ihtiyaçlarına göre uyarlanmıştır.
3İyi tasarlanmış bir yığma 28GHz'de sinyal kaybını %40 azaltır, çapraz konuşmayı %50 azaltır ve rastgele katman düzenlerine kıyasla termal direncini %30 azaltır.
4Tüketici elektroniği, telekom ve tıbbi cihazlar gibi endüstriler özel yığmalara dayanıyor: akıllı telefonlar için 2 + 2 + 2, 5G baz istasyonları için 4 + 4 ve giyilebilir cihazlar için 1 + N + 1.

HDI Çok Katmanlı PCB Yükleme Nedir?
HDI çok katmanlı PCB yığımı, PCB'de iletken bakır katmanlarının (signal, güç, zemin) ve yalıtım dilektrik katmanlarının (substrat, prepreg) düzenlenmesidir.Geleneksel çok katmanlı PCB'lerin aksine, delikli viaslara ve basit “signal-ground-signal” düzenlerine dayanan “HDI yığılmalarına”:
a. Mikrovialar: bitişik katmanları birbirine bağlayan küçük delikler (50-150μm çapında) (kör viaslar: dış → iç; gömülü viaslar: iç → iç).
b. Yüklü/dönüştürülmüş viaslar: Dikey olarak (yüklü) ya da (dönüştürülmüş) yuvarlak olmayan katmanları deliksiz birleştirmek için yığılmış mikro viaslar.
Özel uçaklar: Gürültüyü en aza indirmek ve sinyal bütünlüğünü artırmak için yer ve güç katmanlarını ayırmak.
Bir HDI yığınının amacı, yüksek hızlı sinyal performansı (25Gbps+) ve termal verimliliği korurken yoğunluğu (her santim kare için bileşenler) en üst düzeye çıkarmaktır.Yüksek güçlü cihazlar.

Neden HDI Çok Katmanlı PCB'ler için Yüklenen Tasarım Önemlidir
Kötü tasarlanmış bir yığın, en gelişmiş HDI özelliklerini bile zayıflatır.
1Sinyal bütünlüğü: Yüksek hızlı sinyaller (28GHz 5G, 100Gbps veri merkezi bağlantıları) impedans uyumsuzluklarına ve çapraz konuşmaya duyarlıdır.Yer düzlemine bitişik sinyal tabakası) kontrol edilen impedansı (50Ω/100Ω) korur ve sinyal yansımasını% 30 azaltır.
2.Termik Yönetim: yoğun HDI PCB'ler, geleneksel düzenlerden 2 kat daha hızlı bir şekilde yığılmış yayılma ısısında ısı “dedikasyonlu bakır düzlemleri üretir ve bileşen sıcaklıklarını 25 °C düşürür.
3Üretilebilirlik: Aşırı karmaşık yığınlar (örneğin, 100μm mikroyağı olan 12 katman) hurda oranlarını% 15'e çıkarır; optimize edilmiş tasarımlar hurda % 5'in altında kalır.
4Maliyet verimliliği: Akıllı telefon PCB'si için 8 katman yerine 6 katmanlı bir yığın seçmek, performansı feda etmeden malzeme maliyetlerini% 25 oranında düşürür.

En yaygın olarak kullanılan HDI çok katmanlı PCB yığılmaları
HDI yığılmaları katman sayısına ve mikrovia yapılandırmasına göre sınıflandırılır. Aşağıda en yaygın olarak kabul edilen dört tasarım, kullanım durumları, faydaları ve sınırlamaları bulunmaktadır.

1. 2+2+2 (6 katmanlı) HDI Yükleme
2 + 2 + 2 yığılması, tüketim elektroniklerinin yoğunluğunu, performansını ve maliyetini dengeleyen iş atıdır.
a.Üst alt yığın: Kör mikroyalar ile birbirine bağlı 2 katman (Üst Sinyal + İç 1 Yer).
b.Orta çekirdek: 2 katman (İç 2 Güç + İç 3 Sinyal) gömülü mikroyalar ile birbirine bağlıdır.
c. Alt alt yığın: 2 katman (İç 4 Toprak + Alt Sinyal) kör mikrovyalarla birbirine bağlı.
Temel özellikleri:
a. Dış ve orta katmanları birbirine bağlamak için yığılmış mikrovialar (Yukarı → İç 1 → İç 2) kullanır.
b.Sinyal katmanlarına bitişik özel zemin düzlemleri, çapraz gürültüyü azaltır.
c. 0.4mm pitch BGA'ları ve 0201 pasifleri destekler.
Performans ölçümleri:
a. 28GHz'de sinyal kaybı: 1.8dB/inç (geleneksel 6 katmanlı PCB'ler için 2.5dB/inç'e karşı).
b. Bileşen yoğunluğu: 800 bileşen / santim kare (2x geleneksel 6 katman).
En iyisi:
a.Akıllı telefonlar (örneğin iPhone 15 ana PCB), tabletler, giyilebilir cihazlar (akıllı saatler) ve IoT sensörleri.
Artıları ve eksileri:

2. 4+4 (8 katmanlı) HDI Yükleme
4 + 4 yığılması, ekstra sinyal ve güç yolları için 2 + 2 + 2 tasarımına iki katman daha ekleyerek orta aralık yüksek performanslı cihazlar için kullanılır.
a.Üst alt yığın: 4 katman (Üst Sinyal 1, İç 1 Yer, İç 2 Güç, İç 3 Sinyal 2), yığılmış mikrovialar ile birbirine bağlıdır.
b.Aşağı alt yığın: 4 katman (İç 4 Sinyal 3, İç 5 Yer, İç 6 Güç, Alt Sinyal 4) yığılmış mikrovyalarla birbirine bağlıdır.
c.Kömülen viaslar: Çapraz yığın sinyal yönlendirmesi için İç 3'ü (Üst alt yığın) İç 4'e (Aşağı alt yığın) bağlayın.
Temel özellikleri:
a.Dört özel sinyal katmanı (4 x 25Gbps yollarını destekler).
b.Çok voltajlı sistemler için çift güç düzlemleri (örneğin 3.3V ve 5V).
c. Yüksek hassasiyet için lazerle delinmiş mikrovialar (75μm çapı) kullanır.
Performans ölçümleri:
Impedans kontrolü: ±5% (5G mmWave için kritik).
b.Sıcaklık direnci: 0.8°C/W (6 katmanlı yığma için 1.2°C/W karşısında).
En iyisi:
a.5G küçük hücreler, orta sınıf akıllı telefonlar (örneğin Samsung Galaxy A serisi), endüstriyel IoT geçitleri ve otomotiv ADAS sensörleri.
Artıları ve eksileri:

3. 1+N+1 (Gözleşken Katman Sayısı) HDI Yükleme
1 + N + 1 yığılma, N iç katman sayısının (2 ), özel ihtiyaçlar için çok yönlü hale getirdiği modüler bir tasarımdır.
a.Yukarı katman: 1 sinyal katmanı (iç 1'e kör mikrolar).
b.İç katmanlar: N katmanlar (signal, yer, güç karışımı, örneğin N=4 için 2 yer, 2 güç).
c. Alt katman: 1 sinyal katmanı (iç N'ye kör mikrolar).
Temel özellikleri:
a.Özelleştirilebilir iç katman sayısı (örneğin, 1+2+1=4-katman, 1+6+1=8-katman).
b. Küçük hacimli sürümlerde daha basit üretim için birbiri ardınca yığılmış (yığılmış yerine) mikrovialar.
c.Bireysel güç / sinyal ihtiyaçları olan prototip veya tasarımlar için idealdir.
Performans ölçümleri:
a.Sinyal kaybı: 1,5 ∼ 2,2 dB/inç (N'ye göre değişir; daha fazla zemin düzleminde daha düşüktür).
b. Bileşen yoğunluğu: 600~900 bileşen / santim kare (N ile artar).
En iyisi:
a. Prototipler (örneğin, başlangıç IoT cihazları), tıbbi giyilebilir cihazlar (örneğin, glikoz monitörleri) ve düşük hacimli endüstriyel sensörler.
Artıları ve eksileri:

4. 3+3+3 (9 katmanlı) HDI Yükleme
3+3+3 yığılması, üç eşit alt yığma ile karmaşık sistemler için yüksek performanslı bir tasarımdır:
a.Üst alt yığın: 3 katman (Üst Sinyal 1, İç 1 Zemin, İç 2 Güç) → kör mikrovialar.
b.Orta alt yığın: 3 katman (İç 3 Sinyal 2, İç 4 Yer, İç 5 Sinyal 3) → gömülü mikroplar.
c. Alt alt yığın: 3 katman (İç 6 Güç, İç 7 Zemin, Alt Sinyal 4) → kör mikrovialar.
Temel özellikleri:
a.Üçlü zemin düzlemleri (sesi en üst düzeye indirmek için).
b. 4+ yüksek hızlı diferansiyel çifti (100Gbps+) destekliyor.
c. Güç yolları için bakırla dolu mikrovya kullanır (her yol için 5 ̊10A taşır).
Performans ölçümleri:
a.40GHz'de sinyal kaybı: 2.0dB/inç (HDI için sınıfının en iyisi).
b.Gözleşme: <-40dB (8 katmanlı yığma için <-30dB'ye karşı).
En iyisi:
a.5G makro baz istasyonları, veri merkezi alıcıları (100Gbps+), havacılık uçuş elektronikleri ve yüksek kaliteli tıbbi görüntüleme cihazları.
Artıları ve eksileri:

Ortak HDI Yüklemlerinin Karşılaştırılması
Projenin ihtiyaçlarına hangi yığınla uyum sağladığını hızlı bir şekilde değerlendirmek için bu tabloyu kullanın:

HDI çok katmanlı PCB yığılmaları için ana tasarım ilkeleri
Performansı optimize etmek için şu ilkeleri uygulayın:
1. Yer düzlemleri ile sinyal katmanlarını eşleştirmek
Her yüksek hızlı sinyal katmanı (≥1Gbps) katı bir zemin düzlemine bitişik olmalıdır.
a.Loop alanını (EMI'nin önemli bir kaynağı) %50 azaltır.
b.Sinyal izi ile toprak arasındaki tutarlı dielektrik kalınlığı sağlayarak kontrol edilen impedans (örneğin tek uçlu sinyaller için 50Ω) korur.
Örnek: 2+2+2 yığımda, En Üst Sinyal (28GHz) 'i doğrudan İç 1 Zeminin üzerine yerleştirmek, bitişik zemin olmayan bir sinyal katmanına kıyasla sinyal yansımasını% 30 oranında azaltır.

2Güç ve sinyal katmanlarını ayırın.
Güç uçakları, yüksek hızlı sinyallere müdahale eden gürültü (voltaj dalgalanması, geçiş geçici) üretir.
a.Sinyal katmanlarından güç uçaklarını zemin uçaklarının karşı tarafına yerleştirin (örneğin, Sinyal → Zemin → Güç).
b. Güç alanları arasındaki çapraz konuşmayı önlemek için farklı voltaj seviyeleri için ayrı güç düzlemleri kullanın (örneğin 3.3V ve 5V).
c. Gürültüyü bastırmak için güç düzlemleri ve sinyal katmanları arasında koplama kondansatörleri (01005 boyutu) ekleyin.
Veriler: Güç ve sinyal katmanlarını bir zemin düzlemiyle ayırmak, 10Gbps tasarımlarında güç ile ilgili gürültüyü% 45 oranında azaltır.

3. Mikrovia Yerleşimini Optimize Et
Mikrovialar HDI yoğunluğu için kritiktir, ancak yanlış yerleştirildiğinde sinyal sorunlarına neden olabilir:
a.Yüklü Vias: Yüksek yoğunluklu tasarımlar için kullanılır (örneğin akıllı telefonlar), ancak 2 ∼ 3 katman ile sınırlandırılır (4 katman ve daha fazla katmanın yığılması boşluk riskini arttırır).
b.Staggered Vias: Düşük hacimli veya yüksek güvenilirlik tasarımları için kullanılır (örneğin, tıbbi cihazlar). Üretimi daha kolaydır ve daha az boşluk vardır.
c. Çekim köşelerinden uzak tutun: Impedans tırmanışlarını önlemek için mikro çekimleri ≥ 0,5 mm'lik bir mesafeye yerleştirin.

4. Isı ve elektrik ihtiyaçlarını dengele
Yüksek yoğunluklu HDI PCB'ler ısıyı yakalar ısıyı dağıtmak için dizayn eder:
a. Termal iletkenliği artırmak için güç uçakları için 2 oz bakır kullanın.
b. Sıcak bileşenler (örneğin, 5G PA modülleri) ve iç zemin düzlemleri arasında termal viaslar (bakır dolu, 0,3 mm çapında) ekleyin.
c. 10W+ cihazlar için, yığımda bir metal çekirdek katmanı (alüminyum veya bakır) ekleyin (örneğin, 2+1+2+1+2=8 katman ve 1 metal çekirdek).
Vaka Çalışması: 2 oz güç uçakları ve 12 termal vias ile 4 + 4 yığılması, 5G PA modülünün sıcaklığını 1 oz tasarımına kıyasla 20 ° C'ye düşürdü.

5IPC-2226 standartlarına uyun.
IPC-2226 (HDI PCB'ler için küresel standart), yığma için kritik kılavuzlar sağlar:
a.Minimum mikrovia çapı: 50μm (lazerle delinmiş).
b. Mikrovialar arasındaki minimum mesafe: 100μm.
c. Katmanlar arasındaki dielektrik kalınlığı: 50-100μm (kontrol edilmiş impedans için).
IPC-2226'ya uymak yığının üretilebilir olmasını ve endüstri güvenilirlik standartlarını karşılamasını sağlar.

HDI yığmaları için malzeme seçimi

Doğru malzemeler, yığma performansını artırır. Sinyal hızınıza ve çevreye göre seçin:

Ortak Yükleme Zorlukları ve Çözümleri
Dikkatli bir tasarımla bile, HDI yığılmaları benzersiz engellerle karşı karşıyadır.

HDI Yükleme'lerin Gerçek Dünya Uygulamaları
1Tüketici Elektronikleri: Akıllı telefonlar
a. Cihaz: iPhone 15 Pro Ana PCB
b.Yükleme: 2+2+2 (6 katmanlı)
c.Neden: yoğunluğu (1.200 bileşen / santim kare) ve maliyetini dengeler; yığılmış mikrovialar, A17 Pro çipi için 0.35mm pitch BGA'ları sağlar.
d. Sonuç: iPhone 13'ten %30 daha küçük PCB, 2 kat daha hızlı 5G hızları (4.5Gbps indir).

2Telekom: 5G Küçük Hücreler
a.Aygıt: Ericsson 5G Radyo Birimi
b.Yükleme: 4+4 (8 katmanlı)
c.Neden: Dört sinyal katmanı 28GHz mmWave ve 4G LTE sinyallerini işliyor; çift güç düzlemleri 20W amplifikatörleri destekliyor.
d. Sonuç: Geleneksel 8 katmanlı PCB'lere göre% 40 daha düşük sinyal kaybı, küçük hücre aralığını% 25 artırır.

3- Taşınabilir ultrason.
a.Aygıt: GE Healthcare Logiq E Ultrasonik Sondu
b.Yükleme: 1+4+1 (6 katmanlı)
c. Neden: Modüler tasarım özel sensör ihtiyaçlarına uyar; poliyimid substrat sterilizasyona (134 °C) dayanır.
d. Sonuç: Önceki modellere göre %50 daha hafif bir sonda, daha net görüntüleme (düşük çapraz ses sayesinde).

4Otomotiv: ADAS Radar
Aygıt: Tesla Otomatik Pilot Radar Modülü
b.Yükleme: 3+3+3 (9 katmanlı)
c.Neden: Üçlü zemin düzlemleri araba elektroniklerinden gelen EMI'yi azaltır; bakır dolu viaslar radar verici için 15A güç kullanır.
d. Sonuç: yağmur/toprağın altında algılama doğruluğu %99,9, ISO 26262 güvenlik standartlarına uygun.

HDI çok katmanlı PCB yığmaları hakkında sık sorulan sorular
S: 2 + 2 + 2 ve 4 + 4 yığımı arasında nasıl seçim yapabilirim?
A: Tasarımınız ≤2 yüksek hızlı yol (örneğin, 5G + Wi-Fi 6E ile akıllı telefon) ve maliyeti önceliklendiriyorsa 2+2+2 kullanın. 3+ yüksek hızlı yol için 4+4 seçin (örneğin,5G küçük hücre 28GHz + 39GHz) veya 10W+ güç dağılımı.

S: HDI yığınları esnek PCB'leri destekleyebilir mi?
C: Evet, 1+N+1 yığımı ve poliamid substratı kullanın (örneğin, 1+2+1=4 katmanlı esnek HDI).

S: 5G mmWave PCB için minimum katman sayısı nedir?
A: 6 katman (2+2+2) Rogers RO4350 substratıyla. Daha az katman (4 katman) aşırı sinyal kaybına neden olur (> 2.5dB / inç 28GHz'de).

S: Bir HDI yığımı PCB maliyetine ne kadar ekler?
A: 2 + 2 + 2 yığılması geleneksel 6 katmanlı PCB'ye göre% 30 daha pahalıdır; 3 + 3 + 3 yığılması 2 kat daha pahalıdır.

S: HDI yığmalarını tasarlamak için özel bir yazılıma ihtiyacım var mı?
A: Evet, Altium Designer, Cadence Allegro ve Mentor Xpedition gibi araçlar HDI'ye özgü özelliklere sahiptir: microvia tasarım kuralları, impedans hesaplayıcıları ve yığma simülatörleri.

Sonuçlar
2+2+2, 4+4, 1+N+1,ve 3+3+3 konfigürasyonlarının her biri bütçe dostu akıllı telefonlardan göreve kritik olan 5G baz istasyonlarına kadar benzersiz ihtiyaçlara hizmet ediyor.
Başarının anahtarı, istiflemeyi uygulamanıza uygun hale getirmektir: 2+2+2 ile maliyeti, 3+3+3 ile performansı ve 1+N+1 ile esnekliği önceliklendirin.Bunu akıllı tasarım ilkeleriyle eşleştirin (signal-ground pairing), mikrovia optimizasyonu) ve yüksek kaliteli malzemeler, ve yoğunluk, hız ve güvenilirlik konusunda üstünlük sağlayan HDI PCB'ler oluşturacaksınız.

Elektronikler küçülmeye devam ederken ve hızlar 60GHz+ (6G) 'e yükseldikçe, HDI yığma tasarımı sadece önemini artıracak.Yeni nesil son teknoloji cihazlarını inşa etmeye hazır olacaksınız. Daha küçük olanları., daha hızlı ve daha verimli.