高密度互連印刷電路板：如何實(shí)現(xiàn)高密度互連 HDI

高密度互連 (HDI) 需求主要來(lái)自于芯片供應(yīng)商。最初的球柵陣列封裝 (BGA) 支持常規(guī)過(guò)孔。漸漸地，引腳變得更加密集。1.27 毫米的間距變成了 1 毫米，然后是 0.8 毫米，再到 0.65 毫米的中心距。在可以使用電鍍通孔 (PTH) 過(guò)孔的情況下，這是最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

下一步是 0.5 毫米級(jí)的 BGA。我們?nèi)匀豢梢允褂们度朐诤副P(pán)內(nèi)的過(guò)孔，但是存在兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是填充和遮蓋過(guò)孔，以便得到平坦的表面來(lái)防止回流焊過(guò)程中焊料外流。另一個(gè)問(wèn)題是，典型的“8/18”過(guò)孔有一個(gè) 0.2 毫米的成品孔和一個(gè) 0.45 毫米的定位焊盤(pán)。在一個(gè) 0.5 毫米間距的器件上，留下 50 微米用于布置走線(xiàn)和走線(xiàn)兩側(cè)的空氣間隙——這是不切實(shí)際的。

微孔：每平方英寸引腳數(shù)量過(guò)多的解決方案

微孔是進(jìn)入 HDI設(shè)計(jì)的第一步。其主要的好處是：微孔是微型的！除了尺寸較小之外，真正的好處是微孔跨越了一個(gè)層對(duì)。我們可以從第 1 層“鉆”到第 2 層，然后在第 2 層扇出到 PTH 過(guò)孔，進(jìn)行其余的布線(xiàn)。這是 HDI 最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法。另外想要指出的是：“鉆孔”是用激光完成的。

混合信號(hào) PCB 的 DSP 端，請(qǐng)注意 ENIG 表面處理優(yōu)于上述第一次迭代的 HASL。鍍金后過(guò)孔的平整度有所提高。

實(shí)際上，兩束激光比一束好。一種波長(zhǎng)可以穿透銅，另一種波長(zhǎng)可以很好地切入電介質(zhì)材料，但主要是在銅上反射。我們可以用紅外線(xiàn) CO2 激光擊穿金屬，然后切換到紫外線(xiàn)摻釹釔鋁石榴石 (Nd-YAG) 激光來(lái)穿透絕緣層。一旦它擊中內(nèi)部的第 2 層金屬，就會(huì)停止脈沖，而不會(huì)燒穿金屬。

這里有個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。即使我們要疊加微孔來(lái)從第 1 層到達(dá)第 3 層，但仍然希望第 2 層的墊片是激光的目標(biāo)。疊加微孔是有一定成本的。作者本人曾在 Chromecast 的 PCB 上使用了精打細(xì)算的交錯(cuò)微孔法。這種方法的缺點(diǎn)是，它占用了更多的傳統(tǒng)第 2 層接地平面。為了實(shí)現(xiàn)制造廠(chǎng)商的要求，我們花了幾個(gè)小時(shí)才做到這一點(diǎn)。而當(dāng)出售幾百萬(wàn)、幾千萬(wàn)個(gè)器件時(shí)，一分一厘的成本也很重要。請(qǐng)注意，在 HDI 電路板中，接地平面的理想位置不一定是第 2 層。

需要較粗的射頻走線(xiàn)，以避免測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)阻抗問(wèn)題。只有當(dāng)參考平面位于電路板的深層時(shí)，才需要粗的走線(xiàn)。

因此，尺寸差異和單層跨度一直存在，但我們?cè)谟梦⒖自O(shè)計(jì) PCB 之前，還有一個(gè)因素需要了解，即一旦孔中的材料脫落，就必須進(jìn)行電鍍。由于幾乎不可能對(duì)一個(gè)又深又窄的孔進(jìn)行電鍍，因此要使用微孔，電介質(zhì)材料必須非常薄。這個(gè)比例大約在 0.6:1 和 1:1 之間。使成品孔的尺寸與電介質(zhì)的厚度相同非常重要，這對(duì)大多數(shù)工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)幾乎是不可能的。理想情況下，材料要比孔的直徑更薄。

核心過(guò)孔：解決方案的核心

這意味著，市場(chǎng)對(duì)于薄型電介質(zhì)一直有需求。正如現(xiàn)在某些消費(fèi)產(chǎn)品的成本更高一樣，對(duì) HDI 友好的材料可能會(huì)有一些交貨期和價(jià)格方面的壓力。微孔的使用有限，因此要在成本和性能之間達(dá)到平衡。而3-N-3 堆疊則是一個(gè)理想選擇；3-N-3指的是先從一塊 N 層厚的電路板開(kāi)始，假設(shè) N=4，3 表示圍繞核心部分增加的層數(shù)。

工廠(chǎng)將以常規(guī)的方式使用 PTH 過(guò)孔幾何形狀制作一塊 4 層電路板。該電路板將成為成品板的中央核心。然后，他們?cè)?4 層電路板的每一側(cè)再疊加一層。這些層的厚度約為 50 微米，以支撐 75-100 微米的過(guò)孔。他們一次又一次地進(jìn)行層壓和激光打孔，這樣最終就會(huì)得到三個(gè)激光過(guò)孔層、四個(gè)機(jī)械過(guò)孔層和另外三個(gè)激光過(guò)孔層，總共有 10 層。

一個(gè) 14 層的 3-N-3 堆疊；未按比例繪制

除了薄薄的半固化片，主要的成本驅(qū)動(dòng)因素是層壓周期。從兩層、四層、六層或更多的核心層開(kāi)始并不是什么大問(wèn)題。因此常用的術(shù)語(yǔ)將所有這些核心疊層統(tǒng)稱(chēng)為“N”層。而將電路板再次放入壓合機(jī)，讓電路板在高溫和壓力下粘接在一起，這才是成本來(lái)源。壓合機(jī)通常是工廠(chǎng)中最昂貴的設(shè)備。它們的工作速度不像鉆孔機(jī)或電鍍槽那樣快。只有一臺(tái)沖壓機(jī)的工廠(chǎng)會(huì)面臨一個(gè)瓶頸，相應(yīng)的成本必然反映在 HDI 電路板的價(jià)格上。

2-N-2堆疊法

有一種很棒的方法，是在外層使用薄的電介質(zhì)制作 HDI 板的核心，并在進(jìn)入第二個(gè)層壓周期之前在核心上創(chuàng)建微孔。這被稱(chēng)為 2-N-2 加堆疊。與 3-N-3 版本相比，所需層壓次數(shù)要少一次。其缺點(diǎn)是，核心過(guò)孔朝堆疊的頂部和底部進(jìn)一步延伸了一層。核心過(guò)孔突出來(lái)的層通常適合作為接地層。

從布線(xiàn)的角度來(lái)看，在 1-2、2-3、3-4、4-7、7-8、8-9 和 9-10 之間設(shè)置過(guò)孔，可以解決大多數(shù)令人困擾的扇出問(wèn)題。許多電路板可以采用更少的技術(shù)來(lái)完成，有些可能需要在整個(gè)電路板上都添加微型通孔。到那時(shí)，電路板的兩邊都擠滿(mǎn)了元件，而且可能有間距很小的 、具有上千個(gè)引腳的BGA 器件。當(dāng)完成這類(lèi)電路板時(shí)，油然而生的成就感會(huì)讓我們心潮澎湃。好好享受吧！

文章來(lái)源： Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇