Применение более сложных компонентов с очень большим числом выводов привело к внедрению технологий по созданию более мелких переходных отверстий, а также внедрению новых и модификации уже существующих технологических процессов. Все они имеют общие особенности: позволяют существенно увеличить плотность трассировки, уменьшить размер и вес изделия, улучшить электрические характеристики.

Такие платы называют HDI (англ. High Density Interconnect) — это печатные платы с высокой плотностью межсоединений.

Высокая плотность межсоединений предполагает: 

• проводники и зазоры ≤ 100 мкм; 

• наличие микропереходов (микроотверстий) диаметром ≤ 150 мкм;

• наличие переходных отверстий в SMD площадках; 

• использование тонких слоев диэлектриков с расположенными в них микропереходами. 

Цель нашей статьи — показать, что соблюдая простые рекомендации и имея представление о "популярных" ошибках, можно заметно сэкономить время, а также получить надежные и соответствующие функциональным характеристикам HDI-платы, поставленные в срок, с минимальным риском дефектов и по оптимальной стоимости.

Ранее мы писали, как оптимально проектировать жесткие печатные платы. Большая часть советов и правил проектирования справедливо и для HDI-плат. В этой статье сделаем акцент на том, что характерно именно для HDI-плат. 

Отличительные особенности HDI

Как появились первые HDI-платы?

Такой тип печатных плат появился в 1980-х, когда начались исследования по уменьшению переходных отверстий. Первый изобретатель не известен, но к первопроходцам можно отнести: 

• Лари Бэржеса из лаборатории MicroPak (разработчик лазерных отверстий);

• Чарльза Бауэра из компании Tektronixs (разработал фотодиэлектрические отверстия);

• Вальтера Шмидта из компании Contraves (разработал отверстия, вытравливаемые плазмой). 

Переходные отверстия, получаемые с помощью лазера, использовались в производстве многослойных печатных плат и в конце 1970-х годов, но они не были таких малых размеров, как отверстия, формируемые лазером сегодня, а их формирование давалось с большим трудом и только в материале марки FR-4 при значительных производственных затратах.

Первые платы с микроотверстиями в серийном производстве: 

1. Плата памяти FINSTRATE компании Hewlett Packard, запущенная в производство в 1984 г.
   Это была технология с медной сердцевиной, использовавшая наращивание, интегральные схемы в которой разваривались микрокомпрессией. После наращивания слоев металлизированного плазмой фторопласта (PTFE) на медную сердцевину механическим способом высверливались переходные отверстия, проходившие сквозь медную сердцевину, которые затем изолировались с помощью фторопласта. Параллельно со сквозными отверстиями высверливались глухие переходные отверстия диаметром 0,127 мм.

2. Первая фотодиэлектрическая плата с микроотверстиями была серийно выпущена в Японии компанией IBM-Yasu в 1991 г. 
   Это технология поверхностных ламинарных схем (SLC) с двумя наращенными слоями с одной стороны четырех традиционных слоев из материала марки FR-4.

С момента внедрения технологии SLC в 1991 г. были разработаны и внедрены различные методы серийного производства печатных плат категории HDI. Однако если выбирать одну технологию в качестве победителя, оценивая объемы производства, то это будет технология лазерного изготовления отверстий. Этот процесс формирования отверстий лазером наиболее популярен и сегодня.

Какие основные преимущества выбора HDI?

 Четыре основных фактора влияют на более высокую плотность проводников в печатных платах:

• возможность размещения большего числа компонентов на обеих сторонах печатной платы;

• компоненты оказываются ближе друг к другу;

• размер и шаг расположения компонентов меньше, тогда как число выводов увеличивается;

• меньшие геометрии дают возможность быстрее передавать сигналы и уменьшать задержки в линиях связи.

В то же время для ускорения нарастания сигнала требуются улучшенные рабочие характеристики, уменьшение паразитных сигналов, радиочастотных и электромагнитных помех, меньшее количество слоев и повышенная надежность при высоких температурах. Технология HDI предоставляет все эти преимущества и даже больше.

Сравнение HDI с МПП

 Равенство в затратах (для аналогичной плотности проводников) достигается в случае четырехслойной платы категории HDI с микроотверстиями и восьмислойной печатной платы со сквозными отверстиями. 

При очень высоких плотностях уже не существует многослойных плат со сквозными отверстиями, которые могли бы соответствовать требованиям необходимых возможностей трассировки и плотности, тогда как плата категории HDI может легко выполнить эти требования.

В финальном продукте получаем и ряд других преимуществ, используя HDI:

• уменьшение длины проводников;

• отсутствие лишних помех и увеличение скорость передачи данных;

• улучшение электромагнитной совместимости и целостности сигналов;

• более тонкий подход к контролю импеданса и разделению дифференциальных пар;

• большая вариативность и эффективность трассировки и используемых стекапов;

• эффективный переход сигнала от слоя к слою;

• получение наиболее надежных плат за счет использования лучших материалов и изготовления на высокотехнологичном специализированном оборудовании.

Основные параметры HDI

Виды отверстий, используемые при изготовлении HDI-плат

-    Plated through hole (PTH)

Сквозное металлизированное отверстие — отверстие проходящее через все слои платы и соединяющее внешние слои платы.

-    Blind via

Глухое переходное отверстие — отверстие, соединяющее внешний слой платы с одним или несколькими внутренними слоями, не проходящее насквозь платы.

-    Buried via

Скрытое переходное отверстие — отверстие, соединяющее внутренние слои, не выходящее на внешние слои платы.

-    Microvia

Микропереход — это глухое переходное отверстие между слоями ПП, уходящее на глубину не более 0,25 мм (X < 0,25 мм) и имеющее максимальный aspect ratio 1:1 (X:Y). Микропереход имеет Capture land и target land — это верхняя и нижняя контактные площадки.

-    Staggered microvias

Структура микропереходов, соединенных в вертикальном направлении со смещением. Возможно формирование как глухих, так и скрытых соединений, не выходящих на внешние слои платы.

-    Stacked microvias

Структура микропереходов, соединенных в вертикальном направлении без смещения таким образом, что отверстия расположены друг над другом. Возможно формирование как глухих, так и скрытых соединений, не выходящих на внешние слои платы.

-    Skip microvia

Микропереход, проходящий через промежуточный слой, без подключения к нему и без контактной площадки. Возможно формирование как глухих, так и скрытых соединений, не выходящих на внешние слои платы.

При варианте Staggered происходит рассеивание вертикального механического напряжения за счет смещения в соединении, поэтому использование данного типа микропереходов предпочтительнее, чем использование соединения Stacked. При эксплуатации платы в условиях температурных колебаний или при больших температурных нагрузках возникает риск появления микротрещин при использовании соединения Stacked. Использование микропереходов типа Skip не рекомендуется из-за сложностей в изготовлении и ограниченного количества производств, которые могут их сделать.

Как формируются микропереходы?

Технологический процесс формирования сверловки лазером наиболее популярный процесс. Используется для изготовления микропереходов небольшого диаметра до 150 мкм.

Рекомендуемые параметры для лазерной сверловки:

• диаметр отверстия 80-100 мкм; 

• толщина диэлектрика между слоями, которые соединяет микропереход, 60-80 мкм; 

• aspect ratio от 0,6:1 до 1:1, наиболее применимый 0,8:1. 

Существует несколько основных факторов, которые следует учитывать при лазерной обработке переходов: 

• точность позиционирования высверливаемых лазером отверстий;

• неровность диаметров отверстий; 

• изменение размера панели после отверждения диэлектрика;

• изменение размеров панели из-за изменений температуры и влажности;

• точность регулировки фотоэкспонирующего устройства. 

Виды структуры HDI

IPC-2226 разделяет HDI на 6 типов, где указано условное обозначение количества слоев микропереходов относительно ядра платы N.

Например:
1+N+1 = 1 слой микропереходов сверху и 1 снизу;
2+N+2 = 2 слоя микропереходов сверху и 2 снизу;
3+N+3 = 3 слоя микропереходов сверху и 3 снизу;
и т.д.

Симметричное расположение микропереходов относительно центра ПП обеспечит правильный баланс меди, необходимый для выполнения требуемой величины изгиба и кручения (не более 0,75% для плат с SMD монтажом). При отсутствии возможности задать симметричное расположение допускается использование асимметричного варианта, например, 1+N+0; 2+N+1 и т.д.

На практике необходимо стараться конструировать платы с количеством слоев микропереходов не более пяти (5+N+5). Большее количество слоев микропереходов заметно усложняет процесс изготовления платы и требует предварительного согласования предполагаемой структуры с изготовителем ПП.

На производствах широко используются основные 3 вида структур HDI:

Тип 1: Присутствует один слой с микропереходами (microvia) к ядру (core) с одной или с обеих сторон печатной платы.

Используются переходные отверстия:

• обычные (PTH);

• микропереходы (microvia);

• глухие (blind).

Не используются:

• скрытые (buried).

Тип 2: Присутствует один слой с микропереходами к ядру с одной или с обеих сторон печатной платы.

Используются все типы межслойных соединений:

• обычные PTH;

• микропереходы;

• глухие;

• скрытые.

Тип 3: Присутствует как минимум два слоя с микропереходами к ядру хотя бы с одной стороны печатной платы. 

Используются все типы межслойных соединений.

Какие измерения применяются в металлизированных отверстиях?

В металлизированных отверстиях измеряется средняя толщина их стенки (copper average). Рассчитывается на основе измерений в трех точках на стороне отверстия (всего 6 измерений).

В структуре HDI медь осаждается на слои платы при металлизации всех типов отверстий: сквозных, скрытых, глухих. Финишная толщина меди на внутренних слоях с глухими и скрытыми отверстиями, а также на внешних слоях, куда кроме сквозных отверстий выходят глухие отверстия, будет значительно увеличиваться. 

При этом, если в плате требуется заполнение по VII типу РС-4761 для сквозных отверстий, это добавит еще одну дополнительную металлизацию на внешние слои.

При зазорах на плате менее 0,1 мм выполнить несколько металлизаций без риска недотравов и, как следствие, замыканий, не получится. Поэтому после первого наращивания меди выполняют стравливание излишков меди с поверхности платы, чтобы провести оставшиеся этапы металлизаций. В результате этого финишная медь на внешних слоях будет находиться в диапазоне 30-35 мкм.

При наличии зазоров ≥0,1 мм, финишная медь на внешних слоях платы может получаться более 55 мкм.

Что такое нахлест медной металлизации?

Нахлест медной металлизации (Wrap copper) представляет собой непрерывную медь, выходящую из металлизированного отверстия на внешнюю поверхность любой металлизированной структуры.

Нахлест должен распространяться как минимум на 25 мкм (Wrap distance) и иметь толщину (Wrap thickness) не менее 5 мкм. 

Рекоммендации по проектированию HDI-плат

Общие производственные возможности при изготовлении HDI

Обычно список параметров производственных возможностей включает в себя:

• диаметры лазерных отверстий;

• aspect ratio;

• возможные типы материалов;

• типы структур;

• заполнение отверстий. 

Материал RCC (Resin Coated Copper) — материал, применяемый для лазерного сверления, и состоящий из одного слоя отвержденной смолы и второго слоя полуотвержденной смолы, покрытого слоем меди. 

LD Prepreg (Laser Drillable Prepreg) — препрег для лазерного сверления с более плотным плетением волокон, чем у обычного препрега и меньшим содержанием смолы. Уплотнение волокон обеспечивает высокую скорость лазерной обработки и исключительную стабильность размеров отверстий, что крайне важно для дальнейшего совмещения слоев при прессовании. 

При определении количества слоев микропереходов нужно помнить, что каждый дополнительный слой микропереходов добавляет дополнительный этап прессования, что приводит к усложнению процесса изготовления и к удорожанию печатной платы. 

Увеличение количества слоев микропереходов до пяти и, тем более, до шести, следует делать только после согласования предполагаемой структуры и параметров топологии с производством.

К выбору типов микропереходов также надо подойти со всей ответственностью, поскольку от заданных типов отверстий будет зависеть общая надежность платы. Более надежны при термических нагрузках отверстия по типу Staggered. Самый непростой в изготовлении тип отверстий — это Skip microvia, поэтому его включение в структуру платы и возможные параметры нужно уточнять по запросу.

Параметры топологии при изготовлении HDI

Основные стандарты, которыми нужно руководствоваться при проектировании и изготовлении HDI плат:

1. IPC-2226 — Sectional Design Standard for HDI Boards (стандарт по проектированию печатных плат с высокой плотностью межсоединений).

2. IPC-2315 — Design Guide for High Density Interconnects & Microvias (руководство по проектированию конструкций с высокой плотностью межсоединений и микроотверстиями).

3. IPC-4104 — Specification for High-Density Interconnect (HDI) and microvia materials (описание материалов для изготовления плат с высокой плотностью соединений и микропереходными).

4. IPC-6016 — Qualification and Performance Specification for High Density Interconnect (HDI) Layers or Boards(стандарт по оценке качества и технических характеристик для конструкций с высокой плотностью межсоединений). 

При разработке HDI-плат важно следовать возможностям производства не только при определении структуры, но и при трассировке. Это важно, так как плотный дизайн платы не дает выполнить производителю ПП необходимую доработку топологии на этапе подготовки платы к производству (внести компенсацию на подтрав, скорректировать диаметры отверстий с учетом толщины металлизации и т.д.). 

Несоблюдение параметров производства может привести к невозможности изготовления платы.

Для удобства мы подготовили таблицу с параметрами топологии при изготовлении печатных плат HDI, включающая в себя предпочтительные и минимальные параметры, которые следует закладывать в проект платы.

В HDI платах часто применяется заполнение сквозных переходных отверстий по типу VII IC-4761. Тип VII — технология заполнения отверстий эпоксидной смолой с последующей закрывающей металлизацией (Via In Pad Plated Over, сокращенно — VIPPO). Дополнительный этап металлизации приводит к увеличению толщины меди, а значит, минимальные зазоры между проводниками должны быть чуть больше, чем без использования этой технологии. 

Соблюдение указанных выше параметров необходимо для гарантированного выполнения нахлеста металлизации (Wrap copper thickness) согласно стандарту IPC-6012. В процессе заполнения излишки смолы выходят на поверхность платы и должны быть удалены. Для удаления излишков смолы применяется шлифовка всей поверхности платы, то есть вместе со смолой удаляется и тонкий слой меди. По этой причине при производстве ПП изначально необходимо обеспечить достаточную толщину металлизации для соблюдения минимальной толщины нахлеста в 5 мкм (требование IPC class 2, 3) после шлифовки. Несоблюдение требований по зазорам в топологии не позволит это выполнить. 

Фольга, используемая при изготовлении HDI

Если плата спроектирована для работы на высоких частотах, то для того, чтобы снизить негативное влияние скин-эффекта, нужно использовать фольгу с наименьшей шероховатостью. 

Скин-эффект заключается в том, что по мере роста частоты сигнал начинает распространяться не во всем сечении медного проводника, а лишь по его поверхности. Чем выше частота, тем тоньше становится так называемый скин-слой, в котором распространяется сигнал. В результате сигнал огибает все шероховатости меди, и это приводит к его искажению.

Стандартные типы фольги:

1. Фольга НТЕ
   High-Temperature Extensibility — термостойкая фольга. При высоких температурах менее подвержена образованию трещин.
   Значение шероховатости (Rz) — 8-14 мкм.

2. Фольга RTF
   Reverse Treated Foil — фольга с обратной обработкой. Одна сторона такой фольги имеет меньшую шероховатость для снижения потерь при прохождении сигнала. Другая сторона, обращенная наружу, имеет большую шероховатость для обеспечения хорошей адгезии при прессовании.
   Значение шероховатости (Rz) — 6-10 мкм.

3. Фольга VLP
   Very Low Profile Foil — фольга с очень низкой шероховатостью.
   Значение шероховатости (Rz) — 2,5-5 мкм.

Если в плате требуется контроль импеданса, нужно помнить о существовании допуска на него в соответствии с производственными возможностями. Более жесткий допуск должен быть обоснованным и необходимым, потому что его уменьшение потребует более жесткого контроля всех процессов производства ПП и использования базовых материалов с меньшими допусками. Это, в свою очередь, приведет к увеличению стоимости платы, а иногда и к невозможности выполнить все заданные для платы значения импеданса.

Особенности площадок BGA

Как снизить искажение формы площадок BGA на готовой плате?

Наиболее распространенный компонент на HDI платах — BGA (Ball Grid Array) микросхемы. Контактные площадки для компонента ВGА выполняются круглыми, а их диаметр может быть менее 0,20 мм. Для таких маленьких площадок становится важным их правильное проектирование и отсутствие искажения формы и размера на готовой плате. Рассмотрим типичные ошибки при проектировании.

• Ширина проводника, подводимого к площадке, равна или соизмерима с размером площадки.
  В результате этого происходит увеличение площадки BGA, она становится вытянутой в сторону проводника, что может усложнить монтаж микросхемы.

• Часть площадок микросхемы выполнены на полигоне меди и для них задано прямое подключение, а часть — на базовом материале.
  Площадки на меди в таком случае определятся размером масочного вскрытия, а на размер площадок на материале окажет влияние боковой подтрав. Это два не связанных между собой фактора — в результате на готовой плате диаметры таких площадок будут разные.

• Для одной и той же микросхемы по-разному заданы площадки в посадочном месте: для части площадок выполнено стандартное вскрытие в маске — больше размера площадки, а для другой части — меньше размера площадок. 
  Таким образом, получаем ранее описанный эффект площадок, расположенных на меди и на материале.

Для получения площадок одинакового диаметра нужно:

• Использовать проводники шириной меньше ширины площадки.

• Корректировать вскрытия в маске для площадок ВGА микросхем в местах подключения. Такую правку масочного вскрытия проводят инженеры на производстве при подготовке производственных файлов платы. Эти изменения выполняются с помощью макросов, встроенных в производственную программу подготовки.

• Не делать прямого подключения через полигон меди к площадкам BGA.

• При создании посадочного места компонента не использовать разные типы вскрытия в маске.

Какое вскрытие делают в маске для площадок BGA?

Если расстояние между выводами позволяет сохранить масочную перемычку (минимальное расстояние 0,18 мм при базовой меди не более 18 мкм), то можно использовать стандартное вскрытие в маске больше размера площадки на 0,05 мм с каждой стороны.

Если микросхема с маленьким шагом и стандартное вскрытие в маске приведет к невозможности сформировать масочные перемычки, то можно использовать вариант вскрытия в маске меньше размера площадки, когда в размер площадки включается величина наползания маски.

Возможные варианты вскрытия в маске:

• Вариант SMD (Soldermask Defined Pad) — площадка определена вскрытием в маске, то есть вскрытие меньше размера площадки.

• Вариант NSMD (Non Soldermask Defined Pad) — площадка не определена вскрытием в маске, то есть вскрытие больше размера площадки.

Особенности слоёв, меди и отверстий

Какое минимальное количество слоев и минимальная толщина могут быть у HDI-плат?

Минимальное число слоев для симметричной HDI платы — 4 слоя. 

Рассмотрим плату, в которой один слой микропереходов будет сверху, один снизу и будут скрытые отверстия между 2 и 3 слоем: 1+2+1. Расчетная толщина ПП будет складываться из:

• Толщины препрега между L1-L2, L3-L4. 
  Препрег должен быть пригоден для лазерного сверления, то есть иметь толщину не более 0,10 мм.

• Толщины ядра (core) между слоями L2-L3.
  Его толщина должна быть достаточной, чтобы позволить выполнить заполнение скрытых отверстий эпоксидной смолой, которое необходимо по технологии изготовления HDI плат. Если использовать минимальные по диаметру скрытые отверстия 0,15 мм, то величина cor будет около 0,20 мм.

• Базовой толщины меди. 
  Для лазерной сверловки нужна медь 12 мкм на внешних слоях, для внутренних можно использовать 18 или 35 мкм. Если хотим получить одинаковую финишную медь по слоям, то внутренние слои лучше сделать 35 мкм.

Если использовать препрег толщиной порядка 60 мкм, финишная толщина платы получится 0,50 мм.

Какая толщина финишной меди возможна для слоёв, в которых расположены микропереходы?

Большинство производств рекомендуют использовать базовую медь 12 мкм для слоев, где расположены микропереходы, чтобы было проще выполнить лазерное сверление. 

Финишная медь обычно получается порядка 30-35 мкм. Если микропереход выходит на внешний слой платы и есть заполнение сквозных отверстий по типу VII IРС-4761, то медь может достигать более высоких значений. 

Какой тип заполнения отверстий будет применяться, если в плате есть и микропереходы, и сквозные переходные отверстия в SMD площадках?

Если в плате есть сквозные отверстия и глухие микропереходы в SMD площадках, то потребуется использование двух разных типов заполнения отверстий: 

• для микропереходов будет использовано заполнение медью (Filled with copper);

• для сквозных отверстий понадобится заполнение по Туре VII IРС-4761. 

Это два разных вида заполнения, которые при заказе платы нужно указывать отдельно. Каждый из этих видов заполнения — это разные технологические процессы, которые повлияют на стоимость платы, выбор завода, на котором она будет изготавливаться и на сроки изготовления. 

Последовательность процессов изготовления при наличие таких двух типов заполнения:

1. Лазерная сверловка (Laser drilling).

2. Механическая сверловка (Mechanical drilling).

3. Металлизация отверстий (Plating).

4. Заполнение микропереходов медью (Filling with copper).

5. Заполнение сквозных отверстий смолой (Epoxy filling).

6. Закрывающая металлизация (Cap plating).

Если в плате есть микропереходы по типу Stacked, то для них также потребуется заполнение медью.

Особенности краевых разъемов

Какие краевые разъемы можно сделать с гальваническим золочением у плат HDI?

Есть разные типы краевых разъемов, где требуется гальваническое золочение:

• разъемы с площадками одной длины: с остатками шин для гальваники и удаленными шинами для гальваники;

• разъемы с разными по длине площадками: с площадками;

• разъемы с площадками, имеющими разрыв.

При этом шины для выполнения гальванического золочения можно убрать полностью или оставить небольшие проводники длиной от 0,025 мм до 0,10 мм.

Какую информацию требуется передать при наличии краевого разъема у плат HDI?

При отправке информации для производства по платам с краевым разъемами необходимо сообщить:

• Необходимость нанесения гальванического золота.
  Нередко при изготовлении прототипов или тестовых образцов разработчик может использовать такое же покрытие для площадок разъема, как и для всей платы (например, иммерсионное золото).

• Параметры гальванического золота.
  По умолчанию мы выполняем толщину гальванического золочения (Hard gold) по 2 классу IPC: минимальная толщина никеля 2,5 мкм, минимальная толщина золота 0,8 мкм. 

• Требования снятия фаски и ее параметры.
  Эта информация есть в чертеже на используемый разъем. Если фаска нужна, но параметры неизвестны, мы можем предложить возможные параметры ее угла и глубины в зависимости от топологии разъема (близости ламелей к краю платы) и имеющемуся оборудованию на заводе.

• Возможность сохранения остатков шин после гальваники у площадок разъема.
  Особенно важно уточнить это для разъемов с короткими ламелями и в случаях, когда фаска не снимается.

Какие рекомендации есть при проектировании краевых разъемов у плат HDI?

Общие рекомендации:

1. Вскрытие в маске для площадок краевого разъема делают одним окном — без масочных перемычек, поскольку при дальнейшем использовании разъема перемычки могут отслоиться и попасть на площадки. Вскрытие должно быть выполнено до самого края платы, чтобы исключить отслоение маски при снятии фаски или при соединении разъема с ответной частью.

2. В зоне краевого разъема с гальваническим золочением не должно быть открытых от маски переходных отверстий, а также площадок других компонентов. В противном случае контактные площадки, открытые от маски, будут частично покрыты основным покрытием, золотом или останутся с оголенной медью.

3. Безопасный отступ от края площадок разъема до края открытого от маски отверстия или площадки другого компонента — 3,0 мм.

4. При панелизации следует располагать единичные платы разъемами наружу панели, чтобы к ним был обеспечен доступ инструмента для снятия фаски. Допустимо располагать платы иначе, но в этом случае расстояние между единичными платами внутри панели должно быть увеличено и составлять более 2,0 мм. Необходимо согласовать подобное расположение плат до размещения заказа на производство. 

Особенности контроля импеданса

Как помочь производству быстро найти контролируемые проводники?

Проводники легко найти в плате, если им задать уникальную ширину. Обычные проводники не следует задавать той же шириной, что и проводники, требующие контроля импеданса. 

Выделение проводников по ширине может быть условным, с различием во втором или в третьем знаке после запятой. 

Например, обычные проводники имеют ширину 0,21 мм, а проводники для контроля - 0,20 мм. Это нужно не только для визуальной проверки наличия контролируемых проводников, но и для дальнейшей коррекции этих проводников по ширине и зазорам для обеспечения импеданса. 

Следует помнить, что изменение ширины проводников — это стандартная процедура на производстве, поскольку конструктор задает параметры проводников и структуру ПП в теории, без учета важных факторов при производстве — величины подтрава, толщины металлизации, фактической величины диэлектрической проницаемости после прессования, конкретной марки выбранного базового материала, паяльной маски.

Расчет импеданса вместе со структурой ПП мы присылаем заказчикам для подтверждения. Далее инженеры по подготовке к производству вносят необходимые корректировки без привлечения конструктора ПП.

Важно проверять правильность заполнения полигоном опорных слоев земли. Для жестких печатных плат опорный полигон должен быть сплошным, без вырезов под проводниками, иначе для этих проводников импеданс не будет соответствовать заданному (расчетному).

Как передать задание на контроль импеданса?

Для изготовления платы поставщику передаются файлы формата Gerber, в которых не отображаются заданные цепи (Nets). Все проводники становятся линиями разной ширины и производственные программы различают их по номерам D-кодов, каждый из которых соответствует определённой ширине.

Для нахождения заданных для контроля импеданса проводников производителю ПП обязательно нужно указать:

• ширину контролируемых проводников;

• зазоры между этими проводниками (для дифференциальной пары);

• в каком слое находятся контролируемые проводники;

• требуемое волновое сопротивление с допуском.  

Желательно также указать: 

• расстояние до опорного слоя, земли; 

• тип импеданса (особенно, если требуется контроль копланарных линий).

Эта информация может быть передана в текстовом виде, в таблице или в виде скриншота экрана программы, где проводился расчет импеданса. Также проводники для контроля импеданса можно выделять в отдельные графические слои и присылать вместе со всеми герберами платы. Такой вариант помогает производству сразу найти необходимые для контроля проводники и экономит время на этапе подготовки платы к производству.

Пример в текстовом виде: «Выполнить контроль импеданса 50 Ом +/-10% в слое Тор для проводников шириной 0,12 мм, опорный слой GND».

Какие есть особенности дизайна для контролируемых проводников?

Когда требуется выполнить контроль импеданса, важно исключить или хотя бы минимизировать факторы, вносящие искажения в передачу данных. Рассмотрим какие особенности дизайна помогут это сделать.

• Сглаживать изгибы проводников. На проводниках не должно быть изгибов под углом 90 градусов, так как это приводит к отражению сигналов.

При повороте дифференциальной пары нужно стараться соблюдать зазор не менее пяти ширин проводников (5w) между крайними точками дифпары.

•  Учитывать неоднородность базового материала и по возможности располагать проводники под углом к направлению его волокон.

• Дифференциальные пары должны быть симметричными. При подключении к площадкам длина проводников не должна меняться.

• При установке компонентов также нужно соблюдать симметрию в подключении.

• Выравнивание по электрической длине нужно делать со стороны несовпадающих подключений.

Какую финишную медь нужно брать для расчета импеданса?

При металлизации по 3 классу IРС-6012 финишная толщина меди будет зависеть от используемой базовой меди.

При базовой толщине меди 18 мкм:

• на внешних слоях будет не менее 38,4 мкм, для расчета обычно используется 45 мкм;

• на внутренних слоях будет не менее 11,4 мкм, для расчета — 15 мкм.

При базовой толщине меди 35 мкм:

• на внешних слоях будет не менее 52,9 мкм, для расчета обычно используется 55-60 мкм; 

• на внутренних слоях меди будет не менее 24,9 мкм, для расчета - 30 мкм.

Как подтверждаются результаты измерения импеданса?

Для контроля импеданса на производстве используют тестовые образцы (купоны), которые располагаются вне печатной платы на производственной заготовке.

Купоны имитируют плоскости питания, содержат контролируемые проводники и проходят те же процессы изготовления, что и сама плата. Измеренные на тестовом купоне значения импеданса заносятся в отчеты (СОС report), которые при заказе у нас вы получаете вместе с платами. 

Если значение импеданса вышло за установленный допуск, платы будут переделаны. Заказчик получает платы с проверенным значением импеданса в заданном допуске. По согласованию вместе с платами и отчетами о результатах измерений поставляются тестовые купоны.

Дополнительные изменения топологии

Нужно ли добавлять каплевидное сглаживание у плат HDI?

Добавление каплевидности (Teardrops) нужно для повышения технологичности платы, где заданы узкие проводники, поскольку добавление сглаживания локально увеличивает площадь соединения и предупреждает уменьшение гарантийного ободка при допустимых смещениях отверстия.

Добавление каплевидных подключений можно сделать самостоятельно при разработке ПП, а можно указать при заказе плат.

Для плат с площадками, покрытыми иммерсионным серебром (Immersion silver), добавление каплевидного сглаживания обязательно, так как это снижает риск развития гальванической коррозии. 

Коррозия происходит в результате возникновения электрического потенциала между серебром и медью. Это приводит к электронной миграции меди и истончению проводника в месте соединения.

Какие изменения в топологии можно внести на этапе подготовки к производству?

Чтобы плата была технологичной и могла быть изготовлена на разных заводах, нужно следовать стандартным параметрам производства. Прибегать к предельным возможностям можно в случае обоснованной необходимости (ограничения по габаритам, компонентная база). 

На этапе подготовки платы к производству мы проверяем соответствие параметров технологическим возможностям выбранного завода и можем скорректировать топологию без привлечения конструктора ПП, если заранее получаем разрешение на эту правку.

Возможные правки на этапе подготовки платы к производству:

• изменение размеров контактных площадок;

• изменение диаметров отверстий;

• перевод сквозных отверстий в Stacked microvias (если это возможно по технологии производства);

• изменение ширины проводников;

• коррекция масочных вскрытий;

• увеличение зазоров в полигоне;

• смещение позиционных обозначений в шелкографии со вскрытия в маске;

• добавление Teardrops (каплевидных контактных площадок);

• добавление площадок для баланса меди;

• изменение параметров сетчатого полигона;

• замена сетчатого полигона на сплошной полигон;

• и т.д.

Чем отличаются заводские рабочие файлы платы от файлов, которые вы передаете нам при заказе плат?

Это вопрос, который периодически возникает у каждого заказчика, получившего рабочие файлы платы от производства. Заводские файлы платы могут быть высланы производителем ПП по запросу или же для согласования сделанных изменений, в том числе в доработке посадочных мест для микросхем.

Рабочие файлы платы — это файлы, по которым завод делает фотошаблоны. Каждый слой платы дорабатывается под предстоящий процесс изготовления ПП:

• в слои топологии вносится компенсация на подтрав, который всегда есть при изготовлении рисунка платы, увеличение топологии происходит примерно на 0,015-0,025 мм с каждой стороны (зависит от толщины базовой меди и технологии конкретного завода);

• слои маски также правятся, чтобы масочные вскрытия полностью открывали скомпенсированные площадки и при допустимом смещении маски она не попала на площадь пайки;

• слои сверловки корректируются с учетом диаметра сверла и предстоящего процесса металлизации, который уменьшит диаметр на толщину металлизации;

• слои шелкографии будут доработаны так, чтобы краска не попадала на площадки;

• слой контура тоже может измениться, если предполагается не симметричный допуск на габаритный размер платы (для получения минусового допуска потребуется смещение контура платы внутрь платы).

Таким образом, рабочие файлы платы значительно отличаются от исходного файла, но эти отличия обусловлены требованиями техпроцессов. В итоге вы получаете ту топологию, которую задали в своем файле. Заводские файлы платы нельзя использовать для заказа трафаретов, так как в них размеры контактных площадок будут с введенной компенсацией на подтрав, то есть больше номинальных.

Эти файлы используются только как справочные, если нужно посмотреть, как было доработано то или иное место платы.

Спасибо, что прочитали!

Мы надеемся, что данные рекомендации помогут проектировать ваши HDI-платы еще лучше!

Еще у нас есть телеграм-канал, где мы на регулярной рассказываем подобные темы (многое из представленного в статье мы уже рассматривали с нашими подписчиками), разбираем ваши вопросы и просто делимся экспертизой производства и проектирования. Присоединяйтесь, будет интересно!

На нашем сайте вы можете также найти руководства по проектированию жестких печатных плат и HDI, а также руководство по входному контролю. Скачать их можно тут. В будущем мы планируем выпускать еще такие материалы!