Conception de PCB HDI : sélection des matériaux, empilage et optimisation des performances du signal​

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Les circuits imprimés HDI (High-Density Interconnect) sont devenus l'épine dorsale de l'électronique moderne, permettant la miniaturisation et les performances élevées exigées par les appareils 5G, les processeurs d'IA,et équipement d'imagerie médicaleContrairement aux PCB traditionnels, les conceptions HDI regroupent plus de composants dans des espaces plus petits en utilisant des microvias, des traces plus fines et des matériaux avancés, mais cette densité présente des défis uniques.Le succès dépend de trois facteurs essentielsBien réalisés, les PCB HDI réduisent la perte de signal de 40% et réduisent la taille de l'appareil de 30% par rapport aux PCB standard.Voici comment maîtriser chaque élémentJe suis désolé.

Les points clés
1.Les PCB HDI nécessitent des matériaux stables à faible perte pour maintenir l'intégrité du signal à des fréquences supérieures à 10 GHz.
2.La conception des piles (configurations 1+N+1, placement de microvia) a une incidence directe sur le contrôle de l'impédance et la gestion thermique.
3.Les microvias (≤ 150 μm) réduisent la réflexion du signal et permettent une densité de composants 30% plus élevée que les conceptions traditionnelles de trous.
4Les performances du signal dépendent des propriétés diélectriques du matériau, de la géométrie des traces et de l'espacement des couches, ce qui est essentiel pour les applications numériques 5G et à grande vitesse.

Qu'est-ce qui rend les PCB HDI uniques?
Les PCB HDI sont définis par leur capacité à supporter des composants à haute résistance (≤ 0,4 mm) et une densité de connexion élevée en utilisant:
1.Microvia: Via de petit diamètre (50-150 μm) qui relient des couches sans pénétrer dans toute la carte, réduisant ainsi la perte de signal.
2Traces fines: des lignes de cuivre aussi étroites que 25 μm (1 mil), permettant une meilleure rotation dans des espaces restreints.
3.Nombre élevé de couches: empilés compacts (souvent 6 à 12 couches) avec des plans de signal et de puissance étroitement espacés.
Ces caractéristiques rendent HDI idéal pour des appareils tels que les smartphones (qui comportent plus de 1000 composants), les stations de base 5G et les moniteurs de santé portables où l'espace et la vitesse ne sont pas négociables.

Sélection du matériau: le fondement de la performance de l'IDH
Les matériaux HDI doivent équilibrer trois propriétés critiques: constante diélectrique (Dk), facteur de dissipation (Df) et stabilité thermique.Même de petites variations dans ces propriétés peuvent dégrader les performances du signal, en particulier à des fréquences supérieures à 10 GHz.

Je suis désolée.
Pourquoi le Dk et le Df sont importants?

1.Constante diélectrique (Dk): mesure la capacité d'un matériau à stocker de l'énergie électrique.
2Facteur de dissipation (Df): mesure la perte d'énergie sous forme de chaleur. Un faible Df (<0,005) minimise l'atténuation du signal; à 28 GHz, un Df de 0,002 entraîne une perte 50% inférieure à celle de Df 0,01 sur des traces de 10 cm.
Par exemple, une station de base 5G utilisant PPO/PTFE (Dk 3.2, Df 0,003) maintient une intensité de signal 30% supérieure à celle utilisant le FR-4 standard, ce qui prolonge la portée de 150 mètres.

Conception de l'empilement des IHD: équilibre entre densité et performance

La conception de l'empilement HDI détermine comment les couches interagissent, ce qui a un impact sur l'intégrité du signal, la gestion thermique et la fabrication.et séparer les couches de puissance bruyante des couches de signal sensiblesJe suis désolé.

Configurations communes de l'ensemble des IHD

Principaux principes de l'accumulation
1. Séparation de la puissance du signal: placer des plans au sol adjacents aux couches de signal à haute vitesse (par exemple, traces RF de 50Ω) pour contrôler l'impédance et réduire l'EMI. Pour les paires de différentiels (par exemple, USB 3.2),maintenir une impédance de 90Ω par espacement des traces 0.2 0.3 mm de séparation.
2. Stratégie de microvias: Utilisez des microvias de rapport d'aspect 1:1 (50 μm de diamètre, 50 μm de profondeur) pour minimiser la réflexion du signal.
3Couches thermiques: inclure une couche de cuivre épaisse (2 oz) ou un noyau en aluminium dans un HDI haute puissance (par exemple, des chargeurs de véhicules électriques) pour dissiper la chaleur.Un HDI de 12 couches avec un plan de sol de 2 oz de cuivre réduit les températures des composants de 15 ° CJe suis désolé.

Optimisation des performances du signal dans les conceptions HDI
La densité élevée des HDI augmente le risque de dégradation du signal dû au bruit croisé, à la réflexion et à l'EMI. Ces stratégies garantissent des performances fiables:

1Contrôle de l' impédance.
a.Impédances cibles: 50Ω pour les traces RF à extrémité unique, 90Ω pour les paires différentielles (par exemple, PCIe 4.0) et 75Ω pour les signaux vidéo.
b.Outils de calcul: Utilisez un logiciel tel que Polar Si8000 pour ajuster la largeur des traces (35 mil pour 50Ω dans les panneaux de 0,8 mm d'épaisseur) et l'épaisseur diélectrique (46 mil pour les matériaux à faible Dk).
c. Épreuves: vérifier par TDR (réflectométrie du domaine temporel) pour s'assurer que la variation d'impédance reste à ± 10% de la cible.

2Réduction de l' écho.
a.Espace entre les traces: maintenir les traces parallèles à au moins 3 fois leur largeur d'écart (par exemple, les traces de 5 mm nécessitent un espacement de 15 mm) afin de réduire le bruit croisé à moins de -30 dB.
b.Plaines du sol: les plans du sol solides entre les couches de signal agissent comme des boucliers, réduisant le bruit croisé de 60% dans un HDI à 12 couches.
c. Routage: éviter les virages à angle droit (utiliser des angles de 45°) et minimiser les trajets parallèles de plus de 0,5 pouces.

3Par l' optimisation.
a.Viages aveugles/enterrés: ces vias ne pénètrent pas la totalité de la planche, réduisant la longueur de la tige (une source de réflexion) de 70% par rapport aux trous.
b.Via Stubs: conserver la longueur de stub < 10% de la longueur d'onde du signal (par exemple, < 2 mm pour les signaux de 28 GHz) pour éviter la résonance.
c. Conception anti-pad: utiliser des anti-pads de diamètre 2x (100 μm anti-pad pour 50 μm via) afin d'éviter les interférences avec le plan de sol.

4- Le blindage électrique.
a. Cages de Faraday: Envelopper les circuits sensibles (par exemple, les modules GPS) avec des boucliers de cuivre mis à la terre connectés au plan de terre.
b.Filtrage: ajouter des perles de ferrite ou des condensateurs aux ports de connexion pour empêcher l'EMI d'entrer/de sortir du HDI.

Applications et résultats de l'IDH dans le monde réel
a.5G Smartphones: Un téléphone de 6,7 pouces avec 1+4+1 HDI stackup (FR-4 à faible Dk) peut contenir 20% de plus de composants qu'un PCB rigide, prenant en charge les caméras 5G mmWave et 4K sans augmenter la taille.
b.Ultrasons médicaux: une HDI complète de 12 couches avec matériau PTFE (Dk 2.8) permet un traitement du signal 30% plus rapide, améliorant la résolution de l'image de 15%.
c. Capteurs aérospatiaux: un HDI à 8 couches avec PTFE rempli de céramique fonctionne de manière fiable à -55°C à 125°C, avec une perte de signal < 0,5 dB à 40 GHz, ce qui est essentiel pour la communication par satellite.

FAQ
Q: Combien l'IDH ajoute-t-il au coût des PCB?
R: Le HDI coûte 20 à 50% de plus que les PCB traditionnels, mais les économies d'espace de 30% et l'amélioration des performances de 40% justifient l'investissement dans des appareils de grande valeur (par exemple, modems 5G, équipements médicaux).
Q: Quelle est la plus petite largeur de trace dans l'IDH?
R: HDI avancé prend en charge les traces de 10 μm (0,4 mil), mais 25 ‰ 50 μm est la norme pour la fabrication.
Q: Quand dois-je utiliser la stratification séquentielle?
R: La stratification séquentielle (couches de construction une à la fois) est idéale pour les HDI de plus de 12 couches, permettant un contrôle plus fin du placement des microvies et réduisant le désalignement des couches à < 10 μm.

Conclusion
La conception de circuits imprimés HDI exige un équilibre stratégique des matériaux, de l'empilement et de l'optimisation du signal.Les ingénieurs peuvent libérer tout le potentiel de l'électronique haute densitéQue ce soit pour la 5G, les dispositifs médicaux ou les systèmes aérospatiaux, l'IDH ne consiste pas seulement à emballer plus de composants, mais à fournir des solutions fiables et performantes dans le plus petit facteur de forme possible.