เทคโนโลยี HDI PCB: คู่มือสมบูรณ์สำหรับการออกแบบวงจรพิมพ์ความหนาแน่นสูง

HDI PCB คืออะไร?

เทคโนโลยี HDI (High Density Interconnect) PCB เป็นนวัตกรรมแผงวงจรพิมพ์ที่ช่วยให้สามารถบรรจุฟังก์ชันการทำงานมากขึ้นในพื้นที่จำกัด ผ่านการใช้รูปแบบการเชื่อมต่อแบบละเอียดและโครงสร้าง via ขั้นสูง ตามมาตรฐาน IPC-2226 แผงวงจร HDI จะมีคุณสมบัติอย่างน้อยหนึ่งข้อดังนี้:

• Microvias (เส้นผ่านศูนย์กลาง ≤150μm)
• Blind และ/หรือ Buried vias
• เส้นตัวนำและช่องว่างแบบละเอียด (≤100μm)
• ความหนาแน่นของ pad เชื่อมต่อสูง

เมื่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลงและจำนวนขาเชื่อมต่อเพิ่มขึ้น เทคโนโลยี HDI จึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อ IC สมัยใหม่โดยไม่ต้องใช้แผงวงจรขนาดใหญ่จนเกินไป สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแพ็คเกจ BGA และชิ้นส่วนระยะห่างแคบที่ใช้ในการประกอบ SMT

เปรียบเทียบ HDI PCB กับ PCB แบบมาตรฐาน

สำหรับการเปรียบเทียบกับแผงวงจรมาตรฐาน ดูบริการ FR4 PCB และ multilayer PCB ของเรา

คุณสมบัติหลักของ HDI

Microvias (ไมโครเวีย)

Microvias คือรูเจาะขนาดเล็ก (โดยทั่วไป ≤150μm) ที่เชื่อมต่อชั้นที่อยู่ติดกัน โดยสร้างขึ้นด้วยการเจาะด้วยเลเซอร์แทนการเจาะแบบกล

ข้อดี:

• เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กช่วยประหยัดพื้นที่ PCB
• สามารถวางไว้ใน pad ของชิ้นส่วนได้
• เส้นทางสัญญาณสั้นกว่าและเร็วกว่า
• ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าดีขึ้น

การเจาะด้วยเลเซอร์:

• เลเซอร์ CO2 สำหรับ microvias ขนาดใหญ่
• เลเซอร์ UV สำหรับรายละเอียดที่เล็กกว่า
• ควบคุมความลึกได้อย่างแม่นยำ
• ความเร็วในการผลิตสูง

Blind Vias (บลายด์เวีย)

Blind vias เป็นรูเจาะที่เชื่อมต่อชั้นนอกกับชั้นในหนึ่งชั้นหรือมากกว่าโดยไม่ทะลุผ่านทั้งแผงวงจร

ตัวอย่าง: รูเจาะจากชั้น 1 ถึงชั้น 2 เท่านั้น ไม่มองเห็นจากชั้น 4 (ด้านล่าง)

ประโยชน์:

• ประหยัดพื้นที่ routing ในชั้นภายใน
• ช่วยให้สามารถ routing ใต้ BGA ได้
• Signal integrity ดีขึ้น

Buried Vias (บิวเรียดเวีย)

Buried vias เชื่อมต่อเฉพาะชั้นภายในเท่านั้น ไม่สามารถมองเห็นจากพื้นผิวทั้งสองด้าน

ตัวอย่าง: รูเจาะที่เชื่อมต่อชั้น 2 กับชั้น 3 เท่านั้น

ประโยชน์:

• เพิ่มพื้นที่ routing ชั้นนอกสูงสุด
• สามารถมีช่องทาง routing หลายช่องในตำแหน่ง X-Y เดียวกัน
• สามารถสร้างการเชื่อมต่อที่ซับซ้อนได้

Stacked และ Staggered Vias

Stacked Vias:

• Microvias ซ้อนกันตรงๆ
• เชื่อมต่อหลายชั้นในแนวตั้ง
• ต้องการ via ที่เติมและปรับระดับให้เรียบ
• ต้นทุนสูงกว่า แต่ความหนาแน่นดีกว่า

Staggered Vias:

• Microvias เยื้องกัน
• ผลิตง่ายกว่า
• ต้นทุนต่ำกว่า
• ยังคงสามารถเปลี่ยนชั้นได้

โครงสร้าง HDI Build-Up

แผงวงจร HDI ใช้เทคโนโลยี build-up โดยเพิ่มชั้นทีละชั้นแทนการ laminate ทั้งหมดพร้อมกัน

โครงสร้างทั่วไป

1+N+1:

• ชั้น build-up หนึ่งชั้นแต่ละด้าน
• แกนกลาง (N ชั้น) + ชั้น microvia 1 ชั้นด้านบนและ 1 ชั้นด้านล่าง
• โครงสร้าง HDI ที่พบได้บ่อยที่สุด
• สมดุลระหว่างความสามารถและต้นทุน

2+N+2:

• ชั้น build-up สองชั้นแต่ละด้าน
• รองรับ microvias แบบ stacked หรือ staggered
• ความหนาแน่นสูงกว่า 1+N+1
• กระบวนการซับซ้อนกว่า

3+N+3:

• ชั้น build-up สามชั้นแต่ละด้าน
• สำหรับการใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นสูงมาก
• ซับซ้อนและมีราคาแพง

Any-Layer HDI:

• ทุกชั้นเชื่อมต่อกันด้วย microvias
• ความยืดหยุ่นในการออกแบบสูงสุด
• ความหนาแน่นสูงสุด
• ราคาแพงที่สุด

ELIC (Every Layer Interconnect)

เทคโนโลยี ELIC อนุญาตให้เชื่อมต่อระหว่างสองชั้นที่อยู่ติดกันได้ทุกตำแหน่งบนแผงวงจร ซึ่งให้ประโยชน์:

• ความยืดหยุ่นในการ routing สูงสุด
• การออกแบบที่เล็กที่สุดเท่าที่เป็นไปได้
• เหมาะที่สุดสำหรับชิ้นส่วนระยะห่างแคบมาก
• ราคาระดับพรีเมียม

ข้อพิจารณาในการออกแบบ

การออกแบบ Pad และ Via

Via-in-Pad:

• Microvias วางตรงใน pad ของชิ้นส่วน
• จำเป็นสำหรับ BGA ระยะห่างแคบ
• ต้องการ via ที่เติมและปรับระดับให้เรียบ
• Signal integrity ดีที่สุด

การเติม Via:

• การเติมแบบนำไฟฟ้า (ชุบทองแดง)
• การเติมแบบไม่นำไฟฟ้า (เรซิน)
• ปรับระดับให้เรียบเพื่อติดตั้งชิ้นส่วน
• จำเป็นสำหรับ via-in-pad และการซ้อนชั้น

Escape Routing

การ routing ออกจาก BGA แสดงให้เห็นประโยชน์ของ HDI:

PCB มาตรฐาน:

• Via ระหว่าง pad เท่านั้น
• ช่องทางออกจำกัด
• อาจต้องใช้หลายชั้นมากขึ้น

HDI PCB:

• Via-in-pad ช่วยให้เชื่อมต่อได้โดยตรง
• มีช่องทางออกมากขึ้น
• ใช้ชั้นน้อยลง

Aspect Ratio

สำหรับ microvias, aspect ratio = ความลึก/เส้นผ่านศูนย์กลาง

ข้อจำกัดทั่วไป:

• Microvia มาตรฐาน: 1:1
• ขั้นสูง: สูงสุด 1.5:1
• Ultra HDI: 2:1 (ยากมาก)

Aspect ratio ต่ำ = ชุบได้ง่ายและเชื่อถือได้กว่า

การวางแผน Stackup

HDI stackup ต้องการการวางแผนอย่างรอบคอบ:

1. กำหนดจำนวนชั้น ตามความต้องการ routing
2. วางแผนโครงสร้าง via (1+N+1, 2+N+2 ฯลฯ)
3. กำหนดหน้าที่ของชั้น (สัญญาณ, power, ground)
4. พิจารณา impedance ที่ต้องการ
5. สมดุลการกระจายทองแดง

ประโยชน์ของ HDI

ความหนาแน่นสูงขึ้น

• การเชื่อมต่อมากขึ้นต่อตารางนิ้ว
• ขนาดแผงวงจรเล็กลง
• น้ำหนักเบาลง
• ประหยัดค่าวัสดุ

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าดีขึ้น

เส้นทางสัญญาณสั้นลง:

• Microvias ใน pad ขจัด dog bones
• ลด inductance
• ความไม่ต่อเนื่องของ impedance ต่ำลง

Signal Integrity ดีขึ้น:

• Via stub น้อยลง
• ควบคุม impedance ได้ดีขึ้น
• Crosstalk ลดลง

การส่ง Power ดีขึ้น:

• ตำแหน่งสำหรับ decoupling capacitor มากขึ้น
• เส้นทาง power สั้นลง
• Inductance ต่ำในการส่ง power

ความยืดหยุ่นในการออกแบบ

• Routing ออกจาก package ระยะห่างแคบได้
• Routing ใต้ชิ้นส่วนได้
• ตัวเลือก routing หลายทาง
• รองรับ IC ที่ซับซ้อน

ประหยัดต้นทุน

แม้ HDI จะมีต้นทุนต่อชั้นสูงกว่า แต่ต้นทุนรวมอาจต่ำกว่า:

• ใช้ชั้นน้อยลง
• ขนาดแผงวงจรเล็กลง
• ลดวัสดุ
• Yield ในการประกอบดีขึ้น

การประยุกต์ใช้งาน

สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต

สมาร์ทโฟนทุกเครื่องใช้ HDI:

• โปรเซสเซอร์แอปพลิเคชันระยะห่างแคบ
• ขนาดเล็กสุดที่เป็นไปได้
• ฟีเจอร์หลายอย่างในพื้นที่จำกัด
• รูปทรงบาง

ดูเพิ่มเติม: โซลูชันอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค

อุปกรณ์สวมใส่

นาฬิกาอัจฉริยะ, สายรัดข้อมือติดตามสุขภาพ:

• ข้อจำกัดด้านขนาดสูงมาก
• ฟังก์ชันการทำงานซับซ้อน
• HDI แบบ Flex-rigid ใช้กันทั่วไป (ดู คู่มือ flex PCB)

อุปกรณ์ทางการแพทย์

อุปกรณ์ฝังในร่างกาย, การวินิจฉัย:

• การทำให้เล็กลงเป็นสิ่งสำคัญ
• ความน่าเชื่อถือสูงตามมาตรฐาน ISO 13485
• การใช้งานที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ

ดูเพิ่มเติม: การผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์

ยานยนต์

ระบบ ADAS, อินโฟเทนเมนต์:

• การประมวลผลความเร็วสูง
• การรวมเซ็นเซอร์
• ข้อจำกัดด้านพื้นที่
• การปฏิบัติตาม IATF 16949

ดูเพิ่มเติม: อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์

เครือข่าย/เซิร์ฟเวอร์

การประมวลผลข้อมูลความเร็วสูง:

• IC ระยะห่างแคบจำนวนมาก
• Signal integrity สำคัญมาก
• การเชื่อมต่อที่หนาแน่น

ดูเพิ่มเติม: โซลูชันโทรคมนาคม

การบินอวกาศ/การป้องกันประเทศ

เรดาร์, การสื่อสาร:

• ความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งจำเป็นตาม AS9100
• สัญญาณความเร็วสูง
• ไวต่อขนาดและน้ำหนัก

ดูเพิ่มเติม: โซลูชันการบินอวกาศและการป้องกัน

กระบวนการผลิต

ลำดับการสร้าง Build-Up

สำหรับ HDI แบบ 2+4+2:

1. ผลิตแกน 4 ชั้น (กระบวนการมาตรฐาน)
2. เพิ่มชั้นไดอิเล็กทริก
3. เจาะ microvias ด้วยเลเซอร์
4. ชุบ microvias และชั้นทองแดง
5. สร้างลวดลายชั้นนอก
6. ทำซ้ำสำหรับชั้น build-up ที่สอง
7. การประมวลผลชั้นนอกขั้นสุดท้าย
8. การเคลือบผิว

การเจาะด้วยเลเซอร์

เลเซอร์ CO2:

• เจาะเฉพาะไดอิเล็กทริก
• หยุดที่ทองแดง (หน้าต่าง)
• ขนาดใหญ่กว่า (>75μm)

เลเซอร์ UV:

• เจาะทั้งไดอิเล็กทริกและทองแดง
• ขนาดเล็กกว่า (<75μm)
• ความแม่นยำสูงกว่า

การเติม Via และการปรับระดับ

สำหรับ stacked vias และ via-in-pad:

1. เจาะ via และชุบ
2. ใส่วัสดุเติม
3. อบแห้ง
4. ปรับระดับพื้นผิวให้เรียบ
5. ชุบทับหากจำเป็น

กฎการออกแบบ

กฎการออกแบบ HDI ทั่วไป

การออกแบบเพื่อการผลิต

ปฏิบัติตามความสามารถของผู้ผลิต:

• ขอกฎการออกแบบตั้งแต่เนิ่นๆ
• ใช้ค่าความคลาดเคลื่อนที่เหมาะสม
• พิจารณาผลกระทบต่อ yield

การวางแผนโครงสร้าง Via:

• ซ้อน (stack) เฉพาะเมื่อจำเป็น
• เยื้อง (stagger) เมื่อเป็นไปได้
• วางแผนการเปลี่ยนชั้น

การ routing ออก:

• ใช้ via-in-pad อย่างมีกลยุทธ์
• วางแผนการออกจาก BGA ตั้งแต่เนิ่นๆ
• พิจารณาข้อกำหนดการประกอบ

ปัจจัยด้านต้นทุน

สิ่งที่เพิ่มต้นทุน HDI

• ชั้น build-up มากขึ้น
• Stacked vias
• ขนาดละเอียดกว่า
• ค่าความคลาดเคลื่อนแคบกว่า
• ข้อกำหนดการเติม via
• จำนวนชั้นมากขึ้น

การเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน

• ใช้ HDI ขั้นต่ำที่จำเป็น
• เยื้อง vias เมื่อเป็นไปได้
• ทำให้คุณสมบัติเป็นมาตรฐาน
• ออกแบบภายในความสามารถ
• พิจารณาต้นทุนรวม (ชั้นน้อยลงอาจประหยัดเงินได้)

คุณภาพและความน่าเชื่อถือ

การทดสอบ

• การทดสอบทางไฟฟ้า 100%
• การวิเคราะห์ภาคตัด
• การประเมิน microsection
• การทดสอบความน่าเชื่อถือทางความร้อน

ปัญหาที่พบบ่อย

ความน่าเชื่อถือของ Microvia:

• ความหนาการชุบที่เหมาะสม
• ไม่มีโพรงในการเติม
• การห่อหุ้มทองแดงที่ดี

การจัดตำแหน่ง:

• การจัดแนวระหว่างชั้น
• สำคัญสำหรับ stacked vias
• มีผลต่อ yield

มาตรฐาน IPC

ตามแนวทาง IPC:

• IPC-2226: มาตรฐานการออกแบบ HDI
• IPC-6016: การรับรอง HDI
• IPC-4104: วัสดุสำหรับ HDI

ดูเพิ่มเติม IPC-A-610 สำหรับเกณฑ์การยอมรับการประกอบ

เมื่อใดควรใช้ HDI

ผู้สมัครที่เหมาะสม

• BGA ระยะห่างแคบ (≤0.65mm pitch)
• การออกแบบที่หนาแน่นพร้อมความท้าทายในการ routing
• การใช้งานที่ขนาด/น้ำหนักสำคัญ
• สัญญาณความเร็วสูง
• จำนวนชิ้นส่วนมาก

อาจไม่จำเป็นต้องใช้ HDI

• การออกแบบที่เรียบง่ายพร้อมชิ้นส่วนขนาดใหญ่
• บอร์ดที่มี through-hole เป็นหลัก
• ผลิตภัณฑ์สินค้าโภคภัณฑ์ที่ต้นทุนสำคัญ
• ต้นแบบ (พิจารณามาตรฐานก่อน)

การเริ่มต้นกับ HDI

กระบวนการออกแบบ

1. ประเมินความจำเป็น - HDI จำเป็นหรือไม่?
2. เลือกผู้ผลิต - ตรวจสอบความสามารถ
3. รับกฎการออกแบบ - ใช้ความสามารถของพวกเขา
4. วางแผน stackup - ด้วยข้อมูลจากผู้ผลิต
5. ออกแบบด้วย DFM - ปฏิบัติตามแนวปฏิบัติที่ดีที่สุด
6. ตรวจสอบกับผู้ผลิต - ก่อนปล่อย

ข้อมูลสำหรับการขอใบเสนอราคา

• Stackup และจำนวนชั้น
• โครงสร้าง Via (1+N+1 ฯลฯ)
• ขนาดคุณสมบัติ
• ข้อกำหนดวัสดุ
• จำนวนและการจัดส่ง

สรุป

เทคโนโลยี HDI ช่วยให้อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่สามารถเชื่อมต่อชิ้นส่วนที่ซับซ้อนมากขึ้นในพื้นที่เล็กลง แม้จะซับซ้อนกว่า PCB มาตรฐาน แต่ HDI เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานหลายอย่าง และสามารถลดต้นทุนรวมได้จริงผ่านขนาดบอร์ดที่เล็กลงและชั้นที่น้อยลง

ความสำเร็จกับ HDI ต้องการ:

• ความเข้าใจในเทคโนโลยี
• การมีส่วนร่วมกับผู้ผลิตตั้งแต่เนิ่นๆ
• กฎการออกแบบที่เหมาะสม (ดู แนวทางการออกแบบ PCB ของเรา)
• แนวทางที่เน้น DFM

บริการ HDI PCB ของเรารองรับโครงสร้างตั้งแต่ 1+N+1 ถึงการออกแบบแบบ any-layer พร้อมการสนับสนุนทางวิศวกรรมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบของคุณสำหรับการผลิตและต้นทุน ร่วมกับความสามารถการประกอบ BGA ของเรา เราส่งมอบโซลูชันที่สมบูรณ์สำหรับการออกแบบความหนาแน่นสูง

บทความที่เกี่ยวข้อง

• แนวทางการออกแบบ PCB สำหรับการผลิต
• คู่มือ Flex และ Rigid-Flex PCB
• คู่มือการเลือก PCB Surface Finish
• การเปรียบเทียบการประกอบ SMT vs THT

อ้างอิง

1. IPC - Association Connecting Electronics Industries: www.ipc.org
2. IPC-2226 มาตรฐานการออกแบบ HDI: www.ipc.org
3. IPC-A-610 เกณฑ์การยอมรับการประกอบอิเล็กทรอนิกส์: www.ipc.org
4. IEEE - High Density Interconnect: www.ieee.org
5. ISO 13485 อุปกรณ์การแพทย์: www.iso.org
6. SAE AS9100 คุณภาพการบินอวกาศ: www.sae.org