Застосовуйте HDI, коли звичайна конструкція друкованої плати не дає змоги виконати вимоги до розводки BGA, шарів, електричних характеристик і складання в межах технологічного процесу, схваленого виробником. Не ухвалюйте рішення лише за кроком кулькових виводів: порівняйте практичні варіанти розводки за однакової карти виводів, обмежень структури шарів і потреб у перевірці.
Цей вибір впливає як на вартість виготовлення, так і на доступні міжшарові з’єднання. Докладніше див. вартість HDI-плат і планування глухих і прихованих перехідних отворів.
Чому сам крок виводів не дає відповіді на питання про HDI
Крок кулькових виводів BGA частково визначає доступний простір для трасування, але не описує всю задачу розводки. Два корпуси з однаковим кроком можуть відрізнятися призначенням виводів, доступними шляхами трасування, потребами в живленні й заземленні та електричними обмеженнями.
Приклад розводки BGA. Саме зображення не дає змоги визначити конструкцію перехідних отворів або структуру шарів.
Перш ніж вибрати конструкцію перехідних отворів, врахуйте:
- Карту кулькових виводів і їхні функції. Сигнальні виводи, виводи живлення та землі, непідключені й зарезервовані виводи визначають, які траси потрібно вивести із зони корпусу та куди вони можуть проходити.
- Геометрію трасування. Контактні майданчики, зазори, ширини провідників і допустимі локальні звуження мають бути сумісними з передбаченим процесом виготовлення.
- Функції шарів. Траса не буде корисною, якщо для неї доведеться пожертвувати опорною площиною або розподілом живлення, потрібними проєкту.
- Електричні характеристики. Імпеданс, шляхи зворотного струму, перехресні завади та міжшарові переходи можуть обмежити варіант розводки, який геометрично здається можливим.
- Виготовлення та складання. Розташування перехідних отворів, конструкція контактних майданчиків, придатність до паяння та термічний вплив мають відповідати запропонованим процесам.
У документі Texas Instruments AM62Lx Escape Routing Guidelines, SPRADI2, показано, що для конкретного пристрою та карти виводів можна використовувати металізовані наскрізні отвори без мікроперехідних отворів. Це корисне свідчення того, що звичайний варіант розводки варто розглянути, але не доказ того, що інший BGA працюватиме так само.
У рекомендаціях AMD UG1099 щодо кількості шарів також названо тип корпусу, крок виводів, призначення виводів, ширину трас і технологію виготовлення як вихідні параметри. Якщо проєкт потребує локального звуження трас, узгодьте його як із виробником плати, так і з командою із забезпечення цілісності сигналів, а не вважайте безумовним способом заощадити місце.
Порівнюйте варіанти розводки за єдиним набором вимог
Порівнюючи конструкції друкованої плати, залишайте незмінними компонент, карту виводів, електричні вимоги та припущення щодо складання.
Гіпотетичне порівняння
Припустімо, команда проєктувальників оцінює BGA за обмежених габаритів плати та наявності кількох сигналів, які потребують визначених опорних шляхів. Команда ще не встановила, чи потрібна для розводки HDI-конструкція. Вона готує три варіанти:
- Звичайний варіант: металізовані наскрізні отвори та трасування на доступних сигнальних шарах.
- Варіант з обмеженим застосуванням HDI: глухі перехідні отвори з меншими міжшаровими діапазонами там, де вони потрібні для розводки, зі збереженням звичайного підходу в інших місцях.
- Складніший варіант HDI: додаткові міжшарові переходи, можливо зі складеними або зміщеними мікроперехідними отворами, якщо перші два варіанти не задовольняють вимог.
Це варіанти для оцінювання, а не прогнозовані результати. Для кожного з них зафіксуйте таке:
| Пункт перевірки | Що потрібно встановити |
|---|---|
| Завершеність трасування | Чи можна вивести кожне потрібне з’єднання з-під BGA та довести його до кінцевої точки без порушення узгоджених геометричних та електричних правил? |
| Використання шарів | Скільки сигнальних шарів потрібно і чи залишаються придатними для використання заплановані шари живлення та опорні шари? |
| Порушення цілісності площин | Чи не переривають зазори навколо перехідних отворів, антимайданчики та переходи шляхи зворотного струму або чи не створюють небажаної щільності розводки? |
| Міжшарові діапазони отворів | Які пари шарів потрібно з’єднати і чи сумісні ці діапазони із запропонованою структурою шарів та послідовністю виготовлення? |
| Конструкція контактних майданчиків | Чи є перехідні отвори в паяних контактних майданчиках? Якщо так, які вимоги застосовуються до заповнення, закриття отворів, покриття та контролю? |
| Електрична перевірка | Чи відповідають імпеданс, шляхи зворотного струму, переходи та будь-які локальні звуження вимогам проєкту? |
| Технологічна здійсненність і підтвердження | Чи прийме виробник таку конструкцію та які результати контролю або репрезентативні дані про надійність потрібні? |
Після перевірки технологічної здійсненності виробником виберіть варіант, який відповідає вимогам із мінімально необхідною складністю. Найменша кількість шарів не завжди є найкращим вибором: конструкція може заощадити шари, але водночас спричинити неприйнятні розриви опорної площини або залишити невирішені ризики складання.
Від карти виводів до архітектури шарів
Для першого наближення варто розділити з’єднання за функціями. Визначте, які кулькові виводи потребують трасування, які підключаються до живлення чи землі, а які зарезервовані або обмежені іншим чином згідно з документацією на пристрій. Перш ніж визначати структуру шарів, перевірте, чи є рекомендації щодо розводки або розміщення корпусу.
Потім складіть попередній план шарів:
- Призначте шарам імовірні сигнальні, опорні та живильні функції.
- Визначте, де важливим сигналам потрібні неперервні опорні шляхи.
- Нанесіть на схему потрібні переходи між шарами.
- Перевірте, чи не займає розводка BGA простір, потрібний іншим компонентам, площинам або трасам.
- Обговоріть отриману архітектуру з виробником плати.
Структура шарів — це більше, ніж їхня кількість. Розташування мідних і діелектричних шарів, матеріали, товщини, цільові значення імпедансу та міжшарові діапазони перехідних отворів взаємопов’язані. Зміна, внесена для створення додаткового шляху розводки, може також змінити електричне середовище або можливу послідовність виготовлення. Посібник із проєктування структури шарів друкованої плати допоможе розпочати документування цих рішень.
Не чекайте завершення трасування, щоб запитати, чи можна виготовити таку структуру шарів. Виробник може запропонувати іншу конструкцію або виявити деталь, що потребує зміни топології. Порушуйте ці питання заздалегідь, поки альтернативні варіанти розводки ще практично здійсненні.
Вибирайте міжшарові діапазони отворів за потребами з’єднання, а не за назвою
Міжшаровий діапазон перехідного отвору вказує, які шари він з’єднує. Ця інформація корисніша в запиті комерційної пропозиції, ніж просто прохання виготовити «HDI-плату».
Металізовані наскрізні отвори
Металізований наскрізний отвір проходить крізь усю товщину плати та забезпечує з’єднання між шарами. Він може бути практичним варіантом розводки BGA, якщо це дозволяють розташування контактних майданчиків, канали трасування, план шарів та електричні вимоги.
Його проходження через усю товщину плати також має наслідки. Зазори навколо наскрізних отворів займають місце на шарах, які сигнал може не використовувати, а в переході може залишитися невикористана частина отвору, важлива для електричного проєктування. Оцінюйте ці ефекти з урахуванням конкретного сигналу та структури шарів; не припускайте, що кожен наскрізний отвір обов’язково нешкідливий або непридатний.
Глухі та приховані перехідні отвори
Глухий перехідний отвір з’єднує зовнішній шар із внутрішнім. Прихований перехідний отвір з’єднує внутрішні шари, не виходячи на зовнішню поверхню. За належного застосування вони можуть звільнити місце на шарах, яке інакше займав би наскрізний отвір.
Ця перевага пов’язана з рішеннями щодо конструкції. Запитані міжшарові діапазони мають відповідати послідовності шарів, а різні їхні комбінації можуть впливати на спосіб виготовлення плати. Явно зазначайте кожну потрібну пару шарів. Якщо для одного з’єднання у варіанті використовується кілька переходів, покажіть повний шлях, а не просто перелічіть отвори окремо.
Складені та зміщені мікроперехідні отвори
Для деяких варіантів розводки можуть знадобитися переходи через більш ніж один міжшаровий інтервал. Залежно від конструкції мікроперехідні отвори можна розташувати один над одним або зі зміщенням.
Жодне з цих розташувань не є універсальним рішенням для забезпечення надійності. Значення мають геометрія, матеріали, процес виготовлення та термічний вплив. Попросіть виробника перевірити фактичну конфігурацію та надати узгоджені підтвердження, що відповідають конкретному застосуванню. Якщо топологія допускає кілька варіантів розташування, перед вибором порівняйте їхній вплив на трасування, площини та конструкцію.
У статті Microvia Reliability Failure Modes, розміщеній на ресурсі IPC, розглядаються залежні від конструкції механізми відмов і репрезентативні тестові купони. Це корисний довідковий матеріал, який допоможе ставити точніші запитання, але сама стаття 2009 року не є чинним обов’язковим стандартом IPC.
Розглядайте перехідні отвори в контактних майданчиках як рішення для виготовлення та складання
Розміщення перехідного отвору в контактному майданчику BGA може створити додаткові можливості трасування за обмеженого простору. Воно також змінює вимоги до паяного майданчика. Проєктувальник, виробник плати та виконавець складання мають однаково розуміти, якою повинна бути поверхня і які процеси відбуватимуться далі.
Для кожного перехідного отвору в контактному майданчику задокументуйте:
- Геометрію майданчика та отвору, зокрема його міжшаровий діапазон.
- Необхідну конструкцію заповнення та закриття отвору, узгоджену з виробником.
- Вимоги до фінішного покриття та паяного контактного майданчика.
- Критерії контролю та приймання готового елемента.
- Термічний вплив під час складання, якого, за очікуваннями, зазнає плата.
Не припускайте, що примітка «перехідний отвір у контактному майданчику» повністю визначає конструкцію. Так само не задавайте заповнення або закриття за звичкою, не підтвердивши їхню придатність для конкретного майданчика, структури шарів і процесу складання. Посібник із планування перехідних отворів допоможе перетворити ці рішення на чіткі виробничі дані.
Захищайте сигнальні шляхи, створюючи простір для трасування
Розводка може здаватися завершеною на сигнальному шарі, водночас створюючи електричну проблему в іншому місці. Розглядайте трасу, її опорну площину, кожен перехід і кінцеву точку як єдину систему.
Зверніть особливу увагу на:
- Неперервність опорної площини. Перевірте, що відбувається зі шляхом зворотного струму, коли сигнал виходить із зони корпусу та переходить між шарами.
- Порушення цілісності площин. Перевірте, чи не створюють зазори навколо перехідних отворів і щільні ділянки розводки розрізів або вузьких проходів в опорних площинах і площинах живлення.
- Імпеданс. Задайте потрібні цільові значення та допуски для відповідних структур і перевірте, чи забезпечує їх запропонована структура шарів.
- Локальні звуження. Визначте їхнє розташування та геометрію, а за потреби передайте на перевірку виробнику й команді із забезпечення цілісності сигналів.
- Переходи. Врахуйте електричний вплив фактичного шляху через перехідні отвори та будь-якої невикористаної частини наскрізного отвору.
- Зв’язані траси. Перевірте, чи можуть диференційні та інші зв’язані сигнали зберігати потрібну геометрію під час розводки та проходження переходів.
Результати вимірювання імпедансу на тестовому купоні або звіт TDR, якщо вони входять до узгодженого плану перевірки, слід інтерпретувати з урахуванням визначеної структури шарів і умов випробування. Вони автоматично не підтверджують, що кожна траса або готовий виріб відповідає своїм вимогам. Див. як читати звіт TDR тестового купона для вимірювання імпедансу.
Будуйте перевірку на основі фактичної конструкції
Технічно правдоподібне креслення — це не те саме, що підтвердження придатності конкретної конструкції для її застосування. Перш ніж передавати проєкт у виробництво, узгодьте, що саме перевірятиметься та які підтвердження потрібні.
У межах виготовлення друкованої плати попросіть виробника підтвердити здійсненність запропонованої структури шарів, міжшарових діапазонів, конструкції контактних майданчиків і відповідних геометричних параметрів. Узгодьте вимоги до контролю та приймання елементів, важливих для проєкту. Якщо потрібне підтвердження надійності, запитайте, наскільки воно репрезентативне для фактичної структури шарів, конструкції перехідних отворів, матеріалів та очікуваної термічної історії.
Складання додає ще один набір умов. Повідомте очікуваний термічний вплив і вимоги до паяних контактних майданчиків та узгодьте виробничі деталі з процесом складання. Сам по собі результат контролю виготовлення не підтверджує, що складання буде успішним.
Кваліфікація готової системи — окремий вид робіт. Приймання плати або складеного вузла саме по собі не підтверджує працездатності виробу в передбачених умовах використання та навколишнього середовища. Команда проєкту має визначити, яка кваліфікація на рівні системи потрібна для цього застосування.
Якщо стандарти або документація на пристрій є частиною критеріїв приймання, зазначте у вимогах проєкту відповідний документ і його редакцію. Не замінюйте схвалену виробником конструкцію та валідацію для конкретного проєкту припущенням про універсальне граничне значення для мікроперехідних отворів, кількість отворів у стосі або кількість циклів.
Підготуйте RFQ, який дасть виробнику змогу оцінити проєкт
Змістовний запит комерційної пропозиції для HDI-плати описує і саму плату, і рішення, які залишаються відкритими. За потреби включіть таке:
- Інформація про корпус: ідентифікація пристрою, креслення корпусу, карта кулькових виводів і відповідні рекомендації виробника пристрою.
- Проєктні дані: актуальна топологія та файли для виготовлення із зазначенням критичних ділянок і будь-яких ще не визначених варіантів розводки.
- Архітектура шарів: запропонована структура шарів, їхні функції, вимоги до товщини плати та матеріалів.
- Інформація про перехідні отвори: потрібні міжшарові діапазони, розташування отворів у контактних майданчиках, запропоновані складені або зміщені конфігурації та вимоги до заповнення й закриття.
- Електричні вимоги: цільові значення імпедансу та допуски, відповідні структури й будь-які ділянки, де потрібна спеціальна перевірка переходів або локальних звужень.
- Покриття та кількість: фінішне покриття, кількість та інші вимоги до замовлення, потрібні для оцінювання можливості виготовлення.
- Вплив під час складання: очікувана термічна історія складання та вимоги до паяних контактних майданчиків.
- Приймання: застосовні документи та їхні редакції, вимоги до контролю та будь-які підтвердження надійності, потрібні для конкретного застосування.
Попросіть виробника надати висновок щодо технологічної здійсненності, запропоновану ним конструкцію, усі необхідні зміни проєкту, а також інформацію про контроль і репрезентативні підтвердження, які можна узгодити для проєкту. Якщо якась вимога ще не визначена, позначте її як відкрите питання, а не залишайте виробнику здогадуватися.
Коли порівняння варіантів розводки та пакет RFQ будуть готові, ви можете запросити комерційну пропозицію в APTPCB або зв’язатися з APTPCB, надавши запропоновану конструкцію та відкриті питання. Огляд цієї категорії плат див. на сторінці HDI-друковані плати.