HDI PCB là gì? Công nghệ kết nối mật độ cao hoạt động như thế nào

Hình ảnh nhân bản của khách hàng

PCB kết nối mật độ cao (HDI) đã cách mạng hóa thiết kế điện tử, cho phép các thiết bị đẹp, mạnh mẽ xác định cuộc sống hiện đại từ điện thoại thông minh 5G đến các màn hình sức khỏe đeo.Không giống như PCB truyền thốngCông nghệ HDI sử dụng các kỹ thuật sản xuất tiên tiến để nhồi nhiều kết nối hơn, tín hiệu nhanh hơn,và mật độ thành phần cao hơn thành các yếu tố hình thức nhỏ hơnNhưng chính xác là gì một HDI PCB, làm thế nào nó hoạt động, và tại sao nó đã trở nên không thể thiếu cho thiết bị điện tử tiên tiến?từ các thành phần cốt lõi của nó đến các ứng dụng thực tế của nó, và giải thích tại sao nó là xương sống của các thiết bị thế hệ tiếp theo.

Những điều quan trọng
1.HDI PCB sử dụng vi mạch (~ 150μm đường kính), dấu vết mỏng (~ 50μm chiều rộng) và chồng lớp dày đặc để đạt được mật độ thành phần cao hơn 3 ∼ 5 lần so với PCB truyền thống.
2Chúng cho phép tốc độ tín hiệu nhanh hơn (lên đến 100Gbps) với 40% mất mát ít hơn, rất quan trọng đối với các thiết bị 5G, AI và IoT.
3Công nghệ HDI làm giảm kích thước thiết bị 30~50% và cải thiện độ tin cậy 60% so với PCB truyền thống, nhờ ít kết nối hơn và đường dẫn tín hiệu ngắn hơn.
4Các tính năng cốt lõi bao gồm microvias (mù, chôn hoặc xếp chồng lên nhau), mảng xếp theo chuỗi và vật liệu giảm mất mát - tất cả đều được tối ưu hóa cho hiệu suất cao trong không gian nhỏ gọn.

HDI PCB là gì?
HDI (High-Density Interconnect) PCB là các bảng mạch tiên tiến được thiết kế để tối đa hóa khả năng kết nối và giảm thiểu kích thước.
a. Các tính năng thu hẹp: Sử dụng microvias (nổ nhỏ) và dấu vết đồng mịn để kết nối các lớp mà không lãng phí không gian.
b.Tăng mật độ: Bao gồm nhiều thành phần (điệp, cảm biến, kết nối) trên mỗi inch vuông lên đến 1.000 thành phần/in2, so với 200-300 cho PCB truyền thống.
c. Tối ưu hóa các lớp: Sử dụng 416 lớp mỏng (so với 2 8 lớp dày trong PCB truyền thống) để giảm trọng lượng và cải thiện lưu lượng tín hiệu.
Tóm lại, HDI PCB là giải pháp cho một vấn đề quan trọng: điện tử hiện đại đòi hỏi nhiều năng lượng và chức năng hơn, nhưng người tiêu dùng muốn các thiết bị nhỏ hơn, nhẹ hơn.

Làm thế nào để HDI PCB hoạt động: Các thành phần cốt lõi và công nghệ
PCB HDI dựa trên ba đổi mới chính để cung cấp mật độ và hiệu suất cao: vi khuẩn, dấu vết mịn và xếp chồng lớp tiên tiến.
1Microvias: Bí mật của mật độ
Vias là các lỗ trong PCB kết nối các lớp đồng, nhưng đường vi-a thông qua lỗ truyền thống (thâm nhập toàn bộ bảng) lãng phí không gian và tín hiệu chậm.lỗ chính xác có đường kính 50 ± 150μm (khoảng chiều rộng của một sợi tóc người).
Microvias có ba loại, mỗi loại phục vụ một mục đích cụ thể:
Microvia mù: Kết nối một lớp bên ngoài với một hoặc nhiều lớp bên trong nhưng không xuyên suốt toàn bộ bảng. Lý tưởng để giảm chiều dài đường dẫn tín hiệu.
Microvia chôn vùi: Kết nối các lớp bên trong mà không chạm đến bề mặt bên ngoài, giữ cho bề ngoài của bảng sạch cho các thành phần.
Microvia xếp chồng lên nhau: Nhiều microvia xếp chồng lên nhau theo chiều dọc để kết nối 3 + lớp, giảm số lượng đường cần thiết 40% trong các thiết kế dày đặc.
Bằng cách loại bỏ các ′′stubs′′ của các đường ống thông qua lỗ truyền thống, microvias làm giảm sự phản xạ tín hiệu 70% và cắt giảm độ trễ tín hiệu 30%, cho phép truyền dữ liệu nhanh hơn.

2. Dấu vết mịn: Nhiều kết nối trong ít không gian
PCB truyền thống sử dụng các dấu vết (đường đồng) rộng 100 ~ 200μm, nhưng PCB HDI sử dụng các dấu vết mỏng như hẹp như 25 ~ 50μm, khoảng một nửa chiều rộng của một sợi tóc người. Điều này cho phép nhiều dấu vết hơn phù hợp trong cùng một không gian,Tăng mật độ định tuyến 2×3.
Các dấu vết mỏng cũng cải thiện tính toàn vẹn của tín hiệu: các dấu vết hẹp hơn với khoảng cách được kiểm soát làm giảm crosstalk (sự can thiệp từ điện giữa các tín hiệu) 50% so với các dấu vết rộng hơn,quan trọng đối với dữ liệu tốc độ cao (e.g, tín hiệu 5G mmWave ở 28GHz).

3. Lamination liên tục: Xây dựng lớp với độ chính xác
PCB truyền thống được xây dựng bằng cách sơn tất cả các lớp cùng một lúc, điều này hạn chế độ chính xác của sự sắp xếp.với mỗi lớp mới được sắp xếp với lớp trước bằng cách sử dụng định vị laserĐiều này đạt được sự sắp xếp ± 5μm (1/20 chiều rộng của một sợi tóc con người), so với ± 25μm cho lớp phủ truyền thống.
Lamination liên tục là chìa khóa cho các thiết kế HDI 8 + lớp, đảm bảo rằng microvias và dấu vết sắp xếp hoàn hảo qua các lớp Ưu tiên quan trọng để tránh mạch ngắn và mất tín hiệu.

Làm thế nào HDI PCB so sánh với PCB truyền thống

Các loại PCB HDI: Cấu hình cho mọi nhu cầu

HDI PCB có nhiều cấu hình, mỗi cấu hình được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể:

1. 1 + N + 1 HDI PCB
Đây là thiết kế HDI phổ biến nhất, với:
a.1 Lớp bên ngoài ở trên và dưới, mỗi lớp được kết nối với các lớp bên trong thông qua microvias.
b.N các lớp bên trong (thường là 2 ¢ 6) cho năng lượng, mặt đất và tín hiệu.
c. Thông qua đường ống lỗ cho các kết nối trải qua tất cả các lớp (mặc dù giảm thiểu để tiết kiệm không gian).
Tốt nhất cho: Điện thoại thông minh, máy tính bảng và điện tử tầm trung cần cân bằng mật độ và chi phí.

2. 2 + N + 2 HDI PCB
Một bước lên trong sự phức tạp, với:
a.2 các lớp bên ngoài ở trên và dưới, cho phép định tuyến nhiều hơn.
b. Microvia mù / chôn vùi kết nối các lớp mà không thâm nhập toàn bộ bảng, giảm mất tín hiệu.
c.8 12 lớp tổng cộng cho mật độ thành phần cao hơn.
Tốt nhất cho: bộ định tuyến 5G, thiết bị hình ảnh y tế và hệ thống ADAS ô tô.

3. Full HDI PCB
Cấu hình tiên tiến nhất, với:
a.12+ lớp kết nối qua các đường viêm nhỏ xếp chồng lên nhau (không có đường viêm xuyên lỗ).
b. Lamination theo chuỗi để sắp xếp chính xác trên tất cả các lớp.
Các vật liệu mất mát thấp (ví dụ, Rogers RO4350) cho tín hiệu tần số cao (28GHz +).
Tốt nhất cho: Cảm biến không gian, bộ xử lý AI và hệ thống truyền thông vệ tinh.

Các vật liệu được sử dụng trong PCB HDI
PCB HDI đòi hỏi các vật liệu chuyên biệt để xử lý tốc độ cao, dung nạp chặt chẽ và các thành phần dày đặc:

1Các chất nền (vật liệu cốt lõi)
a.FR-4 mất mát thấp: Một lựa chọn thân thiện với ngân sách cho các thiết bị điện tử tiêu dùng (ví dụ: điện thoại thông minh), với hằng số dielectric (Dk) là 3,8?? 4.5.
b.Rogers RO4350: Một lớp phủ hiệu suất cao với Dk 3.48, lý tưởng cho hệ thống 5G và radar (28 60GHz).
c.Isola I-Tera MT: Một vật liệu mất mát thấp với Dk 3.0, được thiết kế cho tín hiệu 100Gbps + trong trung tâm dữ liệu.

2- Bảng đồng.
a. Đồng điện (ED): Tiêu chuẩn cho hầu hết các PCB HDI, với độ dày 1/3 ¢ 1 oz (12 ¢ 35μm).
b.Vàng cuộn: Mỏng hơn (6 μm) và linh hoạt hơn, được sử dụng trong HDI cứng-chuyển (ví dụ: điện thoại gấp) để chống nứt trong khi uốn cong.

3. Các lớp phủ và mặt nạ hàn
a. Polyimide coverlayers: Bảo vệ các dấu vết mỏng từ ẩm và mài mòn trong các phần linh hoạt.
b. Mặt nạ hàn ảnh lỏng (LPI): Đủ chính xác để bao phủ các dấu vết 25μm mà không cần cầu nối, đảm bảo độ tin cậy.

Tại sao PCB HDI rất quan trọng cho điện tử hiện đại

Công nghệ HDI giải quyết ba thách thức chính đối với các nhà thiết kế thiết bị ngày nay:
1. Tự thu nhỏ
Người tiêu dùng đòi hỏi các thiết bị nhỏ hơn với nhiều tính năng hơn.
Một điện thoại thông minh hiện đại đóng gói 1.500+ thành phần vào một yếu tố hình dạng 6 inch không thể với PCB truyền thống.
Các thiết bị theo dõi thể dục đeo được sử dụng HDI để gắn các máy đo nhịp tim, GPS và pin vào một thiết bị có kích thước như đồng hồ.

2. tín hiệu tốc độ cao
Các thiết bị 5G, AI và IoT yêu cầu tín hiệu di chuyển nhanh hơn bao giờ hết (lên đến 100Gbps).
Giảm ngắn các đường dẫn tín hiệu (dấu vết) bằng 50~70% so với PCB truyền thống, giảm sự chậm trễ.
Sử dụng vật liệu mất mát thấp để giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu (mất) ở tần số cao.

3. Tin cậy
PCB HDI thất bại ít hơn so với PCB truyền thống vì:
Chúng loại bỏ 60% các đầu nối và dây chuyền dây (các điểm thất bại phổ biến trong thiết kế truyền thống).
Các đường tín hiệu ngắn làm giảm EMI (lạm dịch điện từ) và crossstalk, cải thiện sự ổn định.

Các ứng dụng thực tế của HDI PCB
Công nghệ HDI là xương sống của vô số thiết bị chúng ta sử dụng hàng ngày:
1. Điện thoại thông minh 5G
Các điện thoại 5G hiện đại (ví dụ: iPhone 15 Pro, Samsung Galaxy S24) dựa trên 1 + 6 + 1 HDI PCB để:
Phụ hợp các modem 5G, ăng-ten mmWave, và camera 48MP vào một cơ thể dày 7mm.
Truyền tín hiệu 5G ở 28GHz với <2dB mất mát, đảm bảo tốc độ dữ liệu nhanh.

2Các thiết bị y tế
Máy theo dõi ECG đeo: Sử dụng 2 + 2 + 2 HDI PCB để lắp cảm biến, chip Bluetooth và pin vào một thiết bị có kích thước vá, với các dấu vết mỏng (25μm) để theo dõi nhịp tim chính xác.
Thiết bị khử rung động cấy ghép: PCB HDI đầy đủ với vật liệu tương thích sinh học (ví dụ, polyimide) cung cấp hoạt động đáng tin cậy trong cơ thể trong 10 năm trở lên.

3. Điện tử ô tô
Hệ thống ADAS: PCB HDI 8 lớp trong LiDAR và các mô-đun radar xử lý hơn 100 điểm dữ liệu / giây, cho phép tránh va chạm ở tốc độ 70 mph.
Quản lý pin EV: PCB HDI giám sát 100+ pin pin trong thời gian thực, với microvias giảm sự chậm trễ tín hiệu 30% so với thiết kế truyền thống.

4Không gian và Quốc phòng
Truyền thông vệ tinh: PCB HDI đầy đủ với 16 lớp hoạt động ở nhiệt độ từ -200 °C đến 260 °C trong không gian, hỗ trợ các liên kết vệ tinh 5G với thời gian hoạt động 99,99%.
Bộ cảm biến máy bay không người lái: PCB HDI 1 + 4 + 1 nhẹ giảm trọng lượng 20%, kéo dài thời gian bay 15 phút.

Sản xuất PCB HDI: Những thách thức và đổi mới
Sản xuất PCB HDI đòi hỏi độ chính xác vượt quá sản xuất PCB truyền thống:
1- Khoan Microvia
Tạo ra các việc việc 50μm đòi hỏi các khoan laser tia cực tím (so với các khoan cơ học cho việc việc truyền thống), đạt độ chính xác 98% quan trọng để tránh mạch ngắn.

2- Chụp dấu vết tốt
Việc khắc các dấu vết 25μm đòi hỏi phải sử dụng hình ảnh quang ngạch tiên tiến (sử dụng ánh sáng UV để chuyển các mẫu) với độ khoan dung ± 2μm. Ngay cả những biến thể nhỏ cũng có thể gây mất tín hiệu.

3. Lamination liên tục
Xây dựng các lớp một lần một lần đòi hỏi các máy ép có nhiệt độ và áp suất được kiểm soát để tránh phân mảnh, với mỗi lớp được sắp xếp bằng các dấu laser.

4. Kiểm tra
PCB HDI đòi hỏi kiểm tra tia X để kiểm tra chất lượng microvia và sự sắp xếp lớp, vì các khiếm khuyết (ví dụ, thông qua lỗ hổng) quá nhỏ để nhìn thấy bằng mắt thường.

Chi phí của PCB HDI: Tại sao chúng đáng đầu tư
HDI PCB có giá cao hơn 1,5 ¢3 lần so với PCB truyền thống, nhưng lợi ích thường biện minh cho giá:
a.Kích thước thiết bị giảm: Cho phép các sản phẩm cao cấp, không gian hạn chế (ví dụ: điện thoại thông minh trị giá hơn 1.000 đô la) nơi kích thước là điểm bán hàng chính.
b.Thời gian ra thị trường nhanh hơn: Ít kết nối và các bộ lắp ráp đơn giản hơn giảm thời gian sản xuất 2~3 tuần.
c.Chi phí bảo hành thấp hơn: 60% ít lỗi làm giảm việc trả lại và sửa chữa, tiết kiệm 10~15% tổng chi phí sản phẩm trong vòng đời của thiết bị.

Câu hỏi thường gặp
Q: Kích thước microvia nhỏ nhất trong PCB HDI thương mại là gì?
A: Các nhà sản xuất thương mại sản xuất viêm nhỏ chỉ bằng 50μm, mặc dù 75-100μm phổ biến hơn vì hiệu quả chi phí. Các nguyên mẫu hàng không vũ trụ sử dụng viêm nhỏ 25μm.

Q: PCB HDI có thể cứng-dẻo?
A: Vâng. PCB HDI cứng và mềm kết hợp các phần cứng (đối với các thành phần) với các phần linh hoạt (đối với uốn cong), lý tưởng cho điện thoại gấp và nội soi y tế.

Q: PCB HDI xử lý nhiệt như thế nào?
A: Chúng sử dụng các lớp đồng dày (2 ′′ 3 oz) và đường nhiệt để phân tán nhiệt, với một số thiết kế tích hợp lõi nhôm cho các thành phần công suất cao (ví dụ: bộ khuếch đại 5G).

Q: PCB HDI chỉ dành cho các thiết bị cao cấp?
A: Không. Ngay cả điện thoại thông minh và cảm biến IoT ngân sách cũng sử dụng PCB HDI cơ bản 1 + 2 + 1 để cân bằng chi phí và mật độ, mặc dù chúng có thể sử dụng microvias lớn hơn (100 ¢ 150 μm).

Q: Tương lai của công nghệ HDI là gì?
A: PCB HDI thế hệ tiếp theo sẽ có dấu vết 10μm, microvias 25μm và hơn 20 lớp, cho phép tín hiệu terabit mỗi giây và thậm chí các thiết bị nhỏ hơn quan trọng cho 6G và tính toán lượng tử.

Kết luận
PCB HDI đã biến đổi điện tử bằng cách cho phép mật độ, tốc độ và thu nhỏ mà các thiết bị hiện đại yêu cầu.Họ giải quyết thách thức cốt lõi của việc đóng gói nhiều chức năng hơn vào ít không gian hơn, đồng thời cải thiện hiệu suất và độ tin cậy tín hiệuMặc dù đắt hơn PCB truyền thống, những lợi ích của chúng - thiết bị nhỏ hơn, tốc độ nhanh hơn và tỷ lệ thất bại thấp hơn - làm cho chúng trở nên không thể thiếu cho các ứng dụng 5G, y tế, ô tô và hàng không vũ trụ.Khi công nghệ tiến bộ, PCB HDI sẽ chỉ phát triển quan trọng hơn, thúc đẩy làn sóng đổi mới tiếp theo trong điện tử.