Нам регулярно задают один и тот же вопрос: можно ли сделать плату с проводниками и зазорами меньше 76 мкм? Число не случайное. 76 мкм — это 3 mil, и для многих заводов это привычная нижняя граница ширины проводников и зазоров обычной печатной платы. Всё, что тоньше, уже требует отдельных согласований.
Меня зовут Андрей, я инженер отдела подготовки производства ГРАН Груп. Коротко отвечу сразу: да, можно, мы такие платы делаем. Но у такой топологии есть цена, и платит её не только производство, но и разработчик.
Сегодня разберём:
что такое HDI и почему тонкие проводники почти всегда живут именно там;
на что способны наши производственные площадки;
примеры двух реальных проектов с проводниками меньше 76 мкм;
о чём договориться с производством заранее, чтобы плата не застряла на согласованиях.
Сначала немного про HDI
В нашей практике проводники тоньше 76 мкм почти всегда встречаются в HDI-платах. HDI (High Density Interconnect) — это платы с высокой плотностью межсоединений. Их узнают по нескольким признакам:
проводники и зазоры 100 мкм и меньше;
микропереходы диаметром до 150 мкм;
переходные отверстия прямо в SMD-площадках;
тонкие слои диэлектрика там, где проходят микропереходы.
Подробно про HDI мы уже писали отдельно. Здесь напомню только самое необходимое.
Ядро — часть платы без микропереходов. Оно бывает жёстким или гибким, но на практике почти всегда жёсткое.
Микропереход — это глухое отверстие, глубина которого не больше его диаметра. Заказчики иногда называют микропереходами любые маленькие отверстия, но с точки зрения производтсва производстве это отдельный класс отверстий. Микропереходы сверлят лазером.
Чтобы плату могли сделать как можно больше производств, для лазерной сверловки лучше придерживаться таких параметров:
Диаметр микроперехода 80–100 мкм. Меньше тоже бывает, но это уже нестандарт.
Толщина диэлектрика между слоями, которые соединяет микропереход, — 60–80 мкм.
Отношение глубины к диаметру (aspect ratio) от 0,6:1 до 1:1. Самый распространенный — 0,8:1.
Как читать структуру HDI
Количество слоёв микропереходов записывают так: 1+N+1 — один слой микропереходов сверху, один снизу, N — ядро платы с ее многослойной структурой. Соответственно, 2+N+2, 3+N+3 и так далее. Сейчас можно сделать до 10 слоёв микропереходов с каждой стороны. Структура может быть как симметричной, так и асимметричной, например 1+N+0.
На производстве чаще всего встречаются три типа HDI:
Тип 1. Один слой микропереходов сверху или снизу, скрытых отверстий нет.
Тип 2. Тоже один слой микропереходов, но добавляются скрытые отверстия в ядре.
Тип 3. Два слоя микропереходов и больше, плюс скрытые отверстия.
Каждый новый слой микропереходов — это ещё один цикл прессования, сверловки и металлизации. Плата становится сложнее и дороже, а заводов, готовых её сделать, — меньше.
Что умеют на производстве
Производственных площадок у нас достаточно, и возможности у всех разные. Чтобы было от чего оттолкнуться, вот часть параметров одного из производств:
Параметры по проводникам даны для базовой меди 12 мкм. Чем толще медь, тем шире получаются минимальные проводники и зазоры: толстый слой меди сложнее ровно стравить на узком участке.
Видно, что формально 50–63 мкм производство делает. Но может сделать и сделают без проблем в вашем проекте — не одно и то же. Это хорошо видно на примерах.
Пример 1. Простая плата, которой понадобились проводники 52 мкм
Поначалу плата не выглядела сложной. Узких мест в топологии не было: ни тонких проводников, ни маленьких зазоров. Зато был контроль импеданса.
Какая была входящая информация?
12 слоёв, материал IT180A;
покрытие: иммерсионное золото (ImAu) и гальваническое золочение (hard gold);
микропереходы заполнены медью, сквозные отверстия — смолой;
в слоях с микропереходами базовая медь 12 мкм (для HDI это нормально: тонкую медь проще сверлить лазером).
По структуре это 2+8+2. Микропереходы 1–2 и 11–12 выходят на внешние слои, 2–3 и 10–11 скрыты внутри. Ядро с 3 по 10 слой соединяют механические отверстия 0,2 мм.
Когда мы посчитали импеданс, выяснилось, что с заложенной шириной проводников он не сходится. Чтобы попасть в нужные значения, проводники надо было сделать около 52 мкм.
В разговоре с заказчиком выяснилось, что у платы есть референс-дизайн от производителя микросхемы. И там прямо рекомендуют тонкие проводники. Мы сами пересчитали и поправили ширину проводников — такую доработку мы делаем для заказчиков на этапе технологической подготовки производства (она же CAM-подготовка). После этого импеданс сошёлся.
Стекап
Структуру согласовали с заказчиком. Толщина диэлектрика между слоями 1–2–3 (и симметрично снизу) подобрана под aspect ratio завода. Финишная медь в слоях с микропереходами получилась около 30 мкм при согласованном минимуме 20 мкм.
Что получили
Проводников тоньше 76 мкм в итоге оказалось много, находились они в нескольких слоях. Мы получили толщины 55 мкм, 61 мкм и так далее. Все размеры попали в допуск, импеданс тоже.
Но чтобы получить такие тонкие проводники, пришлось пойти на компромисс по металлизации.
Чем приходится платить за тонкие проводники
Металлизация отверстий
Когда металлизируют отверстия, медь нарастает не только на их стенках, но и на поверхности слоя. Чем больше меди на слое, тем сложнее вытравить узкий проводник и не стравить его по бокам. Поэтому при маленьких зазорах и проводниках металлизацию почти всегда приходится делать тоньше обычной.
По IPC-6012 для 3 класса средняя толщина стенки сквозных и скрытых отверстий — 25 мкм, минимум в отдельной точке — 20 мкм. Среднее считают по шести замерам в разных точках отверстия.
Для платы из первого примера мы заранее согласовали послабления:
Отверстия | Допускалось, среднее | Получили, среднее |
|---|---|---|
Сквозные | от 15 мкм | 21 мкм |
Скрытые | от 12 мкм | 20 мкм |
По факту вышло заметно лучше согласованного минимума. Но закладываться всё равно нужно на минимум.
Нахлёст металлизации (wrap copper)
Этот параметр часто недооценивают. Нахлёст металлизации — это непрерывная медь, которая выходит из металлизированного отверстия на поверхность слоя. Он есть у всех отверстий: сквозных, скрытых, глухих.
По стандарту нахлёст должен заходить на поверхность минимум на 25 мкм, а его толщина — не меньше 5 мкм (требование для 2 класса по IPC).
Нахлёст мы контролируем всегда, по умолчанию. В первом примере получилось 11–14 мкм, закрывающая металлизация (cap plating) — около 10 мкм.
Зачем это нужно? Если нахлёста нет или он слишком тонкий, при перепадах температуры соединение может треснуть в месте перехода от стенки к слою. Плата пройдёт электроконтроль, а откажет уже в готовом устройстве.
Если мы пишем в замечаниях к дизайну, что нахлёст выполнить сложно, — это не придирка. Лучше поправить топологию сейчас, чем потом разбираться с отказами готового устройства.
Пример 2. Пять слоёв микропереходов с каждой стороны
Вторая плата сложнее с самого начала:
14 слоёв, материал с низкими потерями;
иммерсионное золото;
микропереходы заполнены медью;
базовая медь в слоях с микропереходами 18 мкм;
структура 5+4+5: по пять слоёв микропереходов сверху и снизу.
Диаметр микропереходов стандартный — 0,1 мм. Сложность не в нём, а в количестве слоёв. Пять слоёв с каждой стороны — это пять циклов прессования на каждую сторону. Делают такое немногие производства.
Если при трассировке вы выбираете между четырьмя и пятью слоями микропереходов и можно обойтись четырьмя — обходитесь. Плата будет дешевле, а заводов, способных её сделать, больше.
Стекап
Толщина диэлектрика в зоне микропереходов — 59–64 мкм, под aspect ratio завода. Финишная медь на внешних слоях — около 33 мкм, на внутренних слоях с наращиванием — от 20 мкм. Структура симметричная, производству понятная.
И вот здесь важный момент для разработчиков. Толщины диэлектрика в зоне микропереходов нужно закладывать по стандартам с самого начала. К нам приходят проекты, где эти толщины не соблюдены, и тогда сделать плату просто невозможно. Мы переделываем структуру, но если на плате ещё и контроль импеданса, новая структура может сильно не понравиться разработчику. И тогда проводники придётся пересчитывать.
Что получили
Металлизацию здесь тоже согласовали с понижением: среднее 15 мкм, минимум 12 мкм.
На микрошлифе:
стенка глухого отверстия — 17,98 мкм;
толщина диэлектрика — от 56 до 73 мкм, как и закладывали.
Это замеры одного шлифа. В партии значения будут отличаться, поэтому важны именно согласованные минимумы.
Так можно или нет сделать платы с маленькими зазорами и проводникамм?
Можно. Платы с проводниками и зазорами меньше 76 мкм мы делаем, приходят проекты и тоньше. Но есть нюансы, о которых лучше знать до того, как сделана топология платы.
Количество производств ограничено. Такие платы делает ограниченный круг производств. Если плата пойдёт в серию, мы можем сначала сделать образцы: вы их проверяете, и только потом запускаем опытную или серийную партию.
Задавайте вопросы на этапе проектирования. Кроме тонких зазоров в плате обычно есть и другие особенности, которые влияют на выбор нами производственной площадки и цену. Часто на вопросах удаётся упростить структуру и добиться оптимизации стоимости платы.
Договоритесь о толщине металлизации сразу. Тонкие проводники почти всегда означают металлизацию тоньше стандартной. Это нужно обсудить в самом начале, особенно если есть контроль импеданса: медь входит в расчёт.
Закладывайте структуру по стандартам. Толщина диэлектрика в зоне микропереходов и aspect ratio — не пожелания, а условия, при которых плату вообще можно сделать.
Если у вас есть файлы, мы можем прислать структуру и расчёт импеданса ещё до размещения заказа, а иногда и до окончания трассировки. Так проще поймать проблемы, пока их дёшево исправить.
Спасибо, что прочитали!
У нас есть канал о печатных платах. Разбираем сложные технические вопросы, делимся опытом производства и проектирования, отвечаем на вопросы. Подписывайтесь, будет интересно.
На сайте можно скачать наши руководства по проектированию жёстких и HDI-плат. А если у вас есть вопросы про тонкую топологию — пишите в комментарии, постараемся ответить.
