Высокоплотная конструкция печатной платы
Высокоплотные ИС заставляют разработчиков печатных плат с высокой плотностью компонентов искать новые стратегии проектирования, чтобы либо обеспечить большую функциональность на меньших пластинах (в продуктах для конечного пользователя), либо гораздо большую функциональность на более крупных деталях.
На подходе еще одно поколение более мелких элементов на интегральных схемах. Это в диапазоне 65 нм, но некоторые производители ИС уже разрабатывают прототипы с элементами 45 нм. Самые мелкие элементы в выпускаемых в настоящее время ИС, около 90 нм, уже конфликтуют с физической основой соединения.
Печатные соединения, или дорожки, могут быть только небольшими, пока на диске не возникнут проблемы с целостностью сигнала и распределением производительности. Сборка новых чипов на каждом типе пластин потребует как некоторых новых стратегий, так и тех, которые использовались в прошлом.
Эти проблемы в конструкции печатных плат известны: прием сигналов от ИС и отправка их на ИС, поддержание целостности сигнала и распределение питания по компонентам диска. Целостность сигнала означает избежание перекрестных помех, которые возникают, когда дорожки расположены слишком близко друг к другу, и управление импедансом для предотвращения отражений сигнала, которые с большей вероятностью возникают в слишком длинных дорожках, поскольку они возникают на очень больших пластинах печатной платы высокой плотности.
Также есть новое осложнение: очень короткое время нарастания и спада. Тогда, даже при очень коротких дорожках, могут возникнуть потенциально дополнительные проблемы с импедансом.
Пять лет назад терабитный интернет-маршрутизатор был топовым продуктом. Он содержал 52 печатные платы и был высотой в пол-стойки или 3 фута, глубиной 2 фута и шириной 18 дюймов. Теперь маршрутизатор имеет только одну печатную плату и имеет высоту всего 1.5 дюйма. Если бы нам тогда сказали, что ИС может вмещать миллиарды транзисторов и дорожки, совместимые со скоростью 10 Гбит/с, мы бы рассмеялись. Теперь я не знаю, есть ли вообще какие-либо ограничения по размеру и скорости.
Проблемы целостности сигнала на дисках с меньшими ИС и дорожками часто можно решить с помощью знакомых методов: управление размером дорожек и разделением для минимизации перекрестных помех и построение соединений дорожек с соответствующими резисторами для предотвращения отражений. Мы считаем тысячные доли дюйма минимальной шириной дорожки и 7–8 тысячных дюйма минимальным расстоянием между ними, независимо от того, сколько контактов у чипа. Он предпочитает разделение в 10 тысячных дюйма.
Новые архитектуры печатных плат
Проектирование печатных плат высокой плотности пошло двумя путями. Один ведет к печатным платам с действительно высокой плотностью, используемым в мобильных телефонах, цифровых камерах и других потребительских и домашних электронных устройствах, где все схемы помещаются на плате размером с ноготь большого пальца, а питание должно распределяться экономно, чтобы продлить срок службы между отдельными зарядками. Другой ведет к высокопроизводительным печатным платам в суперкомпьютерах, экстремально высокоскоростных маршрутизаторах и подобных системах.
На этих крошечных печатных платах проектировщикам печатных плат не нужно втискивать компоненты в ограниченное пространство, но производительность при низких требованиях к питанию — это все. Большие печатные платы работают на очень высоких скоростях. Два типа дисков высокой плотности имеют разные проблемы, в то время как проектировщики уменьшают масштаб до следующего поколения ИС с меньшими элементами.
Для высокопроизводительных дисков с микросхемами, имеющими 1,000, 2,000 или даже больше контактов, физические ограничения, накладываемые стандартными соединениями, вероятно, потребуют радикально иных методов проектирования.
Одним из примеров является самопровозглашенный евангелист целостности сигнала, чья компания The Signal находится в Олате, штат Канзас, и представляет собой трехмерную печатную плату в форме куба.
Это не набор сложенных слоев. Это интегрированная конструкция, характерная для 3D, где все важные процессы выполняются вертикально на нескольких слоях процессоров.
Другие методы фокусируются на ламинатах. Манипуляции с ламинированным материалом могут помочь уменьшить потерю сигнала, а очень тонкие пластины могут поддерживать более короткие и больше соединений. Некоторые новые ламинаты производства имеют толщину всего 2 тысячных дюйма и становятся тоньше. По словам Богатина, эти ламинаты могут позволить разработчикам вдвое сократить количество слоев в печатной плате, одновременно улучшая производительность.
Скорость работы печатных плат высокой плотности увеличилась с 10 до 20 МГц в 1980-х годах до гигабит в секунду в 21-м веке. В 1980-х годах вы могли спроектировать тарелку с закрытыми глазами. Теперь вам придется широко открыть оба глаза».
Моделирование и обучение
Поскольку панели становятся все более сложными, а их производители не хотят тратить 1,500-контактные ИС из-за плохого дизайна, симуляция и моделирование имеют решающее значение для печатных плат. Если что-то не работает, вам нужно предпринять квалифицированные действия, и вы не можете обойтись проверенными и проверенными правилами. Диски все больше похожи на ASIC [интегральные схемы специального назначения], и теперь нам все больше требуется тот же тип симуляции, что и для ИС. Инструменты симуляции, которые обычно это делают, теперь доступны, но наборы инструментов для обеспечения целостности производительности все еще отсутствуют сегодня.
Печатная плата чрезвычайно высокой плотности
Компания MOKO Technology представляет технологическую платформу Dencitec, которая обеспечивает чрезвычайно высокую плотность интегрированных функций для печатных плат с высокой производительностью.
Эти опции включают ширину проводника и зазора до 25 мкм с толщиной меди 20 ± 5 мкм на всех проводящих слоях, диаметр лазерного отверстия 35 мкм, остаточные кольца диаметром 30 мкм на внутренних слоях и 20 мкм на внешних слоях, заполненные медью глухие отверстия с возможностью укладки отверстий и отверстия в контактных площадках. Это оставляет больше места для интеграции дополнительных опций, таких как источник питания (батареи и т. д.). Кроме того, современные материалы позволяют изготавливать сверхтонкие схемы, такие как четырехслойные гибкие схемы с общей толщиной менее 120 мкм. Напротив, обычно используемые стандартные процессы обеспечивают хорошие результаты только при ширине проводника и зазоре между ним 50 мкм, а классические полуаддитивные процессы, такие как тонкопленочная технология, позволяют использовать ширину проводника и зазор между ним менее 15 мкм, но, как правило, ограничиваются производственными форматами.
Моделирование гальванического осаждения меди при производстве печатных плат
Прежде чем мы произведем Печатная плата высокой плотности, мы тщательно анализируем полученные данные. Так мы находим все потенциальные эффекты на производстве, которые могут ухудшить качество и долгосрочную надежность.
До сих пор гальванопокрытие было областью, в которой вряд ли кто-то мог точно определить, как поведет себя та или иная конструкция. Толщина слоя меди, нанесенного на печатную плату, зависит от плотности компоновки. Если плотность низкая, мы рискуем нарастить слишком много; если плотность высокая, мы рискуем нарастить слишком мало. Слишком прочная структура меди означает, что отверстия в отверстиях станут слишком маленькими. Слишком низкая структура меди означает, что стенки отверстий слишком слабые, так что сквозные металлизированные отверстия могут сломаться во время сборки и потерять свою долгосрочную надежность.
Целью является равномерная плотность меди и равномерная структура по всей плате. Мы максимально учитываем это при размещении печатных плат на наших производственных выгодах. Мы можем размещать дополнительные медные шаблоны (так называемые компенсационные поверхности) между платой и вокруг нее, чтобы компенсировать плотность. Тем не менее, мы ограничены этими методами, поскольку мы не можем изменять фактическую конструкцию платы. Это может сделать только разработчик.
Исторически не существовало инструментов разработчика для определения плотности меди. Сегодня MOKO Technology предлагает решение с цветным изображением печатной платы, которое показывает потенциальные области суперструктуры и субструктуры меди.
Мы используем специальное программное обеспечение для гальвано-симуляции, которое делит плату на небольшие ячейки. Плотность меди каждой ячейки сравнивается со средней плотностью меди всей печатной платы, а затем этой ячейке присваивается цвет. Плотность меди ниже средней окрашена по шкале от зеленого (средняя), желтого и оранжевого до красного. Чем больше красного, тем ниже относительная плотность и тем выше риск чрезмерного накопления меди в этой области. Ячейки с более высокой плотностью меди окрашены по шкале от зеленого до темно-синего. Чем больше синего, тем выше риск недостаточного накопления меди.
Вооружившись этими визуальными данными, разработчик может добавлять медные области в области с низкой плотностью или уменьшать большие медные области.
Кроме того, мы предоставим гальванический индекс, который измеряет однородность плотности меди на печатной плате. Полностью однородная печатная плата имеет индекс 1. Это означает, что не следует ожидать никаких проблем с гальванопокрытием. Более низкие значения показывают меньшую однородность и выделены на визуализированном изображении красными и синими областями. Если индекс падает до 0.8 или меньше, требуется особое внимание. В примере, показанном выше, гальванический индекс составляет 0.65. Синяя область, которая слишком мала, может быть четко видна.
Гальваническая картина создается при размещении нового заказа. Эта гальваническая картина является частью «PCB Image», реалистичного представления ваших печатных плат, которое мы отправим вам вместе с подтверждением заказа. В ближайшем будущем эта симуляция станет частью функции запроса цены. Мы проведем ряд проверок и создадим по ним отчет. На основе гальванической картины, которая также была создана, проектировщик может увидеть, может ли он внести изменения для улучшения однородности своей печатной платы высокой плотности.
После модификации гальванический индекс составляет 0.95. На снимке видно равномерное осаждение меди.
Моделирование гальвано – хороший показатель гальванопоказателя, структура слоя – хороший показатель гальванопоказателя
Конечно, могут быть ограничения по конструкции, которые делают менее равномерную плотность меди неизбежной. Для этого мы готовим еще одно решение для повышения качества и надежности готовой печатной платы. Проект матрицы анода Elsyca Intellitool еще больше улучшит однородность конечной медной структуры.
Более высокая плотность упаковки для сложной электроники
Печатные платы высокой плотности должны идти в ногу с достижениями в области микросхем. Схемы с высокой плотностью упаковки представляют собой технологический скачок, который должен иметь такие же далеко идущие последствия, как переход к поверхностному монтажу в середине восьмидесятых.
Прогрессивная миниатюризация компонентов, чипов и систем будет означать резкий технологический скачок для производства печатных плат в ближайшие годы, а также из-за внедрения поверхностного монтажа (SMT) в середине восьмидесятых. Самые высокие темпы роста в настоящее время ожидаются в области высокотехнологичных схем, поскольку успех интеграции микрочипов означает, что технология соединения также необходима. Задача состоит в том, чтобы производить самые тонкие структуры для печатных плат с высокой плотностью интеграции (High Density Interconnection – HDI) экономически выгодно.
До сих пор проблемы контакта с многополюсными компонентами решались путем перемещения некоторых соединений на один или несколько дополнительных сигнальных слоев. Однако производство многослойных схем (многослойных) сравнительно сложно и, следовательно, затратно. Однако количество слоев, как правило, можно уменьшить только путем использования более тонких структур шаблонов проводников или использования отверстий меньшего диаметра. Для того чтобы электронно соединить отдельные сигнальные слои печатной платы друг с другом, дорожки проводников представляют собой так называемые переходные отверстия, т. е. просверленные и затем металлизированные отверстия, выведенные на следующий уровень или на нижнюю сторону пластины. Поскольку печатная плата может иметь несколько тысяч отверстий, существует огромный потенциал для экономии, просто уменьшив диаметр отверстия. Однако механически такие микроотверстия (микропереходные отверстия) диаметром менее 0.1 мм можно изготовить только с помощью лазеров, тогда как традиционное сверление при 0.2 мм достигает своих пределов.
Однако микроотверстия являются лишь первым шагом к еще более сложным схемам в тонкопроводном структурировании. Особо критические этапы работы здесь включают в себя весь фотопроцесс, с помощью которого обычно структурируется медное покрытие основного материала печатной платы. Технология сверхтонких проводников предъявляет особенно высокие требования к экспонированию и последующему этапу травления. Если структуры с шириной и расстоянием менее 0.1 мм должны быть реализованы в серийном производстве, выход продукции в некоторых случаях резко падает. Это можно исправить новыми методами производства, которые значительно упрощают весь фотопроцесс. Сюда входит прямое лазерное экспонирование, которое описывает фоторезист непосредственно с рисунком проводника. Обычный этап экспонирования с использованием пленки полностью исключается.
Технически прямое экспонирование превосходит предыдущее контактное экспонирование, поскольку оно обеспечивает большую гибкость в отношении размеров партии и более высокого разрешения структуры. Таким образом, количество этапов процесса может быть значительно сокращено. Эксплуатационные расходы на чистую комнату, пленки и маски, фоторезисты, а также вытекающие из этого расходы на утилизацию экологически вредных материалов и остатков также сокращаются с помощью этой процедуры. Более высокие выходы могут быть достигнуты, особенно с очень тонкими проводниками, поскольку высокая когерентность лазерного луча обеспечивает надежное изображение мельчайших структур с минимальным недооблучением. А благодаря большей глубине резкости прямого фотонаборного устройства даже различия в высоте могут быть компенсированы в определенной степени. Автоматическое измерение оптической панели и индивидуальные индикаторы использования также возможны в качестве дополнительных функций. Прямое лазерное структурирование еще проще, при котором лазер фрезерует рисунок проводника непосредственно в медной оболочке, что означает, что резист больше не требуется.
Китайские компании также являются лидерами в разработке новых технологий соединения. «MOV» от компании Inboard из Карлсруэ — это новая концепция, которая означает многослойную поверхностную проводку. Этот новый тип печатной платы высокой плотности также называется «интегральной платой», поскольку электронные компоненты, такие как резисторы и конденсаторы, интегрированы в печатную плату.
Интегральная плата не только предлагает более тонкие структуры проводящих дорожек и глухие отверстия, просверленные лазером, диаметром менее 80 мкм для контакта с проводящими дорожками, но и электрические данные также впечатляют. По сравнению с обычной многослойной разводкой длина кабеля с той же функцией сокращается на 35%. Количество переходов через все слои сокращается даже на 80%, количество сигнальных слоев в контрольном примере с шести до всего двух.
Но важно, чтобы вы снова могли обойтись односторонней технологией сборки. Резисторы и конденсаторы могут быть включены как «печатные» компоненты. Эта новая разработка была вызвана растущими требованиями к рабочей частоте, количеству соединений компонентов и все более мелкими конструкциями, такими как шариковая сетка и упаковка размера чипа. Например, при 50 печатных резисторах на печатной плате есть преимущество в стоимости по сравнению с SMD-сборкой, согласно inboard.
Мы работаем над экономически эффективными решениями для оптической передачи данных. Полосчатое оптическое волокно из пластика, прикрепленное к так называемой объединительной плате, соединяет аппаратные компоненты компьютера с помощью очень плоских светопроводящих пластиковых полос длиной до 50 см. Новый процесс изготовления полоскового волновода подходит для любых материалов-носителей, в частности для материала печатной платы. Мы применяем другой подход и интегрируем оптические проводники, полученные методом горячей штамповки, в специальные слои печатной платы. Это позволяет реализовать пассивные оптические компоненты, такие как ответвления, которые позволяют выполнять оптическую проводку, аналогичную технологии электрических печатных плат. Печатная плата развивается от простого соединительного элемента до сложной сборки.
