HDI PCB 全面指南：設計、優勢與應用

高密度互連（HDI）印刷電路板（PCB）是相較於傳統 PCB 在單位面積內擁有更高佈線密度的電路板。HDI PCB 具有更密集的互連與元件、更細的線寬與間距，以及更高的連接墊密度。它們還擁有更小的導通孔與走線，以及更高的層數。單一 HDI 板即可容納過去設備中多塊電路板的功能。HDI PCB 是高層數與高價層壓板的理想選擇。HDI PCB 的製造與組裝流程與典型電路板不同，這類電路板具有更高的製造成本、更具挑戰性的設計、更複雜的維修與重工，以及可製造性問題。

HDI PCB 設計技巧：

1. 選擇導通孔類型以降低製程複雜度

選擇合適的導通孔類型至關重要，因為它決定了所需的設備、製造步驟、加工時間與額外成本。採用微導通孔、盲孔或埋孔可減少層數與材料費用。然而，選擇通孔、狗骨孔或焊盤內孔將影響整體製程複雜度。

2. 為 HDI 應用選擇最少數量的元件

元件選擇一向重要，但對 HDI 板尤為關鍵。HDI 設計所選用的元件決定了走線寬度、擺放位置、鑽孔類型與尺寸，以及整體疊構。雖然性能仍是首要考量，但封裝、可追溯性與供貨情況也必須納入考量。更換元件或重新設計佈局將大幅增加製造時間與材料成本。

3. 擺放元件時將應力與電磁干擾降至最低

非對稱的導通孔擺放可能造成不均勻應力與潛在板彎，降低良率。密集的元件間距與高功率訊號可能引入電磁干擾（EMI），影響訊號品質。附近接腳或焊墊的寄生電容或電感也會影響訊號完整性，因此在設計階段進行 EMI 建模至關重要。

4. 透過最佳化走線將訊號完整性問題降至最低

HDI 的一大優勢在於使用更窄的走線傳遞訊號，使尺寸得以縮小。然而，走線寬度應設計為確保最佳訊號完整性，包括保持最短的走線長度、一致的阻抗路徑、足夠的接地層，以及妥善隔離數位、類比與電源訊號。

5. 選擇疊構以降低材料成本

除了導通孔選擇外，PCB 疊構的選擇也會大幅影響 HDI PCB 電子產品的製造成本。材料類型與層數直接影響所需的壓合與鑽孔循環次數。成本應成為決策時的考量因素之一。

HDI PCB 的優勢：

提升可靠性：由於其較小的縱橫比，微導通孔相較於典型通孔導通孔具有更好的可靠性。它們比通孔更堅固，並採用更優異的材料與元件，使 HDI（高密度互連）技術表現出色。

增強訊號完整性：HDI 技術採用焊盤內孔與盲孔技術，這些技術有助於讓元件更靠近，縮短訊號路徑。HDI 技術消除了通孔造成的殘段，減少訊號反射並提升訊號品質。因此，更短的訊號路徑顯著增強了訊號完整性。

成本效益：透過妥善規劃，HDI 技術相較於標準 PCB 可降低整體成本，這是因為所需層數更少、尺寸更小，且所需 PCB 數量也減少。

精簡設計：盲孔與埋孔的組合減少了電路板的空間需求。

整體而言，透過使用 HDI 技術，設計師現在可以將更多元件放置在原始 PCB 的兩面。多種導通孔製程，包括焊盤內孔與盲孔技術，讓設計師擁有更多 PCB 空間來放置更小且更靠近的元件。縮小的元件尺寸與腳距允許在更小的幾何空間內實現更多 I/O，這意味著更快的訊號傳輸以及顯著降低的訊號損失與交叉延遲。

HDI PCB 中的不同導通孔類型：

導通孔是一個小型導電孔，用於連接 HDI PCB 的多個層次，使訊號能夠在它們之間傳遞。HDI PCB 中使用了四種導通孔類型：

●通孔導通孔：這些導通孔從 PCB 的頂層延伸到底層。

●盲孔：這些導通孔連接內層與表面層。

●埋孔：這些導通孔連接兩個內層。

●微導通孔：這些導通孔比通孔更小，常用於 HDI PCB 中以連接多層而不增加板子尺寸。

HDI PCB 材料選擇：

材料及其結構的選擇對於 HDI（高密度互連）PCB 的設計與製造至關重要。設計 HDI 互連時，必須理解與指定玻璃纖維強化介電材料相關的潛在挑戰。

● 銅箔基板（CCL）：銅箔基板材料是將銅箔壓合到已固化（C 階段）的介電材料的一側或兩側。剛性 CCL 可分為 FR4、FR-5 或某些 PTFE 類型。典型應用使用單面銅箔基板，其中銅箔作為外層，C 階段則與子複合材料粘合。

● 樹脂塗佈銅箔（RCC）：樹脂塗佈銅箔材料由塗有樹脂介電材料的銅箔組成，可直接粘合到子複合材料上。它們的區別在於是否可在濕環境中加工。對於不可濕加工的塗佈銅箔材料，微導通孔可透過電漿或雷射鑽孔技術製作。

● PP（預浸材料）：通常稱為 B 階段、粘合片或簡稱 Preg，預浸材料由浸漬樹脂的玻璃纖維布組成。在預浸塗佈過程中，樹脂經歷部分固化但未硬化。在 PCB 疊構加熱壓合過程中，PP 中的樹脂會流動、粘合並將 PCB 核心與銅箔或其他材料結合。

HDI PCB 設計考量：

HDI PCB 的生產流程通常與其他 PCB 類型不同。以下是你需要了解的 HDI 板生產知識，以及在整個生產過程中應牢記的設計考量：

順序壓合：在壓合過程中，PCB 核心與銅箔以及多層 PCB 的預浸材料透過加熱與加壓結合。所需的熱與壓力因板而異。壓合完成後，PCB 製造商將鑽導通孔。與其他 PCB 不同，HDI 板需多次進行此流程。這些順序壓合有助於防止鑽孔時的偏移與破裂。

導通孔填充類型：導通孔填充類型應始終符合你的特定應用與 PCB 需求。我們常用的導通孔填充材料包括電鍍、銀填充、銅填充、導電環氧樹脂與非導電環氧樹脂。最常見的填充類型是非導電環氧樹脂。

焊盤內孔製程：焊盤內孔生產製程允許你將導通孔放置在 PCB 表面平坦的焊盤上，透過電鍍導通孔、填充其中一種填充材料、封蓋，最後再電鍍覆蓋。焊盤內孔通常是一個 10 到 12 步的製程，需要專用設備與熟練技術人員。

雷射鑽孔技術：任意層 HDI 設計經常需要雷射微導通孔，這些孔由能產生直徑達 20 微米雷射的雷射鑽孔機精密切割金屬與玻璃，形成極小但完美的孔洞。使用低介電常數的均勻玻璃等材料可進一步縮小孔徑。

HDI PCB 製造流程：

HDI PCB 的設計對其成功製造至關重要。HDI PCB 設計必須仔細考慮以下因素：

● 線寬與間距：HDI PCB 通常具有 1 mil 或更小的線寬與間距。這需要精確的設計與製造技術，以確保走線正確成形且走線間無電氣干擾。

● 導通孔尺寸與位置：HDI PCB 經常使用微導通孔，其直徑為 6 mil 或更小。微導通孔比傳統導通孔更難鑽孔與電鍍，因此必須在 PCB 上仔細定位。

● 疊構：HDI PCB 通常具有複雜的疊構，包含多層銅與介電材料。疊構必須精心設計，以確保 PCB 在電氣與機械上均穩固可靠。

你可以在這裡查看完整的 PCB 製造流程 文章。

具成本效益的 HDI：

雖然部分消費產品體積縮小，但品質仍是消費者最看重的因素，僅次於價格。在設計階段採用 HDI 技術，可將 8 層通孔 PCB 縮減為 4 層 HDI 微導通孔技術封裝的 PCB。設計良好的 4 層 HDI PCB 的佈線能力可達到與標準 8 層 PCB 相同或更好的功能。雖然微導通孔製程會增加 HDI PCB 的成本，但透過適當設計與層數減少，能更顯著地降低材料面積與層數成本。

要有效控管 HDI PCB 成本，請考慮以下因素：

1)導通孔與孔洞：更小的導通孔需要更高精度，成本也更高；導通孔數量增加也會提高成本。

2)疊構與層數：複雜疊構與額外層數會提高成本；應追求最有效率的層數。

3)材料：核心材料（如 FR4、金屬）與表面處理（如 ENIG）的選擇會影響成本。

4)壓合次數：更多壓合次數可提升性能，但也會增加成本與加工時間。

5)堆疊與錯開：堆疊導通孔因需額外材料與時間，成本更高。

6)焊墊尺寸：早期最佳化焊墊尺寸可降低成本。

7)交期：急單成本更高；提前規劃可節省費用。

8)供應商：選擇提供高品質產品且價格具競爭力的供應商，以避免未來額外開支。

HDI PCB 產業與應用：

HDI 技術對現代電子產品至關重要，可在不影響性能的情況下實現更小、更具成本效益的設備。使用 HDI PCB 的關鍵產業包括：

消費電子：HDI PCB 應用於智慧型手機、筆記型電腦、穿戴裝置、智慧家庭設備與 IoT 裝置，實現微型化且功能強大的消費科技。

通訊：HDI 板在路由器、交換器與半導體等設備中不可或缺，支援電子通訊、數位媒體與網路基礎設施。

汽車與航太：HDI PCB 實現汽車與飛機的精簡輕量化元件，支援 WiFi、GPS、攝影機與感測器等功能，提升運行效率。

醫療設備：用於先進的監測、影像與外科設備，HDI 技術提升性能並縮小設備尺寸。

工業應用：HDI 板為製造、倉儲與工業運營中的 IoT 設備與智慧感測器提供動力，最佳化性能與連接性。