Blog
Didacticiel de conception de stackup 1+N+1 pour cartes de circuits imprimés HDI
Dans les produits électroniques modernes, les appareils deviennent plus petits, plus puissants et plus rapides. Parallèlement, la densité de routage des PCB continue d'augmenter : plus de composants, des BGA plus denses et des chemins de signaux à haute vitesse plus complexes. Pour de nombreuses applications haut de gamme, les structures de PCB multicouches traditionnelles sont ne plus être la solution la plus efficace.
Pour résoudre ces goulets d'étranglement, Circuits imprimés HDI (Haute Densité d'Interconnexion) sont apparues. L'idée principale du HDI est d'obtenir une densité de routage plus élevée et de meilleures performances électriques dans un espace limité en utilisant des largeurs de piste et des espacements plus restreints, des microvias/vias borgnes plus petits, et des connexions inter-couches plus serrées.
Parmi les différentes structures de l'IDH, 1+N+1 est l'une des plus courantes et aussi l'une des plus faciles à maîtriser pour les ingénieurs. Elle organise le circuit imprimé comme un couche supérieure + noyau multicouche + couche inférieure, et utilise la lamination séquentielle pour fabriquer de manière fiable des microvias et des vias enterrés.
Si vous n'en avez pas encore connaissance, commençons à l'apprendre dès maintenant.
Que signifie 1+N+1
La notation 1 + N + 1 est l'une des façons les plus courantes (et les plus mal comprises) de décrire un empilement de couches d'un circuit imprimé (HDI). Il fait référence à Structure et séquence de fabrication., pas seulement le nombre final de couches de cuivre.
- 1 Une couche d'empilement (stratification séquentielle + microvias) sur la face supérieure
- N = Le cœur central (généralement une section multicouche conventionnelle avec des trous traversants ou des vias enterrés ; dans de nombreux cas pratiques, il comporte un nombre pair de couches pour la symétrie, mais cela n'est pas obligatoire)
- 1 = Une couche d'empilement (complexage séquentiel + microvias) sur la face inférieure
Les empilements typiques comprennent 1+2+1 et le 1+4+1:
Pourquoi les concepteurs utilisent-ils la structure 1 + N + 1
Permet le microperçage au laser
L'extérieur “couches ”+1" supports pour microvias percés au laser (typiquement 0,08–0,15 mm de diamètre) qui relient les couches externes à la couche interne suivante ou au noyau, selon la conception. Ces petits vias libèrent de l'espace en surface pour une conception dense Ventilation BGA et au routage à pas fin, qui est extrêmement difficile avec des vias traversants standard dans les cartes multicouches conventionnelles.
Intégrité du signal améliorée
Les microvias sont beaucoup plus courtes que les vias traversants, ce qui réduit considérablement la longueur des stub de via et l'inductance/capacité parasite associée. Ceci est particulièrement bénéfique pour les signaux à haute vitesse (PCIe, USB 3.x, DDR4/5, MIPI, etc.), où des stubs longs peuvent causer de graves réflexions et une dégradation du signal.
Plus fin et plus léger
Puisque les microvias réduisent le besoin de vias traversants longs et permettent un empilement de couches plus flexible, 1 + N + 1 planches peuvent être plus fines que les multicouches conventionnelles de densité équivalente. Ceci est essentiel pour les smartphones, les appareils portables, les tablettes et autres appareils où l'espace est limité.
Structure multicouche versus structure 1+N+1
| Aspect | Circuit imprimé multicouche standard | HDI avec une structure 1+N+1 |
|---|---|---|
| Procédé de lamination | Typiquement, un seul cycle de plastification | Stratification séquentielle (au moins 2 cycles) |
| Via types | Principalement des vias traversants | Microvias (par laser) + vias traversants (des vias borgnes peuvent être utilisés en fonction de la conception) |
| Par la taille | Généralement ≥ 0,2–0,3 mm, selon les capacités de fabrication | Microtrous de ~0,08 à 0,15 mm |
| Capacité de ligne/espace | 4/4–5/5 milles typiques | 3/3 mil ou plus fin sur les couches extérieures |
| Densité de la couche externe | Normal | Élevé (pour les BGA à pas fin, routage dense) |
| Coût | Abaisser | Plus élevé (mais peut réduire le nombre total de couches nécessaires) |
Via dans un circuit imprimé 1+N+1
Dans 1 + N + 1 Circuits Imprimés HDI, Les vias sont les héros méconnus qui permettent un routage dense, une intégrité du signal et des facteurs de forme compacts. Sans technologie de via avancée, vous seriez limité à des traversées volumineuses consommant un espace précieux.
Microvias sont de petits vias peu profonds (généralement de 0,08 à 0,15 mm de diamètre) qui ne relient que les couches adjacentes dans les sections de construction. Ils différencient la technologie HDI des multicouches standard.
Perforé au laser
Contrairement au perçage mécanique, les microvias sont créés à l'aide de Lasers CO₂ ou UV pour la précision et des dommages minimaux. Ceci permet la formation précise de trous dans les diélectriques minces et est essentiel pour les conceptions à pas fins.
Vias Enfouis
Ces vias sont entièrement internes au cœurN couches), connectant les couches intérieures sans atteindre les surfaces extérieures (par exemple, L3 → L4 dans un empilement 1+4+1). Ils sont percés et plaqués avant que les couches extérieures ne soient ajoutées. Les vias enterrés améliorent la densité de routage des couches intérieures mais ne peuvent pas être utilisés pour les connexions de surface ; ils sont “ enterrés ” lors de la stratification finale. Ils sont souvent utilisés pour la distribution de puissance ou les transitions de signal dans le cœur sans encombrer les couches extérieures.
Vias Traversants (PTH)
Le type de via classique : percé à travers toute la carte (de L1 à L(N+2)) et plaqué pour la conductivité. En 1 + N + 1, ils sont utilisés avec parcimonie pour des connexions globales telles que les points de connexion d'alimentation/masse ou lorsque les microvias ne sont pas suffisants. Ils sont plus grands (typiquement ≥ 0,2–0,3 mmet peuvent créer des stub dans les conceptions haute vitesse, c'est pourquoi la défonce est souvent requise pour les signaux critiques. Cependant, ils restent fiables et rentables pour les chemins non critiques.
Processus de laminage séquentiel
La stratification séquentielle est un procédé de fabrication où un circuit imprimé est construit par étapes, plutôt qu'en une seule fois.
Au lieu d'assembler toutes les couches de cuivre en un seul cycle de laminage, le processus est divisé en plusieurs étapes :
- Le cœur (N couches) est d'abord laminé
- Des couches de construction supplémentaires sont ajoutées une à une de chaque côté.
- Après chaque accumulation, des microvias sont percées et plaquées, puis le cycle de stratification suivant commence.
Cette approche progressive permet la création de microvias et de structures HDI fiables.
Avantages électriques de la stratification séquentielle
Courtes antennes de liaison
Dans les multicouches conventionnels, les vias traversants créent de longs segments inutilisés qui introduisent des discontinuités d'impédance et des réflexions, entraînant des oscillations et Fermeture des yeux à hautes vitesses. La stratification séquentielle permet des microvias borgnes qui s'arrêtent exactement là où elles sont nécessaires (par exemple, De L1 à L2 uniquementen éliminant ou en raccourcissant considérablement les ébauches.
Transitions d'impédance plus nettes
Les microvias percés au laser ont des corps plus petits et une plus grande précision de perçage, ce qui entraîne des transitions d'impédance plus contrôlées lorsque les signaux circulent entre les couches.
Perte d'insertion réduite
Des vias plus courts et une épaisseur de carte globale plus mince peuvent réduire les pertes diélectriques et conductrices à hautes fréquences. La construction séquentielle permet également de choisir des matériaux diélectriques par section, ce qui permet une meilleure optimisation pour une atténuation minimale.
Erreurs courantes dans la conception d'empilement de PCB 1+N+1
Traiter les microvias comme des vias normaux
La plus grande erreur des débutants (et pas seulement des débutants) est en supposant que les microvias se comportent exactement comme les vias traversants.
Les microvias sont aveugle, court, et limité aux couches adjacentes — vous ne pouvez pas acheminer un signal à travers quatre couches à l'aide d'une seule microvia.
Ils ont également des limites strictes de rapport d'aspect (généralement ≤ 1:1), donc des connexions plus profondes nécessitent généralement Empilement ou décalage.
Les designers placent souvent longues chaînes de ventilateurs ou supposer que les microvias peuvent se connecter directement aux couches profondes sans vias intermédiaires – ce qui n'est pas possible.
Placer des avions là où les lasers ne peuvent pas percer
Le perçage laser des micro-vias nécessite accès libre.
Vous ne pouvez pas percer un plan de cuivre solide sur la couche centrale s'il est directement sous la pastille de connexion (ou pire, si l'avion bloque le faisceau laser).
Superposition de microvias
L'empilement (alignement de plusieurs microvias directement les uns sur les autres) peut sembler avantageux pour la densité, mais il devient un risque de fiabilité en cas d'excès.
Ignorer les règles spécifiques à la fabrique
Chaque fabricant de circuits imprimés possède des capacités légèrement différentes pour la stratification séquentielle, notamment :
- Diamètre et profondeur maximum des microvias
- Niveaux d'empilement autorisés
- Épaisseur diélectrique minimale
- Via les exigences de remplissage
- Tolérances d'enregistrement pour des étapes séquentielles
Pensées finales
1 + N + 1 n'est pas juste une autre notation de superposition — il est devenu le secteur solution de référence pour la plupart des modernes produits électroniques haute densité, haute vitesse et compacts cela ne justifie pas le coût et la complexité supplémentaires du HDI sur toutes les couches ou de 2 + N + 2 conceptions.
Lorsqu'exécuté correctement — avec implication précoce des usines, réalisme via les règles, placement d'avions approprié et stratégie de via disciplinée — 1 + N + 1 procure des avantages réels et mesurables :
- BGA à pas fin avec échappement pour pas de 0,35–0,5 mm
- Intégrité de signal multi-gigabit avec diagrammes de l'œil propres
- Plaques fines, légères et fiables
- Coût de fabrication raisonnable avec un rendement solide
Cependant, lorsque cela est fait de manière incorrecte, le résultat est prévisible : des réimpressions, des échecs sur le terrain, des clients frustrés et des budgets qui doublent mystérieusement.
Alors, la prochaine fois que vous commencerez un nouveau design, faites une pause et demandez-vous :
- Ai-je vraiment besoin de plus que 1 + N + 1 ?
- Ai-je parlé à mon fabricant avant de terminer la pose ?
- Traitez-vous les microvias avec le respect qu'elles méritent – puissantes, mais capricieuses ?
Si vous recherchez un partenaire de fabrication qui comprend la lamination séquentielle, les contraintes HDI et les compromis de rendement dans le monde réel, PCBCool collabore étroitement avec les concepteurs, depuis les premières décisions d'empilage jusqu'à la production en volume.
Vous avez maintenant les connaissances.
Construisez quelque chose d'extraordinaire.
Foire Aux Questions (FAQ)
Pas toujours. Pour les conceptions à basse vitesse ou à faible densité, l'augmentation du nombre de couches peut être moins coûteuse et plus simple.
Lorsque votre conception implique des BGA à pas fin, des interfaces à haute vitesse ou des contraintes d'espace de carte serrées.
Oui. Les concepteurs doivent tenir compte des limites d'envergure des microvias, des règles de via-en-pad, des contraintes d'anneau annulaire et du contrôle d'impédance couche par couche.
A : L'utilisation excessive de microvias, l'empilement de microvias sans vérifier les limites de fiabilité, la négligence de l'équilibre du cuivre et l'hypothèse que toutes les vias peuvent se connecter directement au cœur.
Pas requis, mais couramment utilisé pour les BGA à pas fins. Lorsqu'il est utilisé, le remplissage des vias et la planarisation sont critiques pour éviter les défauts de soudure.
Les microvias empilés peuvent être utilisés mais nécessitent un contrôle strict des procédés. De nombreux concepteurs préfèrent les microvias décalés pour une meilleure fiabilité à long terme.
Oui, mais les concepteurs doivent gérer avec soin l'équilibre de cuivre, la segmentation des plans et les transitions de vias pour éviter les problèmes d'EMI et de chute de tension.
Dans de nombreuses conceptions à haute vitesse, oui. Les microvias borgnes éliminent les longs tronçons qui nécessiteraient autrement un post-usinage dans les vias traversants.
Oui, particulièrement pour les produits dont la vitesse ou la densité des composants devrait augmenter, car l'architecture s'adapte bien aux conceptions HDI multicouches.
Cela peut être le cas, mais la distribution de puissance doit être soigneusement planifiée. Les microvias ne conviennent pas aux courants élevés et nécessitent généralement un support des vias traversants (PTH) ou du piquage de plans.
A : Dès que possible. Les décisions relatives à l'empilement affectent la stratégie de routage, le contrôle d'impédance, le coût et la faisabilité.
A : Non. Le 1+N+1 nécessite un perçage laser, une capacité de stratification séquentielle et un contrôle précis de l'enregistrement.
L'épaisseur dépend du choix du diélectrique, du poids du cuivre et des objectifs de fiabilité.
Cela augmente la complexité du processus, mais avec un fabricant HDI expérimenté, les rendements sont stables et les risques sont gérables.
A : Il peut être utilisé pour des prototypes, mais le délai et le coût sont plus élevés.
A : Empilement préliminaire, impédance cible, types de vias, utilisation de microvias, épaisseurs de cuivre et exigences de fiabilité.
Sam K travaille sur des systèmes électroniques embarqués, avec un accent particulier sur la conception matérielle, le développement de circuits imprimés (PCB), la programmation de firmware, et l'intégration système. Il soutient également l'optimisation des performances et contribue à transformer les idées de produits électroniques en solutions fiables et concrètes.
