Подробное объяснение процесса проектирования печатной платы HDI

Подробное описание полного процесса проектирования печатной платы HDI

1. Анализ требований и предпроектная подготовка

Основная цель

Преобразуйте абстрактные требования в практические проектные спецификации и подтвердите возможность производства..

Подробный процесс выполнения

Исследование требований (Подэтапы)

• Подтверждение с командой продукта:
  Сценарии применения (потребительская электроника / медицинский / промышленный), операционная среда (температура / влажность / вибрация), жизненный цикл продукта (≥5 лет требует повышенной надежности)

• Подтверждение у инженеров по оборудованию:
  Основные модели микросхем (НАПРИМЕР., Параметры корпуса BGA), энергетическая архитектура (уровни напряжения / текущие требования), типы сигналов (высокоскоростной / аналоговый / цифровой)

• Предварительное общение с Производитель печатной платы:
  Подтвердить производственные ограничения (минимальный лазер по диаметру / максимальное количество слоев / возможность контроля импеданса)

Требование к документу (СОР) Подготовка (Результат)

Инструменты и подготовка ресурсов (Подэтапы)

• Настройка программного обеспечения для проектирования:
  Установите соответствующие плагины (Altium → Инструментарий HDI; Каденция → Оптимизатор Microvia), импортировать библиотеки процессов производителя (Стандартные шаблоны IPC-2226A)

• Сборник справочных материалов:
  Технические характеристики основных микросхем (сосредоточьтесь на распиновке корпуса и требованиях к питанию), технические характеристики процесса производителя (параметры лазерного сверления / процесс ламинирования), отраслевые стандарты (МПК-6012Е)

• Решение по процессу шлюза:
  Переходите к следующему шагу только после утверждения документа SOR и подтверждения осуществимости процесса производителем. (производитель должен выдать Письмо о подтверждении совместимости процессов).

2. Стек-ап дизайн

Стек-ап дизайн

Основная цель

Определить структуру слоев, слепой/похороненный через раздачу, и стратегия управления импедансом для обеспечения последующей маршрутизации.

Подробный процесс выполнения

Определение количества слоев в стопке (Подэтапы)

• Оценка сигнального уровня:
  Рассчитать необходимые сигнальные слои на основе критических сигналов (высокоскоростной / дифференциал).
  Следуйте принципу: один сигнальный слой соответствует одному опорному слою.
  Пример: 8 PCIE 4.0 дифференциальные пары → 4 сигнальные слои + 4 опорные слои = 8 слои

• Распределение слоев питания/земли:
  Разделить по областям напряжения (НАПРИМЕР., 3.3 V. / 1.8 V. / напряжение ядра).
  Для каждой основной области напряжения требуется как минимум один силовой слой и один соседний слой заземления..

• Слепой/похороненный посредством сопоставления слоев:
  Если необходимы глухие переходы для «Верх → L2» и «L7 → Низ», и скрытые переходные отверстия для «L3 → L6», стек должен быть:
  Вершина (С1) -L2 (С2) -L3 (П1) – Л4 (Г1) – Л5 (G2) -L6 (П2) -L7 (S3) - Нижний (С4)

Проектирование параметров стека (Подэтапы)

• Распределение толщины слоя:
  Стандартная комбинация: сигнальный слой 0.07 мм + диэлектрик 0.1 мм + силовой уровень 0.1 мм
  Пример общей толщины 1.6 мм:
  0.07 × 4 + 0.1 × 3 + 0.1 × 1 = 1.6 мм

• Моделирование и проверка импеданса:
  Используйте Ansys SIwave., толщина входного слоя и значения Dk, моделировать несимметричный и дифференциальный импеданс.
  Отрегулируйте толщину диэлектрика, если импеданс отклоняется. (НАПРИМЕР., увеличьте толщину диэлектрика, если сопротивление слишком низкое).

• Слепой/похороненный из-за планирования пути:
  Рисовать с помощью схем подключения (НАПРИМЕР., S1→S2 слепой через, S3→S4 слепой через, L3→L6 заглублен через) чтобы избежать перекрытия.

Результаты комплексного проектирования

• Чертеж структуры стека (толщина слоя / материалы / через типы)

• Отчет о моделировании импеданса

• Слепой/захороненный через распределительный стол

Критерии технологического шлюза:
Погрешность импеданса ≤ ±3%, слепой/похороненный по соотношению сторон ≤ 0.75:1, выравнивание слоев соответствует требованиям производителя (в пределах ±25 мкм).

3. Выбор компонентов и дизайн размещения

Выбор компонентов и дизайн размещения

процесс (Заказ на размещение)

Подтверждение выбора компонента (Предварительный шаг)

• Приоритет пакета:
  Предпочитать 0201 / 01005 пакеты (подтвердить возможность SMT); основные микросхемы отдают приоритет пакетам BGA/CSP, чтобы уменьшить занимаемую площадь.

• Проверка совместимости материалов:
  Подтвердите шаг штифта (≥0,4 мм для возможности фрезерования), рассеиваемая мощность (≤2 Вт на компонент; выше требуется тепловой расчет).

Этапы выполнения размещения

• Исправить основные компоненты:
  Разместите CPU/GPU/FPGA в центре платы.. Резервное тепловое пространство согласно техническому описанию (≥4 тепловых переходов под BGA).

• Разместите силовые компоненты:
  Конденсаторы входного фильтра (10 мкФ + 0.1 мкФ) в пределах ≤3 мм от контактов питания микросхемы.
  PMIC расположен рядом с основной микросхемой, чтобы минимизировать длину пути подачи питания..

• Зонирование сигнала:

  • Высокочастотная область (≥5 ГГц): возле края доски, изолирован от силовой зоны, окруженный металлическим экраном (Расстояние между контактами заземления ≤5 мм)

  • Аналоговая область (АЦП/ЦАП): изолированная зона, ≥3 мм от цифровой области

  • Область интерфейса (USB/HDMI): близко к краю доски, край разъема на расстоянии ≥5 мм от края платы

• Регулировка периферийных компонентов:
  Пассивные компоненты расположены рядом с соответствующими выводами микросхемы. (путь сигнала ≤5 мм), избегать перекрестного размещения.

Оптимизация и проверка размещения

• Тепловое моделирование:
  Используйте Флотерм; температура горячей точки ≤85 °C (в противном случае добавьте тепловые переходы или отрегулируйте расстояние.).

• Проверки DRC при размещении:

  • Расстояние между компонентами ≥0,3 мм (силовые компоненты ≥1 мм)

  • Четкая маркировка полярности

  • Зазор BGA ≥1 мм для доработки

Результаты размещения

• Чертеж размещения компонентов

• Отчет о тепловом моделировании

• Отчет DRC о размещении

Критерии технологического шлюза:
Отсутствие тепловых нарушений, ноль критических ошибок DRC, одобрение предварительного рассмотрения производителем.

4. Лазерное сверление и проектирование сквозных отверстий металлизации

Лазерное сверление и проектирование сквозных отверстий металлизации

Подробный процесс выполнения

Проектирование схемы бурения

• Определение типов переходов (слепой / похороненный / через), генерировать через карту распределения (диаметр / глубина / связанные слои).

• Сопоставьте параметры лазера с учетом основного материала и подтвердите возможности производителя..

• Через правила оформления:
  Через центр на расстоянии ≥0,3 мм от края площадки, ≥0,2 мм от отверстия паяльной маски, нет через перекрытие.

Через процесс металлизации

• Плазменная очистка (1000 W., 60 с) → химическое микротравление

• Химическая медь: 28 ° C., 18 мин, толщина ≥0,5 мкм

• Гальваника: 2.5 А/дм², 75 мин, конечная толщина меди ≥20 мкм

• Качественная проверка: Рентген (без пустот/трещин), покрытие меди в микрошлифе ≥95%

Критерии технологического шлюза:
Нет через конфликты, параметры металлизации соответствуют, проверка пройдена.

5. Проектирование маршрутизации

Проектирование маршрутизации

Подробный процесс выполнения (по приоритету маршрутизации)

Предварительная подготовка к маршрутизации (Подэтапы)

• Установите правила маршрутизации:
  Ширина трассировки / интервал (минимум 2 мил / 2 мил), значения импеданса (односторонний 50 Ой / дифференциал 100 Ой), несоответствие длины дифференциальной пары ≤ 3 мм.

• Назначение слоев маршрутизации:
  Высокоскоростные сигналы → внешние/внутренние слои, прилегающие к опорным плоскостям;
  Маршрутизация мощности → уровни мощности;
  Низкоскоростные сигналы → оставшиеся слои.

Выполнение маршрутизации (Подэтапы)

• Маршрутизация питания:
  Рассчитать ширину трассы на основе тока (Я = 0.01 × А).
  Пример: 3 Ток → 1.5 мм ширина трассы (35 мкм медь).
  Слои питания разделены для изоляции различных областей напряжения (изоляционный разрыв ≥ 2 мм).

• Высокоскоростная маршрутизация сигналов (Высший приоритет):

  • Дифференциальные пары: ширина трассы = интервал (0.2 мм / 0.2 мм), параллельная маршрутизация → используйте змеевидную компенсацию несоответствия длины (радиус изгиба ≥ 5 × ширина трассы).

  • Через обработку: просверлить высокоскоростные сигнальные отверстия для удаления заглушек ≥ 1 мм, избегание многослойности посредством обхода.

  • Топология: PCIE / Высокоскоростные сигналы USB используют топологию Fly-by.; длина ветки ≤ 30 мм.

• Маршрутизация аналогового сигнала:
  Маршрутизируется отдельно, ≥3 мм от цифровых сигналов; использовать экранирующие дорожки (земля вокруг).

• Низкоскоростная маршрутизация сигналов:
  Заполните оставшееся пространство, избегайте параллельной работы с высокоскоростными сигналами (расстояние ≥ 2 мм).

Проектирование наземной системы (Выполняется параллельно)

• Цифровая земля: сплошная земляная плоскость, охватывающая цифровую область.

• Аналоговое заземление: отдельный самолет, одноточечное подключение к цифровой земле на входе питания.

• Высокочастотная земля: сетка земля, шаг сетки ≤ λ/20, где λ = скорость света / частота сигнала.

Оптимизация и проверка маршрутизации (Подэтапы)

• Моделирование целостности сигнала:
  Используйте Cadence Sigrity для моделирования глазковых диаграмм. (высота глаз ≥ 0.5 V., ширина глаз ≥ 0.5 пользовательский интерфейс).

• Проверка маршрутизации DRC:
  Убедитесь в отсутствии нарушений ширины/расстояния трасс., нет скачков импеданса, нет контуров заземления.

Маршрутизация результатов

• Схема маршрутизации (Гербер / САПР)

• Отчет моделирования целостности сигнала

• Отчет о маршрутизации DRC

Критерии технологического шлюза:
Результаты моделирования соответствуют спецификациям, ноль критических ошибок DRC, и отсутствие разрывов импеданса в высокоскоростных сигналах → перейти к проверке DFM.

6. DFM (Дизайн для технологичности) Проверка

(Защита процесса: Предотвращение переработки дизайна)

Подробный процесс выполнения (в последовательности проверки)

Самопроверка проекта (Подэтапы)

Откройте инструменты DFM в программном обеспечении для проектирования печатных плат. (Высокий DFM / Проверка каденса DFM) → выбрать объекты проверки (как показано в таблице ниже) → создать отчет самопроверки.

Предварительная проверка производителя (Подэтапы)

• Отправка файла:
  Гербер X2 + МПК-2581 + сверлильный стол + Спецификация → производитель выдает Обзорный отчет DFM.

• Исправление проблемы:
  Измените дизайн в соответствии с отзывами производителя.
  (НАПРИМЕР., Размер лазерного отверстия меньше допустимого → отрегулируйте минимальный диаметр, поддерживаемый производителем.).

Окончательная проверка (Подэтапы)

• Вторичная самопроверка:
  Повторный запуск инструментов DFM после изменений → отсутствие нарушений.

• Проверка сборки прототипа:
  Мелкосерийное прототипирование (рекомендуется 5–10 досок) → проверьте паяемость и качество сигнала.

Результаты DFM

• Отчет самопроверки DFM

• Отчет производителя DFM об обзоре

• Пересмотренные файлы дизайна

Критерий технологического шлюза:
Получено одобрение производителя, нет проблем с блокировкой технологичности, выход прототипа ≥ 90% → переходим к выбору шероховатости поверхности.

7. Выбор и проектирование отделки поверхности

(Заключительный этап процесса: Влияние на надежность пайки & Срок службы)

Подробный процесс выполнения

Выбор процесса обработки поверхности (Подэтапы)

Выбирайте в зависимости от требований приложения (эталонная логика принятия решения):

• чувствительный к затратам: Оп (потребительская электроника)

• Высокочастотные приложения: Погружение серебро / Enepic (базовые станции, маршрутизаторы)

• Несколько циклов оплавления: Соглашаться / Enepic (медицинский, промышленный)

• Суровые условия: Enepic (военный, аэрокосмическая)

Подтвердите возможности производителя, например:

• ENIG толщина золота: 0.05–0,1 мкм

• Толщина ОСП: 0.2–0,5 мкм

Требования к конструкции отделки поверхности (Подэтапы)

• Покрытие подушек:
  Все площадки для пайки должны быть полностью покрыты финишной отделкой.; контрольные точки рекомендуется дорабатывать для надежности зондирования.

• Обработка кромок доски:
  Участки, не содержащие меди, вдоль края платы, не должны подвергаться поверхностной обработке во избежание подъема края..

Критерий технологического шлюза:
Отделка поверхности соответствует требованиям применения и технологична → приступайте к испытаниям и проверке..

8. Процесс тестирования и проверки

Процесс тестирования и проверки

Подробный процесс выполнения (в тестовой последовательности)

Электрические испытания (Подэтапы)

• Открытое/короткое тестирование:
  Тестер летающих зондов (точность ±0,01 мм) → 100% покрытие (МПК-9262) → никаких открытий и шортов.

• Тестирование импеданса:
  Тр (Рефлектометр во временной области) → расстояние между контрольными точками ≤ 50 мм → отклонение ≤ ±3% (высокоскоростные сигналы).

• Тестирование целостности сигнала:
  осциллограф (полоса пропускания ≥ 3× частота сигнала) → глазковая диаграмма соответствует техническим характеристикам
  (высота глаз ≥ 0.5 V., ширина глаз ≥ 0.5 пользовательский интерфейс).

Физический осмотр (Подэтапы)

• Рентгеновский осмотр:
  Отклонение выравнивания между слоями ≤ ± 15 мкм; нет слепых/заглубленных через смещение.

• Анализ микросекций:
  Толщина меди в стенке ≥ 20 мкм; без пустот и трещин.

• Проверка качества поверхности:
  ENIG толщина золота 0,05–0,1 мкм; Слой OSP без окисления.

Тестирование надежности (Подэтапы)

• Термическое циклическое испытание:
  от −40 °C до 125 ° C., 1000 циклов → отсутствие растрескивания паяных соединений.

• Испытание на старение влажным теплом:
  85 ° C. / 85% относительной влажности, 1000 часы → сопротивление изоляции ≥ 10¹⁰ Ом.

• Тест на вибрацию:
  10–2000 Гц / 10 глин, 6 часы → нет структурных повреждений.

Процесс обработки несоответствий

• Неудачное электрическое испытание:
  Исследуйте проблемы с маршрутизацией или металлизацией → перепроектируйте и повторите проверку..

• Неудачный тест на надежность:
  Оптимизация материалов (НАПРИМЕР., ламинаты с высокой Tg) или структура (НАПРИМЕР., улучшенная тепловая конструкция) → повторный тест.

Окончательные результаты

• Отчет об электрических испытаниях

• Отчет о физическом осмотре

• Отчет об испытаниях надежности

• Пакет проектирования массового производства
  (Гербер + МПК-2581 + Категория + спецификации испытаний)

Стандарт закрытия процесса:
Все тесты пройдены, производственные файлы завершены, и производитель, способный осуществлять стабильное массовое производство согласно документации.