Papan sirkuit cetak (PCB) High Density Interconnect (HDI) adalah papan sirkuit elektronik yang memiliki jalur logam dengan kepadatan tinggi, artinya papan ini memiliki kandungan tembaga per satuan luas yang lebih tinggi dibandingkan PCB konvensional. Papan ini digunakan untuk PCB frekuensi tinggi dan koneksi berdensitas tinggi dalam perangkat elektronik. Papan ini juga dikenal sebagai papan interposer dua sisi, papan HDI, atau papan HDIP.
Apa Itu Papan Sirkuit Cetak HDI?
Papan sirkuit cetak HDI mirip dengan papan sirkuit cetak biasa, namun memiliki dua perbedaan signifikan. Yang pertama adalah adanya jalur tembaga dengan kepadatan lebih tinggi, yang berarti terdapat lebih banyak tembaga per satuan luas dibandingkan pada PCB konvensional. Perbedaan lainnya adalah kedua sisi papan dilaminasi menjadi satu, membentuk struktur sandwich tanpa celah udara di antara lapisan-lapisannya. Papan tersebut dapat diapit di antara pelat logam, atau dapat menggunakan papan berinti kosong. Pelat logam digunakan untuk menyediakan bidang ground guna melindungi sirkuit dari gangguan elektromagnetik (EMI). Bidang ground juga memberikan perlindungan elektrostatik terhadap pelepasan muatan statis, yang dapat merusak komponen elektronik yang sensitif. Pelindung ini juga mencegah kopling kapasitif antar sirkuit, yang dapat menyebabkan gangguan pada sirkuit di sekitarnya.
Jenis-jenis PCB HDI
Papan HDI dapat diklasifikasikan menjadi papan orde pertama, orde kedua, orde ketiga, orde keempat, orde kelima, dan seterusnya, berdasarkan jumlah lapisan pelapisan lubang tertutup. Dalam industri PCB, papan HDI orde pertama juga disebut "1+n+1", sedangkan papan HDI orde kedua disebut "2+n+2", seperti yang ditunjukkan pada gambar.
satu ditambah n ditambah satu
Struktur papan HDI orde pertama relatif sederhana, dan proses pembuatannya relatif mudah dikendalikan. Lubang berwarna merah muda pada gambar adalah lubang buta, yang dibuat dengan pengeboran laser, dan diameternya biasanya 3–4 mil; sedangkan lubang berwarna kuning adalah lubang tertanam, yang dibuat dengan pengeboran mekanis, dan diameternya minimal 6 mil (0,15 mm) atau lebih.
dua ditambah n ditambah dua
Terdapat berbagai struktur papan HDI orde kedua. Salah satunya adalah posisi setiap orde disusun secara bergeser, dan lapisan yang berdekatan harus dihubungkan di lapisan tengah melalui kabel. Pendekatan ini setara dengan dua papan HDI orde pertama. Yang kedua adalah kedua lubang orde pertama tumpang tindih, dan orde kedua direalisasikan dengan cara menumpuknya, serta prosesnya mirip dengan dua papan orde pertama. Yang ketiga adalah melakukan pengeboran langsung dari lapisan luar ke lapisan ketiga (atau lapisan N-2). Prosesnya sangat berbeda dari yang sebelumnya, dan tingkat kesulitan pengeborannya juga lebih tinggi.
Papan HDI vs Papan Lubang Melintang
Papan sirkuit berlapis biasanya mencakup papan lubang tembus, papan orde pertama, papan orde kedua, dan papan lubang bertumpuk orde kedua. Struktur-struktur tersebut dibandingkan sebagai berikut:
1. Papan sirkuit lubang tembus
Tidak ada hubungan langsung antara pelat lubang tembus dan jumlah lapisan. Pelat tersebut terhubung dari lapisan pertama hingga lapisan terakhir. Diameter dalam lubang tembus biasanya berukuran 0,2 mm, 0,25 mm, dan 0,3 mm. Ukuran 0,2 mm jauh lebih mahal daripada 0,3 mm. Hal ini karena mata bor berukuran 0,2 mm terlalu tipis dan mudah patah.
2. Dewan HDI Tingkat Pertama
Ini adalah diagram struktur tumpukan papan HDI 6 lapis orde pertama. Dua lapisan di permukaan merupakan lubang laser dengan diameter dalam 0,1 mm. Empat lapisan bagian dalam merupakan lubang mekanis, mirip dengan lubang tembus.
Laser hanya dapat menembus pelat serat kaca, bukan tembaga logam. Oleh karena itu, pembuatan lubang pada permukaan luar tidak akan memengaruhi sirkuit lain di dalamnya. Setelah laser mengebor lubang, tembaga dilapisi untuk membentuk via laser.
3. Papan HDI orde kedua (lubang berjenjang)
Ini adalah papan HDI berlubang berjenjang 6 lapis dan 2 urutan, dengan 2 lapisan lubang laser di sisi atas dan bawah yang terpisah satu sama lain.
4. Papan HDI orde kedua (lubang bertumpuk)
Kedua lapisan lubang laser pada papan berlubang bergeser ditumpuk untuk membentuk papan HDI berlubang bertumpuk. Lubang laser bagian dalam diisi melalui proses pelapisan logam, kemudian lubang laser bagian luar dibuat.
Perkembangan PCB HDI
Perakitan PCB HDI pertama kali dikembangkan oleh Boeing Aircraft Company, yang membutuhkan cara baru untuk memasang papan sirkuit cetak pada pesawat mereka selama Perang Dunia II. Karena PCB-PCB tersebut diapit di antara dua pelat logam, sambungan antar pelat dapat ditempatkan sangat berdekatan. Hal ini memungkinkan para insinyur untuk menggunakan sambungan yang pendek, serta menciptakan sirkuit dengan kepadatan yang lebih tinggi dan frekuensi yang lebih tinggi. Perakitan PCB HDI komersial pertama digunakan oleh Collins Radio Company pada tahun 1962. Seiring dengan perkembangan produk RF frekuensi sangat tinggi (VHF) dan pita ultra lebar (UWB), permintaan akan teknologi HDI telah meningkat secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir.
Aplikasi PCB HDI
PCB interkoneksi kepadatan tinggi digunakan dalam koneksi frekuensi tinggi dan kepadatan tinggi pada perangkat elektronik. PCB ini juga digunakan untuk interkoneksi pada perangkat elektronik daya. Beberapa aplikasi dari papan ini antara lain:
- ponsel, smartphone, kamera digital;
- modul LAN nirkabel, modul GPS, chipset audio;
- perangkat komunikasi dalam aplikasi satelit/dirgantara/otomotif/medis.
- Papan 2 lapis melalui lubang untuk produk mikrokontroler 8-bit;
- papan lubang tembus 4-6 lapis untuk perangkat keras cerdas tingkat MCU 32-bit;
- papan melalui lubang 6 lapis dan papan HDI orde pertama 8 lapis untuk perangkat keras pintar tingkat Linux dan Android;
- papan sirkuit 8 lapis tingkat pertama dan 10 lapis tingkat kedua untuk produk kompak seperti ponsel pintar.
Manfaat PCB HDI
Ada banyak keunggulan PCB HDI:
- Membantu mengurangi biaya PCB;
- Meningkatkan kepadatan linier;
- Memudahkan penggunaan kemasan canggih;
- Memiliki kinerja listrik dan validitas sinyal yang lebih baik;
- Memiliki keandalan yang lebih baik;
- Teknologi HDI lebih baik dalam pembuangan panas;
- Kemampuan untuk mengurangi RFI (Gangguan Frekuensi Radio)/EMI (Gangguan Elektromagnetik)/ESD (Pelepasan Listrik Statis);
- Teknologi HDI meningkatkan efisiensi desain;
– Integritas mekanis yang lebih baik: Dengan laminasi yang kokoh, Anda mendapatkan kekuatan dan kekakuan mekanis yang jauh lebih baik. Hal ini membuat papan lebih kaku, sehingga tidak terlalu melentur saat terhubung ke sirkuit yang lebih kaku seperti catu daya berdaya tinggi.
– Kinerja EMI yang lebih baik: Dengan membuat papan lebih kaku dan mengurangi kapasitansi antar lapisan, Anda mendapatkan kinerja EMI yang lebih baik. Pengurangan kapasitansi ini sangat membantu dalam aplikasi daya tinggi.
– Kepadatan daya yang lebih tinggi: Dengan memperpendek jalur dan menambahkan jalur yang lebih tebal, Anda dapat memasang lebih banyak sirkuit dalam ruang papan yang sama. Karena sirkuit daya tinggi biasanya berukuran paling besar, ini adalah cara yang bagus untuk menghemat ruang papan.
– Kinerja termal yang lebih baik: Dengan jalur tembaga yang lebih tebal dan papan yang lebih kaku, Anda akan mendapatkan kinerja termal yang lebih baik. Hal ini sangat membantu dalam aplikasi daya tinggi.
Keterbatasan PCB HDI
– Fleksibilitas berkurang: Karena papan laminasi ini lebih kaku, Anda kehilangan sebagian fleksibilitas yang dimiliki oleh papan satu sisi yang lebih tipis. Hal ini tidak menjadi masalah besar saat memasang papan di dalam kotak, tetapi bisa menjadi kendala selama proses perakitan papan secara otomatis.
– Biaya lebih tinggi: Karena Anda harus melaminasi kedua sisi papan, biaya papan akan meningkat sekitar 50%. Hal ini umumnya dilakukan untuk aplikasi di mana peningkatan kinerja sebanding dengan biaya tambahan tersebut.
– Waktu siklus yang lebih lama: Saat melaminasi kedua sisi, Anda harus lebih memperhatikan prosesnya. Jika tidak, papan bisa kusut atau bahkan berlubang akibat gelembung udara yang terperangkap.
pedoman desain PCB HDI
PCB HDI adalah jenis papan sirkuit cetak (PCB) yang sangat khusus dan sebaiknya hanya digunakan untuk aplikasi yang memerlukan koneksi berfrekuensi tinggi dan kepadatan tinggi. PCB ini bukanlah pilihan yang tepat untuk aplikasi berfrekuensi rendah atau sirkuit yang memerlukan pemasangan kabel yang rumit.
– Jalur tembaga tebal: Karena PCB HDI dirancang untuk mengalirkan arus tinggi, jalurnya harus setebal mungkin. Hal ini mengurangi efek kulit, yaitu kecenderungan arus untuk mengalir di dekat permukaan konduktor.
– Jalur pendek: Karena PCB HDI dirancang untuk mengalirkan arus tinggi, jalurnya harus sesingkat mungkin. Hal ini mengurangi jumlah penurunan tegangan sepanjang jalur, yang sangat penting saat menangani tegangan tinggi.
– Bidang Ground yang Lebar: Bidang ground harus selebar mungkin untuk memberikan perisai yang baik dari gangguan elektromagnetik (EMI) dan perlindungan terhadap pelepasan muatan listrik statis (ESD).
Proses pembuatan PCB HDI
Bahan-bahan untuk PCB HDI sangat mirip dengan yang digunakan pada PCB konvensional, namun dengan konsentrasi pengisi yang lebih tinggi, seperti silika dan serat potong. Penting untuk menggunakan bahan yang mampu menahan suhu tinggi yang digunakan dalam proses pembuatan papan. Papan ini umumnya diproduksi dengan metode laminasi. Semakin banyak jumlah laminasi, semakin tinggi teknologi papan tersebut. Papan HDI biasa pada dasarnya dibuat dalam satu tahap, sedangkan HDI kelas atas menggunakan dua atau lebih teknologi pembuatan, sambil memanfaatkan teknologi PCB canggih seperti penumpukan, pelapisan logam, dan pengeboran langsung dengan laser.
Kesulitan dalam pembuatan PCB HDI terletak pada pembuatan lubang mikro (micro-vias), melalui proses metalisasi, dan jalur halus.
Pembuatan Micro Via
Pembuatan microvia selalu menjadi masalah utama dalam pembuatan PCB HDI. Ada dua metode pengeboran utama:
- Untuk pengeboran lubang tembus biasa, pengeboran mekanis selalu menjadi pilihan terbaik karena efisiensi tinggi dan biayanya yang rendah. Seiring dengan meningkatnya kemampuan pemesinan, penggunaannya dalam microvia pun semakin meluas.
- Ada dua jenis pengeboran laser: ablasi fototermal dan ablasi fotokimia. Yang pertama mengacu pada proses di mana bahan yang diproses dipanaskan hingga meleleh dan menguap melalui lubang tembus yang terbentuk setelah penyerapan energi tinggi dari sinar laser. Yang kedua mengacu pada hasil foton berenergi tinggi di wilayah ultraviolet dan panjang gelombang laser yang melebihi 400 nm.
Terdapat tiga jenis sistem laser yang diterapkan pada papan fleksibel dan kaku, yaitu laser excimer, pengeboran laser UV, dan laser CO₂. Teknologi laser tidak hanya cocok untuk pengeboran, tetapi juga untuk pemotongan dan pembentukan. Bahkan beberapa produsen memproduksi HDI menggunakan laser. Meskipun biaya peralatan pengeboran laser tinggi, mereka memiliki presisi yang lebih tinggi, proses yang stabil, dan teknologi yang matang. Keunggulan teknologi laser menjadikannya metode paling umum untuk pembuatan blind/buried via. Saat ini, 99% microvia HDI dihasilkan melalui pengeboran laser.
Metalisasi
Kesulitan terbesar dalam proses pelapisan logam pada lubang tembus adalah sulitnya mencapai keseragaman lapisan. Untuk teknologi pelapisan elektro pada lubang mikro yang dalam, selain menggunakan larutan pelapisan dengan kemampuan dispersi tinggi, larutan pelapisan pada perangkat pelapisan juga harus diperbarui secara berkala, yang dapat dicapai melalui pengadukan mekanis yang kuat atau getaran, pengadukan ultrasonik, dan penyemprotan horizontal. Selain itu, kelembapan dinding lubang melalui harus ditingkatkan sebelum proses pelapisan.
Selain perbaikan proses, metode pelapisan logam pada lubang melalui HDI juga telah mengalami peningkatan pada teknologi utama: teknologi aditif tanpa arus listrik, teknologi pelapisan langsung, dan lainnya.
Garis-garis Tipis
Penerapan garis tipis mencakup transfer gambar konvensional dan pencitraan langsung dengan laser. Transfer gambar tradisional merupakan proses yang sama dengan pengetsaan kimiawi biasa untuk membentuk garis.
Untuk pencitraan langsung dengan laser, film fotografi tidak diperlukan, dan gambar terbentuk langsung pada film fotosensitif oleh sinar laser. Lampu gelombang UV digunakan dalam pengoperasiannya, sehingga larutan pelindung korosi cair dapat memenuhi tuntutan resolusi tinggi dan pengoperasian yang sederhana. Film fotografi tidak diperlukan untuk menghindari dampak negatif akibat cacat film, dan dapat dihubungkan langsung ke CAD/CAM, sehingga memperpendek siklus produksi, menjadikannya cocok untuk produksi dalam jumlah terbatas maupun massal.
Kesimpulan
Papan sirkuit cetak kepadatan tinggi (HDI) adalah jenis papan sirkuit cetak khusus yang dirancang untuk koneksi frekuensi tinggi dan kepadatan tinggi. Papan ini sangat berguna dalam aplikasi berdaya tinggi. Papan ini dibuat dari jalur tembaga yang lebih tebal, bidang ground yang lebih luas, serta bahan fiberglass dengan konsentrasi lebih tinggi yang mampu menahan suhu yang lebih tinggi. Namun, papan ini bukanlah pilihan yang tepat untuk aplikasi frekuensi rendah atau sirkuit yang memerlukan pemasangan kabel yang rumit. Upaya dan biaya tambahan untuk memproduksi papan HDI sepadan untuk aplikasi frekuensi tinggi dan kepadatan tinggi yang memerlukan sirkuit yang lebih kaku dan lebih andal.
