Yüksek yoğunluklu bağlantı (HDI) baskılı devre kartı, yüksek yoğunluklu metal izlere sahip bir elektronik devre kartıdır; başka bir deyişle, geleneksel PCB’lere kıyasla birim alan başına daha fazla bakır içerir. Bu kartlar, elektronik sektöründe yüksek frekanslı PCB’ler ve yüksek yoğunluklu bağlantılar için kullanılır. Bunlar aynı zamanda çift taraflı ara kartlar, HDI kartları veya HDIP kartları olarak da bilinir.
HDI Baskılı Devre Kartı Nedir?
HDI baskılı devre kartları normal baskılı devre kartlarına benzer, ancak iki önemli farkı vardır. Birincisi, daha yüksek yoğunluklu bakır izlerin bulunmasıdır; bu, geleneksel PCB’lere kıyasla birim alan başına daha fazla bakır olduğu anlamına gelir. Diğer fark ise, kartın iki yüzünün birbirine lamine edilerek katmanlar arasında hava boşluğu olmayan bir sandviç yapısı oluşturmasıdır. Kart, metal levhalar arasına sıkıştırılabilir veya içi boş bir levha kullanılabilir. Metal plakalar, devreyi elektromanyetik parazitten (EMI) korumak için bir toprak düzlemi sağlamak amacıyla kullanılır. Toprak düzlemi ayrıca, hassas elektronik bileşenleri tahrip edebilecek elektrostatik deşarja karşı elektrostatik koruma sağlar. Ekranlama ayrıca, yakındaki devrelerde gürültüye neden olabilecek devreler arasındaki kapasitif kuplajı da önler.
HDI PCB Türleri
HDI kartları, kör delik kaplamasının katman sayısına göre birinci dereceden, ikinci dereceden, üçüncü dereceden, dördüncü dereceden, beşinci dereceden vb. olarak sınıflandırılabilir. PCB endüstrisinde, birinci dereceden HDI kartı "1+n+1", ikinci dereceden HDI kartı ise "2+n+2" olarak adlandırılır; bu durum şekilde gösterilmiştir.
bir artı n artı bir
Birinci dereceden HDI kartının yapısı nispeten basittir ve üretim süreci kontrol edilmesi nispeten kolaydır. Resimdeki pembe delikler, lazer delme yöntemiyle açılan kör deliklerdir ve çapları genellikle 3–4 mil civarındadır; sarı delikler ise mekanik delme yöntemiyle açılan gömülü deliklerdir ve çapları en az 6 mil (0,15 mm) veya daha fazladır.
iki artı n artı iki
İkinci dereceden HDI kartlarında çeşitli yapılar mevcuttur. Bunlardan ilki, her bir katmanın konumlarının birbirinden kaydırılmış olması ve bitişik katmanların orta katmanda kablolar aracılığıyla birbirine bağlanmasıdır. Bu yaklaşım, iki adet birinci dereceden HDI'ye eşdeğerdir. İkincisi ise, iki birinci dereceden deliğin üst üste bindirilmesi ve ikinci derecenin üst üste bindirme yoluyla gerçekleştirilmesidir; bu işlem, iki birinci dereceden HDI'ye benzer. Üçüncüsü, dış katmandan üçüncü katmana (veya N-2 katmanına) doğrudan delme işlemidir. Bu işlem, öncekinden çok farklıdır ve delme işlemi de daha zordur.
HDI Kartlar ve Delikli Kartlar
Çok katmanlı devre kartları genellikle delikli kartlar, birinci dereceden kartlar, ikinci dereceden kartlar ve ikinci dereceden yığılmış delikli kartları içerir. Yapıları aşağıdaki gibi karşılaştırılabilir:
1. Delikli devre kartı
Delikli levha ile kat sayısı arasında doğrudan bir ilişki yoktur. Bu delik, ilk kattan son kata kadar uzanır. Deliklerin iç çapı genellikle 0,2 mm, 0,25 mm ve 0,3 mm'dir. 0,2 mm'lik delikler, 0,3 mm'lik deliklere göre çok daha pahalıdır. Bunun nedeni, 0,2 mm'lik matkabın çok ince olması ve kolayca kırılabilmesidir.
2. Birinci Derece HDI Kurulu
Bu, 6 katmanlı 1. derece bir HDI kartının katman yapısı şemasıdır. Yüzeydeki iki katman, iç çapı 0,1 mm olan lazer delikleridir. İçteki 4 katman, deliklere benzer mekanik deliklerdir.
Lazer sadece cam elyaf plakasını delebilir, metal bakırı delemez. Bu nedenle dış yüzeye delik açmak, içerideki diğer devreleri etkilemez. Lazer deliği açtıktan sonra, bakır kaplama yapılarak bir lazer geçişi oluşturulur.
3. İkinci derece HDI kartı (kademeli delikli)
Bu, üst ve alt yüzlerinde birbirinden ayrılmış 2 katman lazer delikli, 6 katmanlı, 2. derece kademeli delikli bir HDI kartıdır.
4. İkinci derece HDI kartı (üst üste delikli)
Kademeli delikli kartın iki katmanındaki lazer delikleri üst üste bindirilerek yığılmış delikli bir HDI kartı oluşturulur. İçteki lazer deliği elektrokaplama ile doldurulur ve ardından dıştaki lazer deliği açılır.
HDI PCB'nin Gelişimi
İlk HDI PCB montajı, İkinci Dünya Savaşı sırasında uçaklarına baskılı devre kartlarını monte etmek için yeni bir yönteme ihtiyaç duyan Boeing Aircraft Company tarafından geliştirildi. PCB’ler iki metal plaka arasına sıkıştırıldığından, plakalar arasındaki bağlantı noktaları birbirine çok yakın olabilir. Bu durum, mühendislerin kısa bağlantı noktaları kullanmasına ve daha yüksek yoğunluklu ve daha yüksek frekanslı devreler oluşturmasına olanak sağladı. İlk ticari HDI PCB montajı, 1962 yılında Collins Radio Company tarafından kullanıldı. Çok yüksek frekanslı (VHF) ve ultra geniş bantlı (UWB) RF ürünlerinin geliştirilmesiyle birlikte, son birkaç yılda HDI teknolojilerine olan talep önemli ölçüde artmıştır.
HDI PCB Uygulaması
Yüksek yoğunluklu bağlantı PCB'leri, elektronik sektöründe yüksek frekanslı ve yüksek yoğunluklu bağlantılarda kullanılır. Ayrıca güç elektroniğinde bağlantı amaçlı olarak da kullanılırlar. Bu kartların bazı uygulama alanları şunlardır:
- cep telefonları, akıllı telefonlar, dijital kameralar;
- kablosuz LAN modülleri, GPS modülleri, ses yonga setleri;
- uydu/havacılık/otomotiv/tıbbi uygulamalardaki iletişim cihazları.
- 8 bit mikrodenetleyici ürünleri için 2 katmanlı delikli kart;
- 32 bit MCU düzeyinde akıllı donanımlar için 4-6 katmanlı delikli kart;
- Linux ve Android düzeyinde akıllı donanımlar için 6 katmanlı delikli kart ve 8 katmanlı birinci dereceden HDI kartlar;
- akıllı telefonlar gibi kompakt ürünler için 8 katmanlı birinci derece ve 10 katmanlı ikinci derece devre kartları.
HDI PCB'lerin Avantajları
HDI devre kartlarının birçok avantajı vardır:
- PCB maliyetini düşürmeye yardımcı olur;
- Doğrusal yoğunluğu artırır;
- Gelişmiş ambalajlamanın kullanımını kolaylaştırır;
- Daha iyi elektriksel performans ve sinyal geçerliliğine sahiptir;
- Daha yüksek güvenilirliğe sahiptir;
- HDI teknolojisi ısı dağılımında daha iyidir;
- RFI (Radyo Frekansı Paraziti)/EMI (Elektromanyetik Parazit)/ESD (Elektrostatik Deşarj) sorunlarını iyileştirme yeteneği;
- HDI teknolojisi tasarım verimliliğini artırır;
– Geliştirilmiş mekanik bütünlük: Sağlam bir laminat ile çok daha iyi mekanik mukavemet ve sertlik elde edersiniz. Bu, kartı daha sert hale getirir, böylece yüksek güç kaynağı gibi daha sert bir devreye bağlandığında çok fazla esnemez.
– Geliştirilmiş EMI performansı: Kartları daha sert hale getirerek ve katmanlar arasındaki kapasitansı azaltarak, daha iyi EMI performansı elde edersiniz. Kapasitansın azaltılması, özellikle yüksek güçlü uygulamalarda yararlıdır.
– Daha yüksek güç yoğunluğu: İzleri kısaltarak ve daha kalın izler ekleyerek, aynı kart alanına daha fazla devre sığdırabilirsiniz. Yüksek güçlü devreler genellikle en büyük devreler olduğundan, bu kart alanından tasarruf etmenin harika bir yoludur.
– Geliştirilmiş termal performans: Bakır izlerin daha kalın ve kartın daha sert olması sayesinde daha iyi termal performans elde edersiniz. Bu, özellikle yüksek güç uygulamalarında yararlıdır.
HDI PCB'lerin sınırlamaları
– Esneklik kaybı: Daha sert bir lamine kart kullandığınız için, daha ince, tek taraflı bir kartın sunduğu esnekliğin bir kısmını kaybedersiniz. Bu durum, kartları bir kutuya monte ederken büyük bir sorun teşkil etmez, ancak otomatik kart montajı sırasında bir sorun oluşturabilir.
– Daha yüksek maliyet: Kartın iki yüzünü de lamine etmeniz gerektiğinden, kartın maliyeti yaklaşık %50 artar. Bu işlem çoğunlukla, performans artışı ek maliyeti karşılayacak uygulamalar için yapılır.
– Artan döngü süreleri: İki tarafı birbirine lamine ederken, sürece ekstra dikkat etmeniz gerekir. Aksi takdirde, levhada kırışıklıklar veya hatta sıkışan hava kabarcıklarından kaynaklanan delikler oluşabilir.
HDI PCB Tasarım Kılavuzları
HDI PCB'ler, yalnızca yüksek frekanslı ve yüksek yoğunluklu bağlantıların gerekli olduğu uygulamalarda kullanılması gereken, oldukça özel bir baskılı devre kartı (PCB) türüdür. Düşük frekanslı uygulamalar veya yoğun kablolama gerektiren devreler için uygun bir seçenek değildir.
– Kalın bakır izler: HDI PCB'ler yüksek akımları taşımak üzere tasarlandığından, izler mümkün olduğunca kalın olmalıdır. Bu, akımın iletken yüzeyine yakın hareket etme eğilimi olan yüzey etkisini azaltır.
– Kısa izler: HDI PCB'ler yüksek akımları taşımak üzere tasarlandığından, izler mümkün olduğunca kısa olmalıdır. Bu, izin uzunluğu boyunca voltaj düşüşünü azaltır; bu da yüksek voltajlarla çalışırken çok önemlidir.
– Geniş Toprak Düzlemi: Elektromanyetik parazit (EMI) ve elektrostatik deşarj (ESD) koruması sağlamak için toprak düzlemi mümkün olduğunca geniş olmalıdır.
HDI PCB üretim süreci
HDI PCB'lerde kullanılan malzemeler, geleneksel PCB'lerdekine çok benzemekle birlikte, silika ve kesilmiş elyaf gibi dolgu maddelerinin konsantrasyonu daha yüksektir. Kart üretim sürecinde kullanılan yüksek sıcaklıklara dayanacak malzemelerin kullanılması önemlidir. Bu kartlar genellikle laminasyon yöntemiyle üretilir. Laminasyon sayısı ne kadar fazla olursa, kartın teknolojisi de o kadar yüksek olur. Sıradan HDI kartları temelde tek seferlik bir yapıya sahiptir ve üst düzey HDI, istifleme, elektrokaplama ve lazerle doğrudan delme gibi gelişmiş PCB teknolojilerini kullanırken iki veya daha fazla yapı teknolojisi kullanır.
HDI PCB imalatındaki zorluk, metalizasyon ve ince çizgiler yoluyla mikro viyaların imalatında yatmaktadır.
Mikro Delikli Üretim
Mikrovia üretimi, HDI PCB üretiminde her zaman temel bir konu olmuştur. İki ana delme yöntemi bulunmaktadır:
- Yaygın delik delme işlemlerinde, mekanik delme, yüksek verimliliği ve düşük maliyeti nedeniyle her zaman en iyi seçimdir. İşleme yetenekleri geliştikçe, mikro deliklerde kullanımı da artmıştır.
- İki tür lazer delme vardır: fototermal ablasyon ve fotokimyasal ablasyon. İlki, lazer ışığının yüksek enerjili emilimi sonrasında işlenen malzemenin ısıtılması ve eriyerek oluşturulan deliklerden buharlaşması sürecini ifade eder. İkincisi ise ultraviyole bölgesindeki yüksek enerjili fotonların ve 400 nm'yi aşan lazer uzunluklarının sonuçlarını ifade eder.
Esnek ve sert levhalara uygulanan üç tür lazer sistemi vardır: eksimer lazer, UV lazer delme ve CO₂ lazer. Lazer teknolojisi sadece delme için değil, aynı zamanda kesme ve şekillendirme için de uygundur. Hatta bazı üreticiler HDI'yi lazerle üretmektedir. Lazer delme ekipmanlarının maliyeti yüksek olsa da, daha yüksek hassasiyete, istikrarlı bir işleme ve olgun bir teknolojiye sahiptirler. Lazer teknolojisinin avantajları, onu kör/gömülü delik imalatı için en yaygın yöntem haline getirir. Günümüzde, HDI mikro deliklerinin %99'u lazer delme ile elde edilmektedir.
Metalleştirme
Delik içi metal kaplamadaki en büyük zorluk, kaplamada homojenlik sağlanmasının zor olmasıdır. Mikro deliklerin derin delik elektrokaplama teknolojisinde, yüksek dağılım kabiliyetine sahip elektrokaplama çözeltisinin kullanılmasına ek olarak, elektrokaplama cihazındaki kaplama çözeltisi de zamanında yenilenmelidir; bu, güçlü mekanik karıştırma veya titreşim, ultrasonik karıştırma ve yatay püskürtme yoluyla sağlanabilir. Ayrıca, elektrokaplamadan önce delik duvarlarının nemi artırılmalıdır. Proses
iyileştirmelerine ek olarak, HDI'nın delik metalizasyon yöntemlerinde de önemli teknolojilerde iyileştirmeler görülmüştür: akımsız katkı maddesi teknolojisi, doğrudan kaplama teknolojisi ve daha fazlası.
İnce Çizgiler
İnce çizgi uygulamaları arasında geleneksel görüntü aktarımı ve lazerle doğrudan görüntüleme yer alır. Geleneksel görüntü aktarımı, çizgileri oluşturmak için kullanılan sıradan kimyasal aşındırma işlemiyle aynıdır. Lazerle doğrudan
görüntüleme yönteminde ise fotoğraf filmi gerekmez ve görüntü, lazerle doğrudan ışığa duyarlı film üzerinde oluşturulur. İşlemde UV dalga lambaları kullanılır; bu sayede sıvı korozyon önleyici çözümler, yüksek çözünürlük ve kolay kullanım gereksinimlerini karşılayabilir. Film kusurlarından kaynaklanan olumsuz etkileri önlemek için fotoğraf filmi gerekmez ve CAD/CAM'e doğrudan bağlanabilir, bu da üretim döngüsünü kısaltır ve sınırlı ve çoklu üretimler için uygun hale getirir.
Sonuç
Yüksek yoğunluklu bağlantı kartları, yüksek frekanslı ve yüksek yoğunluklu bağlantılar için tasarlanmış özel bir baskılı devre kartı türüdür. Bu kartlar özellikle yüksek güçlü uygulamalarda kullanışlıdır. Daha kalın bakır izler, daha geniş bir toprak düzlemi ve daha yüksek sıcaklıklara dayanabilen daha yüksek konsantrasyonlu bir cam elyaf malzemesinden üretilirler. Bununla birlikte, bu kartlar düşük frekanslı uygulamalar veya yoğun kablolama gerektiren devreler için uygun bir seçim değildir. HDI kartlarını üretmek için harcanan ekstra çaba ve masraf, daha sert ve daha güvenilir bir devre gerektiren yüksek frekanslı ve yüksek yoğunluklu uygulamalar için karşılığını verir.
