HDI板概念和結構

龔永林

（本刊主編）

0 引言

高密度互連（high density interconnection，HDI）板是印制電路板（printed circuit board，PCB）的其中一種，由電子設備小型化、多功能化需求驅動而出現。最早應用積層法工藝（buildup process）生產HDI板的是日本IBM 公司，在20世紀90 年代初開發(fā)出表面層壓電路板（surface laminar circuit，SLC）工藝，用順序疊層制造多層PCB。

在20世紀90年代后期，美國IPC-2315及IPC-4104 標準認為，導通孔直徑≤0.15 mm，孔的連接盤直徑≤0.35 mm，導通孔通常為盲孔或埋孔，以及線路寬度/間距≤0.10/0.10 mm 的多層PCB 稱為HDI 板。后來又加上了每面每cm2平均有≥20 個電氣連接設計的條件。通常對于HDI 板的定義，有以下3 點：①最小導體寬度與間距≤0.10 mm；②最小導通孔徑≤0.125 mm；③層間連接有埋孔和盲孔。HDI 是相對的概念，隨著技術進步會要求更細的線和更小的孔。

HDI 板在日本通常被稱為積層多層印制板（build-up multilayer，BUM），是指采用積層法生產工藝制成的多層板。而HDI板生產基本都是采用積層法工藝，因此可稱BUM為HDI多層板。BUM是突出制造工藝，而HDI是突出產品結構。在早期，歐美也將HDI板稱為微孔（microvia）印制板，突出其微小導通孔結構，現在都統(tǒng)稱為HDI板。

1 HDI板基本結構

HDI板的基本結構有2種：一種是芯板積層式HDI 板，如圖1 所示；另一種是全積層式HDI 板，如圖2所示。

圖1 芯板積層HDI板

圖2 全積層HDI板

HDI 板是以其結構層數來命名的。芯板積層HDI板的命名邏輯為n+C+n，n為積層數（階數），C為芯板層數；如圖1（a）中，n=2（2 階：二次積層），C=6（6 層芯板），因此稱2+6+2 HDI 板，圖1（b）為2+4+2 HDI板。全積層HDI 板又稱任意層互連（any layer interconnection，ALIC；every layer interconnection，ELIC）板。圖2 為全積層10層HDI板和全積層8層HDI板。

按照結構設計和選用基材的不同，HDI 結構同樣體現于各種多層板中，有剛性HDI 板、撓性HDI 板、剛撓結合HDI 板，以及金屬基HDI 板、埋置元件HDI板等。

2 HDI板的導通孔

PCB 實現電連接，除了平面的線路（導線）以外，還有垂直的導通孔。HDI 板的導通孔形式除了通常的鍍覆孔（貫通孔）外，還有埋孔和盲孔，如圖3 所示。埋孔（buried via）是指埋置于印制板內層間，未延伸至表面的導通孔；盲孔（blind via）是指僅延伸至PCB 一個表面，而未連通另一表面的導通孔。在HDI 板設計中，埋孔或盲孔是必定有的，而貫通的鍍覆孔則不一定有。

圖3 鍍覆孔和埋孔、盲孔示例

在HDI 板中，導通孔的層間互連結構有堆疊孔（stacked via）、錯位孔（staggered via）及跨層孔（skip via），如圖4 所示。相關術語見電子電路術語標準T/CPCA 1001—1002。

圖4 層間導通孔結構類型

堆疊孔互連距離最短，占用布線空間最小，但因重疊孔的目標盤是電鍍銅層，有可靠性疑慮。錯位孔的目標盤是既有銅層，相對可靠性高，但交叉排列占用布線空間較多?？鐚涌滓淮螌崿F3層或更多層之間的電氣連接，可簡化工序，但需要較高的孔電鍍能力。

HDI 板的微導通孔多數是采用激光鉆孔形成的，孔的形狀為喇叭狀，上部直徑大于下部直徑，如圖5 所示?？椎南虏浚ǖ撞浚┓Q為目標連接盤（target land），孔的上部（孔口）稱為捕獲連接盤（capture land）。

圖5 盲孔連接盤與填銅凹陷度

導通孔的金屬化工藝常用的是化學鍍銅加電鍍銅填充孔，電鍍銅填孔在孔口會形成一定程度的凹陷（dimple），孔內填銅凹陷度指孔內填銅層與板面鍍層的高度差（圖5）。另外，有孔內填充導電膏實現導通，也有孔化學鍍銅與電鍍銅；然后填充樹脂類非導電物和蓋覆電鍍（cap plating），也稱填孔覆蓋電鍍（plating over filled via，POFV），如圖6所示。

圖6 包覆與蓋覆鍍銅層剖面

3 HDI板特點

HDI 板的主要特點是減少甚至取消貫通鍍覆孔，采用幾乎可隨意選位的微導通孔互連，大幅增加了可布線空間。如常規(guī)多層印制板有貫通孔實現層間互連，如圖7（a）所示，而部分貫通孔并不需要與每層導體連通，但也占用了該層面積，使布線空間減少。HDI 板采用層間導通孔結構，只在需要連通的層間才有孔，不需要孔的部位仍可布線，從而增加了板面利用空間，如圖7（b）所示。圖7（b）中端點A 到端點B 的連接，導通孔結構除了孔徑縮小外，可增加S 部位供布線。因此，即使在線寬/線距相同的情況下，微導通孔互連比貫通孔互連的可布線空間也是成倍增加。另外，圖7（a）的板厚通常為0.4 mm，而圖7（b）的板厚僅需0.2 mm，減少了基材用量和產品重量；同時縮短了端點A 到B 的距離，有利于傳輸電信號和減少干擾。

圖7 多層板貫通孔互連與微導通孔互連比較

4 結論

HDI板的優(yōu)點主要體現在以下幾方面：

（1）導通孔結構設計方便，選擇自由度大，提高了設計效率；

（2）增加可布線空間，提高線路密度；

（3）減薄絕緣介質厚度，減少整個印制板厚度與重量；

（4）縮短導線互連長度，降低電信號干擾與損耗；

（5）導通孔厚徑比小，提高了互連可靠性；

（6）通過縮小印制板尺寸和層數，來降低制作成本。

高密度化是PCB 技術發(fā)展的永恒主題，HDI板作為PCB 的一個分支，正在擴大其應用領域，處于蓬勃發(fā)展之中。