HDI板概念和结构

龚永林

（本刊主编）

0 引言

高密度互连（high density interconnection，HDI）板是印制电路板（printed circuit board，PCB）的其中一种，由电子设备小型化、多功能化需求驱动而出现。最早应用积层法工艺（buildup process）生产HDI板的是日本IBM 公司，在20世纪90 年代初开发出表面层压电路板（surface laminar circuit，SLC）工艺，用顺序叠层制造多层PCB。

在20世纪90年代后期，美国IPC-2315及IPC-4104 标准认为，导通孔直径≤0.15 mm，孔的连接盘直径≤0.35 mm，导通孔通常为盲孔或埋孔，以及线路宽度/间距≤0.10/0.10 mm 的多层PCB 称为HDI 板。后来又加上了每面每cm2平均有≥20 个电气连接设计的条件。通常对于HDI 板的定义，有以下3 点：①最小导体宽度与间距≤0.10 mm；②最小导通孔径≤0.125 mm；③层间连接有埋孔和盲孔。HDI 是相对的概念，随着技术进步会要求更细的线和更小的孔。

HDI 板在日本通常被称为积层多层印制板（build-up multilayer，BUM），是指采用积层法生产工艺制成的多层板。而HDI板生产基本都是采用积层法工艺，因此可称BUM为HDI多层板。BUM是突出制造工艺，而HDI是突出产品结构。在早期，欧美也将HDI板称为微孔（microvia）印制板，突出其微小导通孔结构，现在都统称为HDI板。

1 HDI板基本结构

HDI板的基本结构有2种：一种是芯板积层式HDI 板，如图1 所示；另一种是全积层式HDI 板，如图2所示。

图1 芯板积层HDI板

图2 全积层HDI板

HDI 板是以其结构层数来命名的。芯板积层HDI板的命名逻辑为n+C+n，n为积层数（阶数），C为芯板层数；如图1（a）中，n=2（2 阶：二次积层），C=6（6 层芯板），因此称2+6+2 HDI 板，图1（b）为2+4+2 HDI板。全积层HDI 板又称任意层互连（any layer interconnection，ALIC；every layer interconnection，ELIC）板。图2 为全积层10层HDI板和全积层8层HDI板。

按照结构设计和选用基材的不同，HDI 结构同样体现于各种多层板中，有刚性HDI 板、挠性HDI 板、刚挠结合HDI 板，以及金属基HDI 板、埋置元件HDI板等。

2 HDI板的导通孔

PCB 实现电连接，除了平面的线路（导线）以外，还有垂直的导通孔。HDI 板的导通孔形式除了通常的镀覆孔（贯通孔）外，还有埋孔和盲孔，如图3 所示。埋孔（buried via）是指埋置于印制板内层间，未延伸至表面的导通孔；盲孔（blind via）是指仅延伸至PCB 一个表面，而未连通另一表面的导通孔。在HDI 板设计中，埋孔或盲孔是必定有的，而贯通的镀覆孔则不一定有。

图3 镀覆孔和埋孔、盲孔示例

在HDI 板中，导通孔的层间互连结构有堆叠孔（stacked via）、错位孔（staggered via）及跨层孔（skip via），如图4 所示。相关术语见电子电路术语标准T/CPCA 1001—1002。

图4 层间导通孔结构类型

堆叠孔互连距离最短，占用布线空间最小，但因重叠孔的目标盘是电镀铜层，有可靠性疑虑。错位孔的目标盘是既有铜层，相对可靠性高，但交叉排列占用布线空间较多。跨层孔一次实现3层或更多层之间的电气连接，可简化工序，但需要较高的孔电镀能力。

HDI 板的微导通孔多数是采用激光钻孔形成的，孔的形状为喇叭状，上部直径大于下部直径，如图5 所示。孔的下部（底部）称为目标连接盘（target land），孔的上部（孔口）称为捕获连接盘（capture land）。

图5 盲孔连接盘与填铜凹陷度

导通孔的金属化工艺常用的是化学镀铜加电镀铜填充孔，电镀铜填孔在孔口会形成一定程度的凹陷（dimple），孔内填铜凹陷度指孔内填铜层与板面镀层的高度差（图5）。另外，有孔内填充导电膏实现导通，也有孔化学镀铜与电镀铜；然后填充树脂类非导电物和盖覆电镀（cap plating），也称填孔覆盖电镀（plating over filled via，POFV），如图6所示。

图6 包覆与盖覆镀铜层剖面

3 HDI板特点

HDI 板的主要特点是减少甚至取消贯通镀覆孔，采用几乎可随意选位的微导通孔互连，大幅增加了可布线空间。如常规多层印制板有贯通孔实现层间互连，如图7（a）所示，而部分贯通孔并不需要与每层导体连通，但也占用了该层面积，使布线空间减少。HDI 板采用层间导通孔结构，只在需要连通的层间才有孔，不需要孔的部位仍可布线，从而增加了板面利用空间，如图7（b）所示。图7（b）中端点A 到端点B 的连接，导通孔结构除了孔径缩小外，可增加S 部位供布线。因此，即使在线宽/线距相同的情况下，微导通孔互连比贯通孔互连的可布线空间也是成倍增加。另外，图7（a）的板厚通常为0.4 mm，而图7（b）的板厚仅需0.2 mm，减少了基材用量和产品重量；同时缩短了端点A 到B 的距离，有利于传输电信号和减少干扰。

图7 多层板贯通孔互连与微导通孔互连比较

4 结论

HDI板的优点主要体现在以下几方面：

（1）导通孔结构设计方便，选择自由度大，提高了设计效率；

（2）增加可布线空间，提高线路密度；

（3）减薄绝缘介质厚度，减少整个印制板厚度与重量；

（4）缩短导线互连长度，降低电信号干扰与损耗；

（5）导通孔厚径比小，提高了互连可靠性；

（6）通过缩小印制板尺寸和层数，来降低制作成本。

高密度化是PCB 技术发展的永恒主题，HDI板作为PCB 的一个分支，正在扩大其应用领域，处于蓬勃发展之中。