HDI 的定义与典型结构

高密度互连（HDI）技术是生产印刷电路板的一种先进技术，旨在实现更高的线路分布密度 。通过采用微盲埋孔技术，HDI 能够在有限的空间内实现更多的电气连接，极大地提升了电路板的集成度。

在典型结构方面，HDI 板大量采用盲孔、埋孔和通孔。盲孔是一种不完全穿透电路板的导孔，它仅连接表面层与内层的特定层，通常用于连接表面元件与内部电路层，减少了对电路板空间的占用，提升了布线效率。埋孔则完全隐藏在电路板内部，连接内层之间的电路，这种孔不会在电路板表面露出，进一步提高了电路板表面的可用空间，使布局更加紧凑。通孔则是贯穿整个电路板的导孔，用于连接不同层的电路，确保信号在整个电路板中的完整传输。

根据 IPC - 2226 标准，HDI PCB 具有特定的量化特征，如线宽 / 间距≤100μm（0.10mm）、孔径 <150μm、捕获焊盘 < 400μm（0.40mm），以及连接焊盘密度> 20 pads/cm² ，这些指标远远超出了常规 PCB 技术的范畴 。其结构类型主要分为 Type I、Type II、Type III 三种 。Type I（1 阶 HDI）为单层盲孔结构，可位于芯板一侧或两侧（如 1+N+1），中间为核心板（N 层），仅采用通孔和盲孔实现层间互连，无埋孔，适用于较为简单的 HDI 设计场景。Type II（带埋孔的 1 阶 HDI）在 Type I 基础上增加了埋孔，如 1+N+1 结构，芯板含埋孔，通过通孔、盲孔、埋孔共同实现层间互连，显著提升了 Z 轴方向上的互连灵活性，能够应对更为复杂一些的电路连接需求。Type III（2 阶及以上 HDI）具备 2 层及以上盲孔结构，需多次进行激光钻孔、电镀和压合工序，借助通孔、盲孔、埋孔的综合结构，有力支持了极为复杂的互连，特别适用于高密度 BGA 器件等对连接密度和复杂性要求极高的应用场景 。

传统 PCB 的布线方式类似于城市的平面道路网络，一般通过单层或双层线路来实现元件之间的连接，其线宽 / 线距通常在 0.1mm 以上 。这种布线密度就像城市中的双向四车道主干道，对于一些基础的消费电子产品需求能够较好地满足 。然而，随着电子产品不断向小型化、高性能化发展，传统 PCB 的线路密度逐渐难以适应。HDI 板则借助激光微孔技术，将线宽大幅度压缩至 0.05mm 以下，并配合多层堆叠的设计，构建出了一个三维立体的电路网络 。以猎板 HDI 工艺为例，其采用改良型半加成法（mSAP），在绝缘基材上先沉积超薄铜层，然后利用激光直写技术进行微米级线路雕刻 。这种工艺仿佛是在电路板这个 “城市” 中建造了 “电路摩天楼”，使单位面积的信号传输量得到了大幅提升，相比传统 PCB 提升 300% 以上，为 5G 通信模块、高性能计算芯片等对高密度集成有强烈需求的场景提供了坚实的物理载体 。

传统 PCB 实现层间导通主要依靠机械钻孔技术，其孔径普遍大于 0.2mm 。这种方式就如同在电路板表面开凿出一个个 “人工隧道” 来实现不同层之间的连接 。但是，这种工艺存在着一些明显的弊端，一方面，孔壁的粗糙度相对较大，这会对信号的完整性产生不利影响，信号在传输过程中容易发生损耗和干扰；另一方面，较大的孔径会占用宝贵的布线空间，限制了电路板布线密度的进一步提高 。而 HDI 板开创了微孔化的新时代，主要通过二氧化碳激光或 UV 激光钻孔技术，将孔径成功压缩至 0.075mm 级别 。猎板 HDI 工艺在层间连接方面有独特的创新，即采用叠孔结构设计 。在 0.4mm 厚的基材上，通过两次激光钻孔形成 “背靠背” 的微孔阵列，并且配合电镀填孔技术，最终实现了层间 0Ω 阻抗连接 。这种创新工艺就如同在电路板内部构建了一条条 “光速通道”，极大地降低了高速信号的传输损耗，经测试，较传统方式降低了 40% ，尤其适用于高频毫米波雷达、光模块等对信号完整性要求极为严苛的领域 。

传统 PCB 的制造基本属于毫米级加工范畴，其生产过程中所使用的关键设备，如曝光机、蚀刻机等，对精度的要求相对来说并不高 。而 HDI 板的生产过程则可以被形容为一场 “微米级手术”，对精度的要求达到了极高的水平 。以猎板 HDI 产线为例，其激光钻孔设备采用了飞秒级脉冲光源，定位精度能够达到 ±1.5μm；电镀生产线配备了先进的在线厚度监测系统，可以实时精确调控铜层沉积量至 0.5μm 级精度 。这种高精度的制造工艺带来了革命性的变化，例如在智能手表主板的生产中，猎板 HDI 工艺成功将 12 层电路压缩进了 6mm 的厚度，与传统设计相比，空间占用减少了 40% 。更为重要的是，微米级的制造精度使得阻抗控制精度提升至 ±5% 以内，为射频前端模组、高速串行接口等对阻抗匹配精度要求苛刻的电路提供了可靠的保障 。

传统 PCB 主要采用 FR - 4 环氧玻璃布基材，这种材料的介电常数（Dk）和损耗因子（Df）参数相对固定，在应对一些对高频高速性能要求较高的场景时存在一定的局限性 。HDI 板为了满足高频高速的需求，研发出了 PTFE、LCP、碳氢树脂等一系列特种基材体系 。猎板 HDI 工艺在材料方面取得了关键突破，其自主研发的改性 PPE 基材，在 10GHz 频段下，能够保持 Dk = 3.2、Df = 0.0025 的良好性能，同时将热膨胀系数（CTE）有效控制在 30ppm/℃以内，成功解决了高频板材容易出现翘曲的行业难题 。这种材料上的革新直接拓展了 HDI 板的应用边界，使其能够在更广泛的高性能领域发挥作用 。

在智能手机领域，HDI 技术的应用极为广泛且关键。随着智能手机功能的日益强大，如高像素摄像头、高性能处理器、大容量电池以及 5G 通信模块等的集成，对主板的空间和性能提出了极高要求。手机内部空间有限，需要在极小的主板上集成大量的电子元件并保证高效的信号传输。HDI 板的高密度布线能力能够大幅减小主板尺寸，同时其优秀的信号完整性保证了高速数据传输，满足了手机对高性能计算和快速通信的需求。自 2002 年摩托罗拉全面采用 HDI 板制造手机以后，目前超过 90% 的手机主板都采用 HDI 板 。例如，在最新款的高端智能手机中，通过采用高阶 HDI 板，将主板面积缩小了约 30%，同时提升了数据处理速度和信号传输的稳定性。

在 5G 基站、光通信模块等高速通信设备中，信号传输速率极高，对信号完整性和抗干扰能力要求极为苛刻。HDI 板的微孔技术和低信号损耗特性，能够有效减少信号传输延迟和失真，保证数据的高速、准确传输。以 5G 基站的核心通信板卡为例，采用 HDI 板可使信号传输速率提升 20% 以上，大大提高了基站的数据处理和传输能力，满足了 5G 网络大带宽、低延迟的通信需求。在光通信模块中，HDI 板的应用也能够优化光路与电路的连接，提高模块的集成度和性能。

在医疗设备如便携式超声诊断仪、植入式医疗设备等产品中，HDI 技术也发挥着重要作用。便携式医疗设备需要在小巧的机身内集成复杂的电子电路，以实现诊断、监测等功能。HDI 板的轻薄化和高密度互连特性，使得医疗设备能够在小型化的同时，保证其功能的准确性和稳定性。例如，植入式心脏起搏器采用 HDI 板，能够在极小的空间内集成多种传感器和控制电路，实现对心脏功能的精准监测和调节，同时减少对人体的负担。

随着汽车智能化和电动化的发展，汽车电子系统变得越来越复杂。在自动驾驶系统、车载娱乐系统以及电动汽车的电池管理系统中，都需要高性能的 PCB 来实现大量电子元件的连接和信号传输。HDI 板能够满足汽车电子对可靠性、稳定性以及小型化的要求。在自动驾驶传感器模块中，HDI 板可将多个传感器的信号进行高效整合和传输，确保车辆对周围环境的快速准确感知；在电动汽车的电池管理系统中，HDI 板能够实现对众多电池单元的精确监测和控制，保障电池的安全和高效运行。

在 HDI 设计中，布线密度是首要考虑的因素。由于 HDI 板旨在实现高密度互连，布线空间非常有限。设计人员需要充分利用多层板的空间，采用精细的线宽和线距。一般来说，HDI 板的线宽 / 线距可达到 0.05mm 甚至更小，这就要求在设计时精确规划线路走向，避免线路交叉和短路。使用先进的电子设计自动化（EDA）工具进行布线规划，这些工具能够根据设定的规则和约束条件，自动优化线路布局，提高布线效率和准确性。要注意线路的阻抗匹配，确保信号在传输过程中的完整性，避免因阻抗不匹配导致的信号反射和衰减。

BGA（Ball Grid Array）封装在 HDI 板中应用广泛，因其具有较高的引脚密度和良好的电气性能。在设计与 BGA 封装配合的 HDI 板时，需要特别注意 BGA 焊盘的布局和过孔的设置。BGA 焊盘的尺寸和间距要严格按照封装规格进行设计，以确保焊接的可靠性。过孔的位置应尽量靠近焊盘，并且要合理安排过孔的数量和分布，以实现高效的信号传输。对于一些高速信号引脚，可能需要采用特殊的布线方式，如差分对布线，来减少信号干扰。要注意 BGA 区域的散热设计，因为 BGA 封装在工作时会产生一定热量，良好的散热设计有助于提高器件的稳定性和寿命。

盲孔和埋孔是 HDI 板的关键特征，但在设计时需要谨慎考虑其参数和布局。盲孔和埋孔的孔径、深度以及孔的数量要根据电路连接需求和电路板的层数进行合理选择。孔径过小可能会导致钻孔和电镀工艺难度增加，成本上升；孔径过大则会占用过多空间，降低布线密度。盲孔和埋孔的位置应避免与其他重要电路元件或线路发生冲突。对于多层 HDI 板，要合理规划不同类型孔的分布，以实现最佳的电气性能和结构稳定性。例如，在一些高阶 HDI 板中，采用叠孔设计可以进一步提高空间利用率，但需要严格控制叠孔的精度和质量。

由于 HDI 板常用于高速信号传输的场景，信号完整性至关重要。除了前面提到的阻抗匹配和合理的布线设计外，还需要考虑信号的串扰问题。通过增加线路之间的间距、使用屏蔽层或采用特殊的布线拓扑结构，可以有效减少信号串扰。要注意电源平面和接地平面的设计，良好的电源和接地分布能够为信号提供稳定的参考电位，减少电源噪声对信号的影响。在设计过程中，可以使用信号完整性分析工具对关键信号进行仿真分析，提前发现并解决潜在的信号完整性问题。

HDI 技术的高精度要求直接导致了更高的生产成本。首先，在原材料方面，HDI 板通常需要使用更高质量的基材，如前面提到的 PTFE、LCP 等特种基材，这些材料价格昂贵，相比传统的 FR - 4 基材成本高出数倍 。在制造过程中，复杂的生产工艺也增加了成本 。多次的激光钻孔、电镀、压合等工序，不仅需要先进的设备投入，而且生产周期较长 。例如，激光钻孔设备价格高昂，且其维护和运行成本也较高；多次压合工序对设备的精度和稳定性要求极高，任何微小的偏差都可能导致产品质量问题，从而增加废品率，进一步提高成本 。HDI 板的生产对环境要求也较为严格，需要配备专门的环保设施来处理生产过程中产生的废弃物和污染物，这也在一定程度上增加了生产成本 。

为了实现高密度布局，HDI 板的设计过程变得极为复杂，需要设计人员具备更高水平的专业知识和丰富的经验 。在设计过程中，要综合考虑布线密度、信号完整性、电源分配、热管理等多个因素，并且要在有限的空间内进行优化 。例如，在规划多层板的叠层结构时，需要精确计算不同层之间的电气参数，以确保信号传输的质量；在处理 BGA 封装等高密度引脚器件时，要精心设计焊盘和过孔的布局，避免出现连接错误或信号干扰 。设计过程中还需要使用先进的 EDA 工具进行复杂的仿真和分析，这对设计人员的软件操作能力和对电子设计原理的理解也提出了更高的要求 。稍有不慎，就可能导致设计出现缺陷，影响产品的性能和可靠性 。

随着 HDI 板线路密度的大幅增加，对其进行检测和故障排除的难度也随之急剧上升 。传统的测试设备和方法难以满足 HDI 板的测试需求，需要采用更高级的测试设备和技术 。在检测微小的盲孔和埋孔时，常规的光学检测手段可能无法清晰地观察到孔内的质量情况，需要使用 X 射线检测设备来进行内部结构的无损检测 。对于高密度的线路连接，传统的针床测试难以实现全面的电气连接测试，需要采用飞针测试等更灵活、高精度的测试方法，但这些方法测试速度较慢，成本较高 。HDI 板的信号完整性测试也变得更加复杂，需要使用专门的高速信号测试仪器来对信号的传输质量进行精确评估 。测试难度的增加不仅提高了测试成本，而且延长了产品的开发周期 。

HDI 板制造的第一步是内层制作。选用合适的覆铜板，通常为铜箔与绝缘基材的结合。通过光刻技术，将设计好的电路图案转移到覆铜板上。在光刻过程中，先在覆铜板表面均匀涂布光刻胶，然后利用掩膜版进行曝光，使光刻胶在光照下发生化学反应，再通过显影去除未曝光的光刻胶部分，从而露出需要蚀刻的铜箔区域。接下来进行蚀刻工序，使用化学蚀刻液将暴露的铜箔蚀刻掉，留下所需的电路图案。完成蚀刻后，对线路进行电镀加厚，增强线路的导电性和可靠性。之后进行黑化或棕化处理，增加铜表面与半固化片之间的结合力，为后续的层压工序做准备。

内层制作完成后，将多个内层板与半固化片（PP 片）按设计要求进行叠层。半固化片在层压过程中起到粘合各层的作用。通过高温高压的层压工艺，使半固化片完全固化，将各内层牢固地结合在一起，形成多层板结构。对于 HDI 板，需要制作盲孔和埋孔。盲孔通常采用激光钻孔技术，根据设计要求，使用激光束在特定位置烧蚀出微小的孔，连接表面层与内层。埋孔则可在层压前通过机械钻孔或激光钻孔的方式制作，然后进行孔金属化处理，即在孔壁上沉积一层金属，使其具有导电性能，实现层间的电气连接。

完成层压和钻孔后，进行外层线路制作。同样采用光刻和蚀刻工艺，在板的外层形成所需的电路图案。与内层制作类似，但对外层线路的精度和质量要求更高，因为外层线路直接与电子元件连接。外层线路制作完成后，进行表面处理。常见的表面处理方式有喷锡、沉金、OSP（有机保焊膜）等。喷锡是在电路板表面均匀喷上一层锡铅合金，提供良好的可焊性；沉金则是通过化学镀的方法在表面沉积一层金，金层具有良好的导电性和抗氧化性，适用于一些高端电子产品；OSP 是在铜表面形成一层有机保护膜，防止铜氧化，同时在焊接时保护膜会分解，确保良好的焊接性能。

制造完成后，对 HDI 板进行全面的测试与检验。首先进行电气性能测试，使用专业的测试设备检测线路的导通性、绝缘电阻、阻抗等参数，确保电路板的电气性能符合设计要求。通过外观检查，观察电路板表面是否有划伤、缺件、短路等缺陷。对于一些关键的 HDI 板，还会进行 X 射线检测，检查内部的盲孔、埋孔以及层间连接的质量情况。只有通过严格测试与检验的 HDI 板才能进入后续的电子组装环节。