在整个行业发展史上，嵌入式系统及其组件的尺寸一直在稳步缩小。虽然微型化本身并非新鲜事，但由于需求的不断提升以及推动体积进一步缩小的新技术出现，这股趋势正迈向新高度。其中，高密度互连(High-Density Interconnects，HDI)是影响最深远的创新之一。
HDI已经问世有一段时间了，但制造商直到最近才开始真正发挥其潜能。在这股潮流之中，深入了解这项技术并掌握其有效实施的方法，可能是确保未来成功的关键。
嵌入式系统微型化的崛起
为了理解HDI的重要性，必须先认识当前对微型化的需求。这一波嵌入式系统微型化的浪潮，主要源自于物联网(IoT)的发展。
截至2023年底，全球IoT连网设备数量达到了166亿台，较前一年增长15%；在消费市场与商业市场都积极导入数据驱动技术趋势下，这一增长势头丝毫没有放缓的迹象。随着市场持续扩张，所有垂直行业的终端用户都需要其设备提出了两个需求：更小的外形尺寸以及更高的功能性。
同时，用户也已经习惯了设备提供更丰富的功能。要实现这样的多功能性，往往意味着必须在同样的空间内塞入更多组件，这进一步提高了对微型化的要求。
2023年全球IoT连网设备数量达到166亿台，较前一年增长15%。(来源：Iot Analytics)
HDI推动微型化
随着微型化需求的不断增长，HDI提供了一条最佳的发展路径。HDI首次出现于三十多年前，而这些密度更高的PCB近年来也越来越受欢迎，原因在于制造工艺不断改进。同时，它们近期的流行也是为了满足市场对体积更小、功能更强电子产品的需求。
HDI的明显优势在于能在更小的空间中容纳更多电路。同样地，由于能降低PCB重量，使得在电路板的双面配置组件变得可行，从而在不增加尺寸的情况下实现更多功能。
转向HDI还带来性能上的好处。HDI能实现更快的信号传输并避免交叉延迟，因为信号传输的距离更短。因此，即使没有更强大或更复杂的组件，也能提升计算性能。这种高效的布线方式也能减少信号损耗与能源浪费。
HDI的应用
提升计算效率并减少尺寸限制，对几乎所有应用场景都有好处。然而，有些设备从这些改进中获益尤为显著，其中可穿戴设备就是最大的受益者之一。
美国近50%使用网络的家庭至少拥有并使用一款可穿戴设备。许多使用者也愿意支付更高的价格以获得更多功能，例如血压监测或基于实时生理数据的自动警报。为了满足这些需求，可能需要额外的组件或更高的功耗，但智能手表的体积能缩小的空间有限，否则就会失去实用性，因此HDI就成了自然而然的解决方案。
医疗设备也存在相同需求：在更小尺寸下达到更高性能，尤其是用于病患监测的应用。同样地，汽车组件与工业物联网解决方案也能从PCB减重中受益，而无需牺牲功能性。
近50%的美国家庭拥有可穿戴设备，对于支持更多健康和安全功能的需求日益增加；通过HDI，可望满足额外的组件或更高电力等设计需求。(来源：Parks Associates)
使用HDI的考量
随着这些应用案例日益增多，嵌入式系统设计师必须学会如何有效设计与实现HDI。而要做到这一点，就必须先理解HDI应用中一些独特的挑战。
设计挑战
设计一个HDI本质上比传统PCB更为复杂。在更小的外形中纳入更多电路，并不仅仅是采用体积较小的组件这么简单。如何规划过孔与合理配置所有必要元器件，并将干扰降到最低，往往需要一些创新思维。
人工智能(AI)在这方面是一项非常有用的资源。AI已成功设计出比人工设计小25%的电路，且性能相当。由于机器学习(ML)能在极短时间内仿真多种配置，它成为寻找特定PCB最佳布局的理想方法。
当然，AI本身也带来一些实施上的困难。然而，已经具备这项技术经验的组织，能利用它设计出更可靠的HDI PCB。
利用HDI PCB的过孔制程等技术，能更有效率地传输信号并减少交叉延迟。
精度要求
即使设计已经可行，制造高密度互连仍是一项挑战。由于组件更小、彼此间距更窄，HDI比传统PCB需要更高的精度。
自动化是理想的解决方案，因为机器通常比人手更精确。它们避免大规模错误的能力同样重要。有些机器人每小时能生产275片晶圆，且振动极小，可确保每一片晶圆都有一致的细节水平，这在人工操作下几乎不可能实现。
然而，即使是机器也可能出错。制造商必须确保所有机器人的公差都能满足HDI设计需求。在某些情况下，3D打印电路可能是最佳方案，因为它能避免在基板上刻蚀通道时的振动风险与相关隐患。
热管理
相较于传统PCB，HDI在温度管理上也更为复杂。高密度组件与更强的处理能力组合，很容易造成高温，而这可能导致性能下降。
在这些应用中，热管理方案也受到限制。研究显示，风扇速度对散热的影响最大，但HDI应用通常过小，无法配置风扇。因此，优化散热片的放置与鳍片几何设计，成为更紧迫的任务。
针对这一类应用，AI设计辅助工具再度成为不可或缺的资源。设计人员可能需要仿真多种PCB配置，才能找到最有效的方式让HDI保持冷却，而不会使体积大幅增加。
材料选择
与其他PCB一样，选择正确的材料对于HDI设计的优化至关重要。然而，这些电路在热管理与高功率密度方面有其独特挑战。
HDI需要介电常数低的基板，以避免在高频下出现信号保真度问题。不同组件材料间的介电常数差异同样需要考虑，因为过大的差异可能造成阻抗不匹配与信号损失。更高密度编织的玻璃纤维能在一定程度上平衡这些差异，但选择特性相近的材料往往仍是必要的。
成本与散热因素也值得关注。为了找到适合PCB各部分的最佳材料，可能需要多次重新设计与仿真。
HDI是PCB的未来
虽然HDI在设计与制造上可能会带来一些挑战，但它已成为现代电子产品生产中无法回避的一部分。随着设备持续缩小、功能需求持续提升，嵌入式系统工程师必须拥抱这一领域。在今天就学会有效运用HDI，将是明日在产业中立足的关键。
