Substratähnliche PCBs erweitern die Grenzen der HDI

Reale elektronische Produkte werden langsam intelligenter, sowohl durch die Implementierung einer eingebetteten Anwendung als auch durch Verbindungen zurück zu einer Cloud-Plattform oder Anwendung. Teams für eingebettete Entwicklung müssen zusammenarbeiten, um diese neuen Generationen von Produkten zu erstellen. Ein Bereich, in dem der PCB-Layoutingenieur, der Entwickler für eingebettete Systeme und sogar der MCAD-Ingenieur bei der Fertigstellung eines Projekts Verzögerungen erleben können, ist die Auswahl der I/O-Schnittstellen. Dies geschieht immer dann, wenn Sie Steckverbinder, Peripheriegeräte und einen Host-Prozessor haben.

Diese besondere Klasse von PCBs weist tatsächlich ein überzeugendes Marktwachstum auf, das EDA-Unternehmen und Hersteller nicht ignorieren sollten. Der Markt für substratähnliche PCBs wird voraussichtlich um etwa 15 % CAGR wachsen und bis 2031 6 Milliarden Dollar erreichen, da mehr Geräte über das HDI-Regime hinausgehen. Wird Ihr nächstes Gerät eine hohe genug Dichte benötigen, um als substratähnliche PCB betrachtet zu werden? Lesen Sie weiter, um zu sehen, ob Sie diese Technologie nutzen können.

Ist es ein PCB oder ein IC-Substrat?

Substratähnliche PCBs nehmen eine Mittelstellung zwischen einem HDI-PCB und einem IC-Substrat ein. Sie könnten am besten als ultra-HDI-PCBs kategorisiert werden, wie kürzlich von Tara Dunn beschrieben. Die Technologie ist nicht neu, und einer der Haupttreiber waren kleinere mobile Geräte oder Wearables, die viele Funktionen auf kleinem Raum unterbringen müssen. Dies ist natürlich der Standardtrend im HDI-Design, aber IC-Substrate treiben die Größen der Merkmale und die Dichten der Komponenten auf extreme Niveaus.

Da ein substratähnlicher PCB irgendwo zwischen HDI-PCBs und IC-Substraten liegt, denke ich, dass es sich lohnt, diese Arten von Komponenten zu vergleichen, um zu sehen, welche Fähigkeiten für ihre Herstellung erforderlich sind. Das Bild unten zeigt diese Informationen als Spektrum, wo wir in den Bereich der substratähnlichen PCBs übergehen, wenn die Leiterbahnbreiten kleiner werden. Die unten aufgeführten Merkmalsgrößen und Schichtzahlen zeigen, wie wir verschiedene Arten von ultra-HDI-PCBs grob kategorisieren können.

Letztendlich beginnen diese Produkte, wenn die Leiterbahnbreiten abnehmen, mehr wie IC-Substrate auszusehen, die Verbindungen zwischen Halbleiterdies (d.h. Chiplets) innerhalb eines Komponentenpakets bereitstellen.

Wichtige Nutzer von substratähnlichen PCBs

Während das Konzept dieser Entwürfe für einige Designer neu sein mag, sind diese Komponenten tatsächlich nicht neu. Die Substratindustrie hatte vor vielen Jahren mit denselben Herausforderungen zu kämpfen, sie beschäftigte sich nur mit der direkten Montage von Halbleiterdies auf einem Substrat anstatt einer Mischung aus traditionell verpackten Komponenten. Substratähnliche PCBs zielen im Wesentlichen auf jede Anwendung ab, die sehr feine chip-skalierte verpackte ICs verwendet, die mit traditionellen ICs auf demselben Substrat koexistieren müssen. Man könnte auch Chip-on-Board in diese Pakete integrieren.

Einer der Hauptnutzer von substratähnlichen PCBs sind Smartphones, und die heute den Verbrauchern angebotenen Produkte verwenden substratähnliche PCBs. Die erste Instanz von Smartphones, die substratähnliche PCBs verwendeten, begann 2017 mit dem iPhone 8/X, die mit einem mSAP-Prozess hergestellt wurden. Samsung verwendete die Technologie auch in ihrer neueren Galaxy-Reihe von Smartphones.

Angesichts der begrenzten Gehäusegröße und der Nachfrage nach mehr Funktionen mit einem größeren Akku, ist natürlich das Bestreben, die Feature-Größen auf den Chips und dem PCB zu verringern. Die nächste Generation von substratähnlichen PCBs sind gestapelte Baugruppen, bei denen sehr dünne Geräte übereinander mit vertikalen Verbindungen verpackt sind.

Warum verringert sich die Anzahl der Lagen bei höheren Dichten?

Wenn Sie sich das obige Spektrum ansehen, könnte es scheinen, dass alle substratähnlichen PCBs und IC-Substrate eine geringere Anzahl von Schichten als eine traditionelle HDI-PCB haben müssen. Dies mag zunächst widersprüchlich erscheinen, besonders wenn man standard HDI-PCBs mit PCBs geringerer Dichte vergleicht, die mit dem Standardätzverfahren hergestellt wurden. Was passiert, wenn man die Schwelle von HDI zu substratähnlichen PCBs überschreitet?

Der erste Grund sind die Materialien, die in diesen Designs verwendet werden. Die in diesen Platinen verwendeten Materialien können viel dünner sein, sowohl für starre als auch für modifizierte Polyimid-Substrat-ähnliche PCBs. Dünnere Schichten bedeuten zwei Dinge, die für das Erreichen höherer Dichten wichtig sind:

• Die benötigte Breite für kontrollierte Impedanzleitungen ist auf dünneren Schichten kleiner
• Der Abstand zwischen digitalen Leitungen kann viel kleiner sein (unterhalb der 3W-Grenze), wenn Masse zwischen den Signallagen eingefügt wird

Ich habe diese Punkte in einem früheren Artikel über dick vs. dünn FR4-Schichten sowie in einem Blog über niedrig-Dk-Dielektrika diskutiert.

Der andere Grund ist der Herstellungsprozess, der Linienbreiten von weit unter 40 Mikron fertigen kann. Wenn wir jedoch die Linienbreite verringern würden, wären wir immer noch an die 3W-Regel für den Abstand der Leiterbahnen gebunden. Der einzige Weg, um einen geringeren Abstand als das 3W-Limit zu ermöglichen, besteht darin, die Masseebene näher an die Leiterbahnen zu legen, was dünnere Schichten erfordert. Ich werde dies in einem kommenden Artikel über die Auswirkungen der Schichtdicke in Bezug auf die Signalintegrität näher erläutern.

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