Diseño de interconectores HDI avanzados con Altium Designer

Zachariah Peterson
|  Creado: November 9, 2020

Hay toda serie de materiales nuevos que se utilizan en el diseño de interconectores HDI avanzados y que no aparecen en la construcción multicapa tradicional, como RCC y RCCF, dieléctricos de film seco y líquidos, y preimpregnados de vidrio expandido. En este capítulo, se muestra cómo utilizar Altium Designer para crear este tipo de construcciones.

Definición de estructuras de vías

Las características que definen el diseño de interconectores HDI ) son las estructuras de vías ciegas y enterradas. Además de las microvías, se encuentran los materiales delgados que se utilizan conjuntamente con las vías ciegas, cuya relación de aspecto es inferior a 1.0. Como se indicaba en el capítulo 2, hay toda serie de materiales nuevos que se utilizan en HDI y que no aparecen en la construcción multicapa tradicional, como RCC y RCCF, dieléctricos de film seco y líquidos, y preimpregnados de vidrio expandido. En este capítulo, se muestra cómo utilizar Altium Designer para crear este tipo de construcciones:

  • Definición de apilados de HDI
  • Capacitancia distribuida
  • Definición de estructuras de microvías
  • Vías ciegas escalonadas
  • Vías ciegas de salto (skip)
  • Vías ciegas apiladas
  • Vías ciegas perforadas mecánicamente
  • Salida de BGA
  • Canales y bulevares
  • Enrutamiento en pares de capas de HDI

Apilado de interconectores HDI avanzados en Altium Designer

Apilado de interconectores HDI avanzados en Altium Designer

Apilado de HDI

Altium Designer incluye de serie algunos materiales estándar en su biblioteca. Los materiales de HDI que se tratan en el capítulo 2 de esta guía deberá añadirlos usted mismo. Esto puede hacerlo fácilmente seleccionando Tools >> Material Library en los menús principales de Layer Stack Manager. A continuación, podrá utilizarlos en un apilado de HDI, como se muestra en la figura 1.

Capacitancia distribuida

Un grupo de materiales delgados muy especial son los que generan capacitancia distribuida para la red de distribución de energía (PDN). Mucha gente cree que existen solo unos pocos de estos materiales con «capacitancia enterrada», pero, en realidad, la lista es mucho más larga, como se muestra en la tabla 1. Esto se debe a que cualquier dieléctrico de 0,000127 mm (0,005 pulgadas) o menos entre alimentación y tierra creará capacitancias adecuadas para amortiguar cualquier ruido de alta frecuencia en la PDN. Por supuesto, cuanto más delgado sea el dieléctrico y mayor sea la constante dieléctrica, mayor será su efecto, como se muestra en la tabla 1 Estos dieléctricos son laminados revestidos de cobre (CCL), films de poliimida (películas), preimpregnados y láminas recubiertas de resina (RCF).

Dieléctricos de PCB estándar adecuados para uso como dieléctrico de PDN distribuida; CCL, film de poliimida, preimpregnados y RCF

Dieléctricos de PCB estándar adecuados para uso como dieléctrico de PDN distribuida; CCL, film de poliimida, preimpregnados y RCF

Definición de estructuras de microvías

Altium ha facilitado mucho el uso de microvías. La dificultad está en seleccionar la estructura de microvías (HDI) correcta. Estas construcciones diversas se muestran en la figura 2. También se definen en el estándar de diseño de HDI IPC-2226 (tipo I a tipo VII). Todas ellas pueden utilizarse en Altium Designer, como se muestra en la figura 3.

Captura de pantalla de tres estructuras de microvías en el diseño de interconectores HDI diferentes

Captura de pantalla de tres estructuras de microvías en el diseño de interconectores HDI diferentes

Diseño de interconectores HDI:definición de vías HDI con diversas capas

Definición de vías HDI con diversas capas

La escala en las pantallas de Altium no es conforme a las dimensiones, sino a las construcciones. La visualización del apilado de capas ofrece eso.

Vías ciegas escalonadas

Las microvías escalonadas en un solo lado o en ambos lados con orificios pasantes representan la estructura de HDI más común y económica. Las diversas estructuras de microvías de Altium se muestran en la figura 4, incluidas las escalonadas, de salto (skip) y enterradas. La vía HDI está centrada por defecto, pero puede moverse tras la colocación para que esté adyacente o encastrada (como se muestra en las figuras 8 y 10 del capítulo 4).

Vía escalonada que atraviesa una capa a la vez

Vía escalonada que atraviesa solo una capa a la vez

En la figura 5, se muestra un diseño de vías escalonadas de tipo cigüeñal del estándar de diseño de HDI IPC-2226. La distancia entre microvías escalonadas puede variar desde un estilo encastrado hasta adyacente o de hueso de perro.

Cuando se utilizan varias microvías escalonadas para conectar capas internas, es preferible que estas microvías giren, como en un cigüeñal, con el fin de minimizar el efecto entre ellas durante los cambios térmicos. Dado que estas vías se expanden con el calor, afectan a otras vías en sus proximidades (ver figura 6). Si prevé una construcción de tipo HDI multicapa, póngase en contacto con el fabricante de PCB para garantizar la compatibilidad de materiales y procesos.

Construcción de vía escalonada de tipo «cigüeñal»

Construcción de vía escalonada de tipo «cigüeñal».

Construcción de tipo HDI multicapa que conecta con una vía enterrada

Construcción de tipo HDI multicapa que conecta con una vía enterrada

Vías ciegas de salto (skip)

La microvía de salto, o «skip», es un tipo especial, en cuanto se utiliza para «saltar» la siguiente capa adyacente, como se muestra en la figura 7. Puesto que la microvía de salto puede ser la más profunda de todas las microvías, es importante que el diseñador esté al corriente de la capacidad de un fabricante para producir y metalizar una microvía de este tipo. Muchos no tendrán esta capacidad, por lo que es aconsejable comprobarlo antes de crear un diseño con una. Y con todas las vías ciegas, la relación de aspecto puede reducirse a 0,70:1,0 o incluso 0,65:1,0, por lo que el pad de superficie y el pad de destino serán más grandes.

Microvía de salto entre dos dieléctricos cuando no se necesita otra estructura multicapa completa

Microvía de salto entre dos dieléctricos cuando no se necesita otra estructura multicapa completa

Vías apiladas

Las microvías apiladas son las que utilizan menos espacio, pero son mucho más difíciles de fabricar. Esto se debe a la necesidad de que el terminal de destino de la microvía superior tenga una superficie metálica sólida a la que conectarse. El proceso requiere el relleno de la microvía ya sea con materiales conductores y chapado (VIPPO) o con el uso de un "revestimiento de cobre de súper-relleno" capaz de chapar con cobre sólido el interior de la microvía. Esta estructura se muestra en la figura 8.

En la actualidad, se recomienda que las microvías apiladas no se apilen en una vía enterrada perforada más grande. Esta práctica ha dado lugar a problemas de fiabilidad. Asegúrese de ponerse en contacto con el fabricante de PCB sobre este tipo de estructura y consulte el libro blanco de IPC «Performance-Based Printed Board OEM Acceptance-Via Chain Continuity Reflow Test: The Hidden Reliability Threat-Weak Microvia Interface-IPC-WP-023» de mayo de 2018.

Microvías apiladas en una superficie metálica sólida para el «pad de soporte» de la microvía superior y microvía inferior con hueco creado con láser para relleno y chapado

Microvías apiladas en una superficie metálica sólida para el «pad de soporte» de la microvía superior y microvía inferior con hueco creado con láser para relleno y chapado

Vías ciegas perforadas mecánicamente

Estas microvías también se pueden perforar mecánicamente desde la superficie. Normalmente, tienen un diámetro más grande que las microvías perforadas con láser, y pueden tener requisitos especiales en cuanto respecta al espaciado entre capas, ya que el taladro tiene punta cónica, puede oscilar y son muy frágiles.

Esto también es aplicable a los materiales delgados chapados por los dos lados y laminados secuencialmente. Esto se aprecia en la figura 9 y se puede utilizar en Altium como propiedad (no como microvía) o con la propiedad de perforación inversa.

Vías ciegas perforadas mecánicamente tratadas como «perforación inversa» o sin «activar» la casilla de microvía en las propiedades

Vías ciegas perforadas mecánicamente tratadas como «perforación inversa» o sin «activar» la casilla de microvía en las propiedades

Salida de BGA

Las BGA de paso fino se conectan utilizando la microvía dentro del pad o utilizando una microvía que toca solamente el pad de SMT. Si se enruta con pistas de 0,1 mm o 0,075 mm, el espaciado de vía a vía se muestra en la tabla 2. En la figura 10, se muestran los posibles esquemas de enrutamiento de salida para diferentes BGA de paso fino.

Observe en la figura 10 que, para pasos de 0,5 mm y 0,4 mm, los orificios de las vías no están en el centro de los terminales. Esto es para mejorar el espaciado en las pistas de las capas internas a un mínimo de 0,075 mm. Se muestra la BGA de paso 0,5 mm con terminal SMT de 0,25 mm y pad de capa interna de 0,22 mm. Al seleccionar reglas de diseño para BGA de paso fino, póngase en contacto con el fabricante de PCB e infórmese acerca de la geometrías y tolerancias compatibles.

Reglas de diseño para terminales SMT de BGA, vías ciegas, anchos de pista y espaciados para pasos finos

Reglas de diseño para terminales SMT de BGA, vías ciegas, anchos de pista y espaciados para pasos finos

Además de la tradicional salida de hueso de perro N-S-E-O de las BGA, las microvías, debido a su tamaño mucho más reducido, posibilitan dos nuevos métodos de salida que aumentan en gran medida la densidad de enrutamiento y reducen el número de capas: colocación de vías en canales y oscilantes (de tipo «swing»).

Reglas de diseño para terminales SMT de BGA, vías ciegas, anchos de pista y espaciados para pasos finos

Reglas de diseño para terminales SMT de BGA, vías ciegas, anchos de pista y espaciados para pasos finos

Canales

Cuando las vías de escape de señal totales de una BGA comienzan a superar los 400 pines, se hace aconsejable colocar microvías, no periféricamente para salida, sino como filas que cruzan la BGA, como se muestra en la figura 10. Estas forman «canales» en las capas internas y en el extremo de la placa que permiten el acceso a las señales internas de la BGA y, por lo tanto, requieren menos capas para la salida total.

La BGA de la figura 11 tiene 1153 pines (34x34), con paso de 1,0 mm y 132 rutas posibles por capa (1 pista entre vías) más 20 pistas en el canal (5 pistas). Esto significa que se necesitarían 8 capas (más 5 planos internos) para conectar esta BGA al resto del circuito.

Si creamos más canales de enrutamiento, conectamos más pistas por capa y reducimos el número total de capas. En el enrutamiento por canales, se utilizan microvías ciegas para formar hasta 4 canales adicionales en forma de cruz, en forma de L o en diagonal en un patrón de distribución de BGA. Los nuevos canales permiten hasta 48 conexiones adicionales por capa (8x6 pistas, por lo que se pueden eliminar dos capas de enrutamiento y dos planos internos.

Los canales pueden ser «transversales», «en forma de L» o «en diagonal», dependiendo del diseño de los pines de tierra y de alimentación de la BGA, como se muestra en la figura 12.

Colocación de microvías en una BGA para formar canales de escape para las señales interiores

Alt text: Colocación de microvías en una BGA para formar canales de escape para las señales interiores)

Canales de enrutamiento formados por microvias para facilitar la salida en BGA grandes

Canales de enrutamiento formados por microvias para facilitar la salida en BGA grandes

Salidas oscilantes para bulevares

Una vía oscilante (de tipo «swing») es, en realidad, un par de vías que se abren en abanico entre dos pads de componentes (piezas) para optimizar el área disponible para enrutar los conductores entre ellos. En lugar de una única vía de salida como en el esquema N-S-E-O de hueso de perro, las microvías más pequeñas tienen espacio para dos vías de salida adyacentes, como se muestra en la figura 13.

Los pads de microvía son tan pequeños, en comparación con los pads de orificio pasante, que incluso hay espacio para un relleno de tierra de superficie, con un paso de hasta 0,65 mm (figura 13).

Ejemplo de «salida oscilante» para una BGA grande de 0,8mm que incluye un relleno de tierra de superficie Diseño de interconectores HDI: ejemplo de «salida oscilante» para una BGA grande de 0,8 mm que incluye un relleno de tierra de superficie

Para calcular el espaciado y el ángulo de las «vías oscilantes», se utiliza una geometría simple basada en las 6 dimensiones:

  • Paso de BGA
  • Tamaño del terminal SMT de la BGA
  • Tamaño del pad de microvía
  • Distancia mínima entre microvías de salida
  • Si las microvías están en línea recta, escalonadas o adyacentes a los terminales de la BGA (distancia a microvía)
  • Si se utilizan microvías de salto (L1-L3), microvías normales (L1-L2) o ambas

Al seleccionar la distancia X y la distancia Y, el valor de arcotangente proporcionará la distancia y ángulo (0) para la colocación de las microvías, como se muestra en la figura 14. Las fórmulas trigonométricas están disponibles con MS Excel.

Enrutamiento en capas de HDI

Para lograr una mayor densidad de enrutamiento con HDI, si es posible, asigne sus capas de enrutamiento de superficie en un formato de par de capas X-Y. Además, puede resultar práctico mover el plano de tierra de referencia a la superficie como relleno GND. Las pequeñas geometrías HDI más los planos de retención son más pequeños que un antipad mecánico en un plano de capa interna.

Diseño de interconectores HDI:reglas trigonométricas para calcular el espaciado y el ángulo de oscilación.

Reglas trigonométricas simples paracalcular el espaciado y el ángulo de oscilación

Pares de capas

Se logra una mayor densidad si las señales horizontales se conectan con la señal vertical por medio de una microvía pequeña, una microvía de salto o una vía pequeña perforada, como se muestra en la figura 15.

Tres posibles apilamientos que permiten el enrutamiento X-Y utilizando microvías, en vez de vías perforadas más grandes de forma transversal.Alt Text: Tres posibles apilamientos que permiten el enrutamiento X-Y utilizando microvías, en vez de vías perforadas más grandes de forma transversal)

Ruta de retorno

Para la señal de alta velocidad, la ruta de retorno de un circuito es la ruta de menor inductancia, por lo que sigue la señal de salida en el plano de referencia. El formato miniaturizado de HDI y el paso fino permiten que el plano de TIERRA más externo salga a la superficie y se utilice como RELLENO GND, como se muestra en la figura 13. Recuerde que el relleno GND debe ser continuo para la ruta de retorno. De lo contrario, se generará ruido. Si cambia de plano de retorno, tenga una vía disponible para las corrientes de retorno.

Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Zachariah Peterson tiene una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Actualmente brinda servicios de investigación, diseño y marketing a empresas de la industria electrónica. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland y realizó investigaciones sobre la teoría, los materiales y la estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas de láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sensores ambientales y estocástica. Su trabajo ha sido publicado en más de una docena de revistas revisadas por pares y actas de congresos, y ha escrito más de 1000 blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Es miembro de IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society y Printed Circuit Engineering Association (PCEA), y anteriormente se desempeñó en el Comité Asesor Técnico de Computación Cuántica de INCITS.

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