Conceptos básicos de diseño para HDI y el proceso de fabricación de PCB HDI

Zachariah Peterson
|  Creado: December 3, 2021  |  Actualizado: March 23, 2022
Diseño de PCB HDI y el proceso estándar de fabricación de PCB HDI

A medida que el mundo de la tecnología ha ido evolucionando, también lo ha hecho la necesidad de introducir más prestaciones en paquetes cada vez más pequeños. Las PCB diseñadas con técnicas de interconexión de alta densidad (HDI) tienden a ser más pequeñas, ya que hay más componentes presentes en un espacio más pequeño. La fabricación de PCB HDI utiliza vías ciegas, vías enterradas, microvías, vías en pads y pistas muy delgadas para que quepan más componentes en un área más pequeña. Vamos a mostrarte los fundamentos del diseño para HDI y cómo Altium Designer® puede ayudarte a crear una potente PCB HDI.

El diseño y la fabricación de circuitos impresos de interconexiones de alta densidad (HDI) empezaron en 1980, cuando se comenzaron a investigar diversas maneras de reducir el tamaño de las vías en las placas de circuito impreso (PCB). La primera acumulación de la producción o placas impresas secuenciales apareció en 1984. Desde entonces, los diseñadores y fabricantes de componentes siempre buscan la manera de incluir más funciones en un solo chip y en una sola placa. Hoy en día, el diseño y la fabricación de PCB HDI están codificadas en los estándares IPC-2315, IPC-2226, IPC-4104 e IPC-6016.

A la hora de planificar el diseño del PCB HDI, hay que superar ciertas dificultades de diseño y fabricación. A continuación presentamos una breve lista de dificultades que se pueden presentar en la fabricación de PCB HDI:

  • Área de trabajo limitada en la placa
  • Componentes más pequeños y espacios más reducidos
  • Mayor número de componentes en ambos lados del stackup de la PCB
  • Trazado de pistas más largo que crea tiempos de propagación de señal más largos
  • Se requieren más trazados de pistas para completar la placa

Con el conjunto adecuado de herramientas de trazado y enrutamiento integradas en un motor de diseño basado en reglas, puedes infringir las reglas normales en el diseño de la PCB y crear potentes PCB con una densidad de interconexión muy alta. Trabajar con enrutamiento de PCB de alta densidad y componentes de "fine pitch" es fácil cuando se utiliza un software avanzado de diseño de PCB creado específicamente para la fabricación de PCB HDI. Puedes crear tu nuevo diseño y plan de HDI para el proceso de fabricación de HDI con las características de diseño de primera categoría que te brinda Altium Designer.

¿En qué se diferencia el diseño y la fabricación de PCB HDI?

El proceso de fabricación de HDI se diferencia del proceso tradicional de PCB en algunos aspectos sencillos pero importantes. Un punto importante a tener en cuenta es que las limitaciones del fabricante restringirán la libertad de diseño y establecerán límites para el trazado de pistas de la placa. El uso de pistas más finas, vías más pequeñas, más capas y componentes más pequeños se puede seguir incluyendo en el software de diseño. Pero, si también deseas cumplir de los requisitos de diseño para la fabricación (DFM), te conviene aprovechar las ventajas de la automatización en tu software de diseño. Los requisitos exactos de DFM dependen del proceso de fabricación y de los materiales utilizados para construir la placa. Los requisitos de DFM también adquieren importancia cuando consideramos los requisitos de fiabilidad.

La selección de materiales debe responder a estas preguntas:

  • ¿La química del dieléctrico será compatible con la química actual utilizada por el material principal del sustrato?
  • ¿Tendrá el dieléctrico una adherencia aceptable en el cobre chapado? (Muchos fabricantes de equipos originales [OEM] quieren >6 lb./in. [1,08 kg/cm] por 1 oz [35,6 µm] de cobre.)
  • ¿El dieléctrico proporcionará un espaciado dieléctrico adecuado y fiable entre las capas metálicas?
  • ¿Cumple con los requisitos térmicos?
  • ¿Proporcionará el dieléctrico una Tg "alta" deseable para la unión de cables y la reelaboración?
  • ¿Sobrevivirá al choque térmico con múltiples capas SBU (es decir, flotadores de soldadura, ciclos térmicos acelerados, múltiples reflows)?
  • ¿Tendrá microvías chapadas fiables?

Hay nueve materiales dieléctricos generales diferentes que se utilizan en los sustratos HDI. Las hojas de corte del IPC, como la IPC-4101B y la IPC-4104A, cubren muchos aspectos, pero muchas de ellos todavía no están especificadas por las normas del IPC. Los materiales son:

  • Dieléctricos líquidos fotosensibles
  • Dieléctricos de película seca fotosensibles
  • Película flexible de poliimida
  • Películas secas de curado térmico
  • Dieléctricos líquidos de curado térmico
  • Lámina de cobre recubierta de resina (RCC), de doble capa y reforzada
  • Prepregs y núcleos FR-4 convencionales
  • Nuevos prepregs de "spread-glass" perforables por láser (LD)
  • Termoplásticos

A continuación se muestra el proceso de diseño para PCB HDI. La eficiencia del enrutamiento para HDI depende del stackup, la arquitectura de vía, la colocación de los componentes, el fan-out de BGA y las reglas de diseño. Las partes más importantes de la planificación de tu diseño HDI son: tener en cuenta el ancho de la pista, el tamaño de vía y el enrutamiento de la colocación/salida de los componentes BGA.

Proceso de diseño para PCB HDI

Vista general del proceso de diseño y disposición del PCB HDI.

Consulta siempre a tu proveedor de placas para determinar sus métodos de fabricación de PCB HDI. Tendrás que determinar los límites de sus métodos de fabricación, ya que esto influirá en los tamaños de los elementos que puedes colocar en tu diseño. La separación de las bolas de los componentes BGA determinará el tamaño de via que hay que utilizar, lo que a su vez determina el proceso de fabricación de HDI necesario para crear la placa. Una característica central de tu PCB HDI son las microvias, que deben diseñarse con precisión para permitir el enrutamiento entre capas.

Perspectiva general de los procesos de diseño y fabricación de PCB HDI.

El proceso típico de fabricación de PCB consta de una serie de pasos, pero la fabricación de PCB HDI utiliza algunos pasos particulares que puede que no se utilicen en otras placas. El proceso de diseño de HDI comienza como muchos otros procesos, donde la

  1. Determina la cantidad de capas necesarias para enrutar todas las señales, ya sea utilizando el componente BGA más grande de la tarjeta o utilizando el recuento de interfaz + dirección del CI más grande de la tarjeta.
  2. Ponte en contacto con tu empresa de fabricación para seleccionar los materiales y obtener los datos del dieléctrico para crear el stackup de tu PCB.
  3. Basado en el recuento de capas y en su grosor, determina el estilo de vía que se utilizará para enrutar las señales a través de las capas internas.
  4. Realiza una evaluación de la fiabilidad, si es relevante, para verificar que los materiales no someterán a las interconexiones a riesgos de fractura durante el proceso de montaje y el funcionamiento.
  5. Determina las normas de diseño en función de las capacidades del fabricante y los requisitos de fiabilidad (necesidad de teardrops, anchos de pista, tolerancias, etc.) para garantizar una fabricación y un montaje fiables.

La creación del stackup y la determinación de las reglas de diseño son los puntos críticos, ya que determinarán la capacidad de enrutar la placa y la fiabilidad del producto final. Una vez cubiertos estos puntos, el diseñador puede implementar los requisitos de DFM de sus fabricantes y los requisitos de fiabilidad como las reglas de diseño en su software de ECAD. Hacer esto en el "front-end" es muy importante y ayuda a garantizar que el diseño sea fiable y que se pueda enrutar y fabricar.

Diseña el tamaño del elemento para que satisfaga los requisitos de DFM para HDI

Aunque los requisitos de DFM relacionados con las tolerancias en una PCB HDI son bastante estrictos, estos pueden adaptarse aprovechando las reglas de diseño en tu software de diseño de PCB. Algunos de los requisitos importantes de DFM que deben cumplirse antes de la disposición y el enrutamiento incluyen:

  • Ancho de pista y límites de separación
  • Límites para anillo anular y relación de aspecto, especialmente para diseños de alta fiabilidad
  • Sistema de materiales utilizado en la placa para garantizar una impedancia controlada en el stackup requerido
  • Perfiles de impedancia para el stackup o los pares de capas deseados, si están disponibles

Tus herramientas de diseño son fundamentales para diseñar tu tarjeta de circuito HDI para que satisfagan estos requisitos de DFM. Enrutar las pistas con impedancia controlada en tu PCB HDI es bastante fácil con las herramientas de diseño adecuadas. Solo tienes que crear un perfil de impedancia y definir el ancho de pista deseado mientras tienes en cuenta las pautas de DFM del fabricante. El motor DRC en línea de tu software de enrutamiento verificará el enrutamiento a medida que crees tu diseño HDI. Asegúrate de obtener todas las especificaciones para el proceso de tu fabricante para garantizar que has tenido en cuenta todas las normas pertinentes de DFM de HDI.

Tipos de vías en el enrutamiento de PCB HDI

La imagen siguiente muestra los estilos típicos de vías que se utilizan en el diseño y el enrutamiento de las PCB HDI. Estos estilos de vía tienen una baja relación de aspecto, de (idealmente) menos de 1, aunque algunos fabricantes pueden proporcionar declaraciones de fiabilidad de relaciones de aspecto de hasta 2, incluso para microvías apiladas. En el medio del stackup de la PCB hay una via enterrada convencional para proporcionar una conexión a través de la capa central más gruesa; esta via enterrada de la capa interior puede tener una relación de aspecto mayor, ya que se perforará mecánicamente hasta cierto punto. Una vez determinado el número de capas y el grosor del dieléctrico, el diseñador puede diseñar las vías en función de los límites de la relación de aspecto indicados anteriormente. Adherirse a estos límites de relación de aspecto en las microvías es una parte importante de la fiabilidad, particularmente a medida que estas placas pasan por el reflow, o cuando se implementan en un entorno con repetidos choques térmicos/mecánicos y ciclos.

Tipos de microvías

Acumulación secuencial

El proceso de laminación secuencial es el más utilizado para crear un stackup HDI capa por capa. En general, esta técnica puede utilizarse para cualquier PCB multicapa, pero es especialmente importante para la HDI. Esto se debe a que los dieléctricos muy finos de alta densidad se forman en capas individuales alrededor de un núcleo grueso, por lo que la laminación se realizará en múltiples pasos para crear el stackup. El proceso de laminación secuencial. Consta de los siguientes pasos:

  • Deposición y exposición fotosensible: Se utiliza para definir las áreas que se decaparán, lo que producirá un patrón de conductores en el laminado.
  • Decapado y limpieza: El decapador estándar actual del sector es una solución de cloruro férrico. Después del decapado, se puede recuperar la película fotosensible sobrante y se limpia el patrón conductor resultante.
  • Formación y perforación de las vías: Las vías deben definirse mediante perforación mecánica o por láser. Para una alta densidad de vías, los agujeros de las vías pueden eliminarse químicamente.
  • Metalizado de vias: Una vez definidas las vías, se metalizan para formar una interconexión conductora continua.
  • Acumulación: Las capas se apilan en varios ciclos de laminación para construir el stackup antes del procesamiento de la capa externa.

En la sección "Metalizado" indicada a continuación, encontrarás un diagrama de flujo que muestra el proceso de acumulación.

    Formación de vías en HDI

    Las placas de circuito impreso HDI precisarán de interconexiones que normalmente alcanzan el límite inferior del tamaño de la vía que puede colocarse en una PCB con perforación mecánica. Una vez que los agujeros de la vía se reducen a menos de 6 mm, se necesita un proceso alternativo de formación de la vía para colocar microvias entre las capas. Como las microvías recubiertas son una característica estándar de las PCB HDI, se pueden utilizar en un enfoque de diseño de vía en pad para ayudar a aumentar la densidad. El uso de vía en pad es una forma fácil de incluir más componentes en un diseño, ya que proporcionan una conexión directa desde el terminal de un componente a una capa interna. 

    Siempre que haya dudas de fiabilidad con respecto a las microvías, también se puede usar una técnica de cercanía al pad, donde una sección de pista muy pequeña sobresale de un pad y toca la microvía. Esto completa la conexión a una capa interna y proporciona un canal de "breakout" más grande en caso de que alguna desviación del taladrado cree una desviación de la ubicación deseada para la perforación.

    Microvía vía en pad

    Estilos de diseño de vía en pad para PCB HDI.

    Metalizado

    Durante el proceso de laminación secuencial, cada capa de una PCB HDI se somete a un proceso de metalizado, relleno y chapado de vías. Las vías resultantes deben estar libres de vacío en el cuerpo interno, con un recubrimiento suficiente alrededor del cuello, para evitar el agrietamiento durante los ciclos de reflow y durante el funcionamiento. Hay cuatro procesos de metalizado de vías que se utilizan en la fabricación de HDI. Estos métodos son:

    • Cobre electroless y galvanizado convencional
    • Grafito conductor convencional u otros polímeros
    • Cobre químico electroless completo y semiacumulativo
    • Pastas o tintas conductoras

    Se pueden perforar vias más grandes, pero los costes acaban superando los costes de perforación láser con menor rendimiento, ya que se requiere una velocidad de perforación más lenta. La perforación láser es, con diferencia, el proceso más popular para la formación de agujeros de microvías, pero no es el proceso de formación de vías más rápido. El decapado químico de vías pequeñas es el más rápido, con una tasa estimada de 8000 a 12 000 vias por segundo. Lo mismo ocurre con la formación de vías por plasma y la formación de fotovías.

    En la perforación láser, se utiliza un rayo de alta fluencia para hacer un agujero en un laminado de PCB. Los sistemas láser son capaces de eliminar el material dieléctrico y detenerse al interceptar los circuitos de cobre, por lo que son ideales para la creación de vías ciegas con control de profundidad. Las longitudes de onda de la energía láser se encuentran en la región infrarroja y ultravioleta. Un tamaño de punto de luz tan pequeño como 20 micras aproximadamente

    Si las vias de la placa son lo suficientemente anchas como para perforarlas, se puede utilizar un paso de perforación controlado para colocar las vías. Esto requiere un paso de laminación secuencial intermedia para unir dos capas de la placa, seguido de perforación y chapado para definir el cilindro de la via, la conexión a la capa interna y el landing pad de la capa superior. Estas vías también pueden rellenarse antes del siguiente paso de laminación secuencial (si están en las capas internas), o pueden dejarse sin rellenar si se mantienen en las capas externas. El proceso global secuencial y de perforación se muestra a continuación.

    Perforación y metalizado de agujeros en microvías

    Procesos de perforación y metalizado de microvías en un proceso de fabricación de HDI.

    Llevar tus placas al proceso de fabricación HDI

    Los procesos de PCB HDI son más avanzados que los pasos tradicionales de procesamiento rígido de PCB, pero emplean el mismo conjunto de datos de fabricación que se utilizan para una PCB rígida típica. Una vez que hayas terminado la fabricación de PCB de HDI y haya pasado la revisión de DFM, es el momento de preparar el producto final para el fabricante y el montador. El entorno de diseño unificado en Altium Designer toma todos tus datos de diseño y los utiliza para crear archivos de fabricación Gerber/ODB++/IPC-2581, tablas de perforación, una lista de materiales y planos de montaje para tu nueva PCB HDI.

    Cuando busques el mejor paquete de software para el diseño, la disposición y la fabricación de PCB HDI, utiliza el conjunto completo de herramientas de diseño en Altium Designer®. El motor de reglas de diseño integrado y el Layer Stack Manager (Administrador de apilado de capas) te dan todo lo que necesitas para crear tu placa de circuito HDI desnuda, calcular los valores de impedancia y tener en cuenta la dureza del cobre en tu sistema de materiales de PCB. Cuando hayas terminado el diseño y desees enviar los archivos al fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el uso compartido de tus proyectos.

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    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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