Diseño de Microvías con Pasta Sinterizada para Circuitos Impresos Rígido-Flexibles

Las placas de circuito impreso (PCBs) rígido-flexibles son una solución elegante para muchos desafíos de empaquetado electrónico. Esta tecnología combina la durabilidad de las PCBs rígidas con la versatilidad de los circuitos flexibles. Las PCBs rígido-flexibles son clave en muchos dispositivos modernos como smartphones, equipos médicos y electrónica automotriz. En estas aplicaciones de enrutamiento de alta densidad, a menudo se utilizan microvías para interconectar diferentes capas de la placa de circuito. Un método altamente efectivo para crear estas conexiones implica el uso de pasta sinterizada. Este blog explora las reglas de diseño y consideraciones para utilizar microvías de pasta sinterizada en PCBs rígido-flexibles.

Primero, retrocedamos y definamos la pasta sinterizada en el contexto de la fabricación de placas de circuito impreso. Esto se refiere a un material conductor compuesto por partículas metálicas, típicamente de plata o cobre, suspendidas en un aglutinante. La pasta se aplica para crear interconexiones eléctricas entre capas de la PCB. Durante la fabricación, el proceso de sinterización implica calentarla a una temperatura por debajo del punto de fusión de otras partículas metálicas causando que las partículas se unan formando un camino conductor sólido sin fundir el sustrato circundante.

Ventajas de las Microvías de Pasta Sinterizada

• Las microvías de pasta sinterizada ofrecen una conductividad eléctrica superior en comparación con las vías chapadas tradicionales. El proceso de sinterización reduce la resistencia, asegurando una transmisión de señal eficiente. Esto es crítico para aplicaciones que requieren transferencia de datos de alta velocidad y un rendimiento confiable.
• La capacidad de crear microvías más pequeñas y espaciadas estrechamente permite una mayor densidad de circuitos. Esta miniaturización es esencial para desarrollar dispositivos electrónicos compactos y ligeros sin sacrificar funcionalidad.

Una aplicación común de las microvías de pasta sinterizada es el enrutamiento hacia/desde un BGA de paso fino en un sustrato flexible. Estas microvías pueden ser muy pequeñas en diámetro (ver abajo), lo que las hace una excelente opción para este tipo de diseño. El proceso de sinterización también produce vías con alta resistencia mecánica, haciéndolas resistentes a los esfuerzos encontrados tanto en secciones rígidas como flexibles de PCBs rígido-flexibles.

Consideraciones Clave de Diseño

Materiales: Pasta Conductiva: Seleccionar la pasta conductiva apropiada es una decisión clave. Las pastas basadas en plata y cobre son comúnmente utilizadas debido a sus excelentes propiedades eléctricas. La compatibilidad con el proceso de sinterización y el material del sustrato es esencial.

Material del Sustrato: Los PCBs rígido-flexibles utilizan una combinación de materiales, como FR4 para secciones rígidas y poliimida para áreas flexibles. Ambos materiales deben resistir las temperaturas de sinterización sin deformarse o degradarse.

Tamaño del Paquete: En el diseño HDI en PCBs flexibles, el tamaño de cualquier paquete de paso fino limitará el tamaño de vía disponible y el espacio de enrutamiento. Las vías sinterizadas superan este desafío al permitir las microvías más pequeñas mencionadas anteriormente. Un ejemplo es el paquete Nordic WLCSP (paso de 0.35 mm) mostrado a continuación; reemplazar las microvías ciegas/enterradas colocadas convencionalmente con vías sinterizadas podría permitir el enrutamiento entre los pines.

La selección de materiales es un momento para trabajar con su fabricante de placas de circuito impreso preferido. No todos los fabricantes trabajan con todos los materiales y procesos disponibles. Es muy sencillo agregar costos adicionales y tiempo de entrega a un proyecto sin entender qué materiales están en stock y se procesan rutinariamente.

Dimensiones de Microvía

Diámetro y Relación de Aspecto de la Vía: Las microvías perforadas con láser típicamente varían de 25 a 75 micrómetros de diámetro. Mantener una relación de aspecto (profundidad a diámetro) alrededor de 0.75 a 1 asegura un relleno y sinterización confiables de la pasta.

Paso y Espaciado: Para evitar cortocircuitos eléctricos y mantener la integridad de la señal, el espaciado mínimo entre microvías debe ser al menos el doble del diámetro de la vía. Un espaciado adecuado también facilita una mejor disipación del calor.

Los fabricantes de placas de circuito impreso típicamente tienen estos parámetros listados en sus capacidades de fabricación y directrices de diseño para la fabricabilidad.

Diseño para la Fabricabilidad (DFM)

Configuración de Capas: Al diseñar PCBs rígido-flexibles de múltiples capas, considere la configuración del apilado para optimizar la colocación de microvías. Las vías escalonadas pueden reducir la concentración de estrés y mejorar la robustez mecánica.

Alineación y Registro: La alineación precisa durante la fabricación es crítica para asegurar que las microvías apiladas se conecten correctamente entre capas. Las tecnologías avanzadas de imagen y perforación pueden ayudar a lograr esta precisión. Las capacidades varían ampliamente entre los fabricantes, asegúrese de entender las capacidades de sus fabricantes preferidos. Diseñar teniendo esto en cuenta ahorra costos y tiempo de entrega.

Gestión Térmica: La disipación eficiente del calor es importante, especialmente en diseños de alta densidad. Utilizar vías térmicas y técnicas de diseño adecuadas puede ayudar a manejar la carga térmica y prevenir el sobrecalentamiento.

Parámetros del Proceso de Sinterización

Perfiles de Temperatura: Las temperaturas de sinterización típicamente varían de 200°C a 300°C, dependiendo de los materiales del pasta y sustrato. Las tasas de aumento y enfriamiento controladas previenen el choque térmico y el daño del material.

Tiempo y Presión: Los tiempos de sinterización varían desde unos pocos minutos hasta varias horas. Aplicar presión durante la sinterización puede mejorar la compactación de la pasta, reduciendo los vacíos y mejorando las propiedades mecánicas y eléctricas de las vías.

Control de la Atmósfera: Realizar el proceso de sinterización en una atmósfera inerte o reductora, como el nitrógeno o el gas formador, previene la oxidación de la pasta conductiva, asegurando un mejor rendimiento eléctrico.

Es importante entender las variables clave del proceso que su fabricante necesita controlar.

Pruebas y Validación

Pruebas Eléctricas: Posterior a la sinterización, la conductividad eléctrica de los microvías debe ser medida utilizando técnicas como las pruebas de sonda de cuatro puntos para asegurar que cumplen con las especificaciones de diseño.

Pruebas de Estrés Mecánico: La robustez mecánica de los microvías puede ser evaluada a través de pruebas de doblado y flexión, asegurando que resisten los esfuerzos mecánicos encontrados en aplicaciones del mundo real.

Pruebas de Confiabilidad: La confiabilidad a largo plazo bajo diversas condiciones ambientales, incluyendo ciclos térmicos, humedad y vibración, debe ser evaluada para garantizar la durabilidad de los PCBs rígido-flexibles.

Desafíos Comunes Durante la Fabricación

Problemas de Adhesión: Mejorar la adhesión entre la pasta sinterizada y el sustrato es clave para vias confiables. Técnicas de tratamiento superficial, como la limpieza con plasma o la aplicación de promotores de adhesión, pueden mejorar la fuerza del enlace.

Formación de Vacíos: Los vacíos en la pasta sinterizada pueden comprometer las propiedades eléctricas y mecánicas de los vias. Optimizar la formulación de la pasta y los parámetros de sinterización, junto con aplicar presión durante la sinterización, puede minimizar la formación de vacíos.

Grietas y Delaminación: Las fallas mecánicas como grietas y delaminación pueden mitigarse mediante una cuidadosa selección de materiales y optimizando el diseño para distribuir los esfuerzos de manera uniforme. El uso de adhesivos flexibles y sustratos con coeficientes de expansión térmica compatibles también puede ayudar.

Al final del día, las pastas sinterizadas no son nuevas en el diseño de PCB, especialmente en construcciones HDI. Este enfoque se ha utilizado para alcanzar recuentos de capas muy altos con claros de características finas junto con la fabricación de vias de pasta sinterizada. Para aprender más, mira el episodio del podcast a continuación con el experto Chris Hunrath:

Las microvías de pasta sinterizada ofrecen otra herramienta en el conjunto de herramientas de los diseñadores de PCB. Trabajar y comprender las capacidades de su fabricante de PCB es un componente clave para el éxito con esta tecnología. Las preferencias por materiales y procesos varían mucho entre los fabricantes y trabajar juntos desde el principio del proceso de diseño puede ahorrar tiempo y costos, además de mejorar la fiabilidad del producto final.