Las PCBs similares a sustratos llevan al límite las capacidades de HDI

Los productos electrónicos reales han estado volviéndose gradualmente más inteligentes, tanto por la implementación de una aplicación embebida como por las conexiones de retorno a una plataforma o aplicación en la nube. Los equipos de desarrollo embebido tienen que trabajar juntos para crear estas nuevas generaciones de productos. Un área en la que el ingeniero de diseño de PCB, el desarrollador embebido e incluso el ingeniero de MCAD pueden retrasarse en terminar un proyecto es en la selección de E/S. Esto sucede siempre que tienes conectores, periféricos y un procesador anfitrión.

Esta clase particular de PCBs tiene un crecimiento de mercado convincente que las compañías de EDA y los fabricantes no deberían ignorar. Se espera que el mercado de PCBs tipo sustrato crezca aproximadamente un 15% de CAGR y alcance los $6 mil millones para 2031 a medida que más dispositivos superan el régimen HDI. ¿Necesitará tu próximo dispositivo tener densidades lo suficientemente altas como para considerarse un PCB tipo sustrato? Sigue leyendo para ver si puedes hacer uso de esta tecnología.

¿Es un PCB o un sustrato de IC?

Los PCBs tipo sustrato ocupan un punto intermedio entre un PCB HDI y un sustrato IC. Podrían ser mejor categorizados como PCBs HDI ultra, como fue descrito recientemente por Tara Dunn. La tecnología no es nueva, y uno de los principales impulsores ha sido dispositivos móviles más pequeños o wearables, que necesitan incorporar muchas características en espacios reducidos. Esto es, por supuesto, la tendencia estándar en diseño HDI, pero los sustratos IC llevan los tamaños de características y las densidades de componentes a niveles extremos.

Debido a que un PCB tipo sustrato se sitúa en algún punto entre los PCBs HDI y los sustratos IC, creo que vale la pena comparar estos tipos de componentes para ver qué capacidades se requieren para su fabricación. La imagen a continuación muestra esta información como un espectro, donde cruzamos hacia el dominio de los PCBs tipo sustrato a medida que las anchuras de línea se hacen más pequeñas. Los tamaños de características y los conteos de capas listados a continuación muestran cómo podemos categorizar de manera amplia diferentes tipos de PCBs HDI ultra.

Eventualmente, a medida que las anchuras de línea disminuyen, estos productos comienzan a parecerse más a sustratos IC que proporcionan interconexiones entre dados de semiconductores (es decir, chiplets) dentro de un paquete de componentes.

Principales Usuarios de PCBs Tipo Sustrato

Aunque el concepto de estos diseños pueda ser nuevo para algunos diseñadores, estos componentes no son realmente nuevos. La industria de sustratos se enfrentaba a los mismos desafíos hace muchos años, solo que estaban lidiando con el montaje directo de obleas de semiconductores en un sustrato en lugar de una mezcla de componentes empaquetados de manera tradicional. Los PCBs tipo sustrato apuntan esencialmente a cualquier aplicación que utilice ICs empaquetados a escala de chip muy finos que deben coexistir con ICs tradicionales en el mismo sustrato. También podrías integrar chip-on-board en estos paquetes.

Uno de los principales usuarios de PCBs tipo sustrato son los smartphones, y los productos disponibles para los consumidores hoy en día están utilizando PCBs tipo sustrato. La primera instancia de smartphones que usaron PCBs tipo sustrato comenzó en 2017 con el iPhone 8/X, que fueron fabricados con un proceso mSAP. Samsung también utilizó la tecnología en su nueva línea de smartphones Galaxy.

Dado el tamaño finito del recinto y la demanda de más características con una batería más grande, el impulso es, por supuesto, disminuir los tamaños de las características en los chips y el PCB. La próxima generación de PCBs tipo sustrato son ensamblajes apilados, donde dispositivos muy delgados se empaquetan uno encima del otro con interconexiones verticales.

¿Por qué disminuye el número de capas a mayores densidades?

Si observas el espectro anterior, parecería que todos los PCBs tipo sustrato y los sustratos de IC deben tener un menor número de capas que un PCB HDI tradicional. Esto podría parecer contradictorio al principio, especialmente si comparas los PCBs HDI estándar con PCBs de menor densidad construidos usando el proceso de grabado estándar. ¿Qué sucede al cruzar el umbral de PCB HDI a tipo sustrato?

La primera razón son los materiales utilizados en estos diseños. Los materiales usados en estas placas pueden ser mucho más delgados, tanto para PCBs tipo sustrato rígidos como para los de poliimida modificada. Las capas más delgadas significan dos cosas importantes para lograr mayores densidades:

• El ancho necesario para líneas de impedancia controlada es menor en capas más delgadas
• El espaciado entre líneas digitales puede ser mucho menor (por debajo del límite de 3W) cuando el tierra se intercala entre capas de señal

He discutido estos puntos en un artículo pasado sobre capas FR4 gruesas vs. delgadas, así como en un blog sobre dieléctricos de baja Dk.

La otra razón es el proceso de fabricación, que puede fabricar líneas con anchuras muy por debajo de los 40 micrones. Sin embargo, si disminuyéramos la anchura de línea, todavía estaríamos limitados por la regla de 3W para el espaciado de trazas. La única manera de permitir un espaciado menor que el límite de 3W es colocar el plano de tierra más cerca de las trazas, lo que requiere capas más delgadas. Discutiré esto más en un artículo próximo sobre los efectos del grosor de capa en términos de integridad de señal.

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