¿A qué capacidades de PCB Ultra-HDI puedes acceder?

Cuando hablamos de empaquetado, PCBs tipo sustrato y PCBs de líneas finas, estamos refiriéndonos colectivamente a un área donde el procesamiento de fabricación de PCBs está empujando los límites. Esta área es ultra-HDI, donde las características típicas en un PCB se reducen a valores muy pequeños. Estas capacidades más avanzadas permiten prácticas de diseño tradicionales con BGAs más grandes, pero en su lugar, escaladas a pasos muy finos (0.3 mm) que requieren un espaciado y anchura de línea ajustados.

Estas capacidades históricamente estaban disponibles en Asia, y anteriormente solo se volvían realmente rentables con la producción en volumen. Ahora que el acceso global a estas capacidades avanzadas se está ampliando, más diseñadores pueden acceder a estas capacidades a menor volumen, e incluso durante la creación de prototipos. Esto también significa que más de los componentes avanzados encontrados en dispositivos de consumo producidos en alta volumen pueden ser utilizados a menor volumen.

Ultra-HDI Empuja los Límites de Capacidad de Fabricación

Ultra-HDI no es un enfoque nuevo para diseñar PCBs. La capacidad, ya sea subtractiva o aditiva, ha estado disponible para PCBs muy densos (como en los smartphones) y en el empaquetado de IC (en sustratos y RDL). La capacidad era típicamente solo rentable cuando los volúmenes eran muy altos, lo que es la razón por la que ha habilitado algunos de los productos de consumo de mayor computación y la producción de IC con mayores cantidades de E/S. Ahora, la capacidad se está volviendo más accesible con fabricantes de menor volumen.

La tabla a continuación lista algunas de las características de fabricación que típicamente se asocian con ultra-HDI. Estos valores fueron compilados de dos diferentes fabricantes estadounidenses que ofrecen estas capacidades. Los límites de características listados a continuación no son exhaustivos; diferentes fabricantes proporcionarán diferentes garantías en cuanto a sus capacidades de fabricación ultra-HDI.

Algunas de las capacidades mencionadas anteriormente son típicas para las placas HDI estándar, mientras que otras superan la estandarización actual definida en IPC-2226 (Nivel C). Por ejemplo, en estas placas, el límite de tamaño de los vias pasantes es el mismo que en HDI estándar. Sin embargo, el límite de ancho de línea es mucho menor, hasta 0.6 mils. Dependiendo del ancho de línea, el grabado puede ser posible pero eventualmente se necesitaría usar un proceso aditivo (por ejemplo, SAP, mSAP, o A-SAP).

¿Qué puedes hacer con Ultra-HDI?

Debido a que ultra-HDI lleva los tamaños de las características a límites bajos, el enfoque permite dos beneficios de diseño:

1. Reducción de capas en una placa HDI - El enrutamiento de líneas finas podría permitir la consolidación de trazas en un menor número de capas, lo que reduce el número de capas de construcción HDI.
2. Anchos de línea pequeños en construcciones convencionales - Si puedes eliminar completamente las construcciones HDI, puedes reducir significativamente los costos requeridos para fabricar la PCB.

Si puedes reducir el número de capas de acumulación HDI, puedes compensar algunos de los costos adicionales requeridos para acceder a capacidades de fabricación ultra-HDI.

Ejemplo 1: FPGA de Xilinx (BGA de 0.8 mm)

Los BGAs son a menudo impulsores de la fabricación HDI debido a la necesidad de crear el fanout para estos grandes paquetes. Esto se hace típicamente con vías ciegas enterradas apiladas perforadas mecánicamente. Con un paso de 1 mm, típicamente puedes usar agujeros pasantes hasta de 8 o 10 mils dependiendo del tamaño de pad/bola. Debido a los límites de paso y ancho de línea, es posible que solo puedas ajustar un único trazo entre bolas en cada capa.

Con capacidades ultra-HDI, ahora podrías ajustar dos trazos razonablemente anchos entre pads. Dependiendo del pinout, esto podría permitir la reducción de capas porque puedes consolidar trazos en un menor número de capas. La imagen a continuación muestra algunos trazos en una interfaz DDR con ancho de trazo = 2.25 y S/W = 1.5.

Acercar los trazos de esta manera aumentará el diafonía, pero podemos superar esto usando una capa dieléctrica más delgada (menor distancia de los trazos a GND).

Debido a que el nivel de diafonía está relacionado de manera no lineal con el grosor de la capa, una capa más delgada te permitirá alcanzar tu objetivo de impedancia y permite esta ruta densa sin una gran penalización por diafonía. Esto generalmente significa que la capa más delgada es necesaria en estas placas densas, especialmente cuando se considera la impedancia.

¿Qué pasaría si fuéramos más agresivos y optáramos por anchos de traza más finos para la misma relación S/W? En la imagen a continuación, he reducido el ancho de la traza a 1 mil; con la misma relación S/W, ahora podemos empaquetar 4 trazas entre pads en este BGA. Sin embargo, debido al desafío con la diafonía y el requisito de impedancia en una interfaz DDR, el diseño requerirá una capa más delgada para asegurar que se alcance el requisito de impedancia de la traza.

Al duplicar o cuadruplicar el número de pistas que pasan entre los pads en la huella BGA, podemos reducir potencialmente el número de capas requeridas para desplegar completamente el BGA. En pasos más pequeños (de 0.5 mm a 0.8 mm) que típicamente requerirían vías ciegas/enterradas y un enrutamiento más fino entre pads, podríamos terminar reduciendo el número de capas de construcción HDI, lo que reducirá significativamente el número de pasos del proceso y ayudará a controlar los costos de fabricación. Incluso podría ser posible convertir una construcción HDI en una construcción convencional, lo que podría compensar los costos de fabricación de líneas finas.

Ejemplo 2: nRF52 WLCSP (BGA de 0.35 mm)

En componentes de paso muy fino, el enfoque tradicional es usar vías ciegas/enterradas y enrutar debajo de los pads en cada capa. Simplemente no hay espacio para enrutar entre pads con las capacidades tradicionales debido a los requisitos de espacio libre entre las bolas en el BGA. Ultra-HDI cambia esto al permitir vías más pequeñas y pistas más delgadas, por lo que el área de enrutamiento disponible se limita por el tamaño del pad.

El ejemplo de enrutamiento a continuación muestra nuestro proyecto de módulo nRF52 anterior, pero rediseñado con un enrutamiento de líneas finas entre los pads en el despliegue del BGA. En el En la versión original de este proyecto, la placa fue diseñada con un apilamiento 2 + N + 2 en 6 capas. Con una capacidad ultra-HDI, puedo trazar entre pads en una sola capa. Aquí estoy mostrando dos ejemplos en la misma imagen:

• ancho de traza de 1.75 mil con un espaciado de 1.75 mil hasta los pads
• trazas de 1 mil con un espaciado de 1 mil (traza-a-pad y traza-a-traza)

Con este paso de BGA, puedo colocar cómodamente una traza/espaciado de 1.75 mil entre dos pads, o puedo ser más agresivo y colocar dos trazas de 1 mil entre dos pads. El primer caso es una mejor opción debido al mayor diafonía entre las trazas en el enrutamiento 2x.

Obviamente, el espaciado entre las trazas 2x es menor que el límite de la regla de 3W. ¿Podemos violar este límite y aún esperar una diafonía razonable? La respuesta es "quizás"... Como he mostrado en otros artículos, y es bien conocido entre los ingenieros de SI, acercar tierra a un par de trazas reduce su capacitancia e inductancia mutuas. Por lo tanto, ir a este enrutamiento más agresivo requiere usar capas más delgadas. Esto se debe a:

• La región de tierra más cercana reduce el diafonía para un grosor de capa dado
• Para líneas con control de impedancia, la capa más delgada permite alcanzar un objetivo de impedancia típico

Esta es la razón por la cual el enrutamiento de trazas 2x en este paso muy fino puede no ser la mejor opción dada la diafonía potencial entre estas trazas. Una mejor opción es el enrutamiento de 1.75 mil, y si esto se hace en una capa más gruesa (~3 mil), entonces cualquier traza controlada por impedancia todavía podría alcanzar un objetivo de 50 Ohmios.

Materiales para Ultra-HDI

En la discusión anterior, he profundizado bastante en los materiales necesarios para las placas UHDI. Hay dos razones para esto que se relacionan con la integridad de la señal: la diafonía entre trazas muy espaciadas y alcanzar objetivos de impedancia con anchuras de línea estrechas.

Para lograr estos objetivos con trazas muy delgadas, se requieren conteos de capas delgadas. Típicamente se aplica un límite superior de 50 micrones en una variedad de materiales posibles, como los que se enumeran en la lista de 11 materiales HDI de Happy Holden. Algunas alternativas comunes a materiales perforables por láser y FR4 reforzado delgado incluyen:

• Film de construcción Ajinomoto (ABF)
• Materiales basados en epoxi BT
• Policristal líquido delgado (por ejemplo, UltraLam)
• Películas de cobre revestidas de resina (poliimida metalizada, poliimida pura, poliimida fundida)

Estas pueden utilizarse en combinaciones para crear una construcción ultra-HDI. Una de estas combinaciones es el uso de laminados basados en epoxi BT como núcleo con vía enterrada convencional, y ABF como las capas externas de construcción que soportan el enrutamiento de líneas finas. Este estilo de construcción se utiliza como sustrato orgánico en el empaquetado BGA, pero el mismo enfoque puede utilizarse para una PCB ultra-HDI. A continuación, se muestra un ejemplo de esta construcción.

Mayor Costo, Pero Más Opciones
Aunque estas prácticas de diseño más avanzadas conllevan mayores costos de fabricación, y requieren un nuevo enfoque para el diseño de apilamiento y enrutamiento, puedes acceder a componentes más avanzados en pasos finos para tu PCB. En general, la fabricación de líneas finas podría reducir el número de capas de construcción HDI necesarias para trabajar con estos pasos finos al habilitar el enrutamiento entre bolas en BGAs de paso fino.

En algunos casos, el ultra-HDI puede ser un gran reductor de costos debido a la consolidación de capas y la conversión a una construcción convencional con agujeros pasantes perforados mecánicamente. Si puedes ajustar 4x trazas entre pads en BGA en 8 capas, esa misma placa podría requerir 32 capas si no pudieras acceder a capacidades ultra-HDI. Si estás interesado en estas capacidades, apenas están empezando a estar disponibles en EE. UU. y Canadá, y todavía se pueden acceder en Europa y Japón.

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