¿Qué tiene de diferente el HDI?

Happy Holden
|  Creado: November 9, 2021
Diseño HDI

Definición de la densidad de interconexión

En la planificación de diseños HDI, existen medidas para el rendimiento o métricas para el proceso de HDI. Al igual que con el triángulo en la Figura 1, estas tres cadenas fundamentales del proceso HDI son los elementos de la densidad de interconexión.

Métricas en el diseño HDI.

Figura 1. Métricas para diseño de HDI

Complejidad del montaje

Dos medidas de la dificultad inherente a los componentes de montaje superficial son la densidad de componentes (Cd), medida en piezas por pulgada cuadrada (o por centímetro cuadrado) y densidad de montaje (Ad), en terminales por pulgada cuadrada o centímetro cuadrado.     

Encapsulado de los componentes

El nivel de sofisticación de los componentes, la complejidad de los componentes (Cc), medida en términos de la cantidad media de terminales (E/S) por pieza. Una segunda métrica es la distancia entre los terminales (o “pitch”) de los componentes.

Densidad de la placa de circuito integrado

La magnitud de la densidad (o complejidad) de un circuito impreso, Wd, medida como la longitud media de las pistas por pulgada cuadrada de esa placa, incluyendo todas las capas de señales. La métrica es pulgadas por pulgada cuadrada, o cm por centímetro cuadrado. Una segunda es la cantidad de pistas por pulgada lineal o cm lineal. La densidad de la PWB se ha derivado asumiendo una media de tres nodos eléctricos por red y que la terminal del componente era un nodo en una net. El resultado fue una ecuación que indicaba que la densidad de la PWB es la raíz cuadrada de las piezas por pulgada cuadrada multiplicada por la cantidad de terminales por pieza. ? es de 2,5 en la región analógica/discreta alta, 3.0 para la región analógica/digital y 3,5 para la región digital/ASIC:

Densidad de (Wd)  = ? √ [Cd] x [Cc]

                = ? √ [piezas por pulg. cuadrada in.] x [teminales med. por pieza]

 

Donde:        p = Número de componentes (piezas)

        l = Cantidad de terminales para todos los componentes

        a = Área de la superficie de la placa (pulgadas cuadradas)

Mapa de tecnología de empacado

La Figura 2 es lo que yo llamo un Mapa de Tecnología de Encapsulado. El mapa de tecnología de encapsulado fue introducido por primera vez por Toshiba en enero de 1991. [1].

Una segunda funcionalidad valiosa del mapa es el área de arriba a la derecha. Esta es la "Región de interconexiones avanzadas". Es aquí donde es necesario contar con una estructura de HDI. ¡Las líneas punteadas indican la barrera o muro del HDI! Si esta se cruza, entonces el uso de HDI se vuelve rentable. Si nos alejamos demasiado, entonces se vuelve una necesidad.

Densidad de componentes en función de la complejidad

FIGURA 2. La barrera de pistas de agujero pasante (TH) como función de un montaje típico

El mapa de encapsulado se crea midiendo el tamaño del montaje, el número de componentes y la cantidad de terminales en esos componentes. Los componentes incluyen ambos lados de un montaje, además de los "fingers" o contactos. Mediante una división sencilla de los terminales entre el número de piezas y la piezas por área de montaje, los ejes X e Y son conocidos. Graficar los componentes por pulgada cuadrada (o componentes por centímetro cuadrado) contra la media de terminales por componente en un gráfico log-log, se puede calcular la densidad de cableado PWB en pulgadas por pulgada cuadrada (o centímetros por centímetro cuadrado) y la complejidad del montaje (en terminales por pulgada cuadrada o terminales por centímetro cuadrado). La densidad del montaje es simplemente el eje X multiplicado por el Y.

Barrera de cableado para agujero pasante

Cuando la gráfica (Fig. 2) se usa para analizar montajes superficiales, en el diagrama de encapsulado aparecen tres zonas principales, y es por eso que la llamo "Mapa". La primera contiene productos con un alto contenido de dispositivos analógicos y componentes discretos. Los productos típicos comprenden cámaras de vídeo, buscapersonas y teléfonos móviles ( C-C'). Tienen la mayor complejidad de montaje posible. Hasta un total de 300 a 400 terminales por pulgada cuadrada (47 terminales por centímetro cuadrado). El segundo grupo es el de los productos con una mayor cantidad de componentes digitales y algunos discretos mezclados. Algunos ejemplos son ordenadores portátiles tipo Notebook, ordenadores de sobremesa, instrumentos, equipos médicos y routers de telecomunicaciones (A-A'). El último grupo tiene un uso altamente integrado de CI. Los módulos PCMCIA, memorias flash, SiP y otros módulos son típicos de este grupo (B-B’). Este grupo tiene la mayor densidad de trazados de la PWB, con más de 160 pulgadas por pulgada cuadrada (25 centímetros por centímetro cuadrado). Esta figura muestra una vista general de las tres regiones.

Cuando se observa la figura, las líneas de complejidad de montaje se cruzan con las líneas de densidad del trazado. A niveles altamente discretos, hace falta menos cableado para la cantidad de densidad de montaje. A niveles altos de ASIC (y bajos niveles discretos), hace falta mucho más cableado para conectar los componentes. Esto hace que las métricas de montaje, como los terminales por pulgada cuadrada, sean buenos indicadores, pero sin embargo no son adecuados para sustituir a la densidad de cableado de PWB.

El proceso general de diseño para PCB

El proceso de diseño de PCB usando tecnología HDI se muestra en la figura 3. Al hacer diseño con tecnologías HDI, el primer paso [Diseño del Plan] es el más importante. Las eficiencias de trazado de pistas para HDI dependen del apilamiento (stackup), la arquitectura de las vías, la ubicación de las piezas, el Fan-out del BGA y las reglas de diseño, tal como se aprecia en la Figura 4. Sin embargo, es necesario considerar la totalidad de la cadena de valor, incluyendo la productividad de la fabricación, las consideraciones de montaje y las pruebas de circuitos. Para lograr un diseño eficaz, es fundamental trabajar mano a mano con el fabricante y el montador de tu PWB.

Resumen del proceso de diseño HDI

FIGURA 3. Un resumen general del proceso de diseño y disposición de PCB

Estándares, directrices, especificaciones y referencias para HDI

Al diseñar HDI, lo mejor es comenzar con las Directrices y Estándares IPC. Cuatro de estos se aplican específicamente al diseño de HDI, tal como se ve en la figura 5.

Planificación del diseño HDI

FIGURA 4. Un proceso de planificación de HDI recomendado es agregar el proceso general de diseño de HDI
  • IPC/JPCA-2315: este es una visión general de los HDI y ofrece modelos para estimación de densidad del diseño.
  • IPC-2226: esta especificación sirve para ilustrar a los usuarios acerca de la formación de microvías, la selección de densidades de trazado, selección de reglas de diseño, estructuras de interconexión y caracterización de materiales. Está pensada para brindar estándares para su uso en el diseño de placas de circuito impresas usando tecnologías de microvías. [2]
  • IPC-4104: IPC-4104: Este estándar identifica los materiales empleados para estructuras de interconexión de alta densidad. Las Especificaciones de Materiales para HDI IPC-4104 contiene las fichas técnicas necesarias para definir los materiales delgados utilizados para los HDI. Las fichas técnicas de características de los materiales están divididas en tres tipos principales de materiales: Aislantes Dieléctricos (IN); Conductores (CD) y Conductores y Aislantes (CI).
  • IPC6016: este documento cubre el rendimiento y calificaciones para estructuras de alta densidad.​​

Estándares IPC para diseño HDI.

FIGURA 5. Estándares y directrices IPC

Qué tiene de diferente el diseño de HDI

Tres (3) nuevos principios

Existen tres (3) nuevos principios para diseño de microvías HDI que no existen en el diseño de TH:

Las microvías deben reemplazar a las vías TH, no solo ser utilizadas "además de" las vías TH.
  • Conviene evaluar nuevos stackups de capas que permitan la eliminación de las vías TH.
  • Coloca las microvías de manera tal que creen canales y bulevares para un mejor enrutamiento. (ver Tabla 1)

Microvías reemplazando agujeros pasantes (TH)

La idea principal es que la microvías reemplacen o permitan la remoción de las vías TH, permitiendo así incrementar por un factor de 2 o de 3 la densidad del trazado en las capas interiores usando el espacio que antes ocupaban las vías TH. Esto permite tener una menor cantidad de capas de señales y menos capas de referencia para esas capas de señales.

  Este principio es más profundo de lo que parece a primera vista. Esto se debe a que existen tres dimensiones para el posicionamiento de las microvías, tal como se ve en la Figura 6):

Principios de diseños HDI

TABLA 1. Nuevos principios para diseño HDI que no se utilizan para TH multicapa
  • Las vías ciegas se pueden "desplazar o girar" en el plano X-Y o en el ángulo theta () para crear más espacio de trazado
  • Las vías ciegas se pueden colocar en una capa interna (3D) para crear más espacios independientes.
  • La distancia entre centro y centro se puede alterar desde las capas internas para ofrecer espacio adicional para las pistas.
  • Si todo esto ocurre en, o cerca del Lado Principal, entonces se creará espacio debajo de la BGA en el Lado Secundario para las pistas, o más importante aún, para elementos discretos, como condensadores de desacoplamiento.

Uso de las vías ciegas en el trazado de pistas.

FIGURA 6. Ilustración de los beneficios de las vías ciegas para el trazado de pistas

Alternativas para el stackup de capas

Si estudias el primer principio y te preguntas: "¿Cuál es el rol de mis vías?", la respuesta es que las vías más comunes en una PWB son las vías a GND. "¿Cuál es la segunda vía más común?", la respuesta es evidente: las vías a PWR. Así, desplazar el plano de GND que suele ser la Capa-2 a la superficie brinda la oportunidad de eliminar todas esas vías a GND. En el mismo espíritu, desplazar el plano de PWR más utilizado a la Capa-2 reemplazará a aquellas TH con vías ciegas. Estas ofrecen cuatro (4) ventajas sobre los stackup convencionales con "microstrips", como se ve en la figura 7:

  • No hay líneas finas que chapar o decapar sobre la superficie.
  • La superficie puede ser un GND continuo para reducir la EMI y la RFI (jaula de Faraday)
  • Mientras más cerca esté la Capa-2 (PWR) a la Capa-1 (GND), más capacitancia planar habrá disponible, y menor será la inductancia planar en la PDN.
  • La energía almacenada en la capacitancia planar se puede transmitir a los componentes con la mejor inductancia en serie disponible, permitiendo así la eliminación de la mayoría de los capacitores de desacoplamiento.

La figura 7 muestra algunos de los stackups de HDI más comunes para reducir la cantidad de vías TH. Los tres stackups de HDI más comunes se muestran con las estructuras tipificadas por IPC (I, II y III).

Los posibles dieléctricos disponibles entre la Capa-1 y la Capa-2 pueden ser prepegs convencionales, prepegs perforables por láser, RCC, RCC reforzado o núcleos BC. Estos materiales se describen en el Capítulo 2: Materiales de HDI. Si el dieléctrico es delgado, entonces resulta práctico utilizar también una vía “skip” de la Capa-1 a la Capa-2, ahorrándonos así el costo de no tener que utilizar una estructura IPC tipo III. Incluso si no se emplea un dieléctrico delgado, cualquier espesor de dieléctrico inferior a las 0,005 pulgadas (<0,125 mm) acoplará el GND con el PWR y reducirá la impedancia de la fuente de alimentación (PS), así como las resonancias y el ruido de PS.


Stackups más comunes en diseños HDI.

  FIGURA 7. Tres stackups alternativos de capas superficial comparados con estructuras IPC tipo I, II y III

Colocar vías ciegas para abrir “bulevares” más grandes

Una técnica útil en el diseño de HDI es usar vías ciegas para obtener más espacio de trazado en la capa interior. Al usar vías ciegas entre las vías pasantes, el espacio de trazado se duplica efectivamente en las capas interiores, 

Técnicas para las vias in-pad

FIGURA 8. Definición de "cerca de la "via in pad" y cómo girar la ViP para crear canales para trazado

lo que permite tener más pistas conectando pines en las filas internas de una BGA. Tal como se ve en la figura 6, para esta BGA de 1.0 mm, solo dos pistas pueden escapar entre las vías de la superficie. Pero, debajo de las vías ciegas, ahora pueden salir seis pistas, lo que incrementa el trazado en un 30%. Con esta técnica, hace falta solo la cuarta parte de la cantidad de capas de señal para conectar una BGA compleja y de alta E/S. Las vías ciegas se organizan para formar bulevares, ya sea con una formación en cruz, en "L" o en diagonal. Qué formación usar dependerá de la asignación de los pines de alimentación y de tierra. Es por esto por lo que rediseñar la disposición de los pines de tierra y de alimentación puede ser tan productivo.

Múltiples usos de vias ciegas.

FIGURA 9. Las vías ciegas se pueden usar para formar “bulevares” en las capas interiores, permitiendo así salir un 30% más de pistas de la BGA.

La microvía usada para el Fan-Out de la BGA se muestra en la Figura 9. La microvía se puede colocar fuera del área de contacto de la BGA (inserta), parcialmente dentro/fuera del área de contacto (ViP parcial) o completamente "dentro del pad" (ViP), tal como se muestra en la figura 10. Si se está colocando una vía en el pad, entonces esta vía siempre debe estar ubicada de manera "excéntrica" y no directamente en el centro del área de contacto. Esto es para minimizar cualquier "burbuja" de aire que pueda haber quedado atrapada durante la soldadura. Si la vía se coloca en el centro del área de contacto de la BGA y no está rellena, cuando se aplique la pasta de soldar al área de contacto y se coloque la BGA en el área de contacto con pasta, durante el reflujo puede ocurrir que, al fundirse el metal de soldadura, caigan gotas de las bolas de la BGA y atrapen aire que después no podrá salir, haciendo las veces de un corcho en una botella. Al colocar la vía en una posición "excéntrica", el aire puede escapar a medida que el metal de soldadura se va derritiendo y fluye dentro de la microvía.

Esquema de las diferentes alternativas a las vias ciegas

FIGURA 10. Alternativas a las vías ciegas

Vista 3d de vías Swing.

 

FIGURA 11. Una vista genial en 3D de vías giradas (o "swing vías") conectadas a vías enterradas y agujeros pasantes 

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Sobre el autor / Sobre la autora

Sobre el autor / Sobre la autora

Happy Holden, hoy jubilado, trabajó en GENTEX Corporation (uno de los fabricantes de equipos originales de electrónica para el sector de la automoción más grandes de EE. UU.). Además, fue director técnico del mayor fabricante de PCB del mundo, HonHai Precision Industries (Foxconn) en China. Antes de Foxconn, Holden ocupó los cargos de tecnólogo sénior en PCB en Mentor Graphics y director de tecnología avanzada en NanYa/Westwood Associates y Merix Corporations. Trabajó asimismo en Hewlett-Packard durante 28 años. Ha ocupado también los puestos de director de I+D de PCB y director de ingeniería de fabricación. Mientras trabajaba en HP, dirigió las divisiones de diseño de PCB, alianzas en el sector y software de automatización en Taiwán y Hong Kong. Happy ha estado involucrado en tecnologías de PCB avanzadas durante más de 47 años. Ha publicado capítulos sobre tecnología HDI en 4 libros, así como su propio libro, un manual sobre diseño de HDI, el cual está disponible gratuitamente en formato electrónico en http://hdihandbook.com. Recientemente, ha completado con Clyde Coombs la séptima edición de un manual sobre circuitos impresos, publicado por McGraw-Hill.

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