Quelles capacités de PCB Ultra-HDI pouvez-vous utiliser ?

Lorsque nous parlons d'emballage, de PCBs semblables à des substrats, et de PCBs à lignes fines, nous faisons référence collectivement à un domaine où le traitement de fabrication des PCBs pousse les limites. Ce domaine est l'ultra-HDI, où les caractéristiques typiques d'un PCB sont réduites à de très petites valeurs. Ces capacités plus avancées permettent des pratiques de conception traditionnelles avec des BGAs plus grands, mais à la place, elles sont adaptées à des pas très fins (0,3 mm) nécessitant un espacement serré et une largeur de ligne.

Ces capacités étaient historiquement disponibles en Asie, et auparavant, elles ne devenaient vraiment rentables qu'avec la production en volume. Maintenant que l'accès mondial à ces capacités avancées s'élargit, plus de concepteurs peuvent accéder à ces capacités à des volumes plus faibles, et même pendant la phase de prototypage. Cela signifie également que davantage de composants avancés trouvés dans les appareils de consommation produits en grande quantité peuvent être utilisés à des volumes plus faibles.

L'Ultra-HDI repousse les limites des capacités de fabrication

L'Ultra-HDI n'est pas une nouvelle approche de la conception des PCBs. La capacité, que ce soit soustractive ou additive, a été disponible pour les PCB très denses (comme dans les smartphones) et dans le packaging des CI (dans les substrats et RDL). Cette capacité était généralement rentable uniquement lorsque les volumes étaient très élevés, ce qui explique pourquoi elle a permis la production de certains des produits à haute capacité de calcul pour consommateurs et la production de CI avec des nombres plus élevés d'E/S. La capacité devient maintenant plus accessible avec des fabricants de volumes plus faibles.

Le tableau ci-dessous répertorie certaines des caractéristiques de fabrication généralement associées à l'ultra-HDI. Ces valeurs ont été compilées à partir de deux fabricants différents aux États-Unis offrant ces capacités. Les limites de fonctionnalités listées ci-dessous ne sont pas exhaustives ; différents fabricants fourniront différentes garanties quant à leurs capacités de fabrication ultra-HDI.

Certaines des capacités énumérées ci-dessus sont typiques pour les cartes HDI standard, tandis que d'autres dépassent la normalisation actuelle définie dans l'IPC-2226 (Niveau C). Par exemple, dans ces cartes, la limite de dimensionnement des vias traversants est la même que dans le HDI standard. Cependant, la limite de largeur de ligne est beaucoup plus petite, jusqu'à 0,6 mils. Selon la largeur de ligne, la gravure peut être possible mais finalement un processus additif devrait être utilisé (par exemple, SAP, mSAP, ou A-SAP).

Que pouvez-vous faire avec l'Ultra-HDI ?

Parce que l'ultra-HDI repousse les tailles de caractéristiques vers des limites basses, l'approche permet deux avantages de conception :

1. Réduction de couche dans une carte HDI - Le routage de lignes fines pourrait permettre la consolidation des traces dans un nombre de couches plus petit, ce qui réduit le nombre de couches de construction HDI.
2. Petites largeurs de ligne dans les constructions conventionnelles - Si vous pouvez éliminer totalement les constructions HDI, vous pouvez grandement réduire les coûts nécessaires à la fabrication du PCB.

Si vous pouvez réduire le nombre de couches de superposition HDI, vous pouvez compenser une partie des coûts supplémentaires nécessaires pour accéder aux capacités de fabrication ultra-HDI.

Exemple 1 : FPGA Xilinx (BGA de 0,8 mm)

Les BGAs sont souvent des moteurs de fabrication HDI en raison de la nécessité de créer le fanout pour ces grands boîtiers. Cela se fait généralement avec des vias aveugles-enterrés mécaniquement empilés. Avec un pas de 1 mm, vous pouvez généralement utiliser des trous traversants jusqu'à 8 ou 10 mils en fonction de la taille des pads/balles. En raison des limites de pas et de largeur de ligne, vous ne pourriez peut-être insérer qu'une seule trace entre les balles dans chaque couche.

Avec les capacités ultra-HDI, vous pourriez maintenant insérer deux traces raisonnablement larges entre les pads. Selon le brochage, cela pourrait permettre une réduction de couche car vous pouvez consolider les traces dans un nombre plus petit de couches. L'image ci-dessous montre quelques traces dans une interface DDR avec une largeur de trace = 2,25 et S/W = 1,5.

Rapprocher ainsi les traces augmentera la diaphonie, mais nous pouvons surmonter cela en utilisant une couche diélectrique plus mince (distance plus petite des traces à GND).

Étant donné que le niveau de diaphonie est lié de manière non linéaire à l'épaisseur de la couche, une couche plus mince vous permettra d'atteindre votre cible d'impédance et autorisera ce routage plus dense sans une pénalité de diaphonie énorme. Cela signifie généralement que la couche mince est requise dans ces cartes denses, surtout lorsque l'impédance est prise en compte.

Et si nous étions plus agressifs et optons pour des largeurs de pistes plus fines pour le même rapport S/W ? Dans l'image ci-dessous, j'ai réduit la largeur de la piste à 1 mil ; avec le même rapport S/W, nous pouvons maintenant emballer 4 pistes entre les pads dans ce BGA. Cependant, en raison du défi avec la diaphonie et de l'exigence d'impédance dans une interface DDR, la conception nécessitera une couche plus mince pour garantir que l'exigence d'impédance de la piste soit atteinte.

En doublant ou quadruplant le nombre de pistes passant entre les pastilles dans l'empreinte BGA, nous pouvons potentiellement réduire le nombre de couches nécessaires pour épanouir complètement le BGA. Dans les pas plus petits (de 0,5 mm à 0,8 mm) qui nécessiteraient typiquement des vias aveugles/enterrées et un routage plus fin entre les pastilles, nous pourrions finir par réduire le nombre de couches de construction HDI, ce qui réduira significativement le nombre d'étapes de processus et aidera à contrôler les coûts de fabrication. Il pourrait même être possible de convertir une construction HDI en une construction conventionnelle, ce qui pourrait compenser les coûts de fabrication de lignes fines.

Exemple 2 : nRF52 WLCSP (BGA de 0,35 mm)

Dans les composants à pas très fin, l'approche traditionnelle consiste à utiliser des vias aveugles/enterrées et à router sous les pastilles dans chaque couche. Il n'y a tout simplement pas de place pour router entre les pastilles avec les capacités traditionnelles en raison des exigences de dégagement entre les billes dans le BGA. L'Ultra-HDI change cela en permettant à la fois des vias plus petits et des pistes plus fines, donc la zone de routage disponible devient limitée par la taille de la pastille.

L'exemple de routage ci-dessous montre notre projet de module nRF52 précédent, mais redessiné avec un routage de lignes fines entre les pastilles dans l'épanouissement du BGA. Dans le Dans la version originale de ce projet, la carte était conçue avec un empilement 2 + N + 2 sur 6 couches. Avec une capacité ultra-HDI, je suis capable de router entre les pads sur une seule couche. Ici, je montre deux exemples dans la même image :

• largeur de trace de 1,75 mil avec un espacement de 1,75 mil jusqu'aux pads
• traces de 1 mil avec un espacement de 1 mil (trace-à-pad et trace-à-trace)

Avec ce pas de BGA, je peux confortablement insérer une trace/espacement de 1,75 mil entre deux pads, ou je peux être plus agressif et insérer deux traces de 1 mil entre deux pads. Le premier cas est une meilleure option en raison du crosstalk plus important entre les traces dans le routage 2x.

Évidemment, l'espacement entre les traces 2x est inférieur à la limite de la règle des 3W. Peut-on violer cette limite et s'attendre quand même à un crosstalk raisonnable ? La réponse est « peut-être »... Comme je l'ai montré dans d'autres articles, et comme c'est bien connu parmi les ingénieurs en intégrité du signal, rapprocher la masse d'une paire de traces réduit leur capacité mutuelle et leur inductance. Par conséquent, opter pour ce routage plus agressif nécessite l'utilisation de couches plus fines. C'est parce que :

• La région de masse plus proche réduit la diaphonie pour une épaisseur de couche donnée
• Pour les lignes à impédance contrôlée, la couche plus mince permet d'atteindre une impédance cible typique

C'est pourquoi le routage de traces 2x dans ce pas très fin peut ne pas être la meilleure option étant donné la diaphonie potentielle entre ces traces. Une meilleure option est le routage de 1,75 mil, et si cela est réalisé sur une couche plus épaisse (~3 mil), alors toute trace à impédance contrôlée pourrait encore atteindre une cible de 50 Ohms.

Matériaux pour l'Ultra-HDI

Dans la discussion ci-dessus, j'ai abordé en profondeur les matériaux nécessaires pour les cartes UHDI. Il y a deux raisons à cela qui sont liées à l'intégrité du signal : la diaphonie entre les traces rapprochées, et l'atteinte des objectifs d'impédance avec des largeurs de ligne étroites.

Pour atteindre ces objectifs avec des traces très fines, des comptes de couches minces sont requis. Typiquement, une limite supérieure de 50 microns est appliquée dans une variété de matériaux possibles, tels que ceux listés dans la liste de 11 matériaux HDI de Happy Holden. Quelques alternatives courantes aux matériaux perforables au laser et au FR4 renforcé mince comprennent :

• Film de construction Ajinomoto (ABF)
• Matériaux à base d'époxy BT
• Polymer à cristaux liquides mince (par exemple, UltraLam)
• Films de cuivre revêtus de résine (polyimide métallisé, polyimide pur, polyimide coulé)

Ces matériaux peuvent être utilisés en combinaison pour créer une structure ultra-HDI. Une de ces combinaisons est l'utilisation de laminés à base d'époxy BT comme cœur avec des via enterrés conventionnels, et ABF comme couches de construction externe qui supportent le routage de lignes fines. Ce style de construction est utilisé comme substrat organique dans l'emballage BGA, mais la même approche peut être utilisée pour un PCB ultra-HDI. Un exemple de cette construction est montré ci-dessous.

Coût Plus Élevé, Mais Plus d'Options
Bien que ces pratiques de conception plus avancées entraînent des coûts de fabrication plus élevés, et qu'elles nécessitent une nouvelle approche de la conception de l'empilement et du routage, vous pouvez accéder à des composants plus avancés avec des pas fins pour votre PCB. Dans l'ensemble, la fabrication de lignes fines pourrait réduire le nombre de couches de construction HDI nécessaires pour travailler avec ces pas fins en permettant le routage entre les balles sur les BGA à pas fin.

Dans certains cas, l'ultra-HDI peut être un important réducteur de coûts grâce à la consolidation des couches et la conversion en une construction conventionnelle avec des trous traversants mécaniquement percés. Si vous pouvez insérer 4x traces entre les pads dans un BGA sur 8 couches, ce même circuit pourrait nécessiter 32 couches si vous n'aviez pas accès aux capacités ultra-HDI. Si ces capacités vous intéressent, elles commencent tout juste à devenir disponibles aux États-Unis et au Canada, et elles sont encore accessibles en Europe et au Japon.

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