I PCB simili a substrato spingono al limite le capacità dell'HDI

I prodotti elettronici reali stanno diventando gradualmente più intelligenti, sia per l'implementazione di un'applicazione embedded sia per le connessioni con una piattaforma cloud o un'applicazione. I team di sviluppo embedded devono lavorare insieme per creare queste nuove generazioni di prodotti. Un'area in cui l'ingegnere di layout PCB, lo sviluppatore embedded e persino l'ingegnere MCAD possono subire ritardi nel completamento di un progetto è nella selezione degli I/O. Questo accade ogni volta che si hanno connettori, periferiche e un processore host.

Questa particolare classe di PCB ha effettivamente una crescita di mercato convincente che le aziende EDA e i produttori non dovrebbero ignorare. Il mercato dei PCB simili a substrati dovrebbe crescere di circa il 15% di CAGR e raggiungere i 6 miliardi di dollari entro il 2031 man mano che più dispositivi superano il regime HDI. Il tuo prossimo dispositivo dovrà avere densità sufficientemente elevate da essere considerato un PCB simile a un substrato? Continua a leggere per vedere se puoi utilizzare questa tecnologia.

È un PCB o un substrato IC?

I PCB simili a substrati occupano una posizione intermedia tra un PCB HDI e un substrato IC. Potrebbero essere meglio categorizzati come PCB HDI ultra, come è stato descritto di recente da Tara Dunn. La tecnologia non è nuova, e uno dei principali fattori di spinta è stato rappresentato dai dispositivi mobili più piccoli o dai dispositivi indossabili, che necessitano di incorporare molte funzionalità in spazi ridotti. Questo è naturalmente il trend standard nel design HDI, ma i substrati IC spingono le dimensioni delle caratteristiche e le densità dei componenti a livelli estremi.

Poiché un PCB simile a substrato si posiziona da qualche parte tra i PCB HDI e i substrati IC, penso che valga la pena confrontare questi tipi di componenti per vedere quali capacità sono richieste per la loro fabbricazione. L'immagine sottostante mostra queste informazioni come uno spettro, dove entriamo nel dominio dei PCB simili a substrato man mano che le larghezze di linea si riducono. Le dimensioni delle caratteristiche e il conteggio degli strati elencati di seguito mostrano come possiamo categorizzare in modo ampio i diversi tipi di PCB HDI ultra.

Alla fine, man mano che le larghezze di linea diminuiscono, questi prodotti iniziano a somigliare più a substrati IC che forniscono interconnessioni tra i die di semiconduttori (ad esempio, chiplet) all'interno di un pacchetto di componenti.

Principali utenti di PCB simili a substrato

Sebbene il concetto di questi disegni possa essere nuovo per alcuni progettisti, questi componenti non sono effettivamente una novità. L'industria dei substrati si confrontava con le stesse sfide molti anni fa, si occupava semplicemente del montaggio diretto dei die di semiconduttori su un substrato piuttosto che di un mix di componenti tradizionalmente impacchettati. I PCB simili a substrati puntano essenzialmente a qualsiasi applicazione che utilizza IC impacchettati su scala di chip molto fine che devono coesistere con IC tradizionali sullo stesso substrato. Potresti anche integrare chip-on-board in questi pacchetti.

Uno dei principali utilizzatori di PCB simili a substrati sono gli smartphone, e i prodotti disponibili oggi ai consumatori utilizzano PCB simili a substrati. Il primo esempio di smartphone che utilizzano PCB simili a substrati risale al 2017 con l'iPhone 8/X, che sono stati fabbricati con un processo mSAP. Anche Samsung ha utilizzato la tecnologia nella loro nuova linea di smartphone Galaxy.

Data la dimensione limitata dell'involucro e la domanda di più funzionalità con una batteria più grande, la spinta è ovviamente a diminuire le dimensioni delle caratteristiche sui chip e sul PCB. La prossima generazione di PCB simili a substrati sono assemblaggi impilati, dove dispositivi molto sottili sono impacchettati uno sopra l'altro con interconnessioni verticali.

Perché il Numero di Strati Diminuisce ad Alte Densità?

Se si guarda lo spettro sopra, potrebbe sembrare che tutti i PCB simili a substrati e i substrati IC debbano avere un numero di strati inferiore rispetto a un PCB HDI tradizionale. Questo potrebbe sembrare contraddittorio inizialmente, specialmente se si confrontano i PCB HDI standard con PCB di densità inferiore realizzati utilizzando il processo di incisione standard. Cosa succede quando si supera la soglia da HDI a PCB simile a substrato?

Il primo motivo riguarda i materiali utilizzati in questi progetti. I materiali impiegati in queste schede possono essere molto più sottili, sia per i PCB simili a substrati rigidi che per quelli in poliimide modificato. Strati più sottili significano due cose importanti per raggiungere densità più elevate:

• La larghezza necessaria per le linee a impedenza controllata è minore su strati più sottili
• La distanza tra le linee digitali può essere molto minore (sotto il limite di 3W) quando il ground è intercalato tra gli strati di segnale

Ho discusso questi punti in un articolo precedente su strati FR4 spessi vs. sottili, così come in un blog su dielettrici a basso Dk.

L'altra ragione è il processo di fabbricazione, che può realizzare linee con larghezze ben inferiori ai 40 micron. Tuttavia, se dovessimo ridurre la larghezza delle linee, saremmo comunque vincolati alla regola dei 3W per lo spazio tra le tracce. L'unico modo per consentire uno spazio inferiore al limite di 3W è posizionare il piano di massa più vicino alle tracce, il che richiede strati più sottili. Discuterò di questo più approfonditamente in un prossimo articolo sugli effetti dello spessore degli strati in termini di integrità del segnale.

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