Substratopodobne PCB przekraczają granice HDI

Rzeczywiste produkty elektroniczne stają się powoli coraz inteligentniejsze, zarówno dzięki implementacji wbudowanej aplikacji, jak i połączeniom z powrotem do platformy chmurowej lub aplikacji. Zespoły zajmujące się rozwojem wbudowanym muszą współpracować, aby tworzyć te nowe generacje produktów. Jednym z obszarów, w których inżynier układu PCB, programista wbudowany, a nawet inżynier MCAD mogą napotkać opóźnienia w zakończeniu projektu, jest wybór I/O. Dzieje się tak, kiedy masz do czynienia z konektorami, peryferiami i procesorem hosta.

Ta szczególna klasa PCB faktycznie posiada pewne przekonujące wzrosty rynkowe, których firmy EDA i producenci nie powinni ignorować. Rynek PCB podobnych do substratu ma wzrosnąć o około 15% CAGR i osiągnąć 6 miliardów dolarów do 2031 roku w miarę jak więcej urządzeń przekracza reżim HDI. Czy twoje następne urządzenie będzie musiało mieć wystarczająco wysokie gęstości, by być uznane za PCB podobne do substratu? Czytaj dalej, aby zobaczyć, czy możesz wykorzystać tę technologię.

Czy to PCB, czy podłoże IC?

Podłoża podobne do PCB zajmują pośrednią pozycję między PCB HDI a podłożem układu scalonego (IC). Najlepiej byłoby je zaklasyfikować jako ultra-HDI PCB, jak to zostało opisane niedawno przez Tarę Dunn. Technologia ta nie jest nowa, a jednym z głównych czynników napędzających były mniejsze urządzenia mobilne lub urządzenia noszone, które muszą pomieścić wiele funkcji w małej przestrzeni. Jest to oczywiście standardowy trend w projektowaniu HDI, ale podłoża IC zwiększają rozmiary funkcji i gęstość komponentów do ekstremalnych poziomów.

Ponieważ podłoże podobne do PCB znajduje się gdzieś pomiędzy PCB HDI a podłożami IC, myślę, że warto porównać te typy komponentów, aby zobaczyć, jakie możliwości są wymagane do ich produkcji. Poniższy obraz przedstawia te informacje jako spektrum, gdzie przechodzimy do domeny podłoży podobnych do PCB, gdy szerokości linii stają się mniejsze. Rozmiary funkcji i liczba warstw wymienione poniżej pokazują, jak możemy szeroko kategoryzować różne typy ultra-HDI PCB.

Ostatecznie, gdy szerokości linii maleją, te produkty zaczynają wyglądać bardziej jak podłoża IC, które zapewniają połączenia między kostkami półprzewodnikowymi (tj. chipletami) wewnątrz opakowania komponentu.

Główni użytkownicy podłoży podobnych do PCB

Chociaż koncepcja tych projektów może być nowa dla niektórych projektantów, te komponenty tak naprawdę nie są nowością. Przemysł podłożowy borykał się z tymi samymi wyzwaniami wiele lat temu, tylko że zajmowali się bezpośrednim montowaniem półprzewodnikowych matryc na podłożu, a nie mieszanką tradycyjnie pakowanych komponentów. PCBs przypominające podłoże zasadniczo kierowane są do każdej aplikacji używającej bardzo drobnych układów scalonych w obudowie chip-scale, które muszą współistnieć z tradycyjnymi układami scalonymi na tym samym podłożu. Można również zintegrować chip-on-board w tych pakietach.

Jednym z głównych użytkowników PCBs przypominających podłoże są smartfony, a produkty dostępne dla konsumentów dzisiaj używają PCBs przypominających podłoże. Pierwszy przypadek użycia PCBs przypominających podłoże w smartfonach miał miejsce w 2017 roku z iPhone 8/X, które były produkowane z użyciem procesu mSAP. Samsung również użył tej technologii w swojej nowszej linii smartfonów Galaxy.

Zważywszy na ograniczoną wielkość obudowy i zapotrzebowanie na więcej funkcji przy większej baterii, oczywiście dąży się do zmniejszenia rozmiarów funkcji na chipach i PCB. Kolejna generacja PCBs przypominających podłoże to złożone montaże, gdzie bardzo cienkie urządzenia są pakowane jedno na drugim z pionowymi połączeniami.

Dlaczego liczba warstw zmniejsza się przy wyższych gęstościach?

Jeśli spojrzysz na powyższe spektrum, mogłoby się wydawać, że wszystkie podłoża podobne do PCB oraz podłoża układów scalonych muszą mieć mniejszą liczbę warstw niż tradycyjne PCB HDI. Może to wydawać się sprzeczne na pierwszy rzut oka, szczególnie jeśli porównasz standardowe PCB HDI z PCB o niższej gęstości, wykonanymi przy użyciu standardowego procesu trawienia. Co się dzieje, gdy przekraczamy próg z HDI na podobne do substratu PCB?

Pierwszym powodem są materiały używane w tych projektach. Materiały używane w tych płytach mogą być znacznie cieńsze, zarówno dla sztywnych, jak i modyfikowanych poliimidowych podłoży podobnych do PCB. Cieńsze warstwy oznaczają dwie ważne rzeczy dla osiągnięcia wyższych gęstości:

• Szerokość potrzebna dla linii o kontrolowanej impedancji jest mniejsza na cieńszych warstwach
• Odstępy między liniami cyfrowymi mogą być znacznie mniejsze (poniżej limitu 3W), gdy masa jest przeplatana między warstwami sygnałowymi

Omówiłem te punkty w przeszłym artykule na temat grubych vs. cienkich warstw FR4, jak również na blogu o dielektrykach o niskim Dk.

Inny powód dotyczy procesu produkcyjnego, który może tworzyć linie o szerokości poniżej 40 mikronów. Jednakże, nawet jeśli zmniejszylibyśmy szerokość linii, nadal musielibyśmy przestrzegać zasady 3W dotyczącej odstępów między ścieżkami. Jedynym sposobem na umożliwienie mniejszych odstępów niż limit 3W jest umieszczenie płaszczyzny masy bliżej ścieżek, co wymaga cieńszych warstw. Omówię to bardziej szczegółowo w nadchodzącym artykule na temat wpływu grubości warstw na integralność sygnału.

Kiedy potrzebujesz oprogramowania do projektowania PCB, które umożliwia pracę z mniejszymi rozmiarami elementów, użyj kompletnego zestawu funkcji CAD w Altium Designer®, aby zbudować swoje najbardziej zaawansowane produkty. Kiedy skończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.