Conectores de Alta Densidade - Um Guia de Design e Fabricação

CAPÍTULO 1

Introdução às Interconexões de Alta Densidade

A EVOLUÇÃO DA ELETRÔNICA

A eletrônica é uma indústria relativamente nova, visto que apenas 65 anos se passaram desde a invenção do transistor. O tubo de rádio foi desenvolvido quase 100 anos atrás, mas floresceu na Segunda Guerra Mundial, com avanços em comunicações, radar, fusão de munições (especialmente a fusão eletrônica do altímetro de radar para a primeira bomba atômica) e evoluiu para a maior indústria do mundo. Todos os componentes eletrônicos devem ser interconectados e montados para formar uma unidade funcional. A embalagem eletrônica é a tecnologia onde integramos o design e a fabricação dessas interconexões. Desde o início dos anos 1940, a plataforma básica de construção da embalagem eletrônica é a placa de circuito impresso (PCB). Este Guia destaca as abordagens de design avançado e os processos de fabricação necessários para projetar os mais complexos desses PWBs, as interconexões de alta densidade (HDI), conforme ilustrado na Figura 1.

Este capítulo introduz as considerações básicas, as principais vantagens e os possíveis obstáculos que devem ser levados em conta na seleção dos métodos de interconexão de alta densidade. O principal enfoque está nas interconexões e na fiação dos componentes. O foco é na densidade e nos potenciais efeitos que a seleção de vários tipos de placas HDI e alternativas de design poderiam ter no custo e no desempenho da montagem eletrônica completa.

Desde que os circuitos impressos se tornaram mais comuns desde o início dos anos 50, a densidade e a complexidade das interconexões aumentaram rapidamente, mas não tanto quanto nos últimos dez anos. A tecnologia convencional de circuito impresso é capaz de atender à maioria dos requisitos atuais. No entanto, existe um grupo crescente de produtos referidos como "Interconexões de Alta Densidade" (HDI, na sigla em inglês) que são usados para criar interconexões ainda mais densas, e são esses que são o assunto deste Guia.

Tendências de Interconexão

Os impulsionadores para interconexão de maior densidade se enquadram em três categorias; plataformas, desempenho e peças:

Plataformas

Com mercados em rápido crescimento para produtos como telefones móveis, aparelhos digitais e computadores vestíveis, todos representando novas oportunidades. HDI possibilita que a eletrônica se torne menor e mais leve.

Desempenho 

Com a diminuição dos tempos de subida dos semicondutores, e mais comunicações RF e micro-ondas, em frequências de até 80 GHz em algumas áreas de telecomunicações.

Peças 

A evolução da tecnologia de silício de transistores menores e seus tempos de subida mais rápidos leva ao desafio de fornecer mais terminais em uma pegada menor, o que equivale a mais conexões por unidade de área.

Todas essas tendências criam uma demanda por interconexões mais densas, com dimensões de trilhas e espaços menores, vias menores e mais vias enterradas. Embora isso não seja necessariamente acompanhado por uma mudança nas práticas de design de placas, as construções convencionais podem atingir seus limites e o design de construções HDI requer uma reavaliação das estratégias de design.

FIGURA 1. A eletrônica evoluiu em densidade desde a década de 1940, para o estado atual de interconexões de alta densidade que incluem empilhamento 3D e componentes embutidos.

PLATAFORMAS MULTICAMADAS HDI

HDI é um mercado de aplicação de PWB tão grande e em crescimento, que existem pelo menos três (3) diferentes Plataformas HDI que o compõem. Essas quatro plataformas são 1. Módulos de Substratos & Interposers; 2. Portáteis; e 3. Alto desempenho.

Módulos de Substratos & Interposers

Esta tecnologia é usada para substratos que podem ser conectados por flip chip ou wire bond. As microvias permitem a densidade aumentada necessária para escapar dos flip chips de alta densidade. Os materiais dielétricos são os filmes engenheirados mais recentes. Um exemplo típico pode ser visto na Figura 2. Os módulos são pequenos substratos que podem ter seus ICs conectados por wire bond, flip chip ou montados por TAB, ou podem usar CSPs de passo fino. Os componentes discretos são tipicamente muito pequenos, como 0201 ou 01005s e podem até ser embutidos. As regras de design geralmente são mais grosseiras do que o substrato de um único IC, já que o módulo pode ser maior do que um pacote de IC único. 

Portáteis

Produtos portáteis e de consumo miniaturizados estão na vanguarda da Tecnologia HDI. Os designs densos oferecem fatores de forma pequenos e características muito densas, incluindo micro-BGA e footprints de flip chip. A maior aplicação atualmente é em telefones móveis. Um produto típico de telefone móvel (Motorola MicroTack e o Apple iPhoneX) são vistos nas Figuras 3.

Alto Desempenho 

Esta tecnologia é usada para placas com muitas camadas e componentes de alta I/O ou de pequeno espaçamento. Uma placa com vias enterradas nem sempre é necessária. As microvias são usadas para formar a área de escape de componentes densos (alta I/O, micro BGA). O dielétrico é reforçado com folha revestida de resina, prepregs reforçados e núcleos, e laminados de alto desempenho. Um exemplo típico pode ser visto na Figura 4. Uma possível 4ª plataforma a ser desenvolvida são os ‘componentes embutidos’, vistos na Figura 5.

FIGURA 2. Módulos de alta densidade para a. Substratos de flip chip e b. Telecom

FIGURA 3. A complexidade e densidade crescentes caracterizam as placas HDI usadas em telefones móveis de 1994 até os dias atuais.

FIGURA 4. Uma placa de telecomunicações de alta confiabilidade para um controlador de rede óptica triple OC-192 (10 Gb/s). A construção é de laminados de baixa perda e usa uma estrutura HDI 1+6+1.

FIGURA 5. O uso típico de microvias para conectar vários capacitores e resistores embutidos.

MELHORIAS DE DESEMPENHO

Quando são necessárias melhorias de desempenho para PWBs, o HDI é o principal contribuinte. Além de tornar o PWB menor, mais leve e mais fino, ele terá um desempenho elétrico superior. Algumas dessas melhorias são:

• Ordem de magnitude menor em parasitas elétricos de vias
• Estubs mínimos 
• Tensão estável na trilha
• Remoção de capacitores de desacoplamento
• Menor diafonia e ruído
• Muito menor RFI / EMI
• Planos de terra mais próximos
• Oportunidades para capacitância distribuída (PWR/GND)
• Planos de terra superficiais com vias-em-pads reduzem emissões e radiação

À medida que as fábricas de semicondutores reduzem o tamanho de seus dispositivos, a física permite tempos de subida/queda mais rápidos. Isso se manifesta em um desempenho de maior frequência. Mas com dispositivos menores vem muitos mais em um chip e maior dissipação de calor. Com uma redução na tensão de alimentação para minimizar a dissipação de energia, o que resulta é o aumento da sensibilidade dos circuitos a várias formas de ruído e perda de força do sinal. Laminados de alto desempenho sempre foram um dos requisitos. Além disso, processos melhorados para a fabricação de microvias também melhoram o desempenho em alta frequência. Microvias têm quase 1/10 dos parasitas de THs. Estruturas de Veículo de Teste podem validar a menor indutância em microvias, e quando combinadas com capacitores de desacoplamento de baixa indutância, e vias-em-pads, mostram os méritos da redução de ruído, especialmente para lógica de alta velocidade.

ACESSO A COMPONENTES AVANÇADOS (PEÇAS)

A indústria de semicondutores é o principal motor para a eletrônica. Geometrias de portas menores e um maior número total de portas permitem que mais funções sejam realizadas – e mais rapidamente. Com wafers maiores, os preços continuam a cair. 

A embalagem de ICs, como dispositivos de passo de 0,80 e 0,65 mm, se beneficia de tecnologias de PCB como HDI, mas o uso de dispositivos de passo de 0,8 mm e menores é onde o HDI realmente começa a oferecer vantagens. Os vias cegas economizam espaço nas camadas internas e têm terras de via reduzidas, além de possibilitar via-em-pads. Típico desses dispositivos é o processador de sinal digital (DSP) de 953 pinos, passo de 0,65mm, visto na Figura 6a ou o DSP de 498 pinos mostrado na Figura 6b. Os outros novos componentes que estão se tornando mais difundidos são aqueles com contagens de pinos muito altas, em torno de 600 a 2500 pinos, mesmo com passos de 1,00 e 0,8 mm. Embora alguns destes sejam switches digitais de telecomunicações (Figura 6c), a grande maioria são os novos arrays de portas programáveis em campo (FPGAs). Produtos atuais da Actel, Infineon, Xilinx e Altera têm embalagens com 456, 564, 692, 804, 860, 996, 1020, 1164, 1296, 1303, 1417, 1508, 1696 e 1764 pinos. Estão sendo projetados FPGAs com mais de 2000 pinos!

FIGURA 6. a. Dispositivos de passo fino como estes 953 pinos - microprocessador de 0,65 mm de passo, b. o dispositivo DSP de 498 pinos e 0,5 mm ou c. o controlador de 480 pinos @ 0,4 mm, até mesmo o d. 182 pinos @ 0,25 mm requerem microvias. e. A chave digital de 2577 pinos - 1,0 mm de passo agora requer microvias para conectá-los em um circuito impresso.

Oportunidades HDI

Outros benefícios do uso de tecnologias HDI podem vir da facilidade de design resultando em um Tempo de Mercado Mais Rápido e sua Confiabilidade Melhorada.

Tempo de Mercado Mais Rápido

O tempo de mercado mais rápido ocorre devido à colocação mais fácil de componentes usando vias cegas ou via-em-pads. Outras eficiências de design surgem devido ao menor espaçamento, melhorias nos desdobramentos de BGA, roteamento por boulevards (ver Capítulo 4) e facilidade de autorroteamento usando vias cegas/enterradas em vez de vias passantes. Os tempos de design do sistema geral podem ser reduzidos devido ao desempenho elétrico melhorado das vias cegas em vez de vias TH, menos retrabalhos serão necessários devido à integridade do sinal e redução de ruído.

Confiabilidade Melhorada

Testes extensivos de confiabilidade foram realizados pelo IPC-ITRI no final dos anos 1990 sobre a confiabilidade de microvias. [1]  Outros grupos (como HDPUG & NASA-JPL) também produziram relatórios sobre a superior confiabilidade de vias cegas pequenas em comparação com vias TH. [2]  Entender o 'PORQUÊ' é bastante simples!  A razão de aspecto da via (AR - relação profundidade para diâmetro) é menor que (<) 1:1 comparada às vias TH com uma AR de >6:1 (+) que podem chegar até 20:1. Isso é resultado do uso de materiais finos e materiais de baixo coeficiente de expansão térmica no eixo Z em HDI (veja Capítulo 2). Os materiais HDI são numerosos e excedem em variedade o laminado multicamada, portanto, são cobertos pela norma IPC IPC-4104A e não pelo IPC-4101B. Se as vias cegas forem adequadamente perfuradas e metalizadas, então elas desempenharão muitas vezes o ciclo térmico como as THs típicas (veja Capítulo 6) 

Os materiais finos HDI são, portanto, bem adequados para a transferência de calor térmico e isso também é abordado nas Normas de Design HDI da IPC, IPC-2226.

Custo Menor

Os capítulos 4 e 5 discutirão em detalhes o processo de design aprimorado para PWBs HDI. Planejado e executado corretamente, o multilayer HDI pode ser menos caro do que a alternativa de placa TH. Como ilustrado na Figura 4, a Comparação de uma multilayer TH de 14 camadas de alta velocidade e impedância controlada com uma multilayer HDI de 8 camadas. Ao utilizar totalmente o Lado Secundário do PWB, foi necessário 40% menos área para conectar todos os componentes, além de 6 camadas a menos.

PREDICTABILITY OR “WHAT WILL IT COST?” AND THE NEED FOR DESIGN MODELS 

Predictability

Os clientes precisam saber o empilhamento HDI, as regras de design e o PREÇO, ANTES de iniciar o projeto ou o design da placa.

Os fabricantes podem cotar o design APÓS ele ser projetado, mas sem os números antecipadamente - ninguém pode se dar ao luxo de perder tempo em um beco sem saída. O conceito de que, “Microvias custam mais!” é um de não saber como projetar corretamente uma placa HDI.

Um dos benefícios de fazer Benchmarking de HDI nos últimos 37 anos foi o gráfico de Comparação entre TH e HDI visto na Figura 7. A Comparação de Preço/Densidade. As duas variáveis-chave são RCI, uma moeda de comparação, normalizada para o preço atual de uma multilayer de 8 camadas, e DEN, o número médio de pinos em uma placa dividido pelo comprimento e largura da placa.

FIGURA 7. Comparação de Preço/Densidade entre TH e HDI. O Índice de Custo Relativo (RCI) e o preditor de DENsidade (pinos/polegada quadrada) fornecem uma comparação rápida das camadas TH (coluna A) com estruturas HDI equivalentes (colunas B – G).

Os RCIs na matriz são os números de "Base" (ou mínimos) para custos. Mas o número de "Teto" para uma faixa está fora da nossa capacidade de calcular ou configurar neste momento. Tudo depende dos vários fatores no design. Os rendimentos são muito sensíveis ao diâmetro mínimo, anéis anulares, traço mínimo e espaçamento, espessuras de material, número total de furos e sua densidade. Outros fatores de custo, como acabamento final, preenchimento de furos e tolerâncias, afetarão o preço. Adicionei uma coluna para "Densidade" (DEN). Este é o Número Máximo de Conexões Elétricas (chamadas de 'pins') por polegada quadrada de superfície (para ambos os lados). As linhas tracejadas são PCBs "Equivalentes". Então, como exemplo, uma placa de 18 camadas TH (through-hole-coluna A) com uma média de 100 'pins' por polegada quadrada poderia ter sido projetada como uma placa HDI de 10 camadas (1+8+1-coluna C) porque ela pode suportar 210 'pins' por polegada quadrada (p/si). Ou, poderia ter sido projetada como uma placa HDI de 6 camadas com 2+2+2 (coluna E, também 200 p/si).

O RCI não mostra a economia de custo "Absoluta" neste exemplo. A economia de custo "Relativa" é de 28,1% para a placa de 10 camadas e 20,5% para os "equivalentes" HDI de 6 camadas. Mas uma placa menor poderia resultar em mais placas por painel e o "PREÇO" seria ainda menor que os números acima. Na faixa de 8L a 18L, as placas HDI, especialmente as 2+N+2, NÃO são equivalentes às placas TH de 8L a 18L, elas representam placas com 12X- 20X a densidade das placas TH.

Esta Matriz é baseada em FR-4. Isso tem duas implicações importantes. A escala RCI TH (de 4L – 16L) representa a precificação competitiva estabelecida pela China. Esta escala é deprimida em comparação com a precificação HDI. Assim, a precificação HDI, se igual ou menor, é muito competitiva. Se o material de construção NÃO for FR-4, mas um material mais caro, de baixo Dk ou baixo Dj, então a economia com HDI será MUITO MAIOR à medida que você reduz camadas!

CAPÍTULO 2

MATERIAIS PARA INTERCONEXÕES DE ALTA DENSIDADE (HDI)

Neste capítulo, discutiremos os materiais usados para fabricar circuitos HDI. Existem vários bons recursos sobre o assunto de materiais para PCBs (como o Printed Circuit Handbook editado por Holden & Coombs), então nos concentraremos naqueles materiais que são específicos para HDI. 

O mercado atual de materiais HDI em todo o mundo foi estimado pela BPA Consulting Ltd. em 83 milhões de metros quadrados. A divisão feita pela BPA Consulting dos onze (11) materiais HDI usados, em ordem de uso:

• Prepregs Perfuráveis a Laser-40,4%
• RCC-28,3%
• Prepregs Convencionais-17,2%
• ABFilm-5,0%
• Epóxi-3,3%
• Outros-3,2%
• BT-1,8%
• Aramid-0,4%
• Poliamida-0,3%
• Filme Seco Fotossensível-0,1%
• Líquido Fotossensível-~0,0%

Os principais componentes materiais dos PCBs são a resina polimérica (dielétrico) com ou sem aditivos, reforço e folha de metal. Uma construção típica é mostrada na Figura 1. Para formar um PCB, camadas alternadas de dielétrico, com ou sem reforço, são empilhadas entre as camadas de folha de metal.

A maioria dos materiais é de epóxi, mas alguns são BT, PPE, éster cianato e acrilatos modificados. Os materiais mais recentes são o número crescente de prepregs perfuráveis a laser.

FIGURA 1. Construção de um laminado PWB [Fonte: PC Handbook, 7ª Ed]

DIELÉTRICOS E ISOLANTES

A resina base da indústria tem sido a resina epóxi. O epóxi tem sido um material básico devido ao seu custo relativamente baixo, excelente aderência (tanto aos folheados metálicos quanto a si mesmo) e boas propriedades térmicas, mecânicas e elétricas. À medida que as demandas por melhor desempenho elétrico, capacidade de suportar temperaturas de solda sem chumbo (ver Tabela 1) e conformidade ambiental entraram em cena, a química básica do epóxi foi dramaticamente alterada ao longo dos anos. 

Epóxis são resinas termofixas e utilizam endurecedores e catalisadores para facilitar as reações de reticulação que levam ao produto final curado. Os epóxis também são inerentemente inflamáveis, portanto, retardantes de chama são incorporados à resina para reduzir significativamente a inflamabilidade. Tradicionalmente, o principal agente de cura era o Dicy, mas agora vários compostos fenólicos são usados. Os compostos tradicionais de bromo (ou seja, TBBA) usados como retardantes de chama estão sendo substituídos por outros compostos, como aqueles que contêm fósforo, devido a preocupações com o bromo entrando no meio ambiente quando os PCBs são descartados. Muitas empresas adotaram um requisito "Livre de Halogênio" em antecipação a uma eventual proibição ou pela aparência de serem "verdes".

TABELA 1. As quatro características térmicas importantes de um laminado 'Livre de Chumbo' e STII.

FIGURA 2. Alguns valores de STII de laminados comuns.

Outras resinas que são comumente utilizadas são tipicamente selecionadas para abordar deficiências específicas dos sistemas de resina epóxi. O BT-Epoxy é comum para embalagens de chips orgânicos devido à sua estabilidade térmica, enquanto resinas de poliimida e éster cianato são usadas por suas melhores propriedades elétricas (menor Dk e Df) assim como melhor estabilidade térmica. Às vezes, elas são misturadas com epóxi para reduzir custos e melhorar propriedades mecânicas. Uma propriedade térmica importante para a montagem sem chumbo é o STII e alguns valores de laminados podem ser vistos na Figura 2.

Além das resinas termofixas, resinas termoplásticas são utilizadas, incluindo poliimida e politetrafluoretileno (PTFE). Ao contrário da versão termoplástica da poliimida, que é relativamente frágil, a versão termofixa é flexível e é fornecida em forma de filme. É tipicamente usada para fazer circuitos flexíveis, bem como os circuitos combinados chamados de rígido-flexível. Também é mais cara que a epóxi e é usada apenas quando necessário.

Para auxiliar na sua seleção do laminado adequado para HDI, a Figura 3 mostra uma seleção de laminados de todo o mundo e sua equivalência. 

FIGURA 3. Gráfico de substituição de laminados para muitos laminados de PCB

MATERIAIS REFORÇADOS

Fibra de Vidro Convencional e Perfurável a Laser

A maioria dos materiais dielétricos usados para fabricar placas de circuito impresso incorpora reforço no sistema de resina. O reforço geralmente assume a forma de fibra de vidro tecida. A fibra de vidro tecida é como qualquer outro tecido, feito de filamentos individuais que são entrelaçados em um tear. Usando diferentes diâmetros de filamentos e diferentes padrões de tecelagem, são criados diferentes estilos de tecido de vidro.

A fibra de vidro adiciona durabilidade mecânica e térmica ao dielétrico, mas apresenta alguns problemas quando usada em construções HDI. A Figura 5 mostra que o tecido de vidro é tecido, e a tabela mostra os estilos, fios e espessuras desses fios. Quando lasers são usados para criar os vias, a diferença nas taxas de ablação entre a fibra de vidro e a resina circundante pode causar má qualidade do furo. Além disso, como o tecido de fibra de vidro não é uniforme devido a ter áreas sem vidro, áreas com um fio e as interseções dos fios (também conhecidas como nós), é difícil configurar parâmetros de perfuração para todas essas regiões. Geralmente, a perfuração é configurada para a região mais difícil de perfurar, que é a área do nó. 

Os fabricantes de fibra de vidro criaram os chamados dielétricos perfuráveis a laser ao espalhar os fios em ambas as direções e tornar o tecido mais uniforme, o que minimiza as áreas sem fibra de vidro, bem como a área do nó. A Figura 4 mostra os 12 LDPs atualmente disponíveis e suas propriedades. Ainda é necessário mais energia para penetrar na fibra de vidro do que na resina, mas agora os parâmetros de perfuração podem ser otimizados para obter resultados consistentes em todo o painel. 

FIGURA 4.  Tabela de especificações de tecido para fibra de vidro perfurável a laser.

RCCs

Folha de Cobre Revestida com Resina (RCC)

As limitações dos dielétricos reforçados com fibra de vidro levaram as empresas a procurar soluções alternativas de dielétricos. Além dos problemas com a perfuração a laser (qualidade de furo ruim e longos tempos de perfuração), a espessura da fibra de vidro tecida limitava o quão finas as PCBs poderiam ser. Para superar esses problemas, a folha de cobre foi utilizada como suporte para o dielétrico, para que então pudesse ser incorporada à PCB. Esses materiais são chamados de “Cobre Revestido com Resina” ou RCC. A folha de RCC é fabricada usando um processo de rolo a rolo.

FIGURA 5.  Fotos de tecidos de fibra de vidro padrão e perfuráveis a laser

O cobre passa por uma cabeça de revestimento e a resina é depositada no lado tratado do cobre. Em seguida, passa por fornos de secagem e é parcialmente curado ou "B" estagiado, o que permitirá que flua e preencha as áreas ao redor da circuitaria interna e se ligue ao núcleo. Os sistemas de resina são geralmente modificados com um restritor de fluxo para evitar espremedura excessiva durante o processo de laminação. 

A maior parte do folheado de RCC é fabricada dessa maneira, mas existem tipos adicionais. Um desses tipos é um produto de dois estágios (Figura 6). Após a primeira camada de resina ser revestida, ela é passada pelo revestidor novamente para adicionar uma segunda camada. Durante a segunda aplicação, a primeira camada é totalmente curada, enquanto a segunda camada é "B" estagiada. O benefício desse processo é que o primeiro estágio atua como uma parada firme e garante uma espessura mínima entre as camadas. A desvantagem é que o produto é mais caro do que a versão com revestimento único.

Apesar de todos os benefícios do foil RCC, existem preocupações quanto à falta de reforço em termos de estabilidade dimensional e controle de espessura. Um novo material foi desenvolvido para abordar essas preocupações. O MHCG da Mitsui Mining and Smelting incorpora uma fibra de vidro ultrafina (1015 ou 1027) durante o processo de revestimento com resina. A fibra de vidro é tão fina que não pode ser transformada em um prepreg, pois não pode passar por uma torre de tratamento como a fibra de vidro tradicional. Há também um RCC de poliimida/epóxi disponível. 

A fibra de vidro não impacta significativamente a perfuração a laser, mas proporciona uma estabilidade dimensional igual ou superior ao prepreg padrão. Agora estão disponíveis camadas dielétricas com espessura de até 25 microns, permitindo produtos multicamadas muito finos. 

O custo é outro aspecto do foil RCC que gera preocupação. Os foils RCC quase sempre custam mais do que a combinação equivalente de prepreg/foil de cobre. No entanto, o foil RCC pode resultar em um produto menos caro quando o tempo de perfuração a laser é levado em consideração. À medida que o número de furos e o tamanho da área aumentam, a maior produtividade das perfurações a laser mais do que compensa o custo aumentado do foil RCC.

FIGURA 6.  Quatro estilos disponíveis de cobre revestido com resina (foil)

OUTROS DIÉLETRICOS

A epóxi líquida otimizada pode fornecer o menor custo entre todos os dielétricos para HDI. Também é a mais fácil de aplicar em camadas finas para fiação de linhas finas. Pode ser revestida por impressão serigráfica, revestimento vertical ou horizontal com rolo, revestimento por menisco ou revestimento por cortina. A marca Taiyo Ink é a mais utilizada, mas Tamura, Tokyo Ohka Kogyo e Asahi Denka Kogyo também têm produtos.

Éteres Polifenílicos/Óxido de Polifenileno:  P.M > 288° C são termoplásticos de Éteres Polifenílicos (PPE) ou Óxido de Polifenileno (PPO) com pontos de fusão bem acima de 288°-316° C. Misturas de PPO/Epoxy têm um Tg >180° C com temperaturas de decomposição mais altas. Sua popularidade deve-se ao excelente desempenho elétrico, por terem constantes dielétricas e tangentes de perda menores do que muitos dos termofixos como epóxi e BT, com baixa absorção de água. Seus altos pontos de fusão e resistência química tornam o desbaste um processo crítico.

PROPRIEDADES ELÉTRICAS

A Figura 7 mostra as constantes dielétricas (Dk) e fatores de dissipação (Dj) de dielétricos populares, incluindo aqueles adequados para lógica de altíssima velocidade. A Tabela 2 lista outras características elétricas relacionadas ao desempenho de alta velocidade para o design de HDI.

FIGURA 7.  As características elétricas de vários laminados pelo seu constante dielétrico e fator de dissipação

TABELA 2.  Outras considerações importantes de desempenho elétrico ao projetar circuitos de alta velocidade.

HABILITANDO TRILHAS E ESPAÇOS FINOS

Para lógicas de altíssima velocidade, os sinais viajam na superfície do condutor (o Efeito Skin). Folhas de cobre lisas permitem a fabricação de trilhas e espaços muito finos com menos perdas de cobre. (Veja a Figura 8)  na Figura 9, trilhas ultrafinas são possíveis com as folhas de cobre de 5 microns e 3 microns, ou com um processo mSAP.

FIGURA 8.  O tratamento de folha para aderência vem em quatro perfis e é importante para as perdas de cobre (efeito skin)

FIGURA 9.  Folha de cobre muito fina e lisa pode permitir trilhas e espaços muito finos (8um/8um)

Materiais para Interconexões de Alta Densidade é um assunto sério para projetistas de PCB e Engenheiros Elétricos. Existem vários bons recursos sobre o assunto de materiais para PCBs e o foco aqui tem sido Materiais HDI para ajudar o engenheiro a projetar placas de circuito impresso.

CAPÍTULO 3 

Processo de Fabricação HDI

FABRICAÇÃO INICIAL HDI

Circuitos impressos de Interconexão de Alta Densidade (High Density Interconnect - HDI) começaram de fato em 1980, quando pesquisadores iniciaram investigações sobre maneiras de reduzir o tamanho dos vias. O primeiro inovador não é conhecido, mas alguns dos pioneiros mais antigos incluem Larry Burgess da MicroPak Laboratories (desenvolvedor do LaserVia), Dr. Charles Bauer na Tektronix (que produziu vias fotodielétricos), e Dr. Walter Schmidt na Contraves (que desenvolveu vias gravados por plasma).

A primeira produção em série ou placas impressas sequenciais apareceram em 1984, começando com as placas de computador FINSTRATE da HewlettPackard perfuradas a laser, seguidas em 1991 no Japão com Circuitos Laminados Superficiais (SLC) pela IBM-YASU e na Suíça com DYCOstrate pela Dyconex. A Figura 1 mostra uma dessas primeiras placas FINSTRATE da Hewlett Packard, na capa do Hewlett-Packard Journal (1983).

HP Finstrate Laser-Via

A HP não pretendia desenvolver microvias perfuradas a laser. Elas foram o resultado da engenharia reversa de seu novo chip de microcomputador de 32 bits. Eles o chamaram de chip “FOCUS”, um microprocessador de 32 bits desenvolvido em NMOS-III, que tem a característica de ser muito ávido por corrente. Uma das primeiras surpresas com esse novo microprocessador foi que ele não conseguia conduzir a indutância de uma via passante padrão de 0,3 mm de diâmetro em uma placa de 1,6 mm de espessura. Ele só podia conduzir 20-30 nHenrys de indutância, ou uma via cega de 0,125mm. A segunda surpresa foi que ele não tinha energia para conduzir as perdas normais de FR-4 (Dj=0.020), então foi usado puro politetrafluoretileno (PTFE). A exigência de resfriamento do CI requeria uma placa com núcleo metálico com microvias cegas muito pequenas e um dielétrico de muito baixa perda. A placa resultante criada era de núcleo de cobre, tecnologia de construção que tinha circuitos integrados (CIs) ligados diretamente por fios. 

FIGURA 1. A primeira PCB com microvia em produção geral. O FINSTRATE da Hewlett Packard foi colocado em produção em 1984. Era uma tecnologia de construção com núcleo de cobre e PTFE puro como dielétrico que tinha circuitos integrados (ICs) ligados diretamente por fios. 

Foto-via IBM SLC

Desde a introdução da tecnologia SLC da IBM em 1991, muitas variações de métodos para a produção em massa de placas de circuito impresso de interconexão de alta densidade (HDI) foram desenvolvidas e implementadas, julgadas em termos de volume produzido, a tecnologia de perfuração a laser é a que se destaca. Outros métodos ainda são utilizados por um número de fabricantes de PWB, mas em uma escala muito menor.

Contudo, um maior ênfase será colocado no processo de perfuração a laser (via laser a partir de agora) já que é o processo mais popular hoje em dia e parece que sua popularidade crescerá no futuro. Deve-se entender que a formação de furos de via é apenas um elemento da fabricação de placas de circuito impresso HDI. A fabricação de placas de circuito impresso HDI com furos de microvia envolve muitos processos não comuns à fabricação de placas convencionais. 

Princípios Básicos da Fabricação HDI

A Figura 2 mostra a divisão do processo de fabricação de Tecnologias de Construção Sequencial (SBU) ou Interconexões de Alta Densidade. Os três elementos básicos são:

• Formato Dielétrico 
• Formação de Vias 
• Métodos de Metalização

FIGURA 2. A tecnologia de construção sequencial (HDI) possui três características principais: Formato Dielétrico, Formação de Vias e Métodos de Metalização (Cortesia da DuPont.)

O processo de fabricação para cada tecnologia de microvia começa com um núcleo base, que pode ser uma placa de dois lados simples carregando planos de alimentação e terra, ou uma placa multicamadas carregando algum padrão de sinal além dos planos de alimentação e terra. O núcleo geralmente possui furos passantes metalizados (PTHs). Esses PTHs se tornam BVHs. Tal núcleo é frequentemente chamado de núcleo ativo.

Diéletricos e Isolantes

Uma visão geral dos materiais dielétricos e condutivos aplicados usados na fabricação de microvias é abordada na norma IPC-4104A.  Alguns desses dielétricos podem ser usados tanto em embalagens de chips quanto em aplicações de HDI em PWB. Referências cruzadas são feitas às especificações materiais relevantes da especificação IPC/JPCA-4104 para materiais de HDI e microvias.

A seleção de materiais precisa responder a estas perguntas:

• O dielétrico utilizará uma química compatível com a química atual usada pelo material do substrato central?
• A aderência do cobre galvanizado ao dielétrico será aceitável? (Muitos fabricantes de equipamentos originais [OEMs] desejam >6 lb./in. [1.08 kgm/ cm] por 1 oz. [35.6 µm] de cobre.)
• O dielétrico fornecerá um espaçamento dielétrico adequado e confiável entre as camadas metálicas?
• Ele atenderá às necessidades térmicas?
• O dielétrico fornecerá um Tg “alto” desejável para a ligação de fios e retrabalho?
• Ele sobreviverá ao choque térmico com múltiplas camadas SBU (ou seja, flutuações de solda, ciclos térmicos acelerados, múltiplos refluxos)?
• Ele terá microvias platabilizáveis e confiáveis (ou seja, terá latitude para garantir uma boa galvanização no fundo da via)?
• A seleção de materiais precisa responder a estas perguntas:
• O dielétrico usará uma química compatível com a química atualmente usada pelo material do substrato principal?
• A aderência do cobre galvanizado ao dielétrico será aceitável? (Muitos fabricantes de equipamentos originais [OEMs] desejam >6 lb./in. [1.08 kgm/ cm] por 1 oz. [35.6 µm] de cobre.)
• O dielétrico fornecerá um espaçamento dielétrico adequado e confiável entre as camadas metálicas?
• Ele atenderá às necessidades térmicas?
• O dielétrico fornecerá um Tg "alto" desejável para a ligação de fios e retrabalho?
• Sobreviverá ao choque térmico com múltiplas camadas SBU (ou seja, flutuações de solda, ciclos térmicos acelerados, múltiplos refluxos)?
• Terá microvias platabilizáveis e confiáveis (ou seja, terá latitude para garantir uma boa metalização até o fundo da via)?

Existem nove diferentes materiais dielétricos gerais usados em substratos HDI. Folhas de corte da IPC como IPC-4101B e IPC-4104A cobrem muitos destes, mas muitos ainda não são especificados pelos padrões da IPC. Os materiais são: Existem nove diferentes materiais dielétricos gerais usados em substratos HDI. Folhas de corte da IPC como IPC-4101B e IPC-4104A cobrem muitos destes, mas muitos ainda não são especificados pelos padrões da IPC. Os materiais são:

• Diéletricos Líquidos Fotossensíveis
• Diéletricos em Filme Seco Fotossensível
•  Filme Flexível de Poliimida
• Filmes Secos Curados Termicamente
• Dielétrico Líquido Curado Termicamente
• Folha de Cobre Revestida de Resina (RCC), dupla camada e reforçada
• Núcleos e Prepregs FR-4 Convencionais
• Novos Prepregs ‘spread-glass’ perfuráveis a laser (LD)
• Termoplásticos

Formação de Via de Interconexão

Esta seção discute processos que empregam diversas técnicas de formação de furos de via. A perfuração de vias passantes é possível abaixo de 0,20 mm (0,008 pol.), mas o custo e a praticidade desencorajam isso. Abaixo de 0,20 mm (0,008 pol.), a utilização de laser e outros processos de formação de vias são mais custo-efetivos. Existem muitos métodos diferentes de formação das IVHs usadas nos processos HDI. A perfuração a laser é a mais proeminente.  Esses diferentes métodos de formação de vias têm alguns limites no tamanho mínimo das vias que formam, bem como diferenças significativas na taxa de formação de vias.  

Perfuração Mecânica

A técnica mais antiga para formação de vias cegas e enterradas é a perfuração mecânica e laminação sequencial, como visto na Figura 3a e 3b.  Progressos foram feitos tanto na fabricação de brocas pequenas quanto na perfuração mecânica de alta velocidade para permitir que essa técnica seja usada em algumas circunstâncias.

FIGURA 3. A perfuração mecânica das pequenas vias, seja por profundidade controlada, Figura 3a, ou laminação sequencial, Figura 3b, é como o HDI começou na produção em volume.

FIGURA 4. A criação de via cega em um painel PWB é normalmente feita com tecnologia a laser, mas processos de via em massa como gravação química, plasma ou dielétricos fotográficos também têm sido utilizados.

Tecnologia de Via a Laser

O processamento de via a laser é de longe o processo mais popular de formação de microvias. No entanto, não é o processo de formação de vias mais rápido. A gravação química de pequenas vias é a mais rápida, com uma taxa estimada de 8.000 a 12.000 vias por segundo. Isso também é verdade para a formação de vias por plasma e formação de fotovias (Figura 4). Todos esses são processos de formação de vias em massa. A perfuração a laser é uma das técnicas mais antigas de geração de microvias. [1] Os comprimentos de onda para a energia a laser estão na região do infravermelho e ultravioleta. A perfuração a laser requer a programação do tamanho da fluência do feixe e da energia. Feixes de alta fluência podem cortar metal e vidro, enquanto feixes de baixa fluência removem limpidamente orgânicos, mas deixam os metais intactos. Um tamanho de ponto de feixe tão pequeno quanto aproximadamente 20 microns (<1 mil) é usado para feixes de alta fluência e cerca de 100 microns (4 mil) a 350 microns (14 mil) para feixes de baixa fluência. [2] [3]

A maioria dos processos a laser utiliza lasers de CO2 ou UV, pois são os lasers mais disponíveis e econômicos. Ao usar um laser de CO2 para produzir vias em laminados de epóxi, o cobre deve ser removido acima da área a ser ablatada (Veja a Figura 5). O laser de CO2 é usado principalmente para laminados não suportados por vidro. Isso inclui laminados não suportados, como poliimida flexível e folha de cobre revestida de resina (RCC^®) e laminados reforçados com materiais alternativos, como fibras de aramida. Os lasers de CO2 TEA modificados (Transversely Excited Atmospheric) são especificamente criados para perfurar através de fibras de vidro usando comprimento de onda de 9.000 nm e maior potência de pico.

Contudo, existem muitas variações. Para o propósito de perfurar buracos de microvia, existem cinco sistemas de laser: UV/Eximer, UV/Yag, laser de CO2, Yag/CO2 e combinações de CO2/TCO2. Também existem muitos materiais dielétricos: RCC, apenas resina (filme seco ou resina líquida) e prepreg reforçado. Portanto, o número de maneiras de fazer buracos de microvia por sistemas a laser é determinado pela permutação de cinco sistemas de laser e esses materiais dielétricos, como visto na Figura 5.

Lasers de alta potência (ou seja, Ultra Violeta-UV) podem remover vidro e cobre e, portanto, podem ser usados com laminados convencionais, mas geralmente são mais lentos ao atravessar cobre e fibras de vidro. Existem vários fatores a considerar no processamento de vias por laser: precisão de posição dos furos a laser (furos de microvia), diâmetros irregulares dos furos e mudança dimensional do painel após a cura do dielétrico, mudança dimensional do painel devido a variações de temperatura e umidade, precisão de alinhamento da máquina de fotoexposição, natureza instável da arte negativa, e assim por diante. Estes devem ser cuidadosamente monitorados e são importantes para todos os processos de furos de microvia.

FIGURA 5. Os três principais processos de ablação de via cega por laser; c. abrindo a janela na folha de cobre usando UV ou tratamentos especiais com lasers de CO2; d. Gravando uma janela na folha de cobre e depois usando o laser nos dielétricos; e. Usando laser Eximer na via em materiais e depois metalizando o dielétrico com pulverização catódica ou cobre eletroless mSAP.

Método de Metalização

O último processo é a metalização das vias. Existem quatro métodos diferentes de metalizar os IVHs usados nos processos HDI. Os métodos são:

• Cobre Convencional por Eletrodeposição e Sem Eletrodeposição
• Grafite Condutivo Convencional ou outros Polímeros
• Cobre Sem Eletrodeposição Total e Semi-Aditivo
• Pastas ou Tintas Condutivas (Figs. 6f e 6g)

O laser é o método mais comum de produção de microvias para serem preenchidas com pasta condutiva. Os lasers são capazes de ablatar material dielétrico e parar ao interceptar a circuitaria de cobre, sendo assim idealmente adequados para a criação de vias cegas controladas por profundidade. A Figura 6 mostra esses dois principais processos de microvia. 

FIGURA 6. Dois dos processos asiáticos mais populares para metalização de furos de micro-via com polímeros condutivos; f. O processo BBiT aplica uma pasta condutiva de prata em folha de cobre e a lamina no núcleo de 2 lados; g. Diversas pastas condutivas são aplicadas em furos perfurados a laser no dielétrico em estágio b e depois laminadas com folha de cobre no núcleo.

CAPÍTULO 4 

Princípios de Design para HDI

DEFININDO A DENSIDADE DE INTERCONEXÃO

Ao planejar um design HDI, existem medidas de desempenho ou métricas para o processo HDI. Como o triângulo na Figura 1, essas três cadeias vitais do Processo HDI são elementos da densidade de interconexão. 

FIGURA 1. Métricas de Design HDI

COMPLEXIDADE DE MONTAGEM

Duas medidas da dificuldade de montar componentes montados na superfície, Densidade de Componentes (Cd), medida em partes por polegada quadrada (ou por centímetro quadrado) e Densidade de Montagem, (Ad), em terminais por polegada quadrada ou por centímetro quadrado.

EMBALAGEM DE COMPONENTES

Duas medidas da dificuldade de montar na superfície O grau de sofisticação dos componentes, Complexidade do Componente, (Cc), medida pelo seu número médio de terminais (I/Os) por peça. Uma segunda métrica é o passo dos terminais do componente.

DENSIDADE DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO

A quantidade de densidade (ou complexidade) de um circuito impresso, Wd, conforme medida pelo comprimento médio de trilhas por polegada quadrada dessa placa, incluindo todas as camadas de sinal. A métrica é polegadas por polegada quadrada ou cm por centímetro quadrado. Um segundo é o número de trilhas por polegada linear ou por cm linear.  A densidade da PWB foi derivada assumindo uma média de três nós elétricos por rede e que o terminal do componente era um nó de uma rede. O resultado foi uma equação que diz que a densidade da PWB é  vezes a raiz quadrada das partes por polegada quadrada vezes a média de terminais por parte. β é 2,5 para a região de alto analógico/discreto, 3,0 para a região analógico/digital e 3,5 para a região digital/ASIC:

Densidade da PWB (Wd)  = β √ [Cd] x [Cc]

= β √ [partes por pol. quadr.] x [méd. terminais por parte]

Onde:

p = Número de componentes (partes)

l = Número de terminais para todos os componentes

a = Área da superfície superior da placa (polegadas quadradas)

MAPA DA TECNOLOGIA DE EMBALAGEM

A Figura 2 é o que eu chamo de Mapa de Tecnologia de Embalagem. O Mapa de Tecnologia de Embalagem foi exibido pela primeira vez pela Toshiba em janeiro de 1991. [1]. 

Uma segunda característica valiosa do mapa é a área no canto superior direito. Esta é a “Região de Interconexões Avançadas”. É aqui que se faz necessário ter uma Estrutura HDI. As linhas tracejadas indicam a barreira ou parede do HDI!  Atravesse isso e agora se torna economicamente viável usar HDI. Avance demais e isso se torna uma necessidade.

FIGURA 2. A barreira de fiação through-hole (TH) como função de uma montagem típica.

O mapa de embalagem é criado medindo o tamanho de uma montagem, o número de componentes e os terminais que esses componentes possuem. Os componentes incluem ambos os lados de uma montagem, bem como dedos ou contatos de borda. Pela simples divisão de terminais por partes e partes por área da montagem, os eixos X e Y são conhecidos. Plotando os componentes por polegada quadrada (ou componentes por centímetro quadrado) contra a média de terminais por componente em um gráfico log-log, a densidade de fiação da PWB em polegadas por polegada quadrada (ou centímetros por centímetros quadrados) e a Complexidade da Montagem (em terminais por polegada quadrada ou terminais por centímetro quadrado) podem ser calculados. A densidade da montagem é apenas o eixo X vezes o eixo Y. 

BARREIRA DE FIAÇÃO THROUGH-HOLE

Quando o gráfico (Fig. 2) é utilizado para analisar montagens de componentes de superfície, três principais zonas aparecem no gráfico de embalagem, razão pela qual eu o chamo de Mapa. A primeira é de produtos com alto conteúdo de dispositivos analógicos e componentes discretos. Produtos típicos são filmadoras, pagers e telefones celulares (C-C’). Eles têm a maior complexidade de montagem. Até 300 a 400 terminais por polegada quadrada (47 terminais por centímetro quadrado). O segundo grupo é de produtos com um alto grau de componentes digitais e alguns discretos mistos. Computadores portáteis, desktops, instrumentos, equipamentos médicos e roteadores de telecomunicações são exemplos (A-A’). O último grupo tem um uso altamente integrado de ICs. PCMCIA, memória flash, SiPs e outros módulos são típicos deste grupo (B-B’). Este grupo tem a maior densidade de fiação de PWB de mais de 160 polegadas por polegada quadrada (25 centímetros por centímetros quadrados). A Figura mostra de forma solta as três regiões.

Ao observar a Figura, as linhas de Complexidade de Montagem cruzam as linhas de Densidade de Fiação. Em níveis discretos altos, menos fiação é necessária para a quantidade de densidade de montagem. Em níveis altos de ASIC (e discretos baixos), muito mais fiação é necessária para conectar os componentes. Isso faz com que métricas de montagem como leads por polegada quadrada sejam um bom indicador, mas não adequadas para substituir a densidade de fiação da PWB.

O PROCESSO GERAL DE DESIGN DE PCB

O processo de design de PCB utilizando tecnologia HDI é mostrado na Figura 3. Ao projetar com tecnologias HDI, o primeiro passo - [Planejar Design] é o mais importante. A eficiência de roteamento para HDI depende do empilhamento, arquitetura de vias, colocação de peças, fanout de BGA e regras de design, como visto na Figura 4. Mas toda a Cadeia de Valor HDI deve ser levada em consideração, incluindo rendimentos de fabricação, considerações de montagem e teste em circuito. Trabalhar com seu fabricante e montador de PWB é essencial para um design de sucesso.

FIGURA 3. Uma visão geral do processo de design e layout de PCB. 

PADRÕES, DIRETRIZES, ESPECIFICAÇÕES E REFERÊNCIAS HDI

Ao abordar o design HDI, o ponto de partida são as Diretrizes e Padrões da IPC. Quatro se aplicam especificamente ao design HDI, como visto na Figura 5.

FIGURA 4. Um processo recomendado de planejamento HDI para adicionar ao processo geral de design de PCB

• IPC/JPCA-2315: Esta é uma visão geral do HDI e fornece modelos para estimativa da densidade de design.
• IPC-2226: Esta especificação educa os usuários na formação de microvias, seleção da densidade de fiação, seleção de regras de design, estruturas de interconexão e caracterização de materiais. Tem como objetivo fornecer padrões para uso no design de placas de circuito impresso utilizando tecnologias de microvia. [2]
• IPC-4104: Esta norma identifica materiais usados para estruturas de interconexão de alta densidade. As Especificações de Materiais HDI IPC4104 contêm as folhas de corte que definem muitos dos materiais finos usados para HDI. As folhas de corte das características dos materiais são divididas em três principais tipos de materiais:  Isolantes Dielétricos (IN);  Condutores (CD) e Condutores e Isolantes (CI). 
• IPC6016: Este documento abrange o desempenho e qualificação para estruturas de alta densidade.

FIGURA 5. Normas e diretrizes IPC

O que é Diferente no Design HDI?

TRÊS (3) NOVOS PRINCÍPIOS

Existem três (3) novos princípios para o design de microvia HDI  que não existem no design TH:

• Microvias devem substituir vias TH, não apenas serem usadas "além de" vias TH.
• Considere novas configurações de camadas que permitam a eliminação de vias TH.
• Posicione microvias de forma que criem canais e avenidas para melhorar o roteamento. (veja a Tabela 1)

MICROVIAS SUBSTITUINDO FUROS PASSANTES (TH)

A ideia principal é que microvias substituam ou permitam a remoção de vias TH, permitindo assim que a densidade de roteamento nas camadas internas melhore em 2X ou 3X, usando o espaço que as vias TH ocupavam. Isso permitirá menos camadas de sinal e menos camadas de referência para essas camadas de sinal.

Este princípio é mais profundo do que parece inicialmente. Isso ocorre porque existem três dimensões em como as microvias são colocadas, veja a Figura 6):

TABELA 1. Novos princípios para design HDI não usados para multilayers TH

• As vias cegas podem ser "deslocadas ou giradas" no ângulo X-Y ou theta para criar mais espaço de roteamento.
• As vias cegas podem ser colocadas em camada interna (3D) para criar ainda mais espaços de breakout
• A distância de centro a centro pode ser alterada nas camadas internas para fornecer espaço adicional para as trilhas.
• Se tudo isso estiver acontecendo no ou próximo ao Lado Primário, então será criado espaço sob o BGA no Lado Secundário para trilhas ou, mais importante, para discretos como capacitores de desacoplamento.

FIGURA 6. Ilustração dos benefícios para roteamento usando vias cegas

ALTERNATIVAS DE EMPILHAMENTO DE CAMADAS

Se você estudar o primeiro Princípio e se perguntar, “Que funções minhas vias desempenham?” A resposta é que a via mais comum em uma PWB são as vias para GND. “E a segunda via mais comum?”, a resposta é óbvia, são as vias para PWR. Assim, mover o plano de GND que geralmente é a Camada-2 para a superfície oferece a oportunidade de eliminar todas aquelas vias para GND. Da mesma forma, mover o plano de PWR mais usado para a Camada-2 substituirá aqueles THs por vias cegas. Isso proporciona quatro (4) vantagens sobre o empilhamento convencional ‘microstrip’, como visto na Figura 7:

• Não há linhas finas para galvanizar ou gravar na superfície.
• A superfície pode ser um derramamento de GND ininterrupto para reduzir EMI e RFI (gaiola de Faraday).
• Quanto mais próximo o Layer-2 (PWR) estiver do Layer-1 (GND), maior será a capacitância planar disponível e menor será a indutância planar da PDN.
• A energia armazenada na capacitância planar pode ser entregue aos componentes com a menor indutância em série disponível, proporcionando a eliminação da maioria dos capacitores de desacoplamento.

A Figura 7 mostra algumas das pilhas HDI mais comuns para reduzir o número de vias TH. As três pilhas HDI comuns são mostradas com as estruturas do tipo IPC (I, II & III). Os dielétricos possíveis disponíveis entre o Layer-1 e o Layer-2 podem ser prepregs convencionais, prepregs perfuráveis a laser, RCCs, RCCs reforçados ou núcleos BC. Esses materiais são descritos no Capítulo 2 Materiais HDI. Se o dielétrico for fino, então é prático também utilizar uma 'via de salto' do Layer-1 para o Layer-3, economizando assim o custo de não ter que utilizar uma estrutura do tipo IPC III. Mesmo que um dielétrico fino não seja empregado, qualquer espessura de dielétrico menor que 0,005 polegada (

FIGURA 7. Três alternativas de empilhamento de camadas superficiais comparadas às estruturas do tipo I, II e III da IPC.

COLOCANDO VIAS CEGAS PARA ABRIR BOULEVARDS MAIORES

Uma técnica útil de design HDI é usar vias cegas para abrir mais espaço de roteamento na camada interna. Ao usar vias cegas entre as vias passantes, o espaço de roteamento efetivamente dobra nas camadas internas, permitindo que mais trilhas conectem os pinos nas filas internas de um BGA. Como visto na Figura 6, para este BGA de 1,0 mm, apenas duas trilhas podem escapar entre as vias na superfície. Mas, sob as vias cegas, agora seis trilhas podem escapar, aumentando o roteamento em 30%. Com esta técnica, é necessário apenas um quarto do número de camadas de sinal para conectar um BGA complexo de alta I/O. As vias cegas são organizadas para formar boulevards em formação cruzada, em L ou diagonal. A escolha da formação é determinada pela atribuição dos pinos de alimentação e terra. É por isso que, para um FPGA, reprogramar a colocação dos pinos de alimentação e terra pode ser tão produtivo.

FIGURA 8. Definição de via-na-pad próxima e movimentando o ViP para criar canais para roteamento.

FIGURA 9. Vias cegas podem ser usadas para formar avenidas nas camadas internas permitindo 30% mais roteamento fora do BGA

O microvia usado para o fanout do BGA foi mostrado na Figura 9. O microvia pode ser colocado fora da área do BGA (inserção), parcialmente dentro/fora da área (vip parcial) ou completamente na 'pastilha' (vip) - veja a Figura 10. Se colocar o via-na-pastilha, então o via deve sempre ser 'descentralizado' e não colocado no centro direto da área. Isso é para minimizar quaisquer 'vazios' de ar preso durante a soldagem. Se o via é colocado no centro da área do BGA, e não é preenchido, quando a pasta de solda é aplicada na área, e o BGA colocado na pasta, durante o reflow, à medida que a solda derrete, a bola do BGA cai e prende qualquer ar que possa estar lá, muito como uma 'rolha em uma garrafa'. Colocando o via 'descentralizado', o ar tem a chance de escapar à medida que a solda derrete e flui para o microvia. 

FIGURA 10. alternativas de via-cega

FIGURA 11. Vista 3D sofisticada de 'swing-vias' conectando a vias enterradas e furos passantes

CAPÍTULO 5 

Projeto Avançado de HDI Usando Altium

DEFININDO ESTRUTURAS DE VIA

A característica definidora dos Interconexões de Alta Densidade (HDI) são as estruturas de via cega e enterrada. Além das microvias, são utilizados materiais finos em conjunto com vias cegas, pois sua proporção de aspecto é menor que 1,0. Como foi ilustrado no Capítulo 2, há uma série de novos materiais usados em HDI que não aparecem na construção de multicamadas convencionais; RCC, RRCF, dielétricos líquidos e em filme seco e prepregs de vidro espalhado. Este capítulo ilustrará o uso do Altium Designer 19 na criação dessas construções:

• Definindo empilhamentos HDI
  • Capacitância Distribuída
• Definindo estruturas de Microvia
  • Vias Cegas Escalonadas
  • Vias Cegas Saltadas
  • Vias Cegas Empilhadas
  • Vias Cegas Perfuradas Mecanicamente
• Desdobramento de BGA
  • Canais e Avenidas
• Rotas em Pares de Camadas HDI

FIGURA 1 Facilidade de definição de empilhamento no Altium Designer.

EMPILHAMENTO HDI

O Altium Designer vem com alguns materiais padrão já em sua biblioteca.  Você terá que adicionar aqueles materiais HDI discutidos no Capítulo 2 deste Guia.  Isso é facilmente feito acessando o Gerenciador de Pilhas de Camadas escolhendo Ferramentas>> Biblioteca de Materiais nos menus principais.  Estes podem então ser usados para uma pilha HDI como visto na Figura 1.

Capacitância Distribuída

Um grupo muito especial de materiais finos são aqueles que criam capacitância distribuída para a Rede de Distribuição de Energia (PDN). Muitos acreditam que existem apenas alguns desses materiais de ‘capacitância enterrada’, mas na verdade, a lista é muito maior, como mostrado na Tabela 1.  Isso porque  qualquer dielétrico de 0,000127 mm (0,005 pol) ou menos entre energia e terra criará capacitâncias adequadas para amortecer qualquer ruído de alta frequência na PDN.  Claro, quanto mais fino o dielétrico e maior a constante dielétrica, maior será seu efeito, como mostrado na Tabela 1.  Esses dielétricos são laminados de cobre revestido (CCL), filmes de poliimida (filmes), prepregs e folhas revestidas de resina (RCF).

TABELA 1 32 dielétricos padrão de PCB adequados para serem usados como um dielétrico PDN distribuído; CCL, filme de poliimida, prepregs e RCF.

DEFININDO ESTRUTURAS DE MICROVIA

A Altium facilitou muito o uso de microvias. A dificuldade está em selecionar a estrutura de microvia (HDI) correta. Essas várias construções são mostradas na Figura 2. Elas também são definidas pela IPC no Padrão de Design HDI, IPC-2226. Como Tipo I até Tipo VII. Todas elas podem ser usadas no Altium Designer, conforme ilustrado na Figura 3.

As telas no Altium não são dimensionadas para dimensões, mas para construções, a Visualização de Empilhamento de Camadas pode fornecer isso.

TABELA 1 32 dielétricos padrão de PCB adequados para serem usados como um dielétrico PDN distribuído; CCL, filme de poliimida, prepregs e RCF.

FIGURA 3 Tela de definição de via HDI onde várias vias HDI são atribuídas a camadas. A tela de propriedade define vários diâmetros.

Vias Cegas Escalonadas

Microvias escalonadas em um único lado ou em ambos os lados com apenas furos passantes é a estrutura HDI mais comum e de menor custo.  As diversas estruturas de microvias da Altium são mostradas na Figura 4, incluindo escalonadas, puladas e enterradas.  Por padrão, as vias HDI são centralizadas, mas após a colocação podem ser movidas para ficarem adjacentes ou inseridas (como visto nas Figuras 8 & 10 do Capítulo 4).

FIGURA 4 Via escalonada atravessa apenas uma camada por vez.

A Figura 5 mostra o tipo de vias escalonadas em forma de virabrequim do Padrão de Design HDI IPC-2226.  A distância entre microvias escalonadas pode variar de inserida a adjacente até um estilo completo de dogbone.

Ao utilizar múltiplos microvias escalonados para conectar camadas internas, é preferível que os microvias rodem, como em um virabrequim, a fim de minimizar o efeito dos vias durante quaisquer excursões térmicas.  À medida que esses vias se expandem quando aquecidos, eles influenciarão outros vias em sua vizinhança, (visto na Figura 6).  Certifique-se de contatar seu fabricante de PCB para compatibilidade de material e processo se for antecipada a construção de múltiplas camadas HDI. A Figura 5 mostra o tipo virabrequim de vias escalonados do Padrão de Design HDI IPC-2226.  A distância entre microvias escalonados pode variar de inserido a adjacente a um estilo completo de dogbone.

FIGURA 5 Construção de vias escalonados estilo ‘virabrequim’.

FIGURA 6 Múltiplas camadas HDI acumuladas conectando a um via enterrado.

Pular Vias Cegas

A microvia de salto é especial porque é usada para "pular" a próxima camada adjacente, como visto na Figura 7.  Como a microvia de salto pode ser a mais profunda das microvias, é importante que o projetista esteja ciente da capacidade de um fabricante de produzir e metalizar tal microvia.  Muitos não terão essa capacidade, então é prudente verificar antes de projetar com uma.  E, como em todas as vias cegas, a relação de aspecto pode ser reduzida para 0,70:1,0 ou até 0,65:1,0, então o pad de superfície e o pad alvo serão maiores.

FIGURA 7 A microvia de salto pode ir entre dois dielétricos  (ou seja, da Camada_1 para a Camada_3) e são usadas quando outra camada completa de construção não é necessária.

Vias Empilhadas

Microvias empilhadas utilizam a menor quantidade de espaço na placa, mas são significativamente mais difíceis de fabricar. Isso se deve à necessidade de a terra alvo da microvia superior ter uma superfície metálica sólida para se conectar. O processo requer o preenchimento da microvia com materiais condutivos e sua cobertura com metal (VIPPO) ou com o uso de "banho de cobre super-preenchimento" capaz de cobrir o interior da microvia com cobre sólido. Esta estrutura é vista na Figura 8.

Atualmente, é recomendado que microvias empilhadas não sejam empilhadas sobre uma via enterrada perfurada maior. Preocupações com a confiabilidade surgiram dessa prática. Certifique-se de contatar seu fabricante de PCB sobre esta construção e ler o White Paper da IPC sobre "Aceitação de Placas Impressas Baseada em Desempenho-Teste de Refluxo de Continuidade da Cadeia de Vias: A Ameaça Oculta à Confiabilidade-Interface Fraca de Microvia-IPC-WP-023" de maio de 2018.

FIGURA 8 Microvias empilhadas requerem uma superfície metálica sólida para o 'pad de aterrissagem' da microvia superior. A microvia inferior precisa ter seu vazio produzido por laser preenchido e coberto com metal.

Vias Cegas Perfuradas Mecanicamente

Os chamados microvias também podem ser perfurados mecanicamente a partir da superfície. Estes geralmente possuem diâmetros maiores do que os microvias perfurados a laser e podem ter requisitos especiais para o espaçamento entre camadas, já que a broca tem uma ponta cônica, pode oscilar e são muito frágeis.

Isso também se aplica a materiais laminados sequencialmente, finos e com placas em ambos os lados. Isso é visto na Figura 9 e pode ser utilizado no Altium como uma Propriedade (não um microvia) ou com a propriedade de Backdrilling.

FIGURA 9 Vias cegas perfuradas mecanicamente podem ser tratadas como “Backdrilling” ou não marcando a caixa de microvia em Propriedades.

DESENVOLVIMENTO DE BGA

BGA de passo fino são distribuídos ou usando o microvia dentro do pad ou usando um microvia que apenas toca o pad SMT.  Se a roteirização for com trilhas de 0,1mm ou 0,075mm, então o espaçamento via-a-via é mostrado na Tabela 2.  A Figura 10 mostra esses possíveis esquemas de roteamento de breakout para diferentes BGAs de passo fino.   

Observe na Figura 10 que, para passos de 0,5 mm e 0,4 mm, os furos das vias não estão no centro dos lands.  Isso serve para melhorar o espaçamento nas trilhas nas camadas internas para um mínimo de 0,075mm.  O BGA de 0,5 mm de passo com o land SMT de 0,25 mm e o pad da camada interna de 0,22 mm são ilustrados.  Ao selecionar regras de design para BGAs de passo fino, certifique-se de contatar seu fabricante de PCB favorito para descobrir quais geometrias ele pode suportar e as tolerâncias que ele pode manter.

TABELA 2 Regras de design para lands BGA SMT, vias cegas, larguras de trilhas e espaçamentos para passos finos de 0,65mm, 0,5mm e 0,4mm.

Além do tradicional esquema de escape de BGAs N-S-E-W (Norte-Sul-Este-Oeste), os microvias, devido ao seu tamanho muito menor, permitem dois novos métodos de escape de BGA que aumentam significativamente a densidade de roteamento e reduzem a contagem de camadas; Canais e colocação de Swing-via.

FIGURA 10, Ilustrações das regras de design para terras de BGA SMT, vias cegas, larguras de trilhas e espaçamentos para passos finos de 0.65mm, 0.5mm e 0.4mm.  

Canais 

Quando o total de escapes de sinal de um BGA começa a exceder 400 pinos, torna-se aconselhável colocar microvias, não na periferia para escape, mas como linhas que cruzam o BGA, conforme visto na Figura 10.  Estes formam ‘canais’ nas camadas internas e no lado oposto da placa que permitem acesso aos sinais internos do BGA e, assim, requerem menos camadas para o escape total.

O BGA na Figura 11 é um BGA de 1153 pinos (34x34) com passo de 1,0 mm e possui 132 rotas possíveis por camada (1 trilha entre vias) mais 20 trilhas no canal (5 trilhas). Isso significa que seriam necessárias 8 camadas (mais 5 camadas de plano) para conectar este BGA ao resto do circuito. Se criarmos mais canais de roteamento, podemos conectar mais trilhas por camada e reduzir o total de camadas. O Roteamento de Canal utiliza microvias cegas para formar até 4 canais adicionais em forma de cruz, L ou diagonais em um padrão de fanout de BGA. Os novos canais permitem até 48 conexões extras por camada (8x6 trilhas). Duas camadas de roteamento e duas camadas de plano podem ser eliminadas.

Os canais podem ser ‘em forma de cruz’, ‘em L’ ou ‘diagonais’, dependendo do layout dos pinos de terra e energia dos BGAs como mostrado na Figura 12.

FIGURA 11 Colocação de microvias dentro de um BGA para formar canais para a saída de sinais internos.

FIGURA 12 Canais de roteamento formados por microvias para facilitar o breakout de BGAs grandes podem ser em forma de cruz, L ou diagonais.

Swing Break-Outs para Boulevards

Um swing via é na verdade um par de vias que são distribuídas entre dois pads de Componentes (Partes) para otimizar a área disponível para a roteamento de condutores entre eles. Em vez da única via de saída do padrão N-S-E-W dogbones, as microvias menores têm espaço para duas vias de saída adjacentes, conforme mostrado na Figura 13.

Os pads das microvias são tão menores que os pads TH que até mesmo há espaço para uma inundação de terra na superfície, até uma distância de 0,65mm (Figura 13).

FIGURA 13 Exemplo de ‘swing breakout’ para um grande BGA de 0,8mm que inclui um preenchimento de terra na superfície.

Para calcular o espaçamento e o ângulo das ‘swing-vias’, é utilizada uma geometria simples baseada nas 6 dimensões:

• Passo do BGA
• Tamanho do land SMT do BGA
• Tamanho do pad da microvia
• Distância mínima entre as microvias de saída
• Se as microvias estão em linha reta, escalonadas ou adjacentes aos lands do BGA (dist. até a microvia)
• Se são utilizadas microvias de salto (L1-L3), microvias normais (L1-L2) ou ambas

Selecionando a distância X e a distância Y, o arcTan fornecerá a distância do microvia e o ângulo (0) para o posicionamento dos microvias, conforme visto na Figura 14.  Fórmulas trigonométricas estão disponíveis no MS Excel.

ROTEAMENTO EM CAMADAS HDI

Para alcançar uma maior densidade de roteamento com HDI, se possível, atribua suas camadas de roteamento de superfície para serem um par de camadas X-Y.  Também pode ser prático mover o plano de referência de terra para a superfície como um GND Flood.  As pequenas geometrias HDI mais os keep-outs de plano são menores do que um anti-pad de broca mecânica em um plano de camada interna.

FIGURA 14 A trigonometria simples permitirá que você calcule o espaçamento e o ângulo de oscilação do via.

Pares de Camadas 

Uma maior densidade é alcançada se sinais-horizontais forem conectados com sinal-vertical por um pequeno microvia, ou microvia de salto ou via perfurada pequena, conforme visto na Figura 15.

FIGURA 15 Três possíveis empilhamentos que permitem roteamento X-Y usando microvias e não vias perfuradas maiores como cruzamento.

Caminhos de Retorno 

Para sinais de alta velocidade, o caminho de retorno de um circuito é o caminho de menor indutância, assim, ele segue o sinal de saída de volta no plano de referência. A natureza miniaturizada do HDI e o espaçamento fino permitem que o plano GROUND mais externo seja trazido para a superfície e usado como um GND FLOOD, como visto na Figura 13. Lembre-se de manter o GND flood contínuo para o caminho de retorno ou ruído será gerado e, se trocar de planos de retorno, ter uma via disponível para as correntes de retorno.

CAPÍTULO 6

Requisitos de Qualidade e Aceitabilidade do HDI

A própria natureza do pequeno tamanho dos microvias torna os critérios de aceitabilidade difíceis de definir. A maioria dos requisitos de Qualidade e Aceitabilidade do HDI ainda são definidos pelo OEM. O IPC tem o IPC-6016 como parte do IPC-6012, as ESPECIFICAÇÕES GENÉRICAS DE QUALIFICAÇÃO E DESEMPENHO (SÉRIE 6010). Essas especificações cobrem apenas as camadas de construção do HDI e não o núcleo, que é coberto por suas próprias especificações IPC.

IPC-6016 ESPECIFICAÇÃO DE QUALIFICAÇÃO E DESEMPENHO PARA ESTRUTURAS DE INTERCONEXÃO DE ALTA DENSIDADE (HDI)

IPC-6016: Este documento contém as especificações gerais para substratos de alta densidade que não são cobertos por outros documentos da IPC, como o IPC-6011, as especificações de qualificação e desempenho genérico de PWB. Os critérios de aceitação das camadas HDI são organizados em categorias de folhas complementares de: 

1. Portador de Chip
2. Portátil
3. Alto Desempenho 
4. Ambiente Severo 
5. Portátil

Os requisitos de aceitabilidade são divididos nestas 12 especificações específicas:

• Seção 3.1: Geral
• Seção 3.2: Materiais
• Seção 3.3: Exame Visual
• Seção 3.4: Requisitos Dimensionais
• Seção 3.5: Definição do Condutor
• Seção 3.6: Integridade Estrutural
• Seção 3.7: Outros Testes
• Seção 3.8: Máscara de Solda
• Seção 3.9: Propriedades Elétricas
• Seção 3.10: Requisitos Ambientais
• Seção 3.11: Requisitos Especiais
• Seção 3.12: Reparo

CONTROLE DE QUALIDADE

Microvias são praticamente impossíveis de inspecionar visualmente e extremamente difíceis de seccionar transversalmente. Isso exige uma abordagem mais indireta para a verificação da fabricação adequada. Microvias adequadas, como visto na Figura 1 a-d, podem ser distinguidas de microvias defeituosas, como visto na Figura 2a-d. É mais fácil seccionar transversalmente essas vias quando elas são empregadas em um "cupom de teste" como o programa PCQRR da IPC. Esses cupons são os mesmos usados no IPC-9151 e correlacionam-se a uma resistência de cadeia de vias medida estatisticamente e testes de ciclagem térmica acelerada (HATS). [1] Os critérios para a produção de microvias de qualidade são não mais do que 50 microvias defeituosas por milhão de microvias e uma covariância das desvios padrões das resistências Kelvin dos cupons de cadeia de margarida de 5%.

FIGURA 1. Exemplo de vias cegas e enterradas bem fabricadas; a. Vias cegas-enterradas de 8 camadas; b. Vias cegas-enterradas de 6 camadas; c. Via cega saltada de L-1 para L-2 & L-3; d. Via cega adequada preenchida com máscara de solda.

FIGURA 2. Vias cegas formadas incorretamente que devem ser rejeitadas.

QUALIDADE DA PERFURAÇÃO A LASER

A qualidade da perfuração a laser de microvias ilustra a natureza dos modos de falha em microvias. A Figura 3 mostra os sete principais critérios de qualidade para microvias a laser, juntamente com a especificação dos critérios de qualidade, métodos de medição, tamanho da amostra e limite de controle.

FIGURA 3. Os sete principais critérios de qualidade para microvias perfuradas a laser.

Qualificações dos Fornecedores 

Selecionar um fabricante de HDI pode ser muito desafiador. Uma maneira de descobrir as capacidades HDI de fabricantes de PCB é o novo Painel de Benchmarking de Capacidades IPC-9151. Este painel multicamada padronizado pode ser visto na Figura 4. Ele é fornecido em estruturas de 2, 4, 6, 10, 12, 18, 24 e 36 camadas com regras de design de alta e baixa densidade, 5 espessuras (para PCBs e backplanes), e em um grande tamanho de painel de 18” x 24” com vários traços e espaços e estruturas de vias cegas e enterradas. O Comitê IPC está planejando outros novos Painéis de Benchmarking para substratos. 

As vias cegas são opcionais, mas fornecem dados significativos sobre as capacidades HDI do fabricante. Detalhes, arte e um relatório de amostra estão disponíveis no site do IPC 9151.

FIGURA 4. Um painel PCQR2 típico do Programa IPC

Outras opções incluem a fabricação de placas de produção e a realização de testes nelas. Embora este método seja conveniente, na maioria das vezes, isso resulta em resultados estatisticamente não significativos, ou seja; são avaliadas poucas amostras para fornecer uma interpretação de significância estatística. O desempenho medido pode ser o resultado da seleção manual das amostras e não ser estatisticamente preciso ao cobrir uma gama de capacidades.

Veículos de Teste muitas vezes são usados para qualificação e isso pode ser muito preciso. Esta também é a maneira como a confiabilidade pode ser estabelecida. Seções posteriores discutirão veículos de teste e resultados de testes de confiabilidade

Cupons de Qualificação

As melhores ferramentas que conheço para fazer isso são os muitos cupons de análise paramétrica e caracterização disponíveis para você. Estes fazem parte do processo de avaliação da qualidade. Esses processos cobrem avaliações de confiabilidade, avaliação de produtos finais, avaliações de produtos em processo e avaliações de parâmetros de processo. Aqui estão cinco sistemas de cupons, quatro vistos na Figura 5: 

• IPC-2221 Apêndice A, Cupom D
• Tecnologia de Análise de Condutores (CAT^™)
• Qualidade de Circuito Impresso e Confiabilidade Relativa (PCQR2) (Figura 4)
• Choque Térmico Altamente Acelerado (HATS^™)
• Teste de Estresse de Interconexão (IST™)

FIGURA 5. Quatro dos cinco sistemas de cupons de teste de qualificação; a. Cupom IPC D; b. Cupons da CAT para painéis; c. Vários cupons de teste HATS da CAT; d. Cupom de Teste de Estresse de Interconexão (IST).

CUPONS DE TESTE DE CONFIABILIDADE ACELERADA

Três métodos de cupons são tipicamente usados em veículos de teste de confiabilidade:

• Ciclagem Térmica Acelerada (ATC)
• Choque Térmico Altamente Acelerado (HATS)
• Teste de Estresse de Interconexão (IST)

Teste de Ciclagem Térmica

O teste de confiabilidade acelerada usando cupons de teste é quase tão antigo quanto as PCBs. O princípio é agrupar um grande número de furos em um pequeno espaço e conectá-los em cadeia, daí o nome 'daisy-chain'. A placa de teste ilustrada na Figura 6 é típica de um veículo de teste daisy-chain HDI. Esta placa contém uma série de diferentes estruturas de teste para vários critérios de teste. A maior parte do espaço é ocupada pelas daisy-chains de via cega HDI (BLOCO A, B, C, E e F) e pela daisy-chain TH (BLOCO D). A Tabela 1 mostra um resumo dos blocos de teste e seus critérios para qualificação. A Figura 7 é típica para a qualificação de produtos tecnologicamente intensivos de maior volume, como notebooks e cartões de rede.

FIGURA 6. Veículo de teste de qualificação/fiabilidade HDI típico.

Muitos sistemas de cupons são usados para testes de fiabilidade. Estes são incorporados em veículos de teste que são então fabricados e submetidos a várias condições e estresses, e depois avaliados quanto ao desempenho. A IPC forneceu uma nova geração de cupons de teste, os "D-Coupons" do Apêndice A na norma IPC-2221. Os critérios de teste para o teste de resistência Kelvin de 4 fios são fornecidos em IPC-TM-650, Método 2.6.27A. O choque térmico é conforme IPC-TM-650, Método 2.6.7.2.

Estes testes são realizados após os cupons passarem por um forno de refusão por convecção SMT no mínimo 6 vezes usando um dos dois diferentes perfis de refusão (230OC ou 260OC) sem que sejam detectadas altas resistências ou aberturas.

TABELA 1. Critérios de teste para veículo de teste HDI.

FIGURA 7. Veículo de teste típico da indústria para produtos de computador e telecomunicações de maior fiabilidade.

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