Placas de Circuito Impresso Semelhantes a Substratos Ultrapassam os Limites da HDI

Os produtos eletrônicos reais têm se tornado gradualmente mais inteligentes, tanto pela implementação de uma aplicação embarcada quanto pela conexão de volta a uma plataforma ou aplicação na nuvem. Equipes de desenvolvimento embarcado precisam trabalhar juntas para criar essas novas gerações de produtos. Uma área em que o engenheiro de layout de PCB, o desenvolvedor embarcado e até o engenheiro MCAD podem se atrasar na conclusão de um projeto é na seleção de E/S. Isso acontece sempre que você tem conectores, periféricos e um processador host.

Esta classe particular de PCBs na verdade tem um crescimento de mercado convincente que as empresas de EDA e fabricantes não devem ignorar. O mercado para PCBs semelhantes a substratos espera-se que cresça aproximadamente 15% CAGR e alcance $6 bilhões até 2031 à medida que mais dispositivos ultrapassam o regime HDI. Seu próximo dispositivo precisará ter densidades altas o suficiente para ser considerado um PCB semelhante a substrato? Continue lendo para ver se você pode fazer uso desta tecnologia.

É um PCB ou um Substrato de IC?

PCBs tipo substrato ocupam um meio termo entre um PCB HDI e um substrato de IC. Eles poderiam ser melhor categorizados como PCBs HDI ultra, como foi descrito recentemente por Tara Dunn. A tecnologia não é nova, e um dos principais impulsionadores tem sido dispositivos móveis menores ou wearables, que precisam embalar muitos recursos em espaços pequenos. Isso é, claro, a tendência padrão no design HDI, mas os substratos de IC levam os tamanhos de recursos e as densidades de componentes a níveis extremos.

Como um PCB tipo substrato se situa em algum lugar entre PCBs HDI e substratos de IC, acho que vale a pena comparar esses tipos de componentes para ver quais capacidades são necessárias para sua fabricação. A imagem abaixo mostra essa informação como um espectro, onde cruzamos para o domínio do PCB tipo substrato à medida que as larguras de linha diminuem. Os tamanhos de recursos e contagens de camadas listados abaixo mostram como podemos categorizar de forma ampla diferentes tipos de PCBs HDI ultra.

Eventualmente, à medida que as larguras de linha diminuem, esses produtos começam a parecer mais com substratos de IC que fornecem interconexões entre dies de semicondutores (ou seja, chiplets) dentro de um pacote de componente.

Principais Usuários de PCBs Tipo Substrato

Embora o conceito desses designs possa ser novo para alguns projetistas, esses componentes não são exatamente novos. A indústria de substratos já enfrentava os mesmos desafios há muitos anos, eles apenas lidavam com a montagem direta de dies semicondutores em um substrato, em vez de uma mistura de componentes tradicionalmente embalados. PCBs semelhantes a substratos visam essencialmente qualquer aplicação que utilize ICs empacotados em escala de chip muito finos que devem coexistir com ICs tradicionais no mesmo substrato. Você também poderia integrar chip-on-board nesses pacotes.

Um dos principais usuários de PCBs semelhantes a substratos são os smartphones, e os produtos disponíveis para os consumidores hoje estão usando PCBs semelhantes a substratos. A primeira instância de smartphones usando PCBs semelhantes a substratos começou em 2017 com o iPhone 8/X, que foram fabricados com um processo mSAP. A Samsung também utilizou a tecnologia em sua nova linha de smartphones Galaxy.

Dado o tamanho finito do invólucro e a demanda por mais recursos com uma bateria maior, o impulso é, claro, diminuir os tamanhos dos recursos nos chips e no PCB. A próxima geração de PCBs semelhantes a substratos são montagens empilhadas, onde dispositivos muito finos são empacotados uns sobre os outros com interconexões verticais.

Por Que a Contagem de Camadas Diminui em Densidades Maiores?

Se você observar o espectro acima, pareceria que todas as PCBs semelhantes a substratos e substratos de IC devem ter um número menor de camadas do que uma PCB HDI tradicional. Isso pode parecer contraditório à primeira vista, especialmente se você comparar PCBs HDI padrão com PCBs de menor densidade construídas usando o processo de gravação padrão. O que acontece ao cruzar o limiar de PCB HDI para PCB semelhante a substrato?

A primeira razão são os materiais utilizados nestes designs. Os materiais usados nessas placas podem ser muito mais finos, tanto para PCBs semelhantes a substratos rígidos quanto modificados de poliimida. Camadas mais finas significam duas coisas importantes para alcançar maiores densidades:

• A largura necessária para linhas de impedância controlada é menor em camadas mais finas
• O espaçamento entre linhas digitais pode ser muito menor (abaixo do limite de 3W) quando o terra é intercalado entre as camadas de sinal

Eu discuti esses pontos em um artigo passado sobre camadas de FR4 grossas vs. finas, assim como em um blog sobre dielétricos de baixo Dk.

A outra razão é o processo de fabricação, que pode fabricar linhas com larguras bem abaixo de sub-40 microns. No entanto, se diminuíssemos a largura das linhas, ainda estaríamos presos à regra de espaçamento de 3W para os traços. A única maneira de permitir um espaçamento menor que o limite de 3W é colocar o plano de terra mais próximo dos traços, o que requer camadas mais finas. Discutirei isso mais em um artigo futuro sobre os efeitos da espessura da camada em termos de integridade do sinal.

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