Quais capacidades de PCB Ultra-HDI você pode acessar?

Quando falamos sobre embalagem, PCBs semelhantes a substratos e PCBs de linhas finas, estamos nos referindo coletivamente a uma área onde o processamento de fabricação de PCBs está sendo levado ao limite. Esta área é a ultra-HDI, onde as características típicas em um PCB são reduzidas a valores muito pequenos. Essas capacidades mais avançadas permitem práticas de design tradicionais com BGAs maiores, mas em vez disso, escalonadas para pitches muito finos (0,3 mm) exigindo espaçamento apertado e largura de linha.

Essas capacidades historicamente estavam disponíveis na Ásia, e anteriormente só se tornavam realmente custo-efetivas com produção em volume. Agora que o acesso global a essas capacidades avançadas está se ampliando, mais designers podem acessar essas capacidades em volumes menores, e até mesmo durante a prototipagem. Isso também significa que mais dos componentes avançados encontrados em dispositivos de consumo produzidos em alta escala podem ser usados em volumes menores.

Ultra-HDI Empurra os Limites da Capacidade de Fabricação

Ultra-HDI não é uma nova abordagem para o design de PCBs. A capacidade, seja subtrativo ou aditivo, tem sido disponível para PCBs muito densos (como em smartphones) e em embalagens de IC (em substratos e RDL). A capacidade era tipicamente apenas custo-efetiva quando os volumes eram muito altos, o que é por que ela habilitou alguns dos produtos de consumo de maior computação e produção de IC com contagens mais altas de I/O. A capacidade agora está se tornando mais acessível com fabricantes de menor volume.

A tabela abaixo lista algumas das características de fabricação que são tipicamente associadas com ultra-HDI. Esses valores foram compilados de dois diferentes fabricantes dos EUA oferecendo essas capacidades. Os limites de características listados abaixo não são abrangentes; diferentes fabricantes fornecerão diferentes garantias quanto às suas capacidades de fabricação ultra-HDI.

Algumas das capacidades listadas acima são típicas para placas HDI padrão, enquanto outras excedem a padronização atual definida na IPC-2226 (Nível C). Por exemplo, nestas placas, o limite de tamanho do via passante é o mesmo que em HDI padrão. No entanto, o limite de largura de linha é muito menor, chegando a 0,6 mils. Dependendo da largura de linha, a gravação pode ser possível, mas eventualmente um processo aditivo precisaria ser usado (por exemplo, SAP, mSAP ou A-SAP).

O Que Você Pode Fazer Com Ultra-HDI?

Porque o ultra-HDI leva os tamanhos de recursos a limites baixos, a abordagem permite dois benefícios de design:

1. Redução de camadas em uma placa HDI - O roteamento de linhas finas poderia possibilitar a consolidação de trilhas em um número menor de camadas, o que reduz o número de camadas de construção HDI.
2. Larguras de linha pequenas em construções convencionais - Se você conseguir eliminar totalmente as construções HDI, pode reduzir significativamente os custos necessários para fabricar a PCB.

Se você conseguir reduzir o número de camadas de construção HDI, poderá compensar alguns dos custos adicionais necessários para acessar capacidades de fabricação ultra-HDI.

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

Os BGAs são frequentemente impulsionadores da fabricação HDI devido à necessidade de criar o fanout para esses grandes pacotes. Isso é tipicamente feito com vias cegas enterradas mecanicamente perfuradas em pilha. Com um passo de 1 mm, você pode normalmente usar furos passantes até 8 ou 10 mils dependendo do tamanho do pad/bola. Devido aos limites de passo e largura de linha, você pode apenas conseguir encaixar um único traço entre as bolas em cada camada.

Com capacidades ultra-HDI, agora você poderia encaixar dois traços razoavelmente largos entre os pads. Dependendo do pinout, isso pode permitir a redução de camadas porque você pode consolidar os traços em um número menor de camadas. A imagem abaixo mostra alguns traços em uma interface DDR com largura de traço = 2,25 e S/W = 1,5.

Trazer os traços mais próximos desta forma aumentará o diafonia, mas podemos superar isso usando uma camada dielétrica mais fina (menor distância dos traços para GND).

Uma vez que o nível de diafonia está relacionado de forma não linear à espessura da camada, uma camada mais fina permitirá que você alcance seu alvo de impedância e permite essa roteamento mais denso sem uma grande penalidade de diafonia. Isso geralmente significa que a camada mais fina é necessária nessas placas densas, especialmente quando a impedância é considerada.

O que aconteceria se fôssemos mais agressivos e optássemos por larguras de trilha mais finas para a mesma relação S/W? Na imagem abaixo, reduzi a largura da trilha para 1 mil; com a mesma relação S/W, agora podemos empacotar 4 trilhas entre os pads neste BGA. No entanto, devido ao desafio com a diafonia e a exigência de impedância em uma interface DDR, o design exigirá uma camada mais fina para garantir que o requisito de impedância da trilha seja alcançado.

Ao dobrar ou quadruplicar o número de trilhas passando entre os pads na pegada BGA, podemos potencialmente reduzir o número de camadas necessárias para realizar o fanout completo do BGA. Em pitches menores (de 0,5 mm a 0,8 mm) que normalmente exigiriam vias cegas/enterradas e roteamento mais fino entre os pads, poderíamos acabar reduzindo o número de camadas de construção HDI, o que reduziria significativamente o número de etapas do processo e ajudaria a controlar os custos de fabricação. Pode até ser possível converter uma construção HDI em uma construção convencional, o que poderia compensar os custos para fabricação de linhas finas.

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

Em componentes de pitch muito fino, a abordagem tradicional é usar vias cegas/enterradas e rotear por baixo dos pads em cada camada. Simplesmente não há espaço para rotear entre os pads com capacidades tradicionais devido aos requisitos de distância entre as esferas no BGA. Ultra-HDI muda isso ao permitir vias menores e trilhas mais finas, então a área de roteamento disponível fica limitada pelo tamanho do pad.

O exemplo de roteamento abaixo mostra nosso projeto anterior do módulo nRF52, mas redesenhado com roteamento de linhas finas entre os pads no fanout do BGA. No Na versão original deste projeto, a placa foi projetada com um empilhamento 2 + N + 2 em 6 camadas. Com a capacidade ultra-HDI, consigo fazer rotas entre pads em uma única camada. Aqui estou mostrando dois exemplos na mesma imagem:

• largura de trilha de 1,75 mil com espaçamento de 1,75 mil para os pads
• trilhas de 1 mil com espaçamento de 1 mil (trilha-para-pad e trilha-para-trilha)

Com este passo de BGA, posso confortavelmente encaixar uma trilha/espaçamento de 1,75 mil entre dois pads, ou posso ser mais agressivo e encaixar duas trilhas de 1 mil entre dois pads. O primeiro caso é uma melhor opção devido ao maior crosstalk entre as trilhas na roteamento 2x.

Obviamente, o espaçamento entre as trilhas 2x é menor do que o limite da regra 3W. Podemos violar este limite e ainda esperar um crosstalk razoável? A resposta é "talvez"... Como mostrei em outros artigos, e é bem conhecido entre os engenheiros de SI, que aproximar o terra de um par de trilhas reduz a capacitância mútua e a indutância entre eles. Portanto, ir para esta roteamento mais agressivo requer o uso de camadas mais finas. Isso porque:

• A região de terra mais próxima reduz a diafonia para uma dada espessura de camada
• Para linhas com controle de impedância, a camada mais fina permite atingir um alvo de impedância típico

É por isso que a roteirização de trilhas 2x neste passo muito fino pode não ser a melhor opção, dada a diafonia potencial entre essas trilhas. Uma opção melhor é a roteirização de 1,75 mil, e se isso for feito em uma camada mais espessa (~3 mil), então qualquer trilha com controle de impedância ainda poderia atingir um alvo de 50 Ohms.

Materiais para Ultra-HDI

Na discussão acima, eu explorei bastante os materiais necessários para placas UHDI. Há duas razões para isso que se relacionam com a integridade do sinal: a diafonia entre trilhas muito próximas e atingir alvos de impedância com larguras de linha estreitas.

Para alcançar esses objetivos com trilhas muito finas, são necessárias contagens de camadas finas. Tipicamente, um limite superior de 50 microns é aplicado em uma variedade de materiais possíveis, como os listados na lista de 11 materiais HDI de Happy Holden. Algumas alternativas comuns aos materiais perfuráveis a laser e FR4 reforçado fino incluem:

• Filme de construção Ajinomoto (ABF)
• Materiais à base de epóxi BT
• Poliéster líquido cristalino fino (por exemplo, UltraLam)
• Filmes de cobre revestidos com resina (poliimida metalizada, poliimida pura, poliimida fundida)

Estes podem ser usados em combinações para criar uma construção ultra-HDI. Uma dessas combinações é o uso de laminados baseados em epóxi BT como núcleo com via enterrada convencional, e ABF como as camadas externas de construção que suportam roteamento de linhas finas. Esse estilo de construção é usado como substrato orgânico em embalagens BGA, mas a mesma abordagem pode ser usada para uma PCB ultra-HDI. Um exemplo dessa construção é mostrado abaixo.

Maior Custo, Mas Mais Opções
Embora essas práticas de design mais avançadas tenham custos de fabricação mais altos, e exijam uma nova abordagem para o design de empilhamento e roteamento, você pode acessar componentes mais avançados em passos finos para sua PCB. No geral, a fabricação de linhas finas poderia reduzir o número de camadas de construção HDI necessárias para trabalhar com esses passos mais finos, permitindo o roteamento entre as esferas em BGAs de passo fino.

Em alguns casos, o ultra-HDI pode ser um grande redutor de custos devido à consolidação de camadas e conversão para uma construção convencional com furos passantes perfurados mecanicamente. Se você consegue ajustar 4x trilhas entre os pads em BGA em 8 camadas, essa mesma placa pode exigir 32 camadas se você não tivesse acesso às capacidades de ultra-HDI. Se você está interessado nessas capacidades, elas estão começando a se tornar disponíveis nos EUA e Canadá, e ainda podem ser acessadas na Europa e Japão.

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