PCB HDI | Nozioni di base sulla progettazione e processo di produzione

La miniaturizzazione ha cambiato tutto. Più strati. Tracce più sottili. Spaziature più strette. Ma i PCB standard non riescono a tenere il passo.

Ecco HDI, High Density Interconnect. Queste schede utilizzano microvie, dielettrici sottili e laminazione avanzata per instradare segnali complessi in dimensioni compatte. Le troverete in smartphone, moduli RF, impianti medicali e sistemi avanzati di assistenza alla guida. Non sono solo più piccole: offrono un routing più intelligente, una migliore integrità del segnale e una maggiore affidabilità.

In questa guida analizzeremo le strutture dei PCB e delle microvia HDI e spiegheremo perché questa tecnologia è alla base dei moderni dispositivi elettronici ad alte prestazioni.

 

 

  

  

Che cos'è un PCB HDI?

HDI sta per High Density Interconnect (interconnessione ad alta densità). Ma è più di una semplice scheda a circuito stampato compatta. È una strategia di progettazione avanzata utilizzata per concentrare più funzionalità in meno spazio, senza sacrificare le prestazioni. Queste schede utilizzano microvie, vie cieche e interrate, dielettrici ultrasottili e strati multipli sovrapposti per ottenere un routing incredibilmente denso.

Non li troverete nei gadget di consumo di base. Un PCB di interconnessione ad alta densità è fondamentale nei sistemi ad alte prestazioni: si pensi ai controlli aerospaziali, ai moduli 5G, ai sistemi LiDAR, agli impianti neurali e alle comunicazioni di livello militare. Ovunque dimensioni, velocità e affidabilità siano importanti, l'HDI è presente.

Sono progettati per gestire componenti a passo fine, spesso inferiori a 0.5 mm. Ciò consente connessioni più strette, segnali più veloci e interferenze elettromagnetiche ridotte. I PCB tradizionali semplicemente non possono supportare quel livello di complessità.

Non si tratta solo di risparmiare spazio. La tecnologia PCB HDI riduce la perdita di segnale, migliora l'erogazione di potenza e supporta velocità di commutazione più elevate. In un mondo guidato dall'intelligenza artificiale, dall'edge computing e dai sistemi di sensori compatti, l'HDI è diventata un'infrastruttura essenziale, alimentando silenziosamente la prossima ondata di elettronica intelligente dall'interno verso l'esterno.

Struttura dei PCB HDI

Ora, parliamo di cosa rende diversa una scheda HDI sottosul cofano. I PCB tradizionali hanno grandi fori meccanici e piste relativamente larghe. I PCB HDI utilizzano:

· XNUMX€  microvie forate al laser,

· XNUMX€  spaziatura delle tracce più stretta,

· XNUMX€  e tecnologia a strati sovrapposti.

L'intera struttura è progettata per ottimizzare ogni millimetro quadrato. Il motivo è chiaro: la richiesta di più I/O, componenti più piccoli e segnali più veloci.

Struttura a strati

I PCB HDI comuni seguono una struttura 1+N+1, dove:

   

· XNUMX€  "N" è il numero di strati centrali.

· XNUMX€  Gli “1” su entrambi i lati sono gli strati HDI esterni collegati tramite microvia.

E non finisce qui. I layout HDI avanzati usano 2+N+2. Ecco cosa offre:

  

· XNUMX€  Due strati HDI nella parte superiore e due in quella inferiore.

· XNUMX€  Più canali di routing. Più spazio per respirare.

Non ti basta ancora? Puoi spingerti oltre: 3+N+3, o anche di più. È un approccio scalabile. Aggiungi livelli solo quando il progetto ne ha effettivamente bisogno, il che tiene sotto controllo i costi (e i mal di testa).

L'HDI a qualsiasi strato, noto anche come ELIC (Every Layer Interconnect), elimina i limiti. Le microvie ora possono collegare direttamente due strati qualsiasi, senza bisogno di procedere passo passo. Il routing diventa incredibilmente efficiente. Ecco come il tuo smartphone riesce a concentrare tutte queste prestazioni in una scheda più piccola di una carta di credito.

Queste schede sono realizzate utilizzando la laminazione sequenziale. Ciò significa che si lamina, si fora, si placca e si ripete il processo strato per strato. Questo consente connessioni ultra precise tra i circuiti interni più densi.

La struttura di solito comprende:

· XNUMX€  Strato centrale: Solitamente FR-4 o un laminato ad alte prestazioni.

· XNUMX€  prepreg: Fogli di fibra di vetro impregnati di resina che uniscono strati di rame.

· XNUMX€  Lamina di rame: Per tracce e piani di segnale.

· XNUMX€  Microvie: Fori realizzati al laser con diametro inferiore a 150 micron, rivestiti in rame.

Tutti questi elementi si uniscono per supportare i BGA (Ball Grid Array) con passo di 0.4 mm o inferiore. Questo è quasi impossibile con la tecnologia tradizionale.

Un punto chiave: l'HDI non si limita a ridurre le dimensioni. Si tratta di garantire prestazioni affidabili in layout compatti. Ciò richiede una perfetta registrazione degli strati, uniformità tramite placcatura e un allineamento preciso durante la fabbricazione.

Stack-up PCB HDI

I progettisti dicono spesso: se si sbaglia lo stack-up, la tavola fallirà, indipendentemente da quanto sia buono il layout.

Una configurazione PCB HDI è più di una semplice disposizione di strati di rame e dielettrico. È un'architettura elettrica accuratamente progettata. Ogni strato svolge una funzione – segnale, alimentazione, massa, schermatura – e la strategia dei via collega il tutto.

Diamo un'occhiata a uno schema semplificato dell'HDI:

1. Livello del segnale superiore

2. Dielettrico (Prepreg)

3. Piano di terra

4. nucleo

5. Piano di potenza

6. Dielettrico

7. Strato del segnale inferiore

Sembra semplice, vero? Non esattamente. Nella progettazione HDI, le microvie e le vie cieche/interrate creano connessioni verticali tra strati specifici. Si può avere una via dal Livello 1 al Livello 2 e una via interrata separata dal Livello 3 al Livello 5. Oppure una via impilata che va dal Livello 1 fino al Livello 6.

Queste scelte non sono casuali. Si basano su:

· XNUMX€  Requisiti di temporizzazione del segnale

· XNUMX€  Controllo dell'impedenza

· XNUMX€  Minimizzazione della diafonia

· XNUMX€  Strategie di distribuzione e disaccoppiamento dell'energia

Per i progetti digitali ad alta velocità, ad esempio DDR4, USB 3.0 o HDMI, spesso si vedono tracce dedicate a stripline o microstrip con controllo di impedenza integrate in layer specifici. E tutto questo è racchiuso in una scheda che può avere uno spessore di soli 0.8 mm.

Gli stack-up PCB HDI avanzati possono includere:

· XNUMX€  Multipli interrati tramite strati

· XNUMX€  Lamine di rame rivestite di resina

· XNUMX€  Strutture via-in-pad riempite e tappate

· XNUMX€  Materiali ibridi per proprietà elettriche o termiche specifiche

Un esempio pratico: il PCB di un processore mobile potrebbe utilizzare uno stack-up 3+N+3, con 10 strati totali, microvia impilate e via-in-pad riempiti di resina per supportare un passo BGA di 0.35 mm.

Punto chiave? Nei PCB HDI, lo stack-up è uno strumento di prestazioni, non un sempliceuno meccanico. Determina l'integrità del segnale, il comportamento EMI e persino la producibilità.

Laminazione e materiali per schede HDI

A questo punto, è chiaro che la progettazione HDI è solo metà della battaglia. La produzione è l'altra. Le schede HDI vengono costruite attraverso cicli di laminazione sequenziali. Ciò significa che gli strati vengono pressati, forati, placcati e saldati uno alla volta. Ogni laminazione aggiunge nuove opzioni di routing tramite microvie e vie interrate. Ma i materiali sono importanti tanto quanto il processo.

Materiali comuni nei PCB HDI:

· XNUMX€  FR-4 (varianti ad alta Tg): Economico e affidabile per progetti a velocità moderata.

· XNUMX€  poliimmide: Ottima stabilità termica per i settori aerospaziale e della difesa.

· XNUMX€  Rogers, Isola, Panasonic Megtron: Utilizzato nelle applicazioni HDI RF/microonde ad alta velocità.

· XNUMX€  Laminati senza alogeni o senza piombo: Rispettare rigorosi standard ambientali.

Cosa rende i materiali compatibili con HDI?

· XNUMX€  Elevata temperatura di transizione vetrosa (Tg)

· XNUMX€  Bassa espansione dell'asse Z

· XNUMX€  Tolleranze Dk/Df strette per l'integrità del segnale

· XNUMX€  Proprietà dielettriche stabili in frequenza e temperatura

La foratura laser richiede inoltre materiali con un comportamento di ablazione pulito, in modo che i bordi delle microvie rimangano intatti senza detriti o sottosquadri. I sistemi in resina devono scorrere correttamente durante la laminazione, ma polimerizzare con elevata rigidità.

In breve, la scelta del materiale non è solo una questione di costo. Influisce direttamente sulla perforabilità, sull'affidabilità e sulle prestazioni RF.

Principali vantaggi dei PCB HDI

Ecco cosa lo distingue:

1. Dimensioni compatte

I PCB HDI offrono una maggiore densità di routing in una superficie ridotta. Questo è fondamentale quando si progettano dispositivi come dispositivi indossabili, dispositivi impiantabili o moduli edge-AI. Non c'è spazio per tracce sovradimensionate o via a piena profondità. Le microvia e il routing a linea sottile consentono di ridurre le dimensioni senza sacrificare le funzionalità. Nessuna zona morta. Nessuno spreco di spazio. Solo un layout efficiente.

2. Integrità del segnale migliorata

Percorsi di segnale più brevi. Meno stub. Impedenza meglio controllata. Le microvia riducono l'induttanza, il che si traduce in una trasmissione del segnale ad alta velocità più pulita. Questo è un vantaggio fondamentale quando si instradano segnali DDR, PCIe, USB 3.2 o HDMI.

3. Ottimizzazione del conteggio degli strati

Hai bisogno di una scheda a 12 strati? Con HDI, potresti ottenerla in 8 strati. Questo significa costi di materiale inferiori, spessore ridotto della scheda e laminazione più semplice. Le microvia impilate contribuiscono a un utilizzo efficiente degli strati, mantenendo il layout compatto ed efficiente.

4. Riduzione di diafonia ed EMI

Fori di via più piccoli = accoppiamento più stretto. Ciò significa aree di loop ridotte e meno rumore irradiato. L'HDI è ideale quando la compatibilità elettromagnetica (EMC) diventa critica, come in applicazioni mediche, avioniche o automobilistiche.

5. Gestione termica e di potenza

Il design Microvia-in-pad migliora la dissipazione termica. Inoltre, un maggiore spazio di routing consente un migliore posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento, migliorando direttamente l'erogazione di potenza.

6. Resistenza meccanica

Meno forature. Niente fori passanti di grandi dimensioni. Migliore bilanciamento del rame. Le schede HDI offrono maggiore robustezza alle vibrazioni e ai cicli termici, un fattore importante nei settori della difesa, aerospaziale e dei veicoli elettrici.

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Utilizzi comuni dei PCB HDI

La tecnologia HDI non si limita all'elettronica di consumo. È ovunque. Ecco dove l'HDI si manifesta dietro le quinte:

1. Smartphone e Tablet

Lo spazio è il nemico. I PCB HDI aiutano a racchiudere CPU, RAM, fotocamere e batterie in involucri eleganti, senza compromettere le prestazioni. La maggior parte degli smartphone moderni utilizza schede ELIC HDI con oltre 10 strati.

2. Dispositivi medici

Defibrillatori impiantabili. Glucometri indossabili. ECG portatili. Questi prodotti richiedono dimensioni ultracompatte e la massima affidabilità. HDI li rende possibili.

3. Elettronica automobilistica

Sistemi ADAS, infotainment, schede di controllo LiDAR e sistemi di gestione delle batterie dei veicoli elettrici traggono tutti vantaggio dal layout HDI. Soprattutto con l'aumento delle funzioni autonome, l'integrità del segnale e la miniaturizzazione sono imprescindibili.

4. Apparecchiature di rete

Router, switch e stazioni base necessitano di schede HDI per l'instradamento dei dati ad alta velocità, un controllo preciso dell'impedenza e una riduzione delle EMI.

5. Militare e aerospaziale

I moduli radar di livello militare, i processori avionici e i controlli di navigazione fanno affidamento sulla durevolezza e sulla chiarezza del segnale dell'HDI in ambienti estremi.

Linee guida per la progettazione di PCB HDI

Progettare una scheda HDI è in parte scienza, in parte arte. Non si tratta solo di posizionare le tracce. Si tratta di gestire la fisica: comportamento elettromagnetico, dilatazione termica e vincoli di producibilità. Ecco perché il layout HDI richiede un'attenzione particolare.

Ecco cosa conta di più nella progettazione di PCB HDI. 

1. Tramite la strategia di selezione

· XNUMX€  Microvie: Usali per collegare due livelli adiacenti. Evita di sovrapporre più di 3 livelli, a meno che non sia necessario.

· XNUMX€  Scaglionato vs impilato: Le microvia sfalsate sono più affidabili, ma impilate consentono una fuga BGA più stretta.

· XNUMX€  Sepolto Vias: Manteneteli isolati negli strati interni. Pianificate la loro posizione in anticipo per evitare problemi di routing.

2. Design Via-in-Pad

Utilizzati in package BGA densi, soprattutto quando il passo è inferiore a 0.5 mm. Questi fori devono essere riempiti, placcati e planarizzati correttamente per evitare il wicking della saldatura.

Non tutti i produttori sono in grado di farlo bene. Consultate sempre il produttore del vostro PCB HDI prima di impegnarvi.

3. Regole di traccia e spazio

· XNUMX€  Larghezza traccia: Spesso tra 3–4 mil per HDI.

· XNUMX€  Spaziatura: Se possibile, mantenere la spaziatura delle tracce del segnale ≥2 volte la larghezza della traccia per ridurre la diafonia.

· XNUMX€  Per un'impedenza controllata, simula il tuo stack-up utilizzando risolutori di campo o strumenti come Polar Si9000.

4. Considerazioni sul rapporto d'aspetto

Le microvie hanno un rapporto d'aspetto basso, inferiore a 1:1. Ecco perché la profondità tra gli strati è importante.

Evitate di posizionare troppi microvia in un'unica area. Ciò potrebbe causare vuoti nella resina o una placcatura in rame non uniforme.

5. Via Riempimento e Affidabilità

I fori di via riempiti e tappati sono essenziali per le strutture impilate. Utilizzare riempimenti in resina o elettrodeposti secondo gli standard IPC.

Incompleto tramite riempimento = problemi di affidabilità = scheda guasta sul campo.

6. Controlli DFM e DFA

Prima del tape-out, eseguire i controlli per:

· XNUMX€  Registrazione del trapano

· XNUMX€  Allineamento della maschera di saldatura

· XNUMX€  Distanza tra rame e rame

· XNUMX€  Rilievi termici

· XNUMX€  Tramite tenda o capping

L'obiettivo? Un progetto pronto per la fabbricazione con revisioni minime.

Processo di produzione PCB HDI

La produzione di schede HDI non ha nulla a che vedere con quella dei PCB tradizionali. È un processo multi-fase, basato sulla precisione e altamente sequenziale.

Ecco un flusso semplificato:

1. Imaging e incisione dello strato interno: Gli strati interni di rame vengono modellati utilizzando la fotolitografia.

2. Laminazione del nucleo: I nuclei incisi vengono laminati con preimpregnato e foglio di rame.

3. Foratura laser (microvie): Il laser fora via inferiori a 0.15 mm attraverso lo strato superiore. In genere vengono utilizzati laser UV o CO2.

4. Desmearing e pulizia dei fori: La pulizia al plasma garantisce fori passanti privi di detriti per una placcatura affidabile.

5. Deposizione chimica di rame: Per garantire la conduttività, all'interno delle microvie viene depositato un sottile strato di rame.

6. Galvanotecnica: Per aumentare lo spessore della parete viene placcato ulteriore rame.

7. Imaging e incisione dello strato esterno: Vengono creati gli strati superiori del segnale. Le tracce sottili vengono modellate.

8. Laminazione sequenziale: Se necessario, vengono aggiunti ulteriori strati, ripetendo i passaggi da 3 a 7 per ogni ciclo HDI.

9. Tramite riempimento e planarizzazione: Le strutture Via-in-pad vengono riempite con resina epossidica e planarizzate tramite CNC.

10. Maschera di saldatura e finitura superficiale: Vengono applicate finiture superficiali ENIG o OSP.

11. FineTest al: Infine, i test elettrici convalidano l'integrità.

Questo processo può includere più cicli LAM a seconda della complessità dello stack-up. Ogni ciclo comporta costi e tempi aggiuntivi, quindi deve essere progettato con cura.

Tipi di vie nel routing HDI

Nelle schede HDI, i via non sono semplici fori. Sono elementi di design.

Ecco una rapida ripartizione:

Vie a foro passante

Procedere dall'alto verso il basso. Non utilizzato spesso nell'HDI a causa dello spreco di spazio.

Vias cieco

Collega lo strato esterno a uno strato interno. Ottimo per il routing dei componenti a montaggio superficiale.

Sepolto Vias

Rimani completamente all'interno degli strati interni. Utile per mantenere puliti gli strati esterni.

Microvie

Forato al laser, diametro <150 µm. Collega gli strati adiacenti. Bassa induttanza e perfetto per HDI.

Microvie impilate

Posizionati direttamente uno sopra l'altro. Permettono il collegamento verticale dall'alto al nucleo.

Microvie sfalsate

Compensato di poco. Meccanicamente più affidabile di quello impilato.

Via-in-Pad

Posizionamento del via direttamente sotto un pad. Utilizzato per BGA ultra-densi e aiuta a ridurre il ritardo induttivo.

Ogni tipologia presenta dei compromessi in termini di costo, producibilità e prestazioni del segnale. La scelta dovrebbe essere in linea con il layout, lo stack-up e il passo dei componenti.

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Conclusione

I PCB HDI sono essenziali oggi. Non sono più solo una scelta: sono lo standard. Quando il tuo progetto richiede più spazio, velocità più elevate o una migliore integrità del segnale, HDI è la risposta. Dalla struttura allo stack-up, comprendere i dettagli è fondamentale per il successo.

Che siate una startup o un team consolidato, il design e il produttore giusti sono importanti. La precisione è fondamentale.

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