PCB de Interconexão de Alta Densidade

O que é o IDH?

A HDI, que se refere a uma maior densidade de cablagem por unidade de área do que as placas de circuitos impressos convencionais, é uma placa de circuito impresso (PCB) que atinge níveis mais elevados de integração de componentes electrónicos através de cablagem microfina, estruturas de via microscópicas e cablagem densa. Estas placas utilizam fios e aberturas mais finos (≤ 100 µm/0,10 mm), vias mais pequenas (<150 µm) e pads (20 pads/cm2) do que a tecnologia PCB convencional.

Caraterísticas principais

• Largura/espaço de linha mais fino: tipicamente ≤100 µm (0,10 mm), muito inferior ao das placas de circuito impresso convencionais (tipicamente 150 µm+).
• Pequenos orifícios de passagem:
• Vias embutidas por laser cego: <150 µm de diâmetro, perfurado a laser para ligações de alta densidade entre camadas.
• Furos empilhados/escalonados: Melhorar a utilização do espaço vertical e reduzir as necessidades de camadas.
• Elevada densidade de almofadas: >20 pads/cm² para suportar chips com vários pinos (por exemplo, embalagens BGA, CSP).
• Materiais finos: Utilização de substratos de baixa constante dieléctrica e elevada estabilidade (por exemplo, FR4, poliimida).

Principais caraterísticas das placas HDI (vs. PCB convencional)

1. Conceção de microvias (perfuração a laser dominada)

• Escolha da tecnologia: As placas HDI utilizam normalmente perfuração a laser (diâmetros de furo tipicamente ≤150µm) em vez de perfuração mecânica. As razões incluem:
• Limites de perfuração mecânica: As agulhas de perfuração de 0,15 mm são fáceis de partir, têm requisitos de RPM elevados e baixa eficiência, e incapacidade de realizar o controlo de profundidade de buracos cegos enterrados.
• Vantagem do laser: Pode processar furos minúsculos (por exemplo, 50µm), suporta HDI de qualquer camada, não tem contacto físico e tem um rendimento elevado.

2. Desenhos de anéis de microvia e de furo Diâmetro da via ≤150µm

• Vias ≤150µm e vias (pads) ≤250µm, libertando espaço de disposição através do estreitamento da via.
• Exemplo: Se o diâmetro da abertura for reduzido de 0,30 mm para 0,10 mm (vias laser), o diâmetro da almofada pode ser reduzido de 0,60 mm para 0,35 mm, economizando área 67%.
• Perfuração direta no bloco (Via-in-Pad): optimiza ainda mais a disposição dos componentes BGA/SMD e aumenta a densidade.

3. Elevada densidade de juntas de soldadura (>130 juntas/in²)

• A densidade das almofadas de soldadura determina a integração dos componentes. O HDI realiza módulo multifuncional montagem de alta densidade (por exemplo, placas-mãe de telemóveis) através de orifícios/fios micro-miniatura.

4. Elevada densidade de cablagem (>117 fios/in²)

• Para corresponder ao aumento dos componentes, a densidade das linhas tem de ser aumentada em simultâneo. A HDI consegue uma cablagem complexa através de cablagem fina (largura/espaçamento da linha ≤100µm) e empilhamento multicamadas.

5. Linha fina (largura/espaço da linha ≤ 3 mil/75µm)

• Norma teórica: 75µm/75µm, mas normalmente utilizado na prática, 100µm/100µm. Motivo:
• Custo do processoO processo de 75µm é exigente em termos de equipamento/materiais, tem baixo rendimento, poucos fornecedores e um custo elevado.
• Equilíbrio preço/desempenho: A solução de 100 µm estabelece um equilíbrio entre densidade e custo e é adequada para a maioria das necessidades da eletrónica de consumo.

Principais benefícios do HDI

A HDI promove a miniaturização e o elevado desempenho dos produtos electrónicos através de microvia, linha fina e interligações de alta densidadee é uma tecnologia fundamental para a 5G, a IA e os dispositivos portáteis.

Folha de especificações técnicas de PCB HDI

Aplicações e principais vantagens das placas HDI

I. Principais áreas de aplicação das placas HDI

Com o avanço da tecnologia de semicondutores no sentido da miniaturização e do elevado desempenho, a tecnologia HDI tornou-se um elemento essencial para a eletrónica moderna, dominando particularmente os seguintes domínios:

• Comunicações móveis

• Smartphones (4G/5G): O encaminhamento de alta densidade suporta módulos de várias câmaras, antenas 5G e processadores de alta velocidade (por exemplo, chips embalados em BGA).
• Equipamento da estação de base: A transmissão de sinais de alta frequência (por exemplo, bandas de ondas milimétricas) depende dos materiais de baixa perda do HDI (por exemplo, Rogers).

• Eletrónica de consumo

• Dispositivos portáteis: Os designs ultra-finos (por exemplo, placas-mãe de smartphones dobráveis, auriculares TWS) requerem o empilhamento de camadas finas do HDI (estrutura 1+N+1).
• Câmaras digitais/AR/VR: Sensores de alta resolução e módulos miniaturizados dependem de microvias (<75µm) e da tecnologia Via-in-Pad.

• Eletrónica automóvel

• Sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS): Os sistemas de radar e de infotainment exigem a elevada fiabilidade do HDI (resistência ao calor, resistência às vibrações).

• Computação de alto desempenho

• Servidores/GPUs de IA: A alta condutividade e o design térmico suportam a transmissão de alta corrente (espessura de cobre ≥70µm).

II. As vantagens "quatro altos e um baixo" da tecnologia HDI

III. Perspectivas do mercado e dados de apoio

• Tendência de crescimento: De 2000 a 2008, a produção global de placas HDI cresceu a uma taxa de crescimento anual (CAGR) de >14% (dados da Prismark). Em 2023, a dimensão do mercado excedeu $12 mil milhões, com uma CAGR projectada para 2030 de 8,3%.
• Evolução tecnológica: O Ultra HDI (traço/espaço ≤40µm) e a tecnologia de componentes incorporados impulsionarão ainda mais o desenvolvimento da AIoT e dos dispositivos portáteis.

Com as suas caraterísticas de "quatro altos e um baixo", a tecnologia HDI é um dos principais motores do avanço da indústria eletrónica, com um enorme potencial nas comunicações 6G, nos veículos autónomos e na computação quântica.

Classificação das placas HDI

As placas HDI são classificadas em três tipos principais com base no método de empilhamento e na contagem de laminação de vias cegas:

(1) 1+N+1 Tipo

• Estrutura: Apresenta uma única camada de laminação para interligações de alta densidade.
• Caraterísticas:
• A solução HDI mais económica
• Adequado para projectos com complexidade moderada
• Aplicações típicas: Smartphones de entrada de gama, eletrónica de consumo

(2) i+N+i (i≥2) Tipo

• Estrutura: Incorpora duas ou mais camadas de laminação para interligações de alta densidade.
• Caraterísticas principais:
• Suporta configurações de microvia escalonadas ou empilhadas
• Os projectos avançados utilizam frequentemente microvias empilhadas cheias de cobre
• Proporciona uma maior densidade de encaminhamento e integridade do sinal
• Aplicações:
• Dispositivos móveis de gama média-alta
• Equipamento de rede
• Eletrónica automóvel

(3) Tipo de interconexão em qualquer camada (ELIC)

• Estrutura: Todas as camadas utilizam interligações de alta densidade com microvias empilhadas cheias de cobre.
• Vantagens:
• Permite uma total liberdade de conceção para as ligações entre camadas
• Solução óptima para componentes com um número ultra elevado de pinos (por exemplo, CPUs, GPUs)
• Maximiza a utilização do espaço em designs compactos
• Casos de utilização típicos:
• Smartphones topo de gama
• Computação de alto desempenho
• Dispositivos portáteis avançados

Comparação técnica

Este sistema de classificação ajuda os projectistas a selecionar a tecnologia HDI adequada com base em requisitos de desempenho, complexidade e considerações de custo. A evolução de 1+N+1 para ELIC representa capacidades crescentes para suportar aplicações electrónicas mais avançadas.

Requisitos de desempenho do material de PCB HDI/BUM

O desenvolvimento de materiais para placas de circuitos impressos HDI centrou-se sempre na satisfação dos requisitos "quatro altos e um baixo" (alta densidade, alta frequência, alta condutividade, alta fiabilidade e baixo custo). As necessidades crescentes de miniaturização e desempenho das placas de circuitos impressos estão a ser satisfeitas através da melhoria de propriedades como a resistência à electromigração e a estabilidade dimensional.

1. Materiais pré-impregnados (PP)

• Composição: Resina + materiais reforçados (normalmente fibra de vidro)
• Vantagens:
• Baixo custo
• Boa rigidez mecânica
• Ampla aplicabilidade
• Limitações:
• Fiabilidade moderada (resistência CAF mais fraca)
• Menor resistência ao descolamento da almofada (não adequado para aplicações exigentes de testes de queda)
• Aplicações típicas: Eletrónica de consumo de gama média-baixa (por exemplo, smartphones económicos)

2. Materiais de cobre revestidos a resina (RCC)

• Tipos:

1. Película PI metalizada
2. Película PI + folha de cobre laminada com adesivo ("Pure PI")
3. Película de PI fundida (PI líquida curada em folha de cobre)

• Vantagens:
• Excelente capacidade de fabrico
• Elevada fiabilidade
• Resistência superior ao descolamento da almofada (ideal para aplicações de teste de queda)
• Tecnologia de perfuração a laser microvia activada
• Limitações:
• Custo mais elevado
• Menor rigidez global (potenciais problemas de deformação)
• Impacto: Pioneira na transição da embalagem SMT para CSP

3. Materiais pré-impregnados perfuráveis a laser (LDP)

• Posicionamento: Equilíbrio custo-desempenho entre PP e RCC
• Vantagens:
• Melhor resistência ao CAF do que o PP
• Melhoria da uniformidade da camada dieléctrica
• Cumpre/excede as normas internacionais em matéria de resistência ao descolamento de almofadas
• Aplicações: Dispositivos móveis e electrónicos de gama média-alta

4. Materiais de polímeros de cristais líquidos (LCP)

• Propriedades principais:
• Constante dieléctrica ultra-baixa (Dk=2,8 @1GHz)
• Tangente de perda mínima (0,0025)
• Retardamento de chama inerente (sem halogéneos)
• Estabilidade dimensional superior
• Vantagens:
• Ideal para projectos de alta frequência/alta velocidade
• Amigo do ambiente
• Desafiar o domínio tradicional da PI
• Aplicações: Circuitos de RF/micro-ondas topo de gama, acondicionamento avançado

Guia de seleção de materiais

Diferença no processo de fabrico de placas de circuito impresso entre placas com núcleo e placas sem núcleo

I. Processo de fabrico de IDH com base no núcleo

1. Caraterísticas do quadro principal

• Conceção estrutural:
• Utiliza orifícios de passagem ou estruturas híbridas enterradas/cegas/por orifícios de passagem (normalmente 4-6 camadas)
• Construção opcional com núcleo metálico (dissipação térmica melhorada)

Parâmetros técnicos:

2. Funções essenciais do Conselho de Administração

• Suporte mecânico (assegura a rigidez)
• Ponte de interconexão eléctrica entre as camadas de acumulação
• Gestão térmica (especialmente para placas com núcleo metálico)

3. Principais processos de pré-tratamento

• Através de tratamento: Preenchimento de vias + planarização de superfícies
• Tratamento de superfície: Cobreamento sem eletrólise + galvanoplastia (1-3µm de espessura)
• Transferência de padrões: Imagem direta por laser LDI (precisão de ±5µm)

II. Tecnologia inovadora HDI sem núcleo

1. Tecnologias representativas

• ALIVH (Furo de via intersticial de qualquer camada)
• B²IT (Tecnologia de interconexão de lombadas enterradas)

2. Vantagens revolucionárias

3. Inovações do processo principal

• Interligação de camadas:
• Substitui o cobre eletrolítico por pasta condutora ou por saliências de cobre
• Ablação por laser para microvias de qualquer camada (≤50µm de diâmetro)
• Garantia de fiabilidade:
• Rugosidade da superfície à nanoescala (Ra≤0,5µm)
• Materiais dieléctricos de baixa cura (Tg≥200℃)

Observações finais

Impulsionadas pelos avanços na perfuração a laser, na ciência dos materiais e no empilhamento de várias camadas, as PCB HDI representam a vanguarda da miniaturização e da eletrónica de elevado desempenho. A tecnologia HDI continuará a evoluir à medida que os dispositivos exigem velocidades mais elevadas, menor latência e maior fiabilidade, ultrapassando os limites do fabrico de PCB.