PCB de interconexão de alta densidade

O que é o HDI?

O HDI, que se refere a uma densidade de fiação mais alta por unidade de área do que as placas de circuito impresso convencionais, é uma tecnologia avançada de placa de circuito impresso (PCB) que atinge níveis mais altos de integração de componentes eletrônicos por meio de fiação microfina, estruturas de via microscópicas e fiação densa. Essas placas utilizam fios e lacunas mais finos (≤ 100 µm/0,10 mm), vias menores (<150 µm) e pads (20 pads/cm2) do que a tecnologia de PCB convencional.

Recursos principais

• Largura/espaçamento de linha mais finos: tipicamente ≤100 µm (0,10 mm), muito menor do que as PCBs convencionais (tipicamente 150 µm+).
• Pequenos orifícios de passagem:
• Vias embutidas por laser cego: <150 µm de diâmetro, perfurado a laser para conexões de alta densidade entre camadas.
• Furos empilhados/escalonados: Melhore a utilização do espaço vertical e reduza os requisitos de camadas.
• Alta densidade de almofadas: >20 pads/cm² para suportar chips com vários pinos (por exemplo, pacotes BGA, CSP).
• Materiais finos: Uso de substratos de baixa constante dielétrica e alta estabilidade (por exemplo, FR4, poliimida).

Principais recursos das placas HDI (em comparação com a PCB convencional)

1. Projeto de microvia (perfuração a laser dominada)

• Escolha da tecnologia: As placas HDI normalmente usam perfuração a laser (diâmetros de furo normalmente ≤150µm) em vez de perfuração mecânica. Os motivos incluem:
• Limites de perfuração mecânica: As agulhas de perfuração de 0,15 mm são fáceis de quebrar, têm altos requisitos de RPM e baixa eficiência, e não conseguem realizar o controle de profundidade de buracos cegos enterrados.
• Vantagem do laser: Pode processar furos minúsculos (por exemplo, 50 µm), suporta HDI de qualquer camadae não tem contato físico e tem alto rendimento.

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

• Vias ≤150µm e vias (pads) ≤250µm, liberando espaço de layout ao estreitar a via.
• Exemplo: Se o diâmetro da abertura for reduzido de 0,30 mm para 0,10 mm (vias a laser), o diâmetro da almofada poderá ser reduzido de 0,60 mm para 0,35 mm, economia da área 67%.
• Puncionamento direto no bloco (Via-in-Pad)O que significa que o BGA/SMD é um componente de alta densidade: otimiza ainda mais o layout dos componentes BGA/SMD e aumenta a densidade.

3. Alta densidade de juntas de solda (>130 juntas/in²)

• A densidade das almofadas de solda determina a integração dos componentes. O HDI realiza módulo multifuncional montagem de alta densidade (por exemplo, placas-mãe de telefones celulares) por meio de furos/fios micro-miniaturizados.

4. Alta densidade de fiação (>117 fios/in²)

• Para corresponder ao aumento de componentes, a densidade da linha precisa ser aumentada simultaneamente. O HDI consegue uma fiação complexa por meio de fiação fina (largura/espaçamento da linha ≤100µm) e empilhamento multicamadas.

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

• Padrão teórico: 75µm/75µm, mas comumente usado na prática, 100µm/100µm. Motivo:
• Custo do processoO processo de 75 µm exige muito dos equipamentos/materiais, tem baixo rendimento, poucos fornecedores e alto custo.
• Equilíbrio entre preço e desempenho: A solução de 100 µm atinge um equilíbrio entre densidade e custo e é adequada para a maioria das necessidades de eletrônicos de consumo.

Principais benefícios do HDI

A HDI promove a miniaturização e o alto desempenho de produtos eletrônicos por meio de interconexões de microvia, linha fina e alta densidadee é uma tecnologia essencial para 5G, IA e dispositivos portáteis.

Folha de especificações técnicas da placa de circuito impresso HDI

Aplicações e principais vantagens das placas HDI

I. Principais áreas de aplicação das placas HDI

Com o avanço da tecnologia de semicondutores em direção à miniaturização e ao alto desempenho, a tecnologia HDI tornou-se um facilitador essencial para a eletrônica moderna, dominando principalmente os seguintes campos:

• Comunicações móveis

• Smartphones (4G/5G): O roteamento de alta densidade suporta módulos de várias câmeras, antenas 5G e processadores de alta velocidade (por exemplo, chips embalados em BGA).
• Equipamento de estação 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).

• Eletrônicos de consumo

• Dispositivos portáteis: Projetos ultrafinos (por exemplo, placas-mãe dobráveis de smartphones, fones de ouvido TWS) exigem o empilhamento de camadas finas do HDI (estrutura 1+N+1).
• Câmeras digitais/AR/VR: Sensores de alta resolução e módulos miniaturizados dependem de microvias (<75 µm) e da tecnologia Via-in-Pad.

• Eletrônica automotiva

• Sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS): Os sistemas de radar e de infoentretenimento exigem a alta confiabilidade do HDI (resistência ao calor, resistência à vibração).

• 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 de "quatro altos e um baixo" da tecnologia HDI

III. Perspectivas de mercado e dados de apoio

• Tendência de crescimento: De 2000 a 2008, a produção global de placas HDI cresceu em um CAGR de >14% (dados da Prismark). Até 2023, o tamanho do mercado ultrapassou $12 bilhões, com um CAGR projetado 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 de dispositivos vestíveis.

Com suas características "Four Highs and One Low" (quatro altos e um baixo), a tecnologia HDI serve como um dos principais impulsionadores do avanço do setor de eletrônicos, com imenso potencial em comunicações 6G, veículos autônomos e computação quântica.

Classificação das placas HDI

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

(1) Tipo 1+N+1

• Estrutura: Apresenta uma única camada de laminação para interconexões de alta densidade.
• Características:
• A solução HDI mais econômica
• Adequado para projetos com complexidade moderada
• Aplicações típicas: Smartphones de nível básico, eletrônicos de consumo

(2) i+N+i (i≥2) Tipo

• Estrutura: Incorpora duas ou mais camadas de laminação para interconexões de alta densidade.
• Características principais:
• Suporta configurações de microvia escalonadas ou empilhadas
• Os projetos avançados geralmente usam microvias empilhadas preenchidas com cobre
• Oferece densidade de roteamento e integridade de sinal aprimoradas
• Aplicativos:
• Dispositivos móveis de médio a alto alcance
• Equipamento de rede
• Eletrônica automotiva

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

• Estrutura: Todas as camadas utilizam interconexões de alta densidade com microvias empilhadas preenchidas com cobre.
• Vantagens:
• Permite total liberdade de design para conexões entre camadas
• Solução ideal para componentes com contagem ultra-alta de pinos (por exemplo, CPUs, GPUs)
• Maximiza a utilização do espaço em projetos compactos
• Casos de uso típicos:
• Smartphones emblemáticos
• Computação de alto desempenho
• Dispositivos vestíveis avançados

Comparação técnica

Esse sistema de classificação ajuda os projetistas a selecionar a tecnologia HDI apropriada com base nos requisitos de desempenho, complexidade e considerações de custo. A evolução de 1+N+1 para ELIC representa recursos crescentes para suportar aplicações eletrônicas mais avançadas.

Requisitos de desempenho do material de PCB HDI/BUM

O desenvolvimento de materiais para placas de circuito impresso HDI sempre se concentrou em atender aos requisitos de "quatro altos e um baixo" (alta densidade, alta frequência, alta condutividade, alta confiabilidade e baixo custo). As crescentes necessidades de miniaturização e desempenho das placas de circuito impresso estão sendo atendidas pelo aprimoramento de propriedades como resistência à eletromigração e estabilidade dimensional.

1. Materiais pré-impregnados (PP)

• Composição: Resina + materiais reforçados (geralmente fibra de vidro)
• Vantagens:
• Baixo custo
• Boa rigidez mecânica
• Ampla aplicabilidade
• Limitações:
• Confiabilidade moderada (resistência CAF mais fraca)
• Menor resistência ao descolamento da almofada (não adequado para aplicações exigentes de teste de queda)
• Aplicações típicas: Eletrônicos de consumo de médio a baixo custo (por exemplo, smartphones econômicos)

2. Materiais de cobre revestido com resina (RCC)

• Tipos:

1. Filme PI metalizado
2. Filme PI + folha de cobre laminada com adesivo ("Pure PI")
3. Filme PI fundido (PI líquido curado em folha de cobre)

• Vantagens:
• Excelente capacidade de fabricação
• Alta confiabilidade
• Resistência superior ao descolamento da almofada (ideal para aplicações de teste de queda)
• Tecnologia de perfuração a laser de microvia habilitada
• Limitações:
• Custo mais alto
• Menor rigidez geral (possíveis problemas de empenamento)
• Impacto: Pioneira na transição da embalagem SMT para CSP

3. Materiais LDP (Laser Drillable Prepreg)

• Posicionamento: Equilíbrio entre custo e desempenho entre PP e RCC
• Vantagens:
• Melhor resistência ao CAF do que o PP
• Melhoria da uniformidade da camada dielétrica
• Atende/excede os padrões internacionais de resistência ao descascamento de almofadas
• Aplicativos: Dispositivos móveis e eletrônicos de médio a alto padrão

4. Materiais de polímero de cristal líquido (LCP)

• Principais propriedades:
• Constante dielétrica ultrabaixa (Dk=2,8 @1GHz)
• Tangente de perda mínima (0,0025)
• Retardamento de chama inerente (sem halogênio)
• Estabilidade dimensional superior
• Vantagens:
• Ideal para projetos de alta frequência/alta velocidade
• Favorável ao meio ambiente
• Desafiando o domínio tradicional do PI
• Aplicativos: Circuitos de RF/microondas de ponta, empacotamento avançado

Guia de seleção de materiais

Diferença no processo de fabricação de PCBs entre placas com núcleo e placas sem núcleo

I. Processo de fabricação de HDI com base em núcleo

1. Características da placa principal

• Projeto estrutural:
• Usa furos passantes ou estruturas híbridas enterradas/cegas/furos passantes (normalmente de 4 a 6 camadas)
• Construção opcional com núcleo metálico (dissipação térmica aprimorada)

Parâmetros técnicos:

2. Funções essenciais da diretoria

• Suporte mecânico (garante rigidez)
• Ponte de interconexão elétrica entre as camadas de acúmulo
• Gerenciamento térmico (especialmente para placas com núcleo metálico)

3. Principais processos de pré-tratamento

• Via tratamento: Preenchimento de via + planarização de superfície
• Tratamento de superfície: Revestimento de cobre sem eletrólito + galvanoplastia (espessura de 1-3µm)
• Transferência de padrão: Imagem direta a laser LDI (precisão de ±5µm)

II. Tecnologia inovadora de 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

• Interconexão de camadas:
• Substitui o cobre sem eletrólito por pasta condutora ou saliências de cobre
• Ablação a laser para microvias de qualquer camada (≤50µm de diâmetro)
• Garantia de confiabilidade:
• Desbaste de superfície em nanoescala (Ra≤0,5µm)
• Materiais dielétricos de baixa cura (Tg≥200℃)

Observações finais

Impulsionadas pelos avanços na perfuração a laser, na ciência dos materiais e no empilhamento de multicamadas, as PCBs HDI representam a vanguarda da miniaturização e da eletrônica de alto desempenho. A tecnologia HDI continuará a evoluir à medida que os dispositivos exigirem velocidades mais altas, menor latência e maior confiabilidade, ultrapassando os limites da fabricação de PCBs.