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A evolução das interconexões de alta densidade na eletrónica moderna
À medida que os dispositivos eletrónicos, como os smartphones topo de gama, os dispositivos vestíveis de realidade aumentada e os dispositivos médicos implantáveis, continuam a tornar-se cada vez mais pequenos, as técnicas tradicionais de traçado de placas de circuito impresso (PCB) atingiram um limite físico. Simplesmente não há espaço plano suficiente para distribuir componentes BGA (Ball Grid Array) com elevado número de pinos utilizando orifícios de passagem perfurados mecanicamente de forma padrão.
Este estrangulamento espacial deu origem à tecnologia de interligação de alta densidade (HDI). No entanto, mesmo a HDI padrão (com estruturas como 1+N+1 ou 2+N+2) por vezes revela-se insuficiente. É aqui que entra Fabrico de placas de circuito impresso (PCB) HDI de qualquer número de camadas—o auge absoluto do encaminhamento de alta densidade. Neste guia técnico avançado, iremos examinar em pormenor a arquitetura HDI de qualquer camada, analisar os seus desafios de fabrico, compará-la com o HDI tradicional e apresentar um plano de ação para que os engenheiros de hardware a integrem com sucesso.
O que é uma placa de circuito impresso HDI de qualquer camada?
Numa placa HDI padrão, as microvias estão normalmente limitadas às camadas exteriores, ligando a camada 1 à camada 2 ou à camada 3. O núcleo interior «N» é normalmente ligado através de uma via enterrada tradicional, perfurada mecanicamente. Este núcleo mecânico ocupa um espaço significativo e limita a densidade de encaminhamento nas camadas interiores.
Um PCB HDI de qualquer número de camadas (também conhecido como Every Layer Interconnect ou ELIC) elimina por completo o núcleo mecânico rígido. Em vez disso, cada camada da placa de circuito impresso (PCB) é construída sequencialmente, e cada camada pode ser ligada à camada adjacente através de microvias perfuradas a laser. Estas microvias podem ser empilhadas diretamente umas sobre as outras, criando um pilar sólido preenchido com cobre que se estende de qualquer camada para qualquer outra — encaminhando livremente os sinais em três dimensões sem ocupar espaço nas camadas intermédias.
Principais vantagens do HDI de qualquer camada
- A miniaturização definitiva: Ao eliminar as grandes brocas mecânicas e as áreas de captura de vias, liberta-se até 40% mais espaço de roteamento. Isto permite obter formatos de PCB significativamente mais pequenos sem sacrificar a funcionalidade.
- Integridade de sinal superior: As microvias empilhadas e preenchidas com cobre apresentam uma capacitância e indutância parasíticas significativamente mais baixas em comparação com os orifícios de passagem tradicionais. Isto é fundamental para a transmissão de sinais de vários gigabits, tema que abordamos em pormenor em Técnicas essenciais de fresagem de placas de circuito impresso de alta velocidade.
- Suporte para BGAs com elevado número de pinos: É a única forma viável de encaminhar componentes com um espaçamento de 0,4 mm ou menos sem perder sinais nem criar estrangulamentos no encaminhamento.
- Fiabilidade reforçada: Uma vez que as microvias são muito mais pequenas e estão preenchidas com cobre sólido, são menos propensas a rachar sob tensão térmica, em comparação com as vias ocas perfuradas mecanicamente.
Análise aprofundada: Microvias empilhadas vs. microvias escalonadas
Ao projetar uma placa HDI de qualquer número de camadas, existem dois métodos principais para fazer a transição entre várias camadas: o empilhamento ou o escalonamento das microvias.
Microvias empilhadas
As microvias empilhadas estão alinhadas diretamente umas sobre as outras.
Prós: Ocupa o mínimo espaço possível. Proporciona o percurso elétrico mais curto possível, melhorando a integridade do sinal.
Contras: O processo de fabrico é altamente complexo. A microvia inferior tem de ser perfeitamente preenchida com cobre sólido e planarizada (nivelada) antes de se poder perfurar a laser a microvia seguinte e revesti-la por cima desta. O empilhamento de mais de três ou quatro microvias introduz uma tensão térmica significativa no eixo Z, aumentando o risco de separação das vias durante a soldadura por refluxo.
Microvias escalonadas
As microvias escalonadas estão deslocadas umas em relação às outras nas camadas adjacentes.
Prós: Muito mais fácil de fabricar. A tensão térmica é distribuída por uma área mais ampla, melhorando drasticamente a fiabilidade mecânica da placa durante a montagem e em condições reais de utilização.
Contras: Ocupa mais espaço físico na placa de circuito impresso. O percurso elétrico é ligeiramente mais longo, o que pode ter impactos insignificantes em frequências extremas.
Como conceber para qualquer camada HDI (Guia passo a passo)
Siga estas regras de engenharia.
- Consulte a Fab House com antecedência
O HDI de qualquer camada requer a tecnologia avançada de Imagem Direta a Laser (LDI) e laminação sequencial. Verifique os limites específicos do fabricante relativamente à relação de aspecto das microvias (normalmente 0,8:1 ou 1:1) e à espessura mínima do dielétrico.
- Definir a configuração das vias
Configure a sua ferramenta CAD para permitir microvias cegas e enterradas em todas as camadas adjacentes. Defina as regras para «Vias empilhadas» e «Vias escalonadas» na sua DRC (Verificação de Regras de Concepção).
- Dê prioridade à disposição escalonada em vez da empilhada
Embora as vias empilhadas ofereçam o percurso elétrico mais curto, limite o empilhamento a, no máximo, 2 ou 3 camadas, para evitar tensões térmicas elevadas durante a soldadura por refluxo. Sempre que o espaço de traçado o permitir, disponha as microvias de forma escalonada.
- Implementar Via-in-Pad
Coloca as microvias diretamente no interior dos pads do BGA. Uma vez que estas microvias têm de ser revestidas com cobre maciço e planarizadas, não irão absorver a solda durante o processo de montagem, evitando assim juntas de solda frágeis.
- Utilizar cobre revestido com resina (RCC)
Os pré-impregnados tradicionais contêm tecidos de fibra de vidro que podem desviar as brocas a laser, causando orifícios não circulares. Especifique RCC ou pré-impregnados especializados para perfuração a laser nas camadas de acumulação, a fim de garantir a formação de microvias limpas e precisas.
A conceção de uma placa HDI com qualquer número de camadas requer uma mudança fundamental na forma como aborda a sua ferramenta de EDA (Automatização da Conceção Eletrónica). Siga estes passos para garantir a fabricabilidade:
Superar quaisquer desafios na produção de HDI, independentemente do número de camadas
A transição para Fabrico de placas de circuito impresso (PCB) HDI de qualquer número de camadas não está isento de obstáculos. As taxas de rendimento dependem em grande medida do controlo do processo e do equipamento do fabricante.
Vazios no revestimento de cobre
O preenchimento de microvias cegas com cobre maciço, sem deixar bolhas de ar nem resíduos químicos, é um processo altamente complexo. É necessária uma química avançada de galvanização por impulsos. Se se formar uma cavidade no interior da via empilhada, esta atua como um concentrador de tensão que, quase certamente, irá rachar durante as altas temperaturas do processo de montagem.
Precisão do registo
Uma vez que a placa é construída camada a camada num processo de laminação sequencial, manter o alinhamento (registo) ao longo de 10 ou 12 camadas requer ferramentas de alinhamento ótico de última geração (LDI). Um desvio de apenas 20 micrómetros pode fazer com que uma microvia falhe o seu ponto de contacto, danificando toda a placa.
Planicidade da superfície
Para empilhar uma via, a superfície subjacente deve estar perfeitamente plana. Os fabricantes têm de recorrer à planarização químico-mecânica (CMP) ou a técnicas especializadas de galvanização para garantir que a superfície de cobre fica completamente lisa antes da aplicação da camada dielétrica seguinte.
Se o seu dispositivo funcionar em ambientes mecânicos dinâmicos, poderá também querer combinar técnicas de HDI com materiais flexíveis. Leia o nosso guia sobre Como lidar com as regras de conceção de placas de circuito impresso rígido-flexíveis para mais informações.
Estudo de caso: Implementação do ELIC em dispositivos móveis
Considere uma placa-mãe de um smartphone 5G moderno. A placa é incrivelmente densa, utilizando uma estrutura ELIC (Any-Layer HDI) de 12 camadas.
O Desafio: Integração de um processador de aplicações com passo de 0,35 mm, juntamente com memória LPDDR5 de alta velocidade e módulos de front-end de RF 5G, numa área menor do que um cartão de crédito.
A Solução: Ao utilizar microvias empilhadas do tipo «via-in-pad», os engenheiros distribuíram os sinais do processador diretamente para as camadas internas, sem necessidade de traços de derivação na superfície. Foram utilizadas microvias escalonadas para distribuir a alimentação e a massa às camadas internas, mantendo uma rede de distribuição de energia (PDN) estável.
O resultado: Uma placa-mãe altamente fiável e incrivelmente densa, capaz de suportar velocidades de vários gigabits e cargas térmicas extremas.
Perguntas frequentes (FAQ)
Embora teoricamente ilimitadas, a maioria das aplicações práticas recorre a estruturas HDI de 10 a 14 camadas, independentemente do tipo de camada. O rendimento diminui e os custos aumentam exponencialmente para além de 14 ciclos de laminação consecutivos, devido a dificuldades de alinhamento e à acumulação de tensão térmica.
O FR4 padrão com elevado teor de vidro é difícil de perfurar com laser com precisão. Recomenda-se vivamente a utilização de FR4 especializado com baixo teor de vidro ou com distribuição uniforme do vidro, ou ainda de cobre revestido a resina (RCC), para a formação de microvias nítidas e uma galvanização fiável.
É significativamente mais caro. Uma placa ELIC de 10 camadas pode custar 2 a 3 vezes mais do que uma placa HDI padrão de 2+6+2, devido aos múltiplos ciclos de laminação sequenciais, à perfuração extensiva a laser e aos processos avançados de preenchimento de cobre necessários.
Conclusão
Fabrico de placas de circuito impresso (PCB) HDI de qualquer número de camadas representa a vanguarda absoluta do design de hardware eletrónico para os setores do consumo, automóvel e médico. Embora exija uma disciplina de design rigorosa e orçamentos de fabrico mais elevados, os benefícios em termos de miniaturização, densidade de componentes e integridade do sinal são inigualáveis. Ao colaborarem estreitamente com um fornecedor de EMS altamente competente e ao seguirem rigorosamente os princípios de DFM para microvias empilhadas, os engenheiros podem implementar com sucesso esta tecnologia para construir a próxima geração de dispositivos ultracompactos.