PCB di interconnessione ad alta densità

Che cos'è l'HDI?

L'HDI, che si riferisce a una maggiore densità di cablaggio per unità di superficie rispetto ai circuiti stampati convenzionali, è un sistema avanzato di circuito stampato (PCB) che raggiunge livelli più elevati di integrazione dei componenti elettronici attraverso cablaggi microfini, strutture di passaggio microscopiche e cablaggi densi. Queste schede utilizzano fili e spazi vuoti più sottili (≤ 100 µm/0,10 mm), vias (<150 µm) e pad più piccoli (20 pad/cm2) rispetto alla tecnologia PCB tradizionale.

Caratteristiche principali

• Larghezza e spaziatura delle linee più sottili: tipicamente ≤100 µm (0,10 mm), molto inferiore a quello dei PCB convenzionali (tipicamente 150 µm+).
• Piccoli fori passanti:
• Vias incorporati con il laser: <150 µm di diametro, forati al laser per connessioni ad alta densità tra gli strati.
• Fori impilati/sfalsati: Migliorare l'utilizzo dello spazio verticale e ridurre i requisiti di stratificazione.
• Alta densità di pastiglie: >20 pads/cm² per supportare chip multi-pin (ad es. pacchetti BGA, CSP).
• Materiali sottili: Utilizzo di substrati a bassa costante dielettrica ed elevata stabilità (ad es. FR4, poliimmide).

Caratteristiche principali delle schede HDI (rispetto ai PCB tradizionali)

1. Progettazione di microvia (perforazione laser dominata)

• Scelta della tecnologia: Le schede HDI utilizzano comunemente foratura laser (diametri dei fori tipicamente ≤150µm) piuttosto che la perforazione meccanica. I motivi sono:
• Limiti di foratura meccanica: Gli aghi di perforazione da 0,15 mm si rompono facilmente, hanno requisiti elevati di RPM e bassa efficienza, e non sono in grado di realizzare il controllo della profondità di buchi ciechi sepolti.
• Vantaggio laser: Può elaborare fori minuscoli (ad esempio, 50µm), supporta HDI a qualsiasi livello, senza contatto fisico e ad alto rendimento.

2. Microvia e anelli di perforazione Diametro della via ≤150µm

• Vias ≤150µm e vias (pad) ≤250µm, liberando spazio nel layout grazie al restringimento dei vias.
• esempio: Se il diametro dell'apertura viene ridotto da 0,30 mm a 0,10 mm (vias laser), il diametro del pad può essere ridotto da 0,60 mm a 0,35 mm, risparmio dell'area 67%.
• Punzonatura diretta del pad (Via-in-Pad): ottimizza ulteriormente la disposizione dei componenti BGA/SMD e aumenta la densità.

3. Alta densità di giunti a saldare (>130 giunti/in²)

• La densità delle piazzole di saldatura determina l'integrazione dei componenti. HDI realizza modulo multifunzionale assemblaggio ad alta densità (ad esempio, schede madri di telefoni cellulari) attraverso fori/fili micro-miniaturizzati.

4. Alta densità di cablaggio (>117 fili/in²)

• Per adeguarsi all'aumento dei componenti, è necessario aumentare contemporaneamente la densità delle linee. HDI realizza un cablaggio complesso attraverso cablaggio fine (larghezza/spazio della linea ≤100µm) e impilamento multistrato.

5. Linea fine (larghezza della linea/spazio ≤ 3 mil/75µm)

• Standard teorico75µm/75µm, ma nella pratica si usa comunemente 100µm/100µm. Motivo:
• Costo del processoIl processo a 75 µm è impegnativo in termini di attrezzature/materiali, bassa resa, pochi fornitori e costi elevati.
• Equilibrio prezzo/prestazioni: La soluzione da 100 µm rappresenta un equilibrio tra densità e costo ed è adatta alla maggior parte delle esigenze dell'elettronica di consumo.

I principali vantaggi di HDI

HDI promuove la miniaturizzazione e le alte prestazioni dei prodotti elettronici attraverso microvia, linea sottile e interconnessioni ad alta densitàed è una tecnologia chiave per il 5G, l'AI e i dispositivi portatili.

Scheda tecnica del PCB HDI

Applicazioni e vantaggi principali delle schede HDI

I. Aree di applicazione principali delle schede HDI

Con l'avanzamento della tecnologia dei semiconduttori verso la miniaturizzazione e le alte prestazioni, la tecnologia HDI è diventata un fattore critico per l'elettronica moderna, dominando in particolare i seguenti campi:

• Comunicazioni mobili

• Smartphone (4G/5G): L'instradamento ad alta densità supporta moduli multi-telecamera, antenne 5G e processori ad alta velocità (ad esempio, chip confezionati in BGA).
• Apparecchiature della stazione base: La trasmissione di segnali ad alta frequenza (ad esempio, le bande a onde millimetriche) si basa sui materiali HDI a bassa perdita (ad esempio, Rogers).

• Elettronica di consumo

• Dispositivi portatili: I progetti ultrasottili (ad esempio, schede madri di smartphone pieghevoli, auricolari TWS) richiedono l'impilamento a strato sottile di HDI (struttura 1+N+1).
• Fotocamere digitali/AR/VR: I sensori ad alta risoluzione e i moduli miniaturizzati dipendono dalle microvie (<75µm) e dalla tecnologia Via-in-Pad.

• Elettronica automobilistica

• Sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS): I sistemi radar e di infotainment richiedono l'elevata affidabilità dell'HDI (resistenza al calore e alle vibrazioni).

• Calcolo ad alte prestazioni

• Server/GPU AI: L'elevata conduttività e il design termico supportano la trasmissione di correnti elevate (spessore del rame ≥70µm).

II. I "quattro alti e un basso" vantaggi della tecnologia HDI

III. Prospettive di mercato e dati di supporto

• Tendenza di crescita: Tra il 2000 e il 2008, la produzione globale di pannelli HDI è cresciuta a un CAGR di >14% (dati Prismark). Nel 2023, le dimensioni del mercato hanno superato i $12 miliardi, con un CAGR previsto per il 2030 di 8,3%.
• Evoluzione tecnologica: L'Ultra HDI (traccia/spazio ≤40µm) e la tecnologia dei componenti integrati favoriranno ulteriormente lo sviluppo di dispositivi AIoT e indossabili.

Con le sue caratteristiche di "quattro alti e un basso", la tecnologia HDI funge da motore centrale per il progresso dell'industria elettronica, con un immenso potenziale nelle comunicazioni 6G, nei veicoli autonomi e nell'informatica quantistica.

Classificazione delle schede HDI

I pannelli HDI sono classificati in tre tipi principali in base al metodo di impilamento e al numero di laminazioni di blind vias:

(1) Tipo 1+N+1

• Struttura: Presenta un singolo strato di laminazione per interconnessioni ad alta densità.
• Caratteristiche:
• La soluzione HDI più conveniente
• Adatto a progetti di moderata complessità
• Applicazioni tipiche: Smartphone entry-level, elettronica di consumo

(2) i+N+i (i≥2) Tipo

• Struttura: Incorpora due o più strati di laminazione per interconnessioni ad alta densità.
• Caratteristiche chiave:
• Supporta configurazioni di microvia sfalsate o impilate
• I progetti avanzati utilizzano spesso microvasi impilati riempiti di rame.
• Fornisce una maggiore densità di routing e integrità del segnale
• domande:
• Dispositivi mobili di fascia medio-alta
• Apparecchiature di rete
• Elettronica per autoveicoli

(3) Tipo di interconnessione a qualsiasi livello (ELIC)

• Struttura: Tutti gli strati utilizzano interconnessioni ad alta densità con microvie impilate e riempite di rame.
• vantaggi:
• Consente una completa libertà di progettazione per le connessioni tra gli strati
• Soluzione ottimale per componenti ad altissimo numero di pin (ad es. CPU, GPU)
• Massimizza l'utilizzo dello spazio in progetti compatti
• Casi d'uso tipici:
• Smartphone di punta
• Calcolo ad alte prestazioni
• Dispositivi indossabili avanzati

Confronto tecnico

Questo sistema di classificazione aiuta i progettisti a scegliere la tecnologia HDI appropriata in base ai requisiti di prestazione, complessità e costo. L'evoluzione da 1+N+1 a ELIC rappresenta una capacità crescente di supportare applicazioni elettroniche più avanzate.

Requisiti prestazionali dei materiali PCB HDI/BUM

Lo sviluppo dei materiali per i circuiti stampati HDI si è sempre concentrato sulla soddisfazione dei requisiti "quattro alti e uno basso" (alta densità, alta frequenza, alta conduttività, alta affidabilità e basso costo). Le crescenti esigenze di miniaturizzazione e di prestazioni dei circuiti stampati vengono soddisfatte migliorando proprietà quali la resistenza all'elettromigrazione e la stabilità dimensionale.

1. Materiali preimpregnati (PP)

• Composizione: Resina + materiali rinforzati (tipicamente fibra di vetro)
• vantaggi:
• Basso costo
• Buona rigidità meccanica
• Ampia applicabilità
• Limitazioni:
• Affidabilità moderata (resistenza al CAF più debole)
• Resistenza alla spellatura del pad inferiore (non adatta ad applicazioni impegnative per drop-test)
• Applicazioni tipiche: Elettronica di consumo di fascia medio-bassa (ad esempio, smartphone economici)

2. Materiali in rame rivestito di resina (RCC)

• Tipi:

1. Film PI metallizzato
2. Pellicola PI + foglio di rame laminato con adesivo ("Pure PI")
3. Film PI fuso (PI liquido polimerizzato su lamina di rame)

• vantaggi:
• Eccellente producibilità
• Alta affidabilità
• Resistenza superiore alla spellatura del pad (ideale per le applicazioni con test di caduta)
• Tecnologia di perforazione laser microvia abilitata
• Limitazioni:
• Costo più elevato
• Rigidità complessiva inferiore (potenziali problemi di deformazione)
• Impatto: Pioniere del passaggio dal confezionamento SMT a quello CSP

3. Materiali preimpregnati perforabili al laser (LDP)

• Posizionamento: Equilibrio costi-prestazioni tra PP e RCC
• vantaggi:
• Migliore resistenza al CAF rispetto al PP
• Migliore uniformità dello strato dielettrico
• Soddisfa/supera gli standard internazionali per la resistenza alla spellatura del tampone
• domande: Dispositivi mobili ed elettronici di fascia medio-alta

4. Materiali in polimeri a cristalli liquidi (LCP)

• Proprietà chiave:
• Costante dielettrica ultrabassa (Dk=2,8 @1GHz)
• Tangente di perdita minima (0,0025)
• Ritardo di fiamma intrinseco (senza alogeni)
• Stabilità dimensionale superiore
• vantaggi:
• Ideale per progetti ad alta frequenza/alta velocità
• Rispettoso dell'ambiente
• Sfidare il dominio tradizionale dei PI
• domande: Circuiti RF/microonde di fascia alta, packaging avanzato

Guida alla selezione materiali

Differenza nel processo di produzione dei PCB tra le schede con e senza nucleo

I. Processo di produzione HDI basato sul nucleo

1. Caratteristiche della scheda principale

• Progettazione strutturale:
• Utilizza fori passanti o strutture ibride interrate/cieche/passanti (in genere 4-6 strati)
• Struttura opzionale con nucleo in metallo (maggiore dissipazione termica)

Parametri tecnici:

2. Funzioni fondamentali del Consiglio di amministrazione

• Supporto meccanico (garantisce la rigidità)
• Ponte di interconnessione elettrica tra gli strati di accumulo
• Gestione termica (soprattutto per le schede con anima in metallo)

3. Processi chiave di pretrattamento

• Trattamento via: Riempimento della via + planarizzazione della superficie
• Trattamento della superficie: Rame chimico + elettrodeposizione (spessore 1-3µm)
• Trasferimento del modello: LDI laser direct imaging (precisione ±5µm)

II. La rivoluzionaria tecnologia HDI senza nucleo

1. Tecnologie rappresentative

• ALIVH (Foro di passaggio interstiziale di qualsiasi strato)
• B²IT (Tecnologia di interconnessione a cunetta interrata)

2. Vantaggi rivoluzionari

3. Innovazioni di processo fondamentali

• Interconnessione dei livelli:
• Sostituisce il rame elettrolitico con pasta conduttiva o bumps di rame
• Ablazione laser per microvasi a qualsiasi strato (diametro ≤50µm)
• Garanzia di affidabilità:
• Irruvidimento della superficie su scala nanometrica (Ra≤0,5µm)
• Materiali dielettrici a bassa polimerizzazione (Tg≥200℃)

Osservazioni conclusive

Grazie ai progressi nella perforazione laser, nella scienza dei materiali e nell'impilamento multistrato, i PCB HDI rappresentano l'avanguardia della miniaturizzazione e dell'elettronica ad alte prestazioni. La tecnologia HDI continuerà a evolversi man mano che i dispositivi richiederanno velocità più elevate, latenza più bassa e maggiore affidabilità, spingendo i limiti della produzione di PCB.