Introducción a los interconectores de alta densidad y la evolución de la electrónica

La evolución de la electrónica

La electrónica es una industria relativamente nueva, ya que solo han pasado 65 años desde que fue inventado el transistor. El tubo de radio fue desarrollado hace casi 100 años, pero floreció en la Segunda Guerra Mundial con las comunicaciones, el radar, la fusión de municiones (sobre todo la fusión electrónica de radar-altímetro para la primera bomba atómica) y ha evolucionado hasta llegar a ser la industria más grande del mundo. Todos los componentes electrónicos deben ser interconectados y ensamblados para formar una unidad operativa. El embalaje de la electrónica es la tecnología en la cual integramos el diseño y la manufactura de estas interconexiones. Desde principios de los años 40, la plataforma básica de elaboración del embalaje electrónico es la placa de circuito impreso (PCB, por sus siglas en inglés). Esta guía resume las estrategias avanzadas de los procesos de diseño y manufactura que son necesarias para diseñar las más complejas de estas placas de cableado impreso (PWB, por sus siglas en inglés), los interconectores de alta densidad (HDI, por sus siglas en inglés), como se encuentran ilustrados en la Figura 1.

Este capítulo introduce las consideraciones básicas, las principales ventajas, y los posibles obstáculos que se deben tomar en cuenta en la selección de los métodos de interconexión de alta densidad. Su énfasis principal se encuentra en la interconexión y el cableado de los componentes. El enfoque es en la densidad y los posibles efectos que pueden tener la selección de varios tipos de placas HDI y las alternativas de diseño sobre el costo y el rendimiento del ensamble electrónico completo.

En relación a los circuitos impresos, llegaron a ser más comunes desde el comienzo de los años 50, la densidad y complejidad de los interconectores ha aumentado con rapidez, pero no tanto como en los últimos diez años. La tecnología convencional de circuitos impresos es capaz de satisfacer la mayoría de las exigencias de hoy. Empero, existe un grupo creciente de productos que son referidos como “interconectores de alta densidad” (o HDI, por sus siglas en inglés) que son utilizados para crear una interconexión más densa aún, y éstos son el tema de esta guía.

Tendencias de interconectores

Los factores determinantes para la interconexión de alta densidad están categorizados bajo tres títulos: plataforma, rendimiento y piezas:

Plataforma

Con mercados de rápido crecimiento para productos tales como los teléfonos móviles, aparatos digitales y computadoras ponibles, todos los cuales representan nuevas oportunidades. HDI hace posible que la electrónica se vuelva más pequeña y liviana.

Rendimiento

Con tiempos de subida disminuidos para los semiconductores, y más comunicación de radiofrecuencia (RF, por sus siglas en inglés) y de microondas, en frecuencias que llegan hasta los 80GHz en las áreas de algunas telecomunicaciones.

Piezas

La evolución de la tecnología de la silicona de transistores más pequeños y los tiempos de subida más rápidos lleva al desafío de proporcionar mayor cantidad de conductores en un espacio más pequeño, lo que resulta en mayor cantidad de conexiones por unidad de área.

Todas estas tendencias crean una demanda para interconectores más densos, con dimensiones de trazo y espacio más pequeñas, vías más pequeñas y mayor cantidad de vías ocultas. Mientras que no es obligatorio que esto sea acompañado por un cambio en la práctica de diseño de la placa, las construcciones convencionales pueden alcanzar su límite y el diseño de construcciones HDI exigen el replanteamiento de las estrategias de diseño.

A close up of a map

Description generated with high confidence

FIGURA 1. La electrónica ha evolucionado en densidad desde los años 40 hasta el estado actual de los interconectores de alta densidad que incluye el apilamiento 3D y componentes incrustados. El dibujo muestra el rendimiento/densidad desde 1940 al presente; los tubos de vacío con interconectores de alambres discretos; transistores discretos con PCB de simple cara; interconectores en paquete en línea dual (DIP, por sus siglas en inglés), tecnología de orificios de paso enchapados (PTH, por sus siglas en inglés), PCB con dos capas de metal; interconectores en paquetes de tecnología de montaje superficial (SMT, por sus siglas en inglés), PTH de menor tamaño, PCB de capas múltiples; paquetes de matriz de área y de escala chip (CSP, por sus siglas en inglés), pasivos más pequeños, HDI/acumulación de capas múltiples; apilamiento de circuitos integrados y paquetes, pasivos integrados, materiales de más alto rendimiento.

 
Plataformas de capas múltiples de HDI

HDI es un mercado de aplicación PWB tan grande y creciente, que está compuesto por lo menos de tres (3) diferentes plataformas HDI existentes. Estas plataformas son 1. Módulos substratos e interposición; 2. Portables; y 3. Alto rendimiento.

Módulos de sustratos e interposición

Esta tecnología es utilizada para sustratos de chips con conexión invertida (flip chips, en inglés) o aptos para la soldadura de hilo. Las microvías permiten el aumento de densidad necesario para escaparse de los chips de conexión invertida de alta densidad. Los materiales dieléctricos son las nuevas películas diseñadas. Un ejemplo típico se puede ver en la Figura 2. Los módulos son pequeños sustratos que pueden tener los circuitos integrados conectados mediante la soldadura de hilo, conexiones invertidas o con montaje de cinta portadora (TAB, en inglés) o puede usar CSP de paso fino. Los componentes discretos son típicamente muy pequeños, como por ejemplo 0201 o 01005s y hasta pueden ser incrustados. Las pautas de diseño son normalmente más gruesas que las del sustrato de circuito integrado solo, ya que el módulo puede ser más grande que un solo paquete de circuito integrado.

Portables

Los productos portables y en miniatura para el consumidor se encuentran en la vanguardia de la tecnología HDI. Los diseños densos ofrecen factores de formas pequeñas y características de mucha densidad, incluso en espacios micro-BGA (arreglo de bolas en grilla) y de chips invertidos. La mayor aplicación se encuentra actualmente en los teléfonos móviles. Un producto típico de teléfono móvil (el MicroTack de Motorola y el iPhoneX de Apple) se puede ver en la Figura 3.

Alto rendimiento

Esta tecnología se utiliza para placas con muchas capas con una entrada/salida (I/O, en inglés) alto o componentes de paso pequeño. No siempre es necesario tener una placa de vía oculta. Se utilizan las microvías para formar el área de escape de los componentes densos (de alta I/O, micro BGA). El material dieléctrico es una lámina encapsulada en resina reforzada, preimpregnados y núcleos reforzados y laminados de alto rendimiento. Se puede ver un ejemplo típico en la Figura 4. Una posible 4ª plataforma para desarrollar es la de ‘componentes incrustados’, vistos en la Figura 5.

FIGURA 2. Módulos de alta densidad para a. sustratos de conexión invertida y b. telecomunicaciones. Las figuras muestran una rejilla de 37.5 mm cuadrados, 1.00 mm; BGA de 765 I/O; circuito de superficie laminada (SLC) de 2S2P (4+4) plástico reforzado con fibra de vidrio (FRP) de 1.0 mm de grosor; vías llenadas sobre la superficie; líneas de 0.50 mm / espacios de 0.76 mm; fotovías de 9,719 – 0.89 mm. Fuente: IBM. Acumulación secuencial de capas múltiples de poliimida; líneas y espacios de 0.075 mm, pads de 0.25 mm; distribución de calor mediante un disipador de calor; blindaje de interferencia de radiofrecuencias mejorado por el plano de capa externa.; vías en pads de tecnología de montaje en superficie (SMT). Fuente: Alcatel

FIGURA 3. La complejidad y densidad siempre creciente caracterizan las placas HDI utilizadas en los teléfonos móviles desde 1994 hasta la fecha. La figura muestra el progreso del teléfono móvil desde 1994 hasta 2018; trazos/espacios: 0.105 mm a 0.025 mm; vías ciegas: taladro de 0.25 mm a 0.050 mm; secuencial de 6 capas a 10 capas de ELIC (interconector de cada capa). Fuente: EE Times.

FIGURA 4. Una placa de telecomunicación de alta confiabilidad para un controlador triple de red óptica OC-192 (10 Gb/s). La construcción es de laminados de baja pérdida y utiliza una estructura HDI de 1+6+1. El dibujo muestra la aplicación: controlador de red de Ethernet; permite el ensamblaje de componentes con altas I/O (216 LPSI); baja interferencia electromagnética (EM)I, interferencia de radiofrecuencia; plano de tierra (GND) de superficie inundada; vías láser en pads de SMT; reemplazo: para el 14 L TH; material: FR408 de baja pérdida/ alto TG (temperatura de transición vítrea). La tabla muestra el grosor (1.83); el diámetro de la vía y el pad (mm) y el trazo/espacio (mm) para las capas externas e internas y los llenados (pours).

 

FIGURA 5. El uso típico de microvías para conectar los varios condensadores y resistores incrustados. La figura muestra la terminación de microvía al condensador; el dieléctrico del condensador incrustado; la terminación a la microvía; el electrodo del condensador; el centro y preimpregnado dieléctrico; la terminación a la vía de paso enchapada; el resistor incrustado de cerámica; la terminación de microvía al resistor.

 

Mejoras al rendimiento

Cuando se exigen mejoras al rendimiento de las placas de cableado impreso (PWB), el interconector de alta densidad (HDI) es el contribuyente principal. Además de hacer la PWB más pequeña, liviana y delgada, tendrá un rendimiento eléctrico superior. Algunas de estas mejoras son:

•    La orden de magnitud es más baja vía un parásito eléctrico

•    Ramas (stub, en inglés) mínimas

•    Una tensión de riel estable

•    Eliminación de los condensadores de desacoplo

•    Menos diafonía y ruido

•    Una interferencia de radiofrecuencia/electromagnética (RFI/EMI) mucho más baja

•    Planos de tierra más cercanos

•    Oportunidades para capacitancia distribuida (potencia/tierra o PWR/GND)

•    Superficies de plano de tierra con las vías en pads cortan las emisiones y la radiación

Conforme los fabricantes de semiconductores reducen el tamaño de sus dispositivos, la física permite tiempos de subida y caída más rápidos. Esto se manifiesta en un rendimiento de más alta frecuencia. Pero con los dispositivos más pequeños vienen muchos más en un circuito integrado y una disipación térmica más alta. Con una reducción en el voltaje de la fuente de alimentación para minimizar la disipación de alimentación, el resultado es el aumento de la sensibilidad de circuitos a varias formas de ruido y pérdida de la fuerza de la señal. Las laminaciones de alto rendimiento siempre han sido unos de los requisitos. Además, las mejoras en los procesos para la fabricación de microvías también mejoran el rendimiento de alta frecuencia.

Las microvías tienen casi 1/10 de los parásitos de los orificios de paso (TH). Las estructuras de los vehículos de prueba pueden validar la inductancia reducida en la microvías, y cuando es combinada con los condensadores de desacoplo de baja inductancia y las vías en pads, muestran los méritos de la reducción de ruido, sobre todo para la lógica de alta velocidad.

Acceso a los componentes avanzados (piezas)

La industria de semiconductores es el factor determinante primario para la electrónica. Las geometrías de compuertas más pequeñas y el aumento del número total de compuertas permiten el rendimiento de un mayor número de funciones – y con mayor velocidad. Con obleas más grandes, los precios continúan a caer.

El embalaje de circuitos integrados (IC), digamos un dispositivo de paso de 0.80- y 0.65-mm, benefician de las tecnologías PCB como el circuito integrado de alta densidad (HDI), pero el uso de un paso de 0.8 mm y dispositivos más pequeños es donde el HDI verdaderamente comienza a ofrecer ventajas. Las vías ciegas ahorran espacio en las capas interiores y tienen tierras de vías reducidas, además de hacer posible las vías en pads. Un dispositivo típico es el procesador de señales digital (DSP, en inglés) con 953 clavijas o pines (conocida por su nombre en inglés “pin”) y paso de 0.65mm que se puede ver en la Figura 6a o el DSP de 498 pines que se puede ver en la Figura 6b. Los otros componentes nuevos que más se están difundiendo son los que tienen un conteo aproximado de 600 a 2500 pines, hasta en pasos de 1.00- y 0.8-mm. Aunque algunos de estos son interruptores digitales de telecomunicación (Figura 6c), la gran mayoría son las nuevas matrices de área de compuertas programables en el campo (FPGA, en inglés). Productos actuales de Actel, Infineon, Xilinx y Altera tienen paquetes con 456, 564, 692, 804, 860, 996, 1020, 1164, 1296, 1303, 1417, 1508, 1696 y 1764 pines. Se están diseñando las FPGA ¡con más de 2000 pines!  

FIGURA 6. a. Los dispositivos de paso fino como este microprocesador de 953 pines – paso de 0.5 mm, b. el dispositivo DSP de 498 pines 0.5mm o c. el controlador de 480 pines a 0.4 mm, hasta el d. 182 pines a 0.25 mm requieren microvías. e. el interruptor digital de 2577 pines – paso de 1.0 mm ahora exige microvías para poder conectarlos en un circuito impreso.

Las oportunidades de HDI

Otros beneficios de utilizar las tecnologías de HDI pueden surgir de la facilidad de diseño que resulta en una más rápida implantación en el mercado y una mejora en confiabilidad.

Más rápida implantación en el mercado

La más rápida implantación en el mercado viene a ser a razón de la más fácil colocación de componentes utilizando vías ciegas o vías en pads. Otras eficiencias de diseño se realizan en virtud de un espaciado reducido, una mejora dentro de los breakouts de BGA, ruteo de boulevards (véase el capítulo 4), y la facilidad del autoruteo utilizando vías ciegas/ocultas sobre las vías de orificio de paso (TH, por sus siglas en inglés). El tiempo de diseño de sistema en general se puede reducir gracias a la mejora en el rendimiento electrónico de las vías ciegas en vez de las vías TH, y se necesitarán menos respins (revisiones) gracias a la integridad de la señal y la reducción de ruido.

Mejora en la confiabilidad

Se realizaron pruebas extensas por el IPC-ITRI a fines de los años 90 con respecto a la confiabilidad de las microvías. [1] Otros grupos (como por ejemplo HDPUG y NASA-JPL) también han producido informes sobre la confiabilidad superior de pequeñas vías ciegas sobre las vías TH. [2] Entender el ‘POR QUÉ’ ¡es muy simple! La relación de aspecto (AR) de la vía (la relación de la profundidad de la AR al diámetro) es menor de (<) 1:1 comparado con el orificio de paso (TH) con una AR de >6:1 (+) que llega hasta 20:1. Este es el resultado de los materiales delgados y materiales de equipo transcodificador (TCE, por sus siglas en inglés) con una baja eje Z utilizados en los interconectores de alta densidad (véase el capítulo 2). Los materiales HDI son numerosos y exceden el laminado de capas múltiples en variedad, por lo tanto, están cubiertos bajo la norma IPC-4104A del estándar IPC y no la IPC-4101B.Si las vías ciegas están debidamente taladradas y enchapadas, ellas se rendirán con muchas veces los ciclos térmicos como los TH típicos (véase el capítulo 6).

Los materiales delgados de los interconectores de alta densidad (HDI) son de esta manera bien adecuados para la transferencia térmica y también se encuentran cubiertos en las normas de diseño de HDI del IPC, denominado IPC-2226.

 

 

 

Menor costo

Los capítulos 4 y 5 discutirán detalladamente el proceso de diseño mejorado para las placas de cableado impreso (PWB) de los interconectores de alta densidad (HDI). Cuando son debidamente planificados y ejecutados, el HDI de capas múltiples puede ser menos caro que la alternativa, la placa TH. Como está ilustrado en la figura 4, el punto de referencia de una impedancia controlada de alta velocidad de un TH de capas múltiples con 14 capas contra un HDI de capas múltiples con 8 capas. Utilizando íntegramente el lado secundario del PWB, fue necesario un 40% menos de área para conectar todos los componentes, además de realizar 6 capas de menos.

Previsibilidad o “¿Cuánto va a costar?” y la necesidad de los modelos de diseño

Previsibilidad

Los clientes necesitan conocer el apilamiento del HDI, las normas de diseño y el PRECIO, ANTES de comenzar el proyecto o el diseño de la placa.

Los fabricantes pueden cotizar el diseño DESPUÉS de que ha sido diseñado, pero sin tener las cifras desde un principio – nadie puede tomarse el tiempo para correr por un callejón sin salida. El concepto de que “¡las microvías cuestan más!” es uno de no saber cómo diseñar una placa HDI de manera adecuada.

Uno de los beneficios de realizar evaluaciones comparativas de HDI durante los últimos 37 años, fue la tabla de ventajas y desventajas de HDI contra TH vista en la Figura 7. La comparación de precio y densidad. Las dos variables claves son el índice de costo relativo (RCI, por sus siglas en inglés), una moneda de comparación, normalizada al precio actual de una capa múltiple de 8 capas y densidad (DEN), el número promedio de pines en la placa dividido entre el largo y el ancho de la placa.

A screenshot of a cell phone

Description generated with very high confidence

FIGURA 7. Comparación entre el precio y densidad de TH contra HDI. El índice de costo relativo (RCI) y el previsor de DENsidad (pines/pulgadas cuadradas) brinda una comparación breve de las capas TH (columna A) contra las estructuras HDI equivalentes (columnas B-G). Leyenda: número (N) de capas; vía ciega (blind); vía oculta (buried), vías que conectan por múltiples capas (skip); escalonado (staggered); ninguno (none).

 

 

Los RCI en la matriz es la cifra “base” (o mínima) para los costos. Pero la cifra “tope” de un rango se encuentra fuera de nuestra habilidad para calcular o establecer en este momento. Todo depende de los varios factores que entran en el diseño. Los rendimientos son muy sensibles al diámetro mínimo, los anillos anulares, trazo y espaciado mínimo, grosor de material, número total de orificios y su densidad. Otros factores de costo, como el acabado final, relleno de orificios y tolerancias, van a afectar el precio. He añadido una columna para “densidad” (DEN). Esta es el número máximo de conexiones eléctricas (llamadas “pines”) por pulgada cuadrada de superficie (para ambos lados). Las líneas de rayas son placas de circuito impreso (PCB) equivalentes. Entonces, como ejemplo, una placa TH de 18 capas (columna A de orificios de paso) con un promedio de 100 “pines” por pulgada cuadrada puede haber sido diseñada como una placa HDI de 10 capas (1+8+1 – columna C) porque puede tolerar 210 “pines” por pulgada cuadrada (p/si, en inglés). O sino, puede haber sido diseñado como una placa HDI de 6 capas con 2+2+2 (columna E, también 200 p/si).

El RCI no muestra el ahorro “absoluto” en costo en este ejemplo. Para los HDI “equivalentes”, el ahorro “relativo” en costo es 28.1% para el de 10 capas y de 20.5% para el de 6 capas. Pero una placa más pequeña puede resultar en mayor cantidad de placas por panel y el “PRECIO” sería aún menos que las cifras anteriores. En la gama de 8L a 18L, las placas HDI, sobre todo la 2+N+2 NO son el equivalente de las placas TH de 8L a 18L, estas representan placas con una densidad de 12X – 20X de las placas TH.

La matriz es basada sobre el material FR-4. Esto tiene dos implicaciones importantes. La escala RCI para TH (de 4L – 16L) representa el precio competitivo fijado por China. Esta escala está deprimida en comparación a la fijación de precios de los HDI. Por lo tanto, el precio HDI, si es igual o menor, es muy competitivo. Si el material de construcción NO ES FR-4, sino un material de bajo constante dieléctrico (Dk) o de baja fluctuación del retardo (Dj) más caro, entonces el ahorro de HDI será ¡MUCHO MÁS GRANDE conforme se reducen las capas!

Vea cómo Altium Designer sostiene el diseño de HDI.

 

 

 

 

About the Author

Happy Holden


Happy Holden is retired from GENTEX Corporation (one of the U.S.'s largest automotive electronics OEM. He was the Chief Technical Officer for the world’s biggest PCB Fabricator-HonHai Precision Industries (Foxconn) in China.

Prior to Foxconn, Mr. Holden was the Senior PCB Technologist for Mentor Graphics; he was the Advanced Technology Manager at NanYa/Westwood Associates and Merix Corporations. He retired from Hewlett-Packard after over 28 years.

His prior assignments had been as director of PCB R&D and Manufacturing Engineering Manager. While at HP, he managed PCB design, PCB partnerships, and automation software in Taiwan and Hong Kong.

Happy has been involved in advanced PCB technologies for over 47 years. He has published chapters on HDI technology in 4 books, as well as his own book, the HDI Handbook, available as a free e-Book at http://hdihandbook.com and de recently completed the 7th Edition of McGraw-Hill's PC Handbook with Clyde Coombs.

Follow on Linkedin Visit Website More Content by Happy Holden
Previous Article
Cómo construir una limpia y consistente biblioteca de datos para placas de circuito impreso
Cómo construir una limpia y consistente biblioteca de datos para placas de circuito impreso

Consideraciones cotidianas para el ocupado diseñador de placas de circuito impreso de hoy.

Next Article
El PCB, Esa Complicada Tarjetita Verde
El PCB, Esa Complicada Tarjetita Verde

La importancia del PCB y el rol del diseñador de PCBs.