Pianificare il tuo prossimo impilaggio HDI con gestione strati PCB

Blue PCB with high trace density

Non per vantarmi, ma sono diventato proprietario di casa. Il trasloco inizierà presto: ogni cosa deve essere impacchettata in scatole e organizzata creativamente in un camion il giorno del trasloco. Spero solo che posso ridurre il numero di viaggi fra il vecchio appartamento e la nuova casa senza danneggiare nulla. Impacchettare tutte le cose della famiglia in un camion evoca immagini di imballaggi di più funzionalità e componenti in uno spazio su un PCB limitato. 

Ad un certo punto, il solo modo per continuare ad impacchettare funzionalità nel tuo PCB senza aumentare il volume della basetta è utilizzare tecniche di progetto HDI (High Density Interconnection - Interconnessione ad alta densità). Ciò richiede un uso giudizioso di via, instradamento creativo della traccia, ed una strategia di impilaggio strati per il tuo PCB. Se fatto adeguatamente, il tuo impilaggio strati ed instradamento aiuteranno a mantenere l’integrità di segnale e a prevenire interferenze per EMI. 

Strategie standard per impilaggio HDI 

Ogni strategia di impilaggio HDI è data da una indicazione standardizzata. La più semplice strategia di impilaggio HDI è chiamata “1+N+1”; in quest’organizzazione, gli strati superiori ed inferiori sono organizzati come strati di segnale ad alta intensità. I restanti strati N fra gli strati di segnale sono organizzati alternando strati di alimentazione e di terra. Posizionare strati di terra sotto strati di segnale crea un piccolo loop di corrente con un’induttanza inferiore, e la presenza di un piano di massa vicino aiuta a ridurre le EMI. 

Il prossimo impilaggio comune è chiamato “i+N+i”, dove il progetto utilizza multipli strati di segnale. Gli strati ultraperiferici su ciascun lato del PCB sono progettati come strati di segnale ad alta intensità, e gli strati interni sono progettati come strati di terra e di alimentazione. Proprio come nel caso dell’impilaggio 1+N+1, l’organizzazione di terra e alimentazione dovrebbero essere progettate per fornire un percorso corto alla terra e allo stesso tempo eliminare le EMI. 

L’organizzazione di impilaggio HDI più complessa è chiamata “any layer” (nessun livello). Questa organizzazione di impilaggio permette che l’instradamento ad alta intensità sia posizionato su ogni strato e richiede il posizionamento fra ogni strato. Ciò richiede l’utilizzo di una combinazione di through-hole, e via non visibili e interrate, per raggiungere ogni strato. Questa strategia di impilaggio è affidabile per dispositivi con alta densità di pin come CPU e FPGA.  

Impilaggio HDI con i BGA

Dei FPGA più recenti sono posizionati sulle basette con piccoli fattori di forma che richiederanno tecniche di impilaggio HDI e di instradamento. Una volta incorporato un BGA per uso con un pin ad alta intensità FPGA o un componente simile, le tue possibilità di spostarti su una strategia di impilaggio HDI any-layer aumentano. I BGA con alta intensità di pin richiederanno connessioni di tracce più dense per gestire l’instradamento che fuoriesce. Gli impilaggi i+N+i e any layer sono meglio utilizzati con i BGA per componenti con pin ad alta densità.  

L’instradamento di uscita può essere fatto più facilmente semplicemente instradando strati multipli. Muoversi fra gli strati per per BGA fanout e breakout richiederà l’utilizzo di via, ed il posizionamento delle via dipende dalla strategia di divisione. La divisione dog-bone è tipicamente utilizzata quando il campo BGA è grossolano. Come il campo diventa fine e la densità di pin diventa maggiore, le microvia-in-pad dovrebbero essere usate per instradare connessioni a stati di segnale interni.  

 
Routing between BGAs with PCB design software

Instradamento fra BGA con software di design PCB 

Le via nel design HDI e le difficoltà di produzione 

Quando sono comparate le differenze fra PCB HDI e PCB convenzionali, l’essenziale differenza è che quei PCB HDI connettono tipicamente strati utilizzando via blind e buried anziché via through-hole. Ciò è particolarmente importante nelle basette HDI con strati di segnale multipli. Lo spazio estremamente sottile fra le linee di segnale in un PCB HDI, tipicamente richiede l’uso di microvia al laser invece che le via forate. 

Per risparmiare spazio su una basetta HDI, è comune prendere un diametri di una via e mantenerlo. Il rivestimento della via può diventare difficile se la tua basetta HDI include via through-hole. Come lo spessore della basetta aumenta, così fanno le proporzioni della via. Una proporzione più alta delle via through-hole sono più difficili da rivestire, poiché il gradiente di concentrazione in una soluzione di placcatura rende il rivestimento vicino al centro della via più sottile di quello esterno. 

Alcuni produttori possono migliorare la copertura interna utilizzando oscillazione o pressione, che forza la soluzione di placcatura più in profondità nel colletto della via. Tuttavia, il rivestimento interno può rimanere relativamente sottile e soggetto a rottura se la basetta è usata in un ambiente difficile. Ciò evidenzia i vantaggi delle via impilate usate nel tuo impilaggio HDI, invece che via instead of through-hole. Assicurati di consultare le capacità del tuo produttore se devi usare via through-hole.

Un’opzione per prevenire i problemi detti sopra con le via through-hole è utilizzare via impilate sopra le via buried. La via buried può coprire strati multipli e avrà un’integrità strutturale migliore rispetto ad una via through-hole con un rapporto di aspetto più alto.  Le via blind connettono fra gli strati di segnale predominanti e creano una discontinuità di impedenza più piccola fra strati di segnale in un impilaggio i+N+i. Ciò ti permette di utilizzare una via buried con un diametro piccolo e moderare il rapporto di aspetto. 

PCB manufacturing processing
Filiera produttiva PCB

Un’altra tecnica mescolando via buried e blind è costruire “staggered vias” (via sfalsate) . Tale struttura connette le via blind ad ogni termine di una via buried, ma le via blind sono a distanza di compensazione dalla via buried. Le via blind adiacenti agli strati sono controbilanciate anch’esse tra loro. Questa organizzazione forma una sagoma a scale e ti dà maggiore flessibilità di instrsdamento rispetto ad una struttura semplice di via impilate. 

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