Presentazione delle Interconnessioni ad alta densità e l’evoluzione dell’elettronica

 

L’evoluzione dell’elettronica

L’elettronica è un’industria relativamente nuova, dato che il transistor è stato inventato appena 65 anni fa. Il tubo radio è stato sviluppato quasi 100 anni addietro, ma è “sbocciato” nella Seconda Guerra Mondiale, con comunicazioni, radar, inneschi (specialmente l’altimetro con innesco elettronico della prima bomba atomica) e si è evoluto nell’industria maggiore al mondo. Tutti i componenti elettronici devono essere interconnessi ed assemblati per costituire un’unità funzionante. L’imballaggio elettronico è la tecnologia dove integriamo il design e la produzione di queste interconnessioni.  Dai primi anni ‘40, la base di costruzione della piattaforma dell’elettronica d’imballaggio è la basetta per circuito stampato (PCB). Questa guida illustra il progresso degli approcci di design e dei processi di produzione necessari per progettare i più complessi fra questi PWB, le interconnessioni ad alta densità (HDI), come mostrato in Figura 1.

Questo capitolo presenta le considerazioni di base, i principali vantaggi ed i potenziali ostacoli da tenere in conto per la selezione dei metodi di interconnessione ad alta densità. Viene data maggiore enfasi sulle interconnessioni e sul cablaggio dei componenti. Il focus è sulla densità e sugli effetti potenziali che la selezione di vari tipi di basette HDI e design alternativi possono avere su costo e prestazioni del dispositivo elettronico completo.

A partire dai primi anni ’50 i circuiti stampati sono diventati sempre più comuni e la densità e la complessità delle interconnessioni è aumentata velocemente, ma non così tanto come negli ultimi dieci anni. La tecnologia tradizionale dei circuiti stampati è capace di soddisfare la maggior parte dei requisiti odierni. Tuttavia esiste un gruppo crescente di prodotti, chiamati “Interconnessioni ad Alta Densità” (HDI in breve), che sono usati per creare interconnessioni più dense ed essi sono l’oggetto di questa guida.

Collegare le Tendenze

I fattori scatenanti per l’interconnessione a densità più alta si dividono in tre categorie: piattaforme, prestazione e parti:

Piattaforme

Esiste un mercato di prodotti come smartphone, apparecchi digitali e computer tascabili in veloce crescita e che fornisce nuove opportunità. La tecnologia HDI rende possibile creare dispositivi più piccoli e più veloci.

Prestazioni

Diminuzione del tempo di risalita del semiconduttore e migliori comunicazioni a RF e microonde, a frequenze fino a 80 GHz in alcune aree di telecomunicazione.

Parti

L’evolversi della tecnologia al silicio di transistor più piccoli e tempi di risalita più veloci porta alla sfida di fornire più connettori in un’impronta (footprint) più piccola, ovvero più connessioni per unità di superficie.

Tutte queste tendenze creano una necessità di interconnessioni più dense, con piste più piccole, via più piccole, e via più nascoste. Anche se tutto questo non si accompagna necessariamente ad un cambiamento nelle pratiche di progettazione della basetta, costruzioni convenzionali possono raggiungere i propri limiti ed il design di costruzioni HDI richiede un ripensamento delle strategie di progetto. 

 

 

FIGURA 1.

FIGURA 1. L’elettronica si è evoluta, a livello di densità, dal 1940 fino alla situazione attuale fatta di interconnessioni ad alta densità che includono impilamento 3D e componenti incorporati. 

 

Piattaforme Multilivello HDI

HDI è un mercato di applicazione PWB ampio ed in crescita, composto da almeno tre (3) diverse piattaforme. Esse sono 1. Substrati & Moduli interposer; 2. Portatili: e 3. Alta prestazione. 

Substrati & Moduli Interposer

Questa tecnologia è utilizzata per flip chip o substrati per saldature a filo. Le microvia (microforature) permettono un aumento della densità necessario per uscire dai flip chip ad alta densità. I materiali dielettrici sono le pellicole più nuove ideate. Un tipico esempio è visibile nella Figura 2. I moduli sono piccoli substrati che possono avere saldatura a filo, flip-chip oppure TAB (linguette) montate o può utilizzare CSP da pitch (passo) sottile. I componenti discreti sono tipicamente molto piccoli, come 0201 o 01005 e possono anche essere incorporati. Le regole di progettazione sono solitamente più grossolane rispetto al substrato singolo IC, dato che il modulo potrebbe essere più ampio di un singolo imballaggio IC.

Portatili

Prodotti di consumo portatili e miniaturizzati sono l’avanguardia nella tecnologia HDI. I progetti densi offrono piccoli fattori di forma e caratteristiche molto dense inclusi micro-BGA e impronte flip chip. L’applicazione maggiore è al momento sui telefoni portatili. Un tipico telefono portatile (Motorola MicroTack e l’iPhone X della Apple) è mostrato in Figura 3.

Alta performance

Questa tecnologia è utilizzata per basette con elevato numero di livelli con alto I/O (input/output) o componenti con pitch piccolo. Non è sempre necessaria una microvia nascosta. Le microvia sono utilizzate per costituire l’area di sfogo dei componenti densi (alto I/O, micro BGA).  Dielettrico è il foglio rivestito in resina rinforzata, laminati ad elevata prestazione preimpregnati e rinforzati all’interno. Un tipico esempio è visibile in Figura 4. Una possibile 4ͣ piattaforma sviluppabile è “componenti incorporati”, vista in Figura 5.

 

FIGURA 2. Moduli ad alta densità per a. Substrati Flip chip e b. Telecomunicazione

 

FIGURA 3. Aumenti costanti di complessità e densità caratterizzano le basette HDI utilizzate nei telefoni dal 1994 fino al giorno d’oggi.   

 

FIGURA 4. Una basetta per telecomunicazione ad alta affidabilità per un controller di una fibra ottica tripla OC-192 (10 Gb/s). La costruzione è con laminati a bassa perdita ed utilizza una struttura HDI 1+6+1.  

 

FIGURA 5. Utilizzo tipico di una microvia per connettere vari condensatori e resistenze.

 

Miglioramenti di prestazioni

Quando sono richiesti miglioramenti delle prestazioni per i PWB, HDI è il fattore principale. Oltre a rendere i PWB più piccoli, più leggeri e più sottili, consente di avere una prestazione elettrica superiore. Alcuni di questi miglioramenti sono: 

  • Correnti parassite di un ordine di grandezza inferiore
  • Stub di dimensioni minime
  • Tensione stabile
  • Rimozione dei condensatori di disaccoppiamento
  • Disturbi e crosstalk ridotti
  • RFI e EMI nettamente inferiori
  • Piani di massa più vicini
  • Opportunità per capacità distribuite (PWR/GND)
  • Piani di massa con via integrate che riducono emissioni e radiazioni

Con i fabbricanti di semiconduttori che diminuiscono le dimensioni dei propri dispositivi, le leggi della fisica permettono tempi di salita/discesa più brevi, il che si traduce in un aumento delle frequenze. Ma con dispositivi più piccoli aumenta la dissipazione di calore. Con una riduzione della tensione di alimentazione per minimizzare la dissipazione di potenza, quello che succede è che aumenta la sensibilità dei circuiti a disturbi e perdita di potenza di segnale.

I laminati ad alte prestazioni sono sempre stati uno dei requisiti. Inoltre i processi migliorati per la fabbricazione di microvia migliorano anche la performance ad alta frequenza.

Le microvia hanno quasi 1/10 dei parassiti di TH. Le strutture Test Vehicle possono validare l’induttanza più bassa nelle microvia, e quando combinate con condensatori di disaccoppiamento a bassa induttanza, e via-in-pads, mostrano i benefici della riduzione del rumore, specialmente per logica ad alta velocità.

Accesso a Componenti Avanzati (parti) 

L’industria del semiconduttore è il trainante principale per l’elettronica. Le geometrie dei gate più piccoli ed un numero totale di gate più elevato permettono di eseguire più funzioni - e più velocemente. Con wafer più ampi, i prezzi continuano a calare.

Gli imballaggi IC, diciamo con un dispositivo ad un pitch (passo) compreso tra 0,80 - e 0,65-mm, beneficiano di tecnologie PCB come HDI, ma l’utilizzo del pitch a 0,8 mm e di dispositivi più piccoli è dove l’HDI realmente comincia a fornire benefici. Le via cieche permettono di risparmiare spazio sui livelli interni e hanno ridotto le superfici delle via, così come hanno reso possibile le via-in-pads. Tipico di questi dispositivi sono i pin a 953, pitch 0,65mm, Processore a Segnale Digitale (DSP) visto in Figura 6a oppure i DSP con pin 498, mostrati in Figura 6a.  Gli altri nuovi componenti che si stanno diffondendo sono quelli con un numero di pin compreso tra 600 e 2500 pin, e pitch anche di 1.00- e 0.8.-mm. Sebbene alcuni di questi sono switch di telecomunicazione digitale (Figura 6c), la vasta maggioranza sono le nuove porte logiche programmabili (le FPGA).  Gli attuali prodotti di Actel, Infineon, Xilinx e Altera hanno imballaggi con 456, 564, 692, 804, 860, 996, 1020, 1164, 1296, 1303, 1417, 1508, 1696 e 1764 pin. Sono state progettate anche FPGA con un numero di pin superiore a 2000!

 

FIGURA 6. a. Dispositivi con pitch sottili come questo microprocessore a 953 pin con pitch a 0.65mm, b. il dispositivo DSP con 498 pin o c. il controller con 480 pin @ 0.4 mm, anche il d. 182 pin @ 0.25 mm richiedono microvia. e. Lo switch digitale pitch 1.00 mm 2577 pin ora richiede microvia per essere connesso a un circuito stampato.

 

Le opportunità dell’HDI

Altri benefici dell’utilizzo della tecnologia HDI consistono nella facilità di progettazione, cosa che si traduce in tempi di commercializzazione più veloci e in una migliore affidabilità.

Tempi di commercializzazione più veloci

Tempi di commercializzazione più veloci sono possibili grazie ad un posizionamento dei componenti facilitato usando via cieche o via-in-pads. Altre efficienze di progettazione sono dovute a spazi più piccoli, breakout BGA migliorati, boulevards routing (cfr. Cap 4), e comodità di auto-routing usando via cieche/nascoste anziché la tecnologia through-hole. Il tempo totale di progetto del sistema può essere ridotto grazie alle migliori prestazioni delle via cieche rispetto a quelle TH, e al fatto che occorrono meno respin a causa dell’integrità del segnale e la riduzione del rumore.  

Migliore affidabilità

Un test di affidabilità approfondito sull’affidabilità della microvia è stato svolto dall’IPC-ITRI verso la fine degli anni ‘90. [1] Altri gruppi (come HDPUG & NASA-JPL) hanno anche prodotto dei report sulla superiore affidabilità di via small-blind rispetto alle via TH. [2] Capire “PERCHÈ” è abbastanza semplice! La proporzione della via (AR rapporto profondità/diametro) è meno di (<) 1:1 rispetto a quella TH che presenta un AR che parte da >6:1 (+) fino a superare il rapporto fi 20:1. Questo è un risultato dei materiali sottili e materiali TCE Z-Axis utilizzati in HDI (cfr. Cap 2). I materiali HDI sono numerosi e superano il laminato multilivello per varietà e sono coperti dallo Standard IPC-4104A e non dall’IPC 4101B. Se le via blind sono propriamente forate e placcate, poi eseguiranno molte volte il ciclo termico come i TH tipici (cfr. Cap 6)

I sottili materiali HDI sono quindi ben adattati per trasferimento termico del calore ed anche ad essi si applica lo Standard Design IPC HDI, IPC-2226.

 

 

Costi inferiori

I Capitoli 4 e 5 discuteranno nel dettaglio il processo di design migliorato per i PWB HDI. Propriamente pianificato ed eseguito, un HDI multistrato può essere meno costoso di un’alternativa basetta TH. Nella Figura 4 è illustrato il benchmark di un TH multistrato a 14 strati ad alta velocità e impedenza controllata rispetto ad un HDI multistrato a 8 strati. Utilizzando il lato secondario del PWB è stata necessaria un’area del 40% più piccola e 6 strati di meno.

Prevedibilità o “Quanto Costerà”? e la necessità di modelli di progetto  

Prevedibilità

I clienti hanno bisogno di conoscere le regole di progetto, l’accumulo di HDI e il PREZZO, PRIMA di iniziare il progetto o le basette di progetto.

I produttori possono prezzare il progetto DOPO che è stato disegnato, ma senza i numeri a disposizione nessuno può permettersi di finire in un vicolo cieco. Il concetto che “Le microvia costano di più” significa non sapere come progettare propriamente una basetta HDI.

Uno dei vantaggi del Benchmarking (analisi comparativa) HDI negli ultimi 37 anni è stato il grafico TH contro HDI visto in Figura 7. La comparazione Prezzo/Densità. Le due variabili chiave sono RCI, una valuta di comparabilità, normalizzata rispetto al prezzo attuale di un multistrato a 8 strati DEN, il numero medio di pin su una basetta divisi per lunghezza e larghezza della basetta.

FIGURA 7. TH contro HDI Comparazione Prezzo / Densità. L’Indice di Costo Relativo (RCI) e la previsione di DENsità (pin/mq) fornisce una comparazione rapida degli strati TH (colonna A) rispetto alle equivalenti strutture HDI (colonne B - G). 

 

Gli RCI nella matrice sono i numeri “Base” (o minimi) per costo. Ma il numero “Massimale” per una gamma è fuori dalla nostra capacità di calcolo o di determinazione in questo momento. Dipende tutto da vari fattori nel progetto. I rendimenti sono molto sensibili al diametro min., setti anulari (annular ring), traccia e spazio min., spessore dei materiali, numero totale di fori e la loro densità. Altri fattori di costo come finiture, riempimenti dei fori, e tolleranze influenzano il prezzo. Ho aggiunto una colonna per “Densità” (DEN). Indica il Numero Massimo di Connessioni Elettriche (chiamate “pin”) per metro quadrato di superficie (per entrambi i lati). Le linee tratteggiate sono i PCB “equivalenti”. Così, per esempio, una basetta TH 18-layer (colonna A through-hole) con una media di 100 ‘pin’ per mq. avrebbe potuto essere stata disegnata come una basetta HDI 10-layer (1+8+1-colonna C) perché può sopportare 210 ‘pin’ per mq. in (p/si). Oppure, poteva essere disegnata come una basetta HDI 6-layer con 2+2+2 (colonna E, sempre 200 p/si). 

L’RCI non mostra il risparmio “Assoluto” dei costi in questo esempio. Il risparmio dei costi “Relativo” è 28.1% per un 10-layer e 20.5% per 6-layer HDI “equivalenti”. Ma una basetta più piccola potrebbe risultare in più basette per pannello ed il “PREZZO” sarebbe ancora più basso rispetto ai numeri indicati sopra. Nella fascia da 8L a 18L, le basette HDI, specialmente il 2+N+2 NON sono l’equivalente di basette TH a 8 e 18L, rappresentano basette con 12X-20X la densità di basette TH.

Questa Matrice è basata su FR-4. Ciò ha due implicazioni importanti. La scala RCI TH (da 4L - 16L) rappresenta un prezzo competitivo impostato dalla Cina. Questa scala è depressa comparata al prezzo HDI. Per cui il prezzo HDI, se uguale o più basso, è molto competitivo. Se il materiale di costruzione NON è FR-4, ma un materiale più costoso come Dj o Dk, allora i risparmi dall’HDI saranno MOLTO MAGGIORI riducendo gli strati!

Guarda e scopri come Altium Designer supporta progetti HDI:

 

Registrati e prova Altium Designer 19 oggi stesso.

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
Materiali base per circuito flessibile
Materiali base per circuito flessibile

Cerchi informazioni e risorse su Materiali Base per Circuito Flessibile? Clicca qui per leggere informazio...

Next Article
Analisi di integrità di potenza per la rete di alimentazione
Analisi di integrità di potenza per la rete di alimentazione

L' analisi di integrità dell'alimentazione nei PCB è facile quando si utilizzano i migliori strumenti nel s...

×

Sostituite i vostri strumenti di lavoro obsoleti con Altium Designer per ricevere uno sconto del 45%.

Nome
Cognome
Azienda
Numero di Telefono
Nazione
State
Codice Postale
!
Error - something went wrong!