Nuove architetture PCB su costruzione PCB ad alta densità

Costruzione PCB ad alta densità

High-density ICs force high density PCB designers to find new design strategies to either have more functionality on smaller plates – in end-user products – or much more function on larger parts.

È in arrivo un'altra generazione di elementi più piccoli su circuiti integrati. Questo è nel 65 gamma nm, ma alcuni produttori di circuiti integrati stanno già sviluppando prototipi con 45 nm elementi. Gli elementi più piccoli nei circuiti integrati attualmente prodotti, di 90 nm, già in conflitto con la base fisica della connessione.

Collegamenti stampati, o tracce, può essere solo piccolo fino a quando non si verificano problemi di integrità del segnale e distribuzione delle prestazioni sul disco. L'assemblaggio dei nuovi chip su ogni tipo di piastra richiederà sia alcune nuove strategie sia quelle utilizzate in passato.

Questi problemi nella progettazione dei circuiti stampati sono noti: ricevere segnali da circuiti integrati e inviarli a circuiti integrati, mantenimento dell'integrità del segnale, e distribuendo potenza ai componenti del disco. Integrità del segnale significa evitare diafonia, che si verifica quando le tracce sono troppo vicine tra loro, e gestire l'impedenza per evitare riflessioni del segnale che è più probabile che si verifichino in una traccia troppo lunga perché si verificano su piastre PCB molto grandi ad alta densità.

C'è anche una nuova complicazione: tempi di salita e discesa molto brevi. Poi, anche con tracce molto brevi, potrebbero verificarsi ulteriori problemi di impedenza.

Cinque anni fa, un router Internet Terabit era un prodotto di punta. Conteneva 52 PCB ed era mezzo rack o 3 piedi in alto, 2 piedi profondi e 18 pollici di larghezza. Ora il router ha solo un PCB ed è solo 1.5 pollici di altezza. Se all'epoca ci avessero detto che un circuito integrato poteva ospitare miliardi di transistor e... 10 Tracce compatibili con Gbps, avremmo riso. Ora non so se ci sono limiti di dimensioni e velocità.

I problemi di integrità del segnale su dischi con circuiti integrati e tracce più piccoli possono essere spesso gestiti con tecniche familiari: gestire le dimensioni e la separazione della traccia per ridurre al minimo la diafonia e costruire connessioni di traccia con resistori appropriati per evitare riflessioni. Consideriamo i millesimi di pollice come larghezza minima della carreggiata, e 7 per 8 millesimi di pollice come distanza minima tra loro, non importa quanti pin ha un chip. Preferisce una separazione di 10 millesimi di pollice.

Nuove architetture PCB

La progettazione di PCB ad alta densità ha preso due strade. Uno porta ai PCB che sono davvero ad alta densità, utilizzato nei telefoni cellulari, fotocamere digitali, e altri dispositivi di elettronica di consumo e per la casa, dove tutti i circuiti si adattano a una scheda delle dimensioni di un'unghia e la potenza deve essere distribuita con parsimonia per prolungare la durata tra le singole ricariche. L'altro porta a PCB ad alte prestazioni nei supercomputer, router ad alta velocità estrema, e sistemi simili.

Su questi piccoli PCB, I progettisti di PCB non devono schiacciare i componenti in spazi ristretti, ma le prestazioni con bassi requisiti di alimentazione sono tutto. I PCB più grandi funzionano a velocità molto elevate. I due tipi di dischi ad alta densità hanno problemi diversi, mentre i progettisti si ridimensionano alla prossima generazione di circuiti integrati con elementi più piccoli.

Per dischi ad alte prestazioni con circuiti integrati che hanno 1,000, 2,000, o anche più pin, i limiti fisici imposti dalle connessioni standard richiedono probabilmente tecniche di progettazione radicalmente diverse.

Un esempio, un sedicente evangelista dell'integrità del segnale la cui compagnia, essere il segnale, si trova a Olathe, Kansas, è un PCB 3-D a forma di cubo.

Questa non è una raccolta di livelli sovrapposti. È un design integrato specifico per 3-D, dove tutti i processi importanti vengono eseguiti verticalmente su più livelli di processori.

Altre tecniche si concentrano sui laminati. La manipolazione del materiale laminato può aiutare a ridurre la perdita di segnale, e piastre molto sottili possono supportare connessioni più corte e più lunghe. Alcuni laminati di nuova produzione sono solo 2 millesimi di pollice di spessore e diventano più sottili. Secondo Bogatin, questi laminati possono consentire ai progettisti di dimezzare il numero di strati in un PCB migliorando al contempo le prestazioni.

Le velocità di funzionamento del PCB ad alta densità sono aumentate da 10 per 20 MHz negli anni '80 a gigabit al secondo nel 21° secolo. Negli anni '80, potresti disegnare un piatto con gli occhi chiusi. Now you have to open both eyes wide.”

Simulazione e formazione

Poiché i pannelli diventano più complessi e i loro produttori non vogliono sprecare circuiti integrati da 1.500 pin a causa di un design scadente, la simulazione e la modellazione sono fondamentali per i PCB. Se qualcosa non funziona, è necessario intraprendere un'azione qualificata, e non puoi andare avanti con regole empiriche collaudate. I dischi sono sempre più simili agli ASIC [Circuiti integrati per applicazioni specifiche], e ora abbiamo sempre più bisogno dello stesso tipo di simulazione degli IC. Sono ora disponibili strumenti di simulazione che generalmente lo fanno, ma i set di strumenti per l'integrità delle prestazioni mancano ancora oggi.

PCB ad altissima densità

MOKO Technology presenta la piattaforma tecnologica Dencitec, che consente un'altissima densità di funzioni integrate per circuiti stampati ad alto throughput.

Queste opzioni includono larghezze di conduttore e spaziatura fino a 25 μm con spessori di rame di 20 ± 5 μm su tutti gli strati conduttivi, laser tramite diametro di 35 micron, anelli residui con un diametro di 30 μm sugli strati interni e 20 μm sugli strati esterni, vias ciechi riempiti di rame con possibilità di impilamento e vias in pad. Questo lascia più spazio per l'integrazione di opzioni aggiuntive come la fornitura di energia (batterie, eccetera.). Inoltre, i materiali moderni consentono la produzione di circuiti ultrasottili, come circuiti flessibili a quattro strati con uno spessore totale inferiore a 120 micron. In contrasto, i processi standard comunemente utilizzati forniscono buoni risultati solo fino a larghezze dei conduttori e spaziatura di 50 μm e i classici processi semiadditivi come la tecnologia a film sottile consentono larghezze e spaziature dei conduttori inferiori a 15 micron, ma sono generalmente limitati ai formati di produzione.

Una simulazione della deposizione galvanica del rame nella produzione di PCB

Prima di produrre a scheda PCB ad alta densità, analizziamo attentamente i dati ricevuti. Ecco come troviamo tutti i potenziali effetti sulla produzione, che potrebbero compromettere la qualità e l'affidabilità a lungo termine.

Fino ad ora, l'elettrodeposizione è stato un campo in cui quasi nessuno è stato in grado di determinare esattamente come si comporterà un particolare design. Lo spessore dello strato di rame che si deposita sul circuito dipende dalla densità del layout. Se la densità è bassa, rischiamo di costruire troppo; se la densità è alta, rischiamo troppo poco accumulo. Una struttura in rame troppo forte significa che i fori nei fori diventano troppo piccoli. Una struttura in rame troppo bassa significa che le pareti del foro sono troppo deboli, in modo che i fori passanti placcati possano rompersi durante il montaggio e perdere la loro affidabilità a lungo termine.

L'obiettivo è una densità di rame uniforme e una struttura uniforme sull'intero circuito stampato. Teniamo conto di questo il più possibile quando posizioniamo i circuiti stampati sui nostri vantaggi di produzione. Possiamo posizionare ulteriori modelli di rame (cosiddette superfici di compensazione) tra e intorno al circuito per compensare la densità. Tuttavia, siamo limitati a questi metodi perché non possiamo modificare il design effettivo del circuito. Solo lo sviluppatore può farlo.

Storicamente, non ci sono stati strumenti di sviluppo per determinare la densità del rame. Oggi MOKO Technology offre una soluzione con un'immagine codificata a colori del circuito stampato, che mostra le potenziali aree della sovrastruttura e della sottostruttura del rame.

Utilizziamo uno speciale software di simulazione galvanica che divide la scheda in piccole celle. La densità del rame di ciascuna cella viene confrontata con la densità media del rame dell'intero circuito stampato e il colore viene quindi assegnato a questa cella. Una densità di rame inferiore alla media è colorata su una scala dal verde (media), giallo e arancione al rosso. Il più rosso, minore è la densità relativa e maggiore è il rischio di un eccessivo accumulo di rame in quest'area. Le celle con una maggiore densità di rame sono colorate su una scala dal verde al blu scuro. Il più blu, maggiore è il rischio di un accumulo di rame insufficiente.

Armati di questi dati visivi, lo sviluppatore può aggiungere aree di rame in aree a bassa densità o ridurre grandi aree di rame.

Inoltre, forniremo un indice galvano che misura l'uniformità della densità del rame sul circuito. Un circuito completamente uniforme ha un indice di 1. Ciò significa che non ci si devono aspettare problemi di elettrodeposizione. I valori più bassi mostrano una minore uniformità e sono evidenziati sull'immagine visualizzata da aree rosse e blu. Se l'indice scende a 0.8 o meno, è necessaria un'attenzione particolare. Nell'esempio mostrato sopra, l'indice di galvano è 0.65. La zona blu, che è troppo piccolo, si vede chiaramente.

L'immagine del galvano viene creata quando viene effettuato un nuovo ordine. Questa immagine galvano fa parte di "Immagine PCB", una rappresentazione realistica dei tuoi circuiti stampati, che ti invieremo insieme alla conferma d'ordine. Nel futuro prossimo, questa simulazione entrerà a far parte della funzione di richiesta prezzo. Faremo una serie di controlli e creeremo un rapporto da loro. Basato sull'immagine galvano, che è stato anche creato, il progettista può vedere se può apportare modifiche per migliorare l'uniformità del suo circuito stampato PCB ad alta densità.

Dopo la modifica, l'indice di galvano è 0.95. L'immagine mostra una deposizione di rame uniforme.

Galvano simulation – good galvano index layer pattern – good galvano index

Ovviamente, potrebbero esserci restrizioni di progettazione che rendono inevitabile una densità di rame meno uniforme. Per questo, stiamo preparando un'altra soluzione per migliorare la qualità e l'affidabilità del circuito stampato finito. Il progetto della matrice anodica Elsyca Intellitool migliorerà ulteriormente l'uniformità della struttura finale in rame.

Maggiore densità di imballaggio per l'elettronica complessa

Le schede PCB ad alta densità devono tenere il passo con i progressi dei microchip. I circuiti ad alta densità di imballaggio rappresentano un salto tecnologico, che dovrebbe avere conseguenze di vasta portata come il passaggio al montaggio a superficie a metà degli anni ottanta.

Miniaturizzazione progressiva dei componenti, patatine fritte, e sistemi significherà un drastico salto tecnologico per la produzione di circuiti stampati nei prossimi anni, nonché a causa dell'introduzione del montaggio superficiale (SMT) a metà degli anni ottanta. I tassi di crescita più elevati sono attualmente previsti nel campo dei circuiti ad alta tecnologia perché il successo dell'integrazione dei microchip significa che è necessaria anche la tecnologia di connessione. La sfida è produrre le migliori strutture per circuiti stampati ad alta densità di integrazione (High Density Interconnection – HDI) economicamente.

Finora, i problemi di contatto con i componenti multipolari sono stati risolti spostando alcune delle connessioni su uno o più livelli di segnale aggiuntivi. però, la produzione di circuiti multistrato (multistrato) è relativamente complesso e quindi costoso. però, il numero di strati può essere generalmente ridotto solo utilizzando strutture conduttori più fini o utilizzando diametri dei fori più piccoli. Per collegare elettronicamente tra loro i singoli strati di segnale della scheda elettronica, le piste conduttrici sono le cosiddette vias, io. H. fori forati e poi metallizzati, portato al livello successivo o la parte inferiore del piatto. Poiché un circuito stampato può avere diverse migliaia di fori, esiste un enorme potenziale di risparmio semplicemente riducendo il diametro del foro. Meccanicamente, tuttavia, tali micro-fori (micro modi) con un diametro inferiore a 0.1 mm può essere prodotto solo con laser, considerando che la perforazione tradizionale a 0.2 mm raggiunge i suoi limiti.

però, i micro vias sono solo il primo passo verso circuiti ancora più complessi nella strutturazione del filo sottile. Le fasi di lavoro particolarmente critiche qui includono l'intero processo fotografico, con l'aiuto del quale viene solitamente strutturato il rivestimento in rame del materiale di base del circuito stampato. La tecnologia del conduttore ultrasottile pone requisiti particolarmente elevati all'esposizione e alla successiva fase di incisione. Se strutture con larghezza e passo inferiore a 0.1 mm devono essere realizzati in serie, la resa di produzione in alcuni casi cala drasticamente. Questo può essere risolto con nuovi metodi di produzione che semplificano notevolmente l'intero processo fotografico. Ciò include l'esposizione laser diretta, che descrive il fotoresist direttamente con lo schema del conduttore. La fase di esposizione convenzionale utilizzando una pellicola è completamente eliminata.

tecnicamente, l'esposizione diretta è superiore alla precedente esposizione a contatto perché offre una maggiore flessibilità per quanto riguarda le dimensioni dei lotti e una risoluzione della struttura più elevata. Il numero di fasi del processo può quindi essere notevolmente ridotto. Costi di gestione per camera bianca, film e maschere, con questa procedura si riducono anche i fotoresist e le conseguenti spese per lo smaltimento di materiali e residui dannosi per l'ambiente. È possibile ottenere rendimenti più elevati soprattutto con conduttori molto sottili poiché l'elevata coerenza del raggio laser consente un'immagine affidabile delle strutture più piccole con una sottoradiazione minima. E grazie alla maggiore profondità di campo del fotounità diretta, anche le differenze di altezza possono essere compensate in una certa misura. Come funzioni aggiuntive sono possibili anche la misurazione automatica del pannello ottico e gli indicatori di utilizzo individuali. La strutturazione diretta del laser è ancora più semplice, in cui il laser fresa la configurazione del conduttore direttamente nel rivestimento in rame, il che significa che non è più necessario un resist.

Le aziende cinesi sono anche leader nello sviluppo di nuove tecnologie di connessione. “MOV” from the Karlsruhe company Inboard is a new concept and stands for multi-layer surface wiring. This new type of high density PCB circuit board is also called an “integral circuit board” because electronic components such as resistors and capacitors are integrated into the circuit board.

La scheda a circuito integrato non offre solo strutture di binario conduttore più fini e fori ciechi praticati al laser inferiori a 80 µm di diametro per il contatto con le piste conduttrici, ma anche i dati elettrici sono impressionanti. Rispetto al cablaggio multistrato convenzionale, la lunghezza del cavo con la stessa funzione si riduce di 35%. Il numero di via attraverso tutti i livelli è persino ridotto di 80%, il numero di livelli di segnale in un esempio di riferimento da sei a solo due.

Ma è importante che tu possa cavartela di nuovo con la tecnologia di assemblaggio unilaterale. Resistors and capacitors can be included as “printed” components. Questo nuovo sviluppo è stato innescato dalle crescenti richieste sulla frequenza di lavoro, il numero di connessioni dei componenti e design sempre più piccoli come l'array con griglia a sfere e l'imballaggio delle dimensioni del chip. Per esempio, con 50 resistori stampati su un circuito stampato, c'è un vantaggio in termini di costi rispetto all'assemblaggio SMD, secondo l'interno.

Stiamo lavorando a soluzioni convenienti per la trasmissione ottica dei dati. Una fibra ottica a forma di striscia in plastica, che è collegato a un cosiddetto backplane, collega i componenti hardware nel computer tramite molto piatto, strisce di plastica conduttrici di luce fino a 50 cm di lunghezza. Il nuovo processo di produzione per la guida d'onda della striscia è adatto a qualsiasi materiale di supporto, in particolare per materiale per circuiti stampati. Adottiamo un approccio diverso e integriamo i conduttori ottici prodotti mediante stampaggio a caldo in speciali strati di circuiti stampati. Ciò consente di implementare componenti ottici passivi come rami, che consentono il cablaggio ottico analogo alla tecnologia dei circuiti elettrici. Il circuito si sta evolvendo da semplice elemento di collegamento a complesso assemblaggio.