Construcción de PCB de alta densidad
Los circuitos integrados de alta densidad obligan a los diseñadores de PCB de alta densidad a encontrar nuevas estrategias de diseño para tener más funcionalidad en placas más pequeñas (en productos para el usuario final) o mucha más función en piezas más grandes.
Otra generación de elementos más pequeños en circuitos integrados está en camino. Esta se encuentra en el rango de 65 nm, pero algunos fabricantes de circuitos integrados ya están desarrollando prototipos con elementos de 45 nm. Los elementos más pequeños en los circuitos integrados que se producen actualmente, de unos 90 nm, ya entran en conflicto con la base física de la conexión.
Las conexiones impresas, o pistas, solo pueden ser pequeñas hasta que se presenten problemas de integridad de la señal y distribución del rendimiento en el disco. El ensamblaje de los nuevos chips en cada tipo de placa requerirá estrategias nuevas, además de las utilizadas anteriormente.
Estos problemas en el diseño de placas de circuito impreso son conocidos: recibir señales de los circuitos integrados y enviarlas a ellos, mantener la integridad de la señal y distribuir la energía a los componentes del disco. La integridad de la señal implica evitar la diafonía, que se produce cuando las pistas están demasiado cerca unas de otras, y gestionar la impedancia para evitar las reflexiones de la señal, que son más probables en pistas demasiado largas debido a su alta densidad en placas de circuito impreso (PCB) de gran tamaño.
Además, existe una nueva complicación: tiempos de subida y bajada muy cortos. Por lo tanto, incluso con pistas muy cortas, podrían surgir problemas de impedancia adicionales.
Hace cinco años, un router de internet Terabit era un producto estrella. Contenía 52 PCB y medía medio rack, o 3 cm de alto, 2 cm de profundidad y 18 cm de ancho. Ahora, el router solo tiene una PCB y mide tan solo 1.5 cm de alto. Si nos hubieran dicho entonces que un circuito integrado podía albergar miles de millones de transistores y pistas compatibles con 10 Gbps, nos habríamos reído. Ahora no sé si existen límites de tamaño ni de velocidad.
Los problemas de integridad de la señal en discos con circuitos integrados y pistas más pequeños suelen solucionarse con técnicas habituales: gestionar el tamaño y la separación de las pistas para minimizar la diafonía y construir conexiones de pistas con resistencias adecuadas para evitar reflexiones. Consideramos milésimas de pulgada como ancho mínimo de pista, y de 7 a 8 milésimas de pulgada como la distancia mínima entre ellas, independientemente del número de pines del chip. Él prefiere una separación de diez milésimas de pulgada.
Nuevas arquitecturas de PCB
El diseño de PCB de alta densidad ha seguido dos caminos. Uno conduce a PCB de alta densidad, utilizados en teléfonos móviles, cámaras digitales y otros dispositivos electrónicos de consumo y domésticos, donde todos los circuitos caben en una placa del tamaño de una uña y la energía debe distribuirse con moderación para prolongar la vida útil entre cargas. El otro conduce a PCB de alto rendimiento en supercomputadoras, routers de alta velocidad y sistemas similares.
En estas diminutas PCB, los diseñadores no tienen que comprimir los componentes en espacios reducidos, pero el rendimiento con bajos requisitos de potencia es fundamental. Las PCB más grandes operan a velocidades muy altas. Los dos tipos de discos de alta densidad presentan diferentes problemas, mientras que los diseñadores reducen su escala a la siguiente generación de circuitos integrados con elementos más pequeños.
Para discos de alto rendimiento con circuitos integrados que tienen 1,000, 2,000 o incluso más pines, los límites físicos impuestos por las conexiones estándar probablemente requieren técnicas de diseño radicalmente diferentes.
Un ejemplo, un autoproclamado evangelista de la integridad de la señal cuya empresa, The Signal, está ubicada en Olathe, Kansas, es una PCB 3-D con forma de cubo.
No se trata de una colección de capas apiladas. Es un diseño integrado específico del 3D, donde todos los procesos importantes se ejecutan verticalmente en múltiples capas de procesadores.
Otras técnicas se centran en los laminados. La manipulación del material laminado puede ayudar a reducir la pérdida de señal, y las placas muy delgadas admiten conexiones más cortas y numerosas. Algunos laminados de nueva producción tienen un grosor de tan solo 2 milésimas de pulgada y son cada vez más delgados. Según Bogatin, estos laminados permiten a los diseñadores reducir a la mitad el número de capas en una PCB, mejorando al mismo tiempo el rendimiento.
Las velocidades de operación de las PCB de alta densidad aumentaron de 10 a 20 MHz en la década de 1980 a gigabits por segundo en el siglo XXI. En la década de 21, se podía diseñar una placa con los ojos cerrados. Ahora hay que abrirlos bien.
Simulación y entrenamiento
A medida que los paneles se vuelven más complejos y sus fabricantes no quieren desperdiciar circuitos integrados de 1,500 pines debido a un diseño deficiente, la simulación y el modelado son cruciales para las PCB. Si algo no funciona, es necesario tomar medidas cualificadas, y no se puede seguir con las reglas generales de eficacia comprobada. Los discos son cada vez más similares a los ASIC (circuitos integrados de aplicación específica), y ahora necesitamos cada vez más el mismo tipo de simulación que para los circuitos integrados. Si bien ya existen herramientas de simulación que generalmente realizan esto, aún faltan herramientas de integridad del rendimiento.
PCB de densidad extremadamente alta
MOKO Technology muestra la plataforma tecnológica Dencitec, que permite una densidad extremadamente alta de funciones integradas para placas de circuitos impresos con alto rendimiento.
Estas opciones incluyen anchos de conductor y espaciado de hasta 25 μm con espesores de cobre de 20 ± 5 μm en todas las capas conductoras, diámetro de vía láser de 35 μm, anillos residuales con un diámetro de 30 μm en las capas internas y 20 μm en las capas externas, vías ciegas rellenas de cobre con posibilidad de apilamiento de vías y vías en pads. Esto deja más espacio para la integración de opciones adicionales como suministro de energía (baterías, etc.). Además, los materiales modernos permiten la fabricación de circuitos ultrafinos, como circuitos flexibles de cuatro capas con un espesor total de menos de 120 μm. Por el contrario, los procesos estándar comúnmente usados solo ofrecen buenos resultados hasta anchos de conductor y espaciados de 50 μm y los procesos semiaditivos clásicos como la tecnología de película delgada permiten anchos de conductor y espaciados de menos de 15 μm, pero generalmente se limitan a formatos de producción.
Una simulación de la deposición galvánica de cobre en la producción de PCB
Antes de producir un placa PCB de alta densidadAnalizamos cuidadosamente los datos recibidos. Así, identificamos todos los posibles efectos en la producción que podrían afectar la calidad y la fiabilidad a largo plazo.
Hasta ahora, la galvanoplastia ha sido un campo en el que casi nadie ha podido determinar con exactitud el comportamiento de un diseño específico. El espesor de la capa de cobre que se deposita sobre la placa de circuito impreso depende de la densidad del diseño. Si la densidad es baja, corremos el riesgo de acumular demasiado; si es alta, corremos el riesgo de acumular muy poco. Una estructura de cobre demasiado resistente implica que los orificios en los orificios se vuelven demasiado pequeños. Una estructura de cobre demasiado baja implica que las paredes de los orificios son demasiado débiles, por lo que los orificios pasantes pueden romperse durante el ensamblaje y perder su fiabilidad a largo plazo.
El objetivo es una densidad y una estructura de cobre uniformes en toda la placa de circuito. Lo tenemos muy en cuenta al colocar las placas de circuito impreso en nuestras instalaciones de producción. Podemos colocar patrones de cobre adicionales (las llamadas superficies de compensación) entre y alrededor de la placa de circuito para compensar la densidad. Sin embargo, estamos limitados a estos métodos porque no podemos modificar el diseño real de la placa de circuito. Solo el desarrollador puede hacerlo.
Históricamente, no existían herramientas de desarrollo para determinar la densidad del cobre. Hoy, MOKO Technology ofrece una solución con una imagen codificada por colores de la placa de circuito impreso, que muestra las áreas potenciales de la superestructura y la subestructura del cobre.
Utilizamos un software especial de galvanoplastia que divide la placa en pequeñas celdas. La densidad de cobre de cada celda se compara con la densidad promedio de cobre de toda la placa y se le asigna un color. Una densidad de cobre inferior al promedio se colorea en una escala que va del verde (promedio), amarillo y naranja al rojo. Cuanto más rojo, menor es la densidad relativa y mayor el riesgo de acumulación excesiva de cobre en esta zona. Las celdas con mayor densidad de cobre se colorean en una escala que va del verde al azul oscuro. Cuanto más azul, mayor es el riesgo de acumulación insuficiente de cobre.
Armado con estos datos visuales, el desarrollador puede agregar áreas de cobre en áreas de baja densidad o reducir áreas grandes de cobre.
Además, proporcionaremos un índice de galvanoplastia que mide la uniformidad de la densidad del cobre en la placa de circuito. Una placa de circuito completamente uniforme tiene un índice de 1. Esto significa que no se esperan problemas de galvanoplastia. Los valores inferiores indican menor uniformidad y se resaltan en la imagen visualizada mediante áreas rojas y azules. Si el índice cae a 0.8 o menos, se requiere especial atención. En el ejemplo anterior, el índice de galvanoplastia es de 0.65. El área azul, que es demasiado pequeña, se puede ver claramente.
La imagen galvanizada se crea al realizar un nuevo pedido. Esta imagen galvanizada forma parte de la "Imagen de PCB", una representación realista de sus placas de circuito impreso, que le enviaremos junto con la confirmación del pedido. Próximamente, esta simulación se incorporará a la función de solicitud de precios. Realizaremos varias comprobaciones y generaremos un informe a partir de ellas. Con base en la imagen galvanizada, también creada, el diseñador podrá determinar si puede realizar cambios para mejorar la uniformidad de su placa de circuito impreso de alta densidad.
Tras la modificación, el índice de galvanoplastia es de 0.95. La imagen muestra una deposición uniforme de cobre.
Simulación de galvanoplastia: buen patrón de capas con buen índice de galvanoplastia.
Por supuesto, puede haber restricciones de diseño que hagan inevitable una densidad de cobre menos uniforme. Por ello, estamos desarrollando otra solución para mejorar la calidad y la fiabilidad de la placa de circuito impreso terminada. El proyecto de matriz de ánodo Elsyca Intellitool mejorará aún más la uniformidad de la estructura final del cobre.
Mayor densidad de empaquetamiento para electrónica compleja
Las placas PCB de alta densidad deben adaptarse a los avances en microchips. Los circuitos con alta densidad de empaquetamiento representan un avance tecnológico, cuyas consecuencias deberían ser tan trascendentales como la transición al montaje superficial a mediados de los ochenta.
La progresiva miniaturización de componentes, chips y sistemas supondrá un drástico avance tecnológico para la fabricación de placas de circuito impreso en los próximos años, debido a la introducción del montaje superficial (SMT) a mediados de los ochenta. Actualmente, se prevén las mayores tasas de crecimiento en el campo de los circuitos de alta tecnología, ya que el éxito de la integración de los microchips implica que también se requiere la tecnología de conexión. El reto consiste en producir las estructuras más finas para placas de circuito impreso con alta densidad de integración (Interconexión de Alta Densidad, HDI) de forma económica.
Hasta ahora, los problemas de contacto con componentes multipolares se han solucionado desplazando algunas conexiones a una o más capas de señal adicionales. Sin embargo, la producción de circuitos multicapa es comparativamente compleja y, por lo tanto, costosa. No obstante, el número de capas generalmente solo puede reducirse utilizando estructuras de patrón conductor más finas o diámetros de orificio más pequeños. Para conectar electrónicamente las capas de señal individuales de la placa de circuito, las pistas conductoras se denominan vías, es decir, orificios perforados y metalizados que conducen al siguiente nivel o a la parte inferior de la placa. Dado que una placa de circuito impreso puede tener miles de orificios, existe un enorme potencial de ahorro simplemente reduciendo el diámetro de los orificios. Sin embargo, mecánicamente, estos microorificios (microvías) con un diámetro inferior a 0.1 mm solo pueden producirse con láser, mientras que la perforación tradicional de 0.2 mm alcanza sus límites.
Sin embargo, las microvías son solo el primer paso hacia circuitos aún más complejos en la estructuración de hilos finos. Los pasos de trabajo particularmente críticos en este caso incluyen todo el proceso fotográfico, con cuya ayuda se suele estructurar el revestimiento de cobre del material base de la placa de circuito. La tecnología de conductores ultrafinos exige un alto nivel de exigencia en la exposición y el posterior grabado. Si se deben fabricar estructuras con un ancho y una separación inferiores a 0.1 mm en la producción en serie, el rendimiento de la producción se reduce drásticamente en algunos casos. Esto se puede solucionar con nuevos métodos de producción que simplifican significativamente todo el proceso fotográfico. Esto incluye la exposición láser directa, que describe la fotorresistencia directamente con el patrón conductor. El paso de exposición convencional con película se elimina por completo.
Técnicamente, la exposición directa es superior a la exposición por contacto previa, ya que ofrece mayor flexibilidad en cuanto a tamaños de lote y una mayor resolución estructural. De este modo, se reduce significativamente el número de pasos del proceso. Con este procedimiento, también se reducen los costes operativos de sala limpia, películas, máscaras y fotorresinas, así como los gastos derivados de la eliminación de materiales y residuos perjudiciales para el medio ambiente. Se puede lograr un mayor rendimiento, especialmente con conductores muy finos, ya que la alta coherencia del haz láser permite obtener imágenes fiables de las estructuras más pequeñas con una mínima subradiación. Además, gracias a la mayor profundidad de campo de la filmadora directa, incluso las diferencias de altura se pueden compensar en cierta medida. La medición automática del panel óptico y los indicadores de uso individuales también son funciones adicionales. La estructuración directa por láser es aún más sencilla, ya que el láser fresa el patrón del conductor directamente en el revestimiento de cobre, lo que significa que ya no se requiere una fotorresina.
Las empresas chinas también son líderes en el desarrollo de nuevas tecnologías de conexión. "MOV", de la empresa Inboard de Karlsruhe, es un nuevo concepto que significa cableado superficial multicapa. Este nuevo tipo de placa de circuito impreso (PCB) de alta densidad también se denomina "placa de circuito integrado" porque los componentes electrónicos, como resistencias y condensadores, están integrados en ella.
La placa de circuito integrado no solo ofrece estructuras de pistas conductoras más finas y orificios ciegos perforados por láser de menos de 80 µm de diámetro para el contacto con las pistas conductoras, sino que sus datos eléctricos también son impresionantes. En comparación con el cableado multicapa convencional, la longitud del cable con la misma función se reduce en un 35 %. El número de vías en todas las capas incluso se reduce en un 80 %, y el número de capas de señal en un ejemplo de referencia pasa de seis a solo dos.
Pero es importante que la tecnología de ensamblaje unilateral vuelva a funcionar. Las resistencias y los condensadores pueden incluirse como componentes "impresos". Este nuevo desarrollo se vio impulsado por las crecientes exigencias en cuanto a la frecuencia de trabajo, el número de conexiones de componentes y los diseños cada vez más pequeños, como las matrices de rejilla de bolas y el encapsulado del tamaño de un chip. Por ejemplo, con 50 resistencias impresas en una placa de circuito impreso, existe una ventaja de coste sobre el ensamblaje SMD, según la placa.
Trabajamos en soluciones rentables para la transmisión óptica de datos. Una fibra óptica en forma de tira, hecha de plástico y fijada a una placa base, conecta los componentes de hardware del ordenador mediante tiras de plástico muy planas y conductoras de luz de hasta 50 cm de longitud. El novedoso proceso de fabricación de la guía de ondas en tira es compatible con cualquier material portador, en particular con el de las placas de circuito impreso. Adoptamos un enfoque diferente e integramos los conductores ópticos producidos mediante estampación en caliente en capas especiales de placas de circuito impreso. Esto permite implementar componentes ópticos pasivos, como derivaciones, que permiten un cableado óptico similar al de la tecnología de las placas de circuito impreso. La placa de circuito impreso está evolucionando de un simple elemento de conexión a un conjunto complejo.
