Costruzione di PCB ad alta densità
I circuiti integrati ad alta densità costringono i progettisti di PCB ad alta densità a trovare nuove strategie di progettazione per avere più funzionalità su piastre più piccole (nei prodotti per gli utenti finali) o molte più funzioni su parti più grandi.
È in arrivo un'altra generazione di elementi più piccoli per i circuiti integrati. Si tratta di una tecnologia nell'ordine dei 65 nm, ma alcuni produttori di circuiti integrati stanno già sviluppando prototipi con elementi a 45 nm. Gli elementi più piccoli presenti nei circuiti integrati attualmente in produzione, circa 90 nm, sono già in conflitto con la base fisica della connessione.
Le connessioni stampate, o tracce, possono essere di piccole dimensioni solo finché non si verificano problemi di integrità del segnale e di distribuzione delle prestazioni sul disco. L'assemblaggio dei nuovi chip su ciascun tipo di piastra richiederà sia alcune nuove strategie, sia quelle utilizzate in passato.
Questi problemi nella progettazione dei circuiti stampati sono noti: ricevere i segnali dai circuiti integrati e inviarli agli stessi, mantenere l'integrità del segnale e distribuire l'alimentazione ai componenti del disco. L'integrità del segnale significa evitare la diafonia, che si verifica quando le tracce sono troppo vicine tra loro, e gestire l'impedenza per evitare riflessioni del segnale che sono più probabili in tracce troppo lunghe perché si verificano su piastre PCB molto grandi e ad alta densità.
C'è anche una nuova complicazione: tempi di salita e discesa molto brevi. Quindi, anche con binari molto brevi, potrebbero verificarsi potenziali problemi di impedenza aggiuntivi.
Cinque anni fa, un router Internet da Terabit era un prodotto di punta. Conteneva 52 PCB ed era alto mezzo rack, ovvero 3 cm, profondo 2 cm e largo 18 cm. Ora il router ha un solo PCB ed è alto solo 1.5 cm. Se all'epoca ci avessero detto che un circuito integrato poteva ospitare miliardi di transistor e tracce compatibili con 10 Gbps, avremmo riso. Ora non so se ci siano limiti di dimensioni e velocità.
I problemi di integrità del segnale su dischi con circuiti integrati e tracce più piccoli possono spesso essere gestiti con tecniche familiari: gestire le dimensioni e la separazione delle tracce per ridurre al minimo la diafonia e realizzare connessioni tra le tracce con resistori appropriati per evitare riflessioni. Consideriamo millesimi di pollice come larghezza minima delle tracce e da 7 a 8 millesimi di pollice come distanza minima tra di esse, indipendentemente dal numero di pin di un chip. Egli preferisce una separazione di 10 millesimi di pollice.
Nuove architetture PCB
La progettazione di PCB ad alta densità ha seguito due strade. Una ha portato alla creazione di PCB ad altissima densità, utilizzati in telefoni cellulari, fotocamere digitali e altri dispositivi elettronici di consumo e domestici, dove tutti i circuiti sono contenuti in una scheda delle dimensioni di un'unghia e l'alimentazione deve essere distribuita con parsimonia per prolungare la durata tra una ricarica e l'altra. L'altra ha portato alla creazione di PCB ad alte prestazioni in supercomputer, router ad altissima velocità e sistemi simili.
Su questi PCB minuscoli, i progettisti non devono comprimere i componenti in spazi ristretti, ma le prestazioni con bassi consumi sono fondamentali. I PCB più grandi operano a velocità molto elevate. I due tipi di dischi ad alta densità presentano problemi diversi, mentre i progettisti passano alla prossima generazione di circuiti integrati con elementi più piccoli.
Per i dischi ad alte prestazioni con circuiti integrati dotati di 1,000, 2,000 o anche più pin, i limiti fisici imposti dalle connessioni standard richiedono probabilmente tecniche di progettazione radicalmente diverse.
Un esempio è un autoproclamato evangelista dell'integrità del segnale, la cui azienda, The Signal, ha sede a Olathe, Kansas, e produce un PCB 3D a forma di cubo.
Non si tratta di un insieme di livelli sovrapposti. È un progetto integrato specifico del 3D, in cui tutti i processi importanti vengono eseguiti verticalmente su più livelli di processori.
Altre tecniche si concentrano sui laminati. La manipolazione del materiale laminato può contribuire a ridurre la perdita di segnale, e piastre molto sottili possono supportare connessioni più corte e numerose. Alcuni laminati di nuova produzione hanno uno spessore di soli 2 millesimi di pollice 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 operative dei PCB ad alta densità sono aumentate da 10 a 20 MHz negli anni '1980, fino a raggiungere i gigabit al secondo nel XXI secolo. Negli anni '21, si poteva progettare una piastra a occhi chiusi. Ora bisogna spalancare entrambi gli occhi.
Simulazione e formazione
Con la crescente complessità dei pannelli e la necessità per i produttori di evitare di sprecare circuiti integrati da 1,500 pin a causa di una progettazione inadeguata, la simulazione e la modellazione sono fondamentali per i PCB. Se qualcosa non funziona, è necessario intervenire con competenza e non ci si può basare su regole empiriche consolidate. I dischi sono sempre più simili agli ASIC [Application Specific Integrated Circuits] e ora abbiamo sempre più bisogno dello stesso tipo di simulazione che utilizziamo per i circuiti integrati. Sono ora disponibili strumenti di simulazione che generalmente lo fanno, ma mancano ancora set di strumenti per l'integrità delle prestazioni.
PCB ad altissima densità
MOKO Technology presenta la piattaforma tecnologica Dencitec, che consente una densità estremamente elevata di funzioni integrate per circuiti stampati ad alta produttività.
Queste opzioni includono larghezze di conduttori e spaziature fino a 25 μm con spessori di rame di 20 ± 5 μm su tutti gli strati conduttivi, diametro del via laser di 35 μm, anelli residui con diametro di 30 μm sugli strati interni e 20 μm su quelli esterni, via cieche riempite di rame con possibilità di impilamento dei via e via in pad. Ciò lascia più spazio per l'integrazione di opzioni aggiuntive come l'alimentazione (batterie, ecc.). Inoltre, i materiali moderni consentono la produzione di circuiti ultrasottili, come i circuiti flessibili a quattro strati con uno spessore totale inferiore a 120 μm. Al contrario, i processi standard comunemente utilizzati offrono buoni risultati solo fino a larghezze di conduttori e spaziature di 50 μm e i classici processi semi-additivi come la tecnologia a film sottile consentono larghezze di conduttori e spaziature inferiori a 15 μm, ma sono generalmente limitati ai formati di produzione.
Una simulazione della deposizione galvanica di rame nella produzione di PCB
Prima di produrre un scheda PCB ad alta densitàAnalizziamo attentamente i dati ricevuti. In questo modo individuiamo tutti i potenziali effetti sulla produzione che potrebbero compromettere la qualità e l'affidabilità a lungo termine.
Finora, la galvanica è stata un campo in cui quasi nessuno è stato in grado di determinare con esattezza il comportamento di un particolare progetto. Lo spessore dello strato di rame depositato sul circuito stampato dipende dalla densità del layout. Se la densità è bassa, si rischia di accumularne troppo; se la densità è alta, si rischia di accumularne troppo poco. Una struttura in rame troppo resistente significa che i fori nei fori diventano troppo piccoli. Una struttura in rame troppo bassa significa che le pareti dei fori sono troppo fragili, quindi i fori passanti possono rompersi durante l'assemblaggio e perdere la loro affidabilità a lungo termine.
L'obiettivo è una densità di rame uniforme e una struttura uniforme su tutto il circuito stampato. Teniamo conto di questo aspetto il più possibile quando posizioniamo i circuiti stampati sui nostri prodotti. Possiamo posizionare ulteriori pattern di rame (le cosiddette superfici di compensazione) tra e intorno al circuito stampato per compensare la densità. Tuttavia, siamo limitati a questi metodi perché non possiamo modificare il design effettivo del circuito stampato. Solo lo sviluppatore può farlo.
Storicamente, non esistevano 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 suddivide la scheda in piccole celle. La densità di rame di ciascuna cella viene confrontata con la densità media di rame dell'intero circuito stampato e a ciascuna cella viene assegnato un colore. Una densità di rame inferiore alla media viene colorata su una scala che va dal verde (media), al giallo e all'arancione, fino al rosso. Più rosso è il colore, minore è la densità relativa e maggiore è il rischio di un eccessivo accumulo di rame in quest'area. Le celle con una densità di rame più elevata vengono colorate su una scala che va dal verde al blu scuro. Più blu è il colore, maggiore è il rischio di un accumulo di rame insufficiente.
Grazie a questi dati visivi, lo sviluppatore può aggiungere aree in rame nelle aree a bassa densità o ridurre le aree in rame di grandi dimensioni.
Inoltre, forniremo un indice galvanico che misura l'uniformità della densità del rame sul circuito stampato. Un circuito stampato completamente uniforme ha un indice pari a 1. Ciò significa che non sono previsti problemi di galvanizzazione. Valori inferiori indicano una minore uniformità e sono evidenziati nell'immagine visualizzata da aree rosse e blu. Se l'indice scende a 0.8 o meno, è necessaria particolare attenzione. Nell'esempio mostrato sopra, l'indice galvanico è 0.65. L'area blu, che è troppo piccola, è chiaramente visibile.
L'immagine galvanica viene creata al momento dell'inserimento di un nuovo ordine. Questa immagine galvanica fa parte di "Immagine PCB", una rappresentazione realistica dei vostri circuiti stampati, che vi invieremo insieme alla conferma d'ordine. A breve, questa simulazione entrerà a far parte della funzione di richiesta prezzo. Effettueremo una serie di controlli e creeremo un report. Sulla base dell'immagine galvanica, anch'essa creata, il progettista potrà valutare se apportare modifiche per migliorare l'uniformità del suo circuito stampato ad alta densità.
Dopo la modifica, l'indice galvanico è 0.95. L'immagine mostra una deposizione uniforme di rame.
Simulazione galvanica – buon indice galvanico modello di strato – buon indice galvanico
Naturalmente, potrebbero esserci limitazioni di progettazione che rendono inevitabile una densità del rame meno uniforme. Per questo motivo, 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 del rame.
Maggiore densità di imballaggio per componenti elettronici complessi
Le schede PCB ad alta densità devono tenere il passo con i progressi dei microchip. I circuiti ad alta densità di impacchettamento rappresentano un balzo tecnologico, che dovrebbe avere conseguenze di vasta portata quanto la transizione al montaggio superficiale a metà degli anni Ottanta.
La progressiva miniaturizzazione di componenti, chip e sistemi comporterà un drastico salto tecnologico per la produzione di circuiti stampati nei prossimi anni, anche grazie all'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, poiché il successo dell'integrazione dei microchip richiede anche la tecnologia di connessione. La sfida consiste nel produrre le strutture più sottili per circuiti stampati con elevata densità di integrazione (High Density Interconnection – HDI) a costi contenuti.
Finora, i problemi di contatto con i componenti multipolari sono stati risolti spostando alcune delle connessioni su uno o più strati di segnale aggiuntivi. Tuttavia, la produzione di circuiti multistrato (multilayer) è relativamente complessa e quindi costosa. Tuttavia, il numero di strati può essere generalmente ridotto solo utilizzando strutture di conduttori più fini o diametri di foratura più piccoli. Per collegare elettronicamente i singoli strati di segnale del circuito stampato tra loro, le piste conduttrici sono chiamate via, ovvero fori forati e poi metallizzati, condotti al livello successivo o alla parte inferiore della piastra. Poiché un circuito stampato può avere diverse migliaia di fori, esiste un enorme potenziale di risparmio semplicemente riducendone il diametro. Meccanicamente, tuttavia, tali microfori (microvia) con un diametro inferiore a 0.1 mm possono essere prodotti solo con il laser, mentre la foratura tradizionale a 0.2 mm raggiunge i suoi limiti.
Tuttavia, le microvie rappresentano solo il primo passo verso circuiti ancora più complessi nella strutturazione a filo sottile. Le fasi di lavoro particolarmente critiche in questo caso includono l'intero processo fotografico, con l'ausilio del quale viene solitamente strutturato il rivestimento in rame del materiale di base del circuito stampato. La tecnologia dei conduttori ultrasottili impone requisiti particolarmente elevati per l'esposizione e la successiva fase di incisione. Se si devono realizzare strutture con larghezza e spaziatura inferiori a 0.1 mm in serie, la resa produttiva in alcuni casi diminuisce drasticamente. Questo problema può essere risolto mediante nuovi metodi di produzione che semplificano significativamente l'intero processo fotografico. Tra questi, l'esposizione laser diretta, che descrive il fotoresist direttamente con il pattern del conduttore. La fase di esposizione convenzionale con pellicola viene completamente eliminata.
Dal punto di vista tecnico, l'esposizione diretta è superiore alla precedente esposizione a contatto perché offre maggiore flessibilità in termini di dimensioni dei lotti e una maggiore risoluzione strutturale. Il numero di fasi di processo può quindi essere significativamente ridotto. Anche i costi di gestione per camera bianca, pellicole e maschere, fotoresist, nonché le conseguenti spese per lo smaltimento di materiali e residui nocivi per l'ambiente, vengono ridotti con questa procedura. Rendimenti più elevati possono essere ottenuti soprattutto con conduttori molto sottili, poiché l'elevata coerenza del raggio laser consente l'imaging affidabile delle strutture più piccole con una minima sottoirradiazione. Inoltre, grazie alla maggiore profondità di campo dell'unità di fotocomposizione diretta, anche le differenze di altezza possono essere compensate in una certa misura. Sono inoltre possibili funzioni aggiuntive come la misurazione automatica del pannello ottico e gli indicatori di utilizzo individuali. La strutturazione laser diretta è ancora più semplice, in quanto il laser fresa il pattern del conduttore direttamente nel rivestimento in rame, il che significa che non è più necessario un resist.
Le aziende cinesi sono leader anche nello sviluppo di nuove tecnologie di connessione. "MOV" dell'azienda di Karlsruhe Inboard è un nuovo concetto e sta per "multi-layer surface wiring". Questo nuovo tipo di circuito stampato ad alta densità è anche chiamato "integral circuit board" perché componenti elettronici come resistori e condensatori sono integrati al suo interno.
Il circuito integrato non solo offre strutture più sottili delle piste conduttrici e fori ciechi forati al laser con diametro inferiore a 80 µm per il contatto delle piste conduttrici, ma anche i dati elettrici sono impressionanti. Rispetto al cablaggio multistrato convenzionale, la lunghezza del cavo con la stessa funzione è ridotta del 35%. Il numero di vie attraverso tutti gli strati è addirittura ridotto dell'80%, mentre il numero di strati di segnale in un esempio di riferimento è passato da sei a soli due.
Ma è importante che si possa tornare a utilizzare la tecnologia di assemblaggio unilaterale. Resistori e condensatori possono essere integrati come componenti "stampati". Questo nuovo sviluppo è stato innescato dalle crescenti esigenze in termini di frequenza di lavoro, numero di connessioni dei componenti e design sempre più compatti, come i BGA (Ball Grid Array) e il packaging di dimensioni chip. Ad esempio, con 50 resistori stampati su un circuito stampato, si ottiene un vantaggio in termini di costi rispetto all'assemblaggio SMD, secondo l'azienda.
Stiamo lavorando a soluzioni economiche per la trasmissione ottica dei dati. Una fibra ottica a striscia in plastica, fissata a un cosiddetto backplane, collega i componenti hardware del computer tramite strisce di plastica estremamente piatte e fotoconduttrici, lunghe fino a 50 cm. Il nuovo processo di produzione per la guida d'onda a striscia è adatto a qualsiasi materiale di supporto, in particolare ai materiali per circuiti stampati. Adottiamo un approccio diverso e integriamo i conduttori ottici prodotti tramite stampaggio a caldo in speciali strati del circuito stampato. Ciò consente l'implementazione di componenti ottici passivi, come le derivazioni, che consentono un cablaggio ottico analogo alla tecnologia dei circuiti stampati elettrici. Il circuito stampato si sta evolvendo da un semplice elemento di collegamento a un assemblaggio complesso.
