PCB-constructie met hoge dichtheid
IC's met een hoge dichtheid dwingen ontwerpers van PCB's met een hoge dichtheid om nieuwe ontwerpstrategieën te vinden om óf meer functionaliteit op kleinere platen te krijgen – in eindgebruikersproducten – óf veel meer functies op grotere onderdelen.
Een nieuwe generatie kleinere elementen op geïntegreerde schakelingen is onderweg. Deze bevindt zich in het 65 nm-bereik, maar sommige IC-fabrikanten ontwikkelen al prototypes met elementen van 45 nm. De kleinste elementen in de momenteel geproduceerde IC's, rond de 90 nm, botsen al met de fysieke basis van de verbinding.
Geprinte verbindingen, of sporen, kunnen slechts klein zijn totdat er problemen met de signaalintegriteit en prestatieverdeling op de schijf optreden. De assemblage van de nieuwe chips op elk plaattype vereist zowel nieuwe strategieën als strategieën die in het verleden zijn gebruikt.
Deze problemen bij het ontwerpen van printplaten zijn bekend: het ontvangen van signalen van IC's en het doorsturen ervan naar IC's, het handhaven van de signaalintegriteit en het verdelen van de stroom naar de componenten van de schijf. Signaalintegriteit betekent het vermijden van overspraak, wat optreedt wanneer sporen te dicht op elkaar liggen, en het beheren van de impedantie om signaalreflecties te voorkomen die vaker voorkomen in een te lang spoor omdat ze voorkomen op zeer grote PCB-platen met hoge dichtheid.
Er is ook een nieuwe complicatie: zeer korte stijg- en daaltijden. Zelfs bij zeer korte sporen kunnen er dan potentieel extra impedantieproblemen optreden.
Vijf jaar geleden was een Terabit internetrouter een topproduct. Hij bevatte 52 printplaten en was een half rack van 3 centimeter hoog, 2 centimeter diep en 18 centimeter breed. Nu heeft de router slechts één printplaat en is hij slechts 1.5 centimeter hoog. Als ons destijds was verteld dat een IC miljarden transistors en 10 Gbps-compatibele sporen kon bevatten, hadden we ons rot gelachen. Nu weet ik niet of er überhaupt beperkingen zijn qua grootte en snelheid.
De problemen met de signaalintegriteit op schijven met kleinere IC's en sporen kunnen vaak worden opgelost met bekende technieken: het beheren van de spoorgrootte en -afstand om overspraak te minimaliseren en het construeren van spoorverbindingen met geschikte weerstanden om reflecties te voorkomen. We beschouwen duizendsten van een inch als minimale spoorbreedte en 7 tot 8 duizendsten van een inch als de minimale afstand ertussen, ongeacht het aantal pinnen van een chip. Hij geeft de voorkeur aan een afstand van tienduizendsten van een inch.
Nieuwe PCB-architecturen
Het ontwerp van PCB's met hoge dichtheid heeft twee richtingen gevolgd. De ene leidt tot PCB's met een zeer hoge dichtheid, die worden gebruikt in mobiele telefoons, digitale camera's en andere consumenten- en thuiselektronica, waarbij alle circuits op een printplaat ter grootte van een duimnagel passen en de stroom spaarzaam moet worden verdeeld om de levensduur tussen afzonderlijke ladingen te verlengen. De andere leidt tot hoogwaardige PCB's in supercomputers, extreem snelle routers en vergelijkbare systemen.
Op deze kleine PCB's hoeven PCB-ontwerpers componenten niet in kleine ruimtes te proppen, maar draait het om prestaties met een laag stroomverbruik. Grotere PCB's werken op zeer hoge snelheden. De twee typen high-density schijven hebben verschillende problemen, terwijl ontwerpers de schaal aanpassen naar de volgende generatie IC's met kleinere elementen.
Voor hoogwaardige schijven met IC's met 1,000, 2,000 of zelfs meer pinnen vereisen de fysieke beperkingen die worden opgelegd door standaardverbindingen waarschijnlijk radicaal andere ontwerptechnieken.
Een voorbeeld is een zelfverklaarde evangelist voor signaalintegriteit, wiens bedrijf, The Signal, gevestigd is in Olathe, Kansas. Hij ontwerpt een kubusvormige 3D-printplaat.
Dit is geen verzameling gestapelde lagen. Het is een geïntegreerd ontwerp dat specifiek is voor 3D, waarbij alle belangrijke processen verticaal over meerdere processorlagen lopen.
Andere technieken richten zich op laminaten. Manipulatie van laminaatmateriaal kan signaalverlies helpen verminderen, en zeer dunne platen kunnen kortere en meer verbindingen ondersteunen. Sommige nieuwe productielaminaten zijn slechts 2 duizendste van een inch dik en worden steeds dunner. Volgens Bogatin kunnen ontwerpers met deze laminaten het aantal lagen op een PCB halveren en tegelijkertijd de prestaties verbeteren.
De werksnelheid van PCB's met hoge dichtheid steeg van 10 naar 20 MHz in de jaren 1980 tot gigabit per seconde in de 21e eeuw. In de jaren 1980 kon je een printplaat ontwerpen met je ogen dicht. Nu moet je beide ogen wijd open doen.
Simulatie en training
Omdat panelen complexer worden en fabrikanten geen 1,500-pins IC's willen verspillen vanwege een slecht ontwerp, zijn simulatie en modellering cruciaal voor PCB's. Als iets niet werkt, moet je gekwalificeerde maatregelen nemen en kun je niet langer volhouden met beproefde vuistregels. Schijven lijken steeds meer op ASIC's [Application Specific Integrated Circuits], en we hebben nu steeds vaker dezelfde soort simulatie nodig als voor IC's. Simulatietools die dit doorgaans doen, zijn nu beschikbaar, maar toolsets voor prestatie-integriteit ontbreken nog.
PCB met extreem hoge dichtheid
MOKO Technology toont het technologieplatform Dencitec, dat een extreem hoge dichtheid aan geïntegreerde functies voor printplaten met hoge throughput mogelijk maakt.
Deze opties omvatten geleider- en afstandsbreedtes tot 25 μm met koperdiktes van 20 ± 5 μm op alle geleidende lagen, laservia-diameter van 35 μm, restringen met een diameter van 30 μm op de binnenste lagen en 20 μm op de buitenste lagen, kopergevulde blinde via's met de mogelijkheid van via-stapeling en via's in pads. Dit laat meer ruimte over voor de integratie van extra opties zoals energievoorziening (batterijen, enz.). Bovendien maken moderne materialen de productie van ultradunne circuits mogelijk, zoals vierlaagse flexcircuits met een totale dikte van minder dan 120 μm. Daarentegen leveren veelgebruikte standaardprocessen alleen goede resultaten tot geleiderbreedtes en -afstanden van 50 μm en klassieke semi-additieve processen zoals dunnefilmtechnologie maken geleiderbreedtes en -afstanden van minder dan 15 μm mogelijk, maar zijn over het algemeen beperkt tot productieformaten.
Een simulatie van de galvanische koperafzetting in de PCB-productie
Voordat we een PCB-plaat met hoge dichtheidWe analyseren de ontvangen gegevens zorgvuldig. Zo achterhalen we alle mogelijke effecten op de productie die de kwaliteit en betrouwbaarheid op lange termijn zouden kunnen aantasten.
Tot nu toe was galvaniseren een vakgebied waarin vrijwel niemand precies kon bepalen hoe een bepaald ontwerp zich zou gedragen. De dikte van de koperlaag die op de printplaat wordt aangebracht, hangt af van de lay-outdichtheid. Bij een lage dichtheid lopen we het risico te veel te bouwen; bij een hoge dichtheid lopen we het risico te weinig te bouwen. Een te sterke koperstructuur betekent dat de gaten in de gaten te klein worden. Een te lage koperstructuur betekent dat de wanden van de gaten te zwak zijn, waardoor de doorgeplateerde gaten tijdens de montage kunnen breken en hun betrouwbaarheid op lange termijn verliezen.
Het doel is een uniforme koperdichtheid en een uniforme structuur over de gehele printplaat. Bij het plaatsen van de printplaten op onze productieplatformen houden we hier zoveel mogelijk rekening mee. We kunnen extra koperpatronen (zogenaamde compensatievlakken) tussen en rond de printplaat aanbrengen om de dichtheid te compenseren. We zijn echter beperkt tot deze methoden, omdat we het ontwerp van de printplaat zelf niet kunnen aanpassen. Dit kan alleen de ontwikkelaar.
Historisch gezien bestonden er geen ontwikkelaarstools om de koperdichtheid te bepalen. Tegenwoordig biedt MOKO Technology een oplossing met een kleurgecodeerde afbeelding van de printplaat, die de potentiële gebieden van de boven- en onderstructuur van koper laat zien.
We gebruiken speciale galvanosimulatiesoftware die de printplaat in kleine cellen verdeelt. De koperdichtheid van elke cel wordt vergeleken met de gemiddelde koperdichtheid van de gehele printplaat en vervolgens wordt aan deze cel een kleur toegekend. Een koperdichtheid lager dan gemiddeld wordt gekleurd op een schaal van groen (gemiddeld), geel en oranje tot rood. Hoe meer rood, hoe lager de relatieve dichtheid en hoe groter het risico op overmatige koperopbouw in dit gebied. Cellen met een hogere koperdichtheid worden gekleurd op een schaal van groen tot donkerblauw. Hoe meer blauw, hoe groter het risico op onvoldoende koperopbouw.
Gewapend met deze visuele gegevens kan de ontwikkelaar koperoppervlakken toevoegen op plekken met een lage dichtheid of grote koperoppervlakken verkleinen.
Daarnaast bieden we een galvano-index aan die de uniformiteit van de koperdichtheid op de printplaat meet. Een volledig uniforme printplaat heeft index 1. Dit betekent dat er geen galvanisatieproblemen te verwachten zijn. Lagere waarden tonen een mindere uniformiteit en worden in de gevisualiseerde afbeelding gemarkeerd door rode en blauwe vlakken. Als de index daalt tot 0.8 of lager, is speciale aandacht vereist. In het bovenstaande voorbeeld is de galvano-index 0.65. Het blauwe vlak, dat te klein is, is duidelijk zichtbaar.
Het galvano-beeld wordt gemaakt wanneer een nieuwe bestelling wordt geplaatst. Dit galvano-beeld maakt deel uit van "PCB Image", een realistische weergave van uw printplaten, die we u samen met de orderbevestiging toesturen. Binnenkort wordt deze simulatie onderdeel van de prijsaanvraagfunctie. We voeren een aantal controles uit en maken hiervan een rapport. Op basis van het galvano-beeld, dat ook is gemaakt, kan de ontwerper zien of hij wijzigingen kan aanbrengen om de uniformiteit van zijn PCB met hoge dichtheid te verbeteren.
Na de modificatie bedraagt de galvano-index 0.95. De afbeelding toont een uniforme koperafzetting.
Galvano-simulatie – goed galvano-indexlaagpatroon – goede galvano-index
Natuurlijk kunnen er ontwerpbeperkingen zijn die een minder uniforme koperdichtheid onvermijdelijk maken. Hiervoor bereiden we een andere oplossing voor om de kwaliteit en betrouwbaarheid van de voltooide printplaat te verbeteren. Het Elsyca Intellitool anodematrixproject zal de uniformiteit van de uiteindelijke koperstructuur verder verbeteren.
Meer pakkingsdichtheid voor complexe elektronica
De PCB's met hoge dichtheid moeten gelijke tred houden met de ontwikkelingen op het gebied van microchips. Circuits met een hoge pakkingsdichtheid vertegenwoordigen een technologische sprong voorwaarts, die net zulke verstrekkende gevolgen zou moeten hebben als de overgang naar oppervlaktemontage halverwege de jaren tachtig.
De voortschrijdende miniaturisatie van componenten, chips en systemen zal de komende jaren een drastische technologische sprong betekenen voor de productie van printplaten, mede dankzij de introductie van surface mounting (SMT) halverwege de jaren tachtig. De hoogste groeicijfers zijn momenteel te verwachten op het gebied van hightech schakelingen, omdat het integratiesucces van microchips ook de verbindingstechnologie vereist. De uitdaging is om op een economische manier de fijnste structuren voor printplaten met een hoge integratiedichtheid (High Density Interconnection – HDI) te produceren.
Tot nu toe zijn de contactproblemen met meerpolige componenten opgelost door een deel van de verbindingen te verplaatsen naar een of meer extra signaallagen. De productie van meerlaagse schakelingen (multilayer) is echter relatief complex en daardoor kostbaar. Het aantal lagen kan echter over het algemeen alleen worden verminderd door fijnere geleiderpatronen of kleinere gatdiameters te gebruiken. Om de afzonderlijke signaallagen van de printplaat elektronisch met elkaar te verbinden, worden de geleiderbanen via zogenaamde via's (geboorde en vervolgens gemetalliseerde gaten) naar het volgende niveau of de onderkant van de plaat geleid. Omdat een printplaat enkele duizenden gaten kan bevatten, is er een enorm besparingspotentieel door simpelweg de gatdiameter te verkleinen. Mechanisch gezien kunnen dergelijke microgaten (microvia's) met een diameter kleiner dan 0.1 mm echter alleen met lasers worden geproduceerd, terwijl traditioneel boren met 0.2 mm zijn grenzen bereikt.
Microvia's vormen echter slechts de eerste stap naar nog complexere schakelingen in fijndraadstructurering. De bijzonder kritische werkstappen omvatten hierbij het volledige fotoproces, waarmee de koperen bekleding van het basismateriaal van de printplaat doorgaans wordt gestructureerd. De ultrafijne geleidertechnologie stelt bijzonder hoge eisen aan de belichting en de daaropvolgende etsstap. Wanneer structuren met een breedte en afstand van minder dan 0.1 mm in serieproductie moeten worden gerealiseerd, daalt het productierendement in sommige gevallen dramatisch. Dit kan worden verholpen door nieuwe productiemethoden die het volledige fotoproces aanzienlijk vereenvoudigen. Een voorbeeld hiervan is directe laserbelichting, waarbij de fotoresist direct met het geleiderpatroon wordt beschreven. De conventionele belichtingsstap met een film vervalt volledig.
Technisch gezien is directe belichting superieur aan eerdere contactbelichting, omdat het meer flexibiliteit biedt met betrekking tot batchgroottes en een hogere structuurresolutie. Het aantal processtappen kan daardoor aanzienlijk worden verminderd. Ook de bedrijfskosten voor cleanrooms, films en maskers, fotoresists en de daaruit voortvloeiende kosten voor de afvoer van milieubelastende materialen en residuen worden met deze procedure verlaagd. Hogere opbrengsten kunnen worden behaald, vooral met zeer fijne geleiders, omdat de hoge coherentie van de laserstraal een betrouwbare beeldvorming van de kleinste structuren mogelijk maakt met minimale onderstraling. En dankzij de hogere scherptediepte van de directe belichter kunnen zelfs hoogteverschillen tot op zekere hoogte worden gecompenseerd. Automatische optische paneelmeting en individuele gebruiksindicatoren zijn ook als extra functies denkbaar. Nog eenvoudiger is laserdirectstructurering, waarbij de laser het geleiderpatroon direct in de koperen mantel freest, waardoor een resist niet langer nodig is.
Chinese bedrijven lopen ook voorop in de ontwikkeling van nieuwe verbindingstechnologieën. "MOV" van het bedrijf Inboard uit Karlsruhe is een nieuw concept en staat voor multi-layer surface wiring. Dit nieuwe type PCB-printplaat met hoge dichtheid wordt ook wel een "integral circuit board" genoemd, omdat elektronische componenten zoals weerstanden en condensatoren in de printplaat zijn geïntegreerd.
De geïntegreerde schakeling biedt niet alleen fijnere geleiderbaanstructuren en lasergeboorde blinde gaten met een diameter van minder dan 80 µm voor het contact met de geleiderbanen, maar ook de elektrische specificaties zijn indrukwekkend. Vergeleken met conventionele meerlaagse bedrading is de kabellengte bij dezelfde functie met 35% verminderd. Het aantal via's door alle lagen is zelfs met 80% verminderd; het aantal signaallagen in een referentievoorbeeld van zes naar slechts twee.
Maar het is belangrijk dat je weer met eenzijdige assemblagetechnologie kunt werken. Weerstanden en condensatoren kunnen als "geprinte" componenten worden opgenomen. Deze nieuwe ontwikkeling is in gang gezet door de toenemende eisen aan de werkfrequentie, het aantal componentaansluitingen en steeds kleinere ontwerpen zoals ball grid array en chipformaatverpakkingen. Met 50 geprinte weerstanden op een printplaat is er bijvoorbeeld een kostenvoordeel ten opzichte van SMD-assemblage, aldus de inboard.
We werken aan kosteneffectieve oplossingen voor optische datatransmissie. Een stripvormige optische vezel van kunststof, bevestigd aan een zogenaamde backplane, verbindt hardwarecomponenten in de computer via zeer platte, lichtgeleidende kunststof strips tot 50 cm lang. Het nieuwe productieproces voor de stripgolfgeleider is geschikt voor alle dragermaterialen, met name voor printplaatmaterialen. Wij pakken het anders aan en integreren de door middel van hot stamping geproduceerde optische geleiders in speciale printplaatlagen. Dit maakt het mogelijk om passieve optische componenten zoals aftakkingen te implementeren, die optische bedrading mogelijk maken analoog aan de elektrische printplaattechnologie. De printplaat evolueert van een eenvoudig verbindingselement naar een complexe constructie.
