Construção de PCB de alta densidade
Os CIs de alta densidade forçam os projetistas de PCBs de alta densidade a encontrar novas estratégias de design para ter mais funcionalidade em placas menores — em produtos para o usuário final — ou muito mais função em peças maiores.
Outra geração de elementos menores em circuitos integrados está a caminho. Estamos falando da faixa de 65 nm, mas alguns fabricantes de CIs já estão desenvolvendo protótipos com elementos de 45 nm. Os menores elementos nos CIs produzidos atualmente, cerca de 90 nm, já entram em conflito com a base física da conexão.
As conexões impressas, ou trilhas, podem ser pequenas até que ocorram problemas de integridade do sinal e distribuição de desempenho no disco. A montagem dos novos chips em cada tipo de placa exigirá algumas estratégias novas, além daquelas usadas no passado.
Esses problemas no projeto de placas de circuito impresso são conhecidos: receber sinais de circuitos integrados e enviá-los aos circuitos integrados, manter a integridade do sinal e distribuir energia aos componentes do disco. Integridade do sinal significa evitar diafonia, que ocorre quando as trilhas estão muito próximas umas das outras, e gerenciar a impedância para evitar reflexões de sinal, que são mais propensas a ocorrer em trilhas muito longas, pois ocorrem em placas de circuito impresso de alta densidade e muito grandes.
Há também uma nova complicação: tempos de subida e descida muito curtos. Mesmo com trilhas muito curtas, podem ocorrer problemas de impedância adicionais.
Cinco anos atrás, um roteador de internet Terabit era um produto de ponta. Ele continha 52 PCBs e tinha meio rack, ou seja, 3 cm de altura, 2 cm de profundidade e 18 cm de largura. Agora, o roteador tem apenas uma PCB e tem apenas 1.5 cm de altura. Se nos tivessem dito na época que um circuito integrado poderia abrigar bilhões de transistores e trilhas compatíveis com 10 Gbps, teríamos rido. Hoje, não sei se existem limites de tamanho e velocidade.
Os problemas de integridade do sinal em discos com circuitos integrados e trilhas menores podem frequentemente ser resolvidos com técnicas conhecidas: gerenciar o tamanho e a separação das trilhas para minimizar a diafonia e construir conexões entre trilhas com resistores apropriados para evitar reflexões. Consideramos milésimos de polegada como largura mínima das trilhas e 7 a 8 milésimos de polegada como a distância mínima entre elas, independentemente de quantos pinos o chip tenha. Ele prefere uma separação de 10 milésimos de polegada.
Novas arquiteturas de PCB
O design de PCBs de alta densidade seguiu dois caminhos. Um leva aos PCBs de alta densidade, usados em celulares, câmeras digitais e outros dispositivos eletrônicos de consumo e domésticos, onde todos os circuitos cabem em uma placa do tamanho de uma unha e a energia deve ser distribuída com parcimônia para estender a vida útil entre as cargas individuais. O outro leva aos PCBs de alto desempenho em supercomputadores, roteadores de altíssima velocidade e sistemas similares.
Nessas minúsculas placas de circuito impresso (PCBs), os projetistas não precisam comprimir componentes em espaços confinados, mas o desempenho com baixos requisitos de energia é fundamental. Placas de circuito impresso maiores operam em velocidades altíssimas. Os dois tipos de discos de alta densidade apresentam problemas diferentes, enquanto os projetistas optam pela próxima geração de CIs com elementos menores.
Para discos de alto desempenho com CIs que têm 1,000, 2,000 ou até mais pinos, os limites físicos impostos pelas conexões padrão provavelmente exigem técnicas de design radicalmente diferentes.
Um exemplo, um autoproclamado evangelista da integridade do sinal, cuja empresa, The Signal, está localizada em Olathe, Kansas, é um PCB 3D em forma de cubo.
Não se trata de uma coleção de camadas empilhadas. Trata-se de um design integrado específico para 3D, onde todos os processos importantes são executados verticalmente em várias camadas de processadores.
Outras técnicas se concentram em laminados. A manipulação do material laminado pode ajudar a reduzir a perda de sinal, e placas muito finas podem suportar conexões mais curtas e em maior número. Alguns laminados de produção recente têm apenas 2 milésimos de polegada de espessura e se tornam mais finos. De acordo com Bogatin, esses laminados podem permitir que os projetistas reduzam pela metade o número de camadas em uma placa de circuito impresso, melhorando o desempenho.
As velocidades de operação de PCBs de alta densidade aumentaram de 10 para 20 MHz na década de 1980 para gigabits por segundo no século XXI. Na década de 21, era possível projetar uma placa de olhos fechados. Agora, é preciso abrir bem os olhos.
Simulação e treinamento
À medida que os painéis se tornam mais complexos e seus fabricantes não querem desperdiçar CIs de 1,500 pinos devido a projetos malfeitos, a simulação e a modelagem são cruciais para as PCBs. Se algo não funcionar, é preciso tomar medidas qualificadas, e não se pode continuar com regras práticas e testadas. Os discos são cada vez mais semelhantes aos ASICs [Circuitos Integrados de Aplicação Específica], e agora precisamos cada vez mais do mesmo tipo de simulação que os CIs. Ferramentas de simulação que geralmente fazem isso já estão disponíveis, mas conjuntos de ferramentas de integridade de desempenho ainda são escassos.
PCB de densidade extremamente alta
A MOKO Technology apresenta a plataforma tecnológica Dencitec, que permite uma densidade extremamente alta de funções integradas para placas de circuito impresso com alto rendimento.
Essas opções incluem larguras de condutor e espaçamento de até 25 μm com espessuras de cobre de 20 ± 5 μm em todas as camadas condutoras, diâmetro de via de laser de 35 μm, anéis residuais com diâmetro de 30 μm nas camadas internas e 20 μm nas camadas externas, vias cegas preenchidas com cobre com possibilidade de empilhamento de vias e vias em pads. Isso deixa mais espaço para a integração de opções adicionais, como fornecimento de energia (baterias, etc.). Além disso, materiais modernos permitem a fabricação de circuitos ultrafinos, como circuitos flexíveis de quatro camadas com espessura total inferior a 120 μm. Em contraste, os processos padrão comumente usados só fornecem bons resultados até larguras de condutor e espaçamentos de 50 μm e processos semiaditivos clássicos, como a tecnologia de filme fino, permitem larguras de condutor e espaçamentos inferiores a 15 μm, mas geralmente são limitados a formatos de produção.
Uma simulação da deposição galvânica de cobre na produção de PCB
Antes de produzirmos um placa de circuito impresso de alta densidade, analisamos cuidadosamente os dados recebidos. É assim que identificamos todos os potenciais efeitos na produção que podem prejudicar a qualidade e a confiabilidade a longo prazo.
Até agora, a galvanoplastia tem sido uma área na qual quase ninguém conseguiu determinar exatamente como um determinado projeto se comportará. A espessura da camada de cobre depositada na placa de circuito depende da densidade do layout. Se a densidade for baixa, corremos o risco de acumular muito; se a densidade for alta, corremos o risco de acumular muito pouco. Uma estrutura de cobre muito forte significa que os furos nos furos se tornam muito pequenos. Uma estrutura de cobre muito baixa significa que as paredes dos furos são muito fracas, de modo que os furos revestidos podem quebrar durante a montagem e perder sua confiabilidade a longo prazo.
O objetivo é obter uma densidade de cobre uniforme e uma estrutura uniforme em toda a placa de circuito. Levamos isso em consideração ao máximo ao posicionar as placas de circuito impresso em nossas instalações de produção. Podemos inserir padrões de cobre adicionais (as chamadas superfícies de compensação) entre e ao redor da placa de circuito para compensar a densidade. No entanto, estamos limitados a esses métodos, pois não podemos modificar o design real da placa de circuito. Somente o desenvolvedor pode fazer isso.
Historicamente, não havia ferramentas de desenvolvimento para determinar a densidade do cobre. Hoje, a MOKO Technology oferece uma solução com uma imagem codificada por cores da placa de circuito impresso, que mostra as áreas potenciais da superestrutura e da subestrutura do cobre.
Utilizamos um software especial de galvano-simulação que divide a placa em pequenas células. A densidade de cobre de cada célula é comparada com a densidade média de cobre de toda a placa de circuito, e uma cor é então atribuída a essa célula. Uma densidade de cobre abaixo da média é colorida em uma escala que varia de verde (médio), amarelo e laranja a vermelho. Quanto mais vermelho, menor a densidade relativa e maior o risco de acúmulo excessivo de cobre nessa área. Células com maior densidade de cobre são coloridas em uma escala que varia de verde a azul escuro. Quanto mais azul, maior o risco de acúmulo insuficiente de cobre.
Munido desses dados visuais, o desenvolvedor pode adicionar áreas de cobre em áreas de baixa densidade ou reduzir grandes áreas de cobre.
Além disso, forneceremos um índice galvanométrico que mede a uniformidade da densidade de cobre na placa de circuito. Uma placa de circuito completamente uniforme tem um índice de 1. Isso significa que não são esperados problemas de galvanoplastia. Valores mais baixos indicam menor uniformidade e são destacados na imagem visualizada por áreas vermelhas e azuis. Se o índice cair para 0.8 ou menos, atenção especial é necessária. No exemplo mostrado acima, o índice galvanométrico é de 0.65. A área azul, que é muito pequena, pode ser vista claramente.
A imagem galvanométrica é criada quando um novo pedido é feito. Esta imagem galvanométrica faz parte da "Imagem PCB", uma representação realista das suas placas de circuito impresso, que lhe enviaremos juntamente com a confirmação do pedido. Em breve, esta simulação fará parte da função de solicitação de preço. Faremos uma série de verificações e criaremos um relatório a partir delas. Com base na imagem galvanométrica, que também foi criada, o projetista poderá verificar se pode fazer alterações para melhorar a uniformidade da sua placa de circuito impresso de alta densidade.
Após a modificação, o índice galvanométrico é de 0.95. A imagem mostra uma deposição uniforme de cobre.
Simulação Galvano – bom padrão de camada de índice galvano – bom índice galvano
É claro que pode haver restrições de projeto que tornem inevitável uma densidade de cobre menos uniforme. Para isso, estamos preparando outra solução para melhorar a qualidade e a confiabilidade da placa de circuito impresso final. O projeto da matriz de ânodo Intellitool da Elsyca melhorará ainda mais a uniformidade da estrutura final de cobre.
Maior densidade de empacotamento para eletrônicos complexos
As placas de circuito impresso de alta densidade precisam acompanhar os avanços dos microchips. Circuitos com alta densidade de empacotamento representam um salto tecnológico, que deve ter consequências tão abrangentes quanto a transição para a montagem em superfície em meados da década de 1980.
A miniaturização progressiva de componentes, chips e sistemas representará um salto tecnológico drástico para a fabricação de placas de circuito impresso nos próximos anos, bem como devido à introdução da montagem em superfície (SMT) em meados da década de 1980. As maiores taxas de crescimento são esperadas atualmente na área de circuitos de alta tecnologia, pois o sucesso da integração dos microchips significa que a tecnologia de conexão também é necessária. O desafio é produzir as melhores estruturas para placas de circuito impresso com alta densidade de integração (High Density Interconnection – HDI) de forma econômica.
Até o momento, os problemas de contato com componentes multipolares foram resolvidos movendo algumas das conexões para uma ou mais camadas de sinal adicionais. No entanto, a produção de circuitos multicamadas (multicamadas) é comparativamente complexa e, portanto, dispendiosa. Contudo, o número de camadas geralmente só pode ser reduzido com o uso de estruturas de padrões de condutores mais finas ou com diâmetros de furos menores. Para conectar eletronicamente as camadas de sinal individuais da placa de circuito entre si, as trilhas de condutores são chamadas de vias, ou seja, furos perfurados e depois metalizados, que conduzem ao próximo nível ou à parte inferior da placa. Como uma placa de circuito impresso pode ter vários milhares de furos, existe um enorme potencial de economia simplesmente reduzindo o diâmetro do furo. Mecanicamente, no entanto, esses microfuros (microvias) com diâmetro inferior a 0.1 mm só podem ser produzidos com lasers, enquanto a perfuração tradicional de 0.2 mm atinge seus limites.
No entanto, as microvias são apenas o primeiro passo para circuitos ainda mais complexos na estruturação de fios finos. As etapas de trabalho particularmente críticas aqui incluem todo o processo fotográfico, com o qual o revestimento de cobre do material base da placa de circuito é geralmente estruturado. A tecnologia de condutores ultrafinos impõe requisitos particularmente altos à exposição e à etapa de gravação subsequente. Se estruturas com largura e espaçamento inferiores a 0.1 mm forem realizadas em série, o rendimento da produção cai drasticamente em alguns casos. Isso pode ser remediado por novos métodos de produção que simplificam significativamente todo o processo fotográfico. Isso inclui a exposição direta a laser, que descreve a fotorresistência diretamente com o padrão do condutor. A etapa de exposição convencional com um filme é completamente eliminada.
Tecnicamente, a exposição direta é superior à exposição prévia por contato, pois oferece maior flexibilidade em relação aos tamanhos de lote e maior resolução da estrutura. O número de etapas do processo pode, portanto, ser significativamente reduzido. Os custos operacionais com sala limpa, filmes e máscaras, fotorresistentes, bem como as despesas resultantes com o descarte de materiais e resíduos nocivos ao meio ambiente também são reduzidos com este procedimento. Maiores rendimentos podem ser obtidos, especialmente com condutores muito finos, uma vez que a alta coerência do feixe de laser permite imagens confiáveis das menores estruturas com sub-radiação mínima. E devido à maior profundidade de campo do imagesetter direto, até mesmo diferenças de altura podem ser compensadas até certo ponto. Medição automática do painel óptico e indicadores de uso individuais também são concebíveis como funções adicionais. A estruturação direta a laser é ainda mais fácil, na qual o laser fresa o padrão do condutor diretamente no revestimento de cobre, o que significa que um resiste não é mais necessário.
As empresas chinesas também são líderes no desenvolvimento de novas tecnologias de conexão. "MOV", da empresa Inboard, de Karlsruhe, é um novo conceito e significa fiação de superfície multicamadas. Este novo tipo de placa de circuito impresso de alta densidade também é chamado de "placa de circuito integral" porque componentes eletrônicos, como resistores e capacitores, são integrados à placa de circuito.
A placa de circuito integrado não só oferece estruturas de trilhas de condutores mais finas e furos cegos perfurados a laser com menos de 80 µm de diâmetro para contato com as trilhas de condutores, como também os dados elétricos são impressionantes. Em comparação com a fiação multicamadas convencional, o comprimento do cabo com a mesma função é reduzido em 35%. O número de vias em todas as camadas é ainda reduzido em 80%, com o número de camadas de sinal em um exemplo de referência de seis para apenas duas.
Mas é importante que você possa se virar novamente com a tecnologia de montagem unilateral. Resistores e capacitores podem ser incluídos como componentes "impressos". Esse novo desenvolvimento foi impulsionado pelas crescentes demandas de frequência de trabalho, pelo número de conexões de componentes e por designs cada vez menores, como matrizes de esferas e encapsulamento de tamanho de chip. Por exemplo, com 50 resistores impressos em uma placa de circuito impresso, há uma vantagem de custo em relação à montagem SMD, de acordo com a placa interna.
Estamos trabalhando em soluções econômicas para transmissão óptica de dados. Uma fibra óptica em forma de tira, feita de plástico, acoplada a um chamado backplane, conecta os componentes de hardware do computador por meio de tiras plásticas planas e condutoras de luz, de até 50 cm de comprimento. O novo processo de fabricação da guia de onda em tira é adequado para qualquer material de suporte, em particular para placas de circuito impresso. Adotamos uma abordagem diferente e integramos os condutores ópticos produzidos por estampagem a quente em camadas especiais da placa de circuito. Isso permite a implementação de componentes ópticos passivos, como derivações, que permitem a fiação óptica análoga à tecnologia de placas de circuito elétrico. A placa de circuito está evoluindo de um simples elemento de conexão para uma montagem complexa.
