Guía completa de PCBs HDI: Diseño, ventajas y aplicaciones

Las placas de circuito impreso de alta densidad de interconexión (High Density Interconnect, por sus siglas en inglés)  o HDI PCBs son circuitos impresos con una mayor densidad de conexiones por unidad de área en comparación con las PCBs tradicionales. Los HDI ofrecen interconexiones y componentes más densos, trazos y espacios más finos, y una mayor densidad de almohadillas de conexión. Además, tienen vias y trazos más pequeños, y un mayor número de capas. Una única PCB HDI puede albergar las funcionalidades de varias placas utilizadas anteriormente en un dispositivo. Son la opción preferida para placas laminadas de muchas capas y de alto costo. Las PCBs HDI requieren procesos de fabricación y ensamblaje diferentes a los de los circuitos impresos tradicionales. Sin embargo, presentan mayores costos de fabricación, diseños más complejos, reparaciones y ajustes más difíciles, y problemas de fabricabilidad.

Consejos de diseño para PCBs HDI:

1- Seleccione el tipo de vias para minimizar la complejidad del proceso

La elección adecuada del tipo de vias es crucial, ya que determina el equipo necesario, los pasos de fabricación, el tiempo de procesamiento y los costos adicionales. Optar por microvias, vias ciegas o vias enterradas puede reducir el número de capas y los costos materiales. Sin embargo, seleccionar entre vias de orificio pasante, vias en forma de hueso de perro o vias en almohadilla influirá en la complejidad del proceso global.

2- Seleccione el número mínimo de componentes para aplicaciones HDI

La selección de componentes es siempre importante, pero es aún más crítica en los diseños HDI. Los componentes seleccionados para estos diseños determinan los anchos de las trazas, las ubicaciones, los tipos y tamaños de los agujeros perforados, así como la disposición general de las capas. A pesar de que el rendimiento sigue siendo la principal preocupación, también deben considerarse el empaquetado (packaging), la trazabilidad y la disponibilidad. Reemplazar componentes o rediseñar el esquema puede aumentar significativamente el tiempo de fabricación y los costes de material.

3- Minimice tensiones y EMI en la colocación de componentes

La colocación asimétrica de vias puede causar un estrés desigual y potencialmente deformar la placa, reduciendo su rendimiento. El espacio denso entre los componentes y las señales de alta potencia pueden generar interferencias electromagnéticas (EMI), afectando la calidad de la señal. La capacitancia parasitaria o inductancia de los pines o almohadillas cercanas también puede afectar la integridad de la señal, por lo que es esencial modelar la EMI durante la fase de diseño.

4- Minimice problemas de integridad de señal optimizando el ruteo

Una ventaja clave de las HDI radica en el uso de trazas más estrechas para la propagación de señales, lo que permite reducir el tamaño. Sin embargo, los anchos de traza deben diseñarse para garantizar una integridad de señal óptima, manteniendo longitudes de traza lo más cortas posible, trayectorias de impedancia constante, planos de tierra adecuados y una correcta separación entre señales digitales, analógicas y de potencia.

5- Elija apilamientos que minimicen los costes de material

Además de la selección de vias, la elección de apilamientos de PCB afecta significativamente el coste de fabricación de los productos electrónicos HDI. El tipo de material y el número de capas inciden directamente en los ciclos de laminado y perforación requeridos. El coste debe ser uno de los factores determinantes a la hora de tomar estas decisiones.

Ventajas de las PCB HDI:

Mayor fiabilidad: Debido a su menor relación de aspecto, las microvias ofrecen una mayor fiabilidad en comparación con las vias de orificio pasante tradicionales. Son más robustas y utilizan materiales y componentes de mejor calidad, lo que resulta en un excelente rendimiento para la tecnología HDI.

Mejor integridad de la señal: La tecnología HDI incorpora técnicas como las vias en almohadilla y las vias ciegas. Estas técnicas ayudan a acercar los componentes entre sí, reduciendo la longitud de las rutas de señal. Al eliminar los picos causados por las vias de orificio pasante, se reduce la reflexión de la señal y se mejora la calidad de la señal. Por lo tanto, los caminos de señal más cortos mejoran significativamente la integridad de la señal.

Rentabilidad cost-effectiveness: Con una planificación adecuada, la tecnología HDI puede reducir los costos generales en comparación con las PCB estándar. Esto se debe a la necesidad de menos capas, dimensiones más pequeñas y menor número de PCBs necesarios.

Diseño compacto: La combinación de vias ciegas y enterradas reduce los requisitos de espacio de la placa de circuito impreso.

En general, al utilizar la tecnología HDI, los diseñadores tienen ahora la opción de colocar más componentes en ambos lados de la PCB cruda. Los múltiples procesos de vias, incluyendo las vias en almohadilla y la tecnología de vias ciegas, permiten a los diseñadores disponer de más espacio en la placa para colocar componentes más pequeños y más cerca unos de otros. La reducción del tamaño y el paso de los componentes permite una mayor cantidad de entradas y salidas (I/O) en geometrías más pequeñas. Esto se traduce en una transmisión más rápida de las señales y una reducción significativa de la pérdida de señal y los retrasos por cruce de señales.

Diferentes tipos de vias en las PCBs HDI:

Una via es un pequeño agujero conductor que conecta múltiples capas de una PCB HDI, permitiendo que las señales pasen entre ellas. Existen cuatro tipos de vias utilizadas en las PCBs HDI:

● Via de orificio pasante: Estas vias se extienden desde la capa superior hasta la inferior de la PCB.

● Via ciega: Estas vias conectan una capa interna con una capa superficial de la PCB.

● Via enterrada: Estas vias conectan dos capas internas de la PCB.

● Microvia: Son vias más pequeñas que las vias de orificio pasante y se utilizan comúnmente en las PCBs HDI para conectar varias capas sin aumentar el tamaño de la placa.

Selección de materiales para las PCB HDI:

La elección del material y su construcción es clave en el diseño y fabricación de las PCBs HDI. El proceso de diseño de interconexiones HDI implica comprender los desafíos potenciales asociados con la especificación de materiales dieléctricos reforzados con vidrio.

● Laminado recubierto de cobre (CCL): Los materiales de laminado recubierto de cobre consisten en la laminación de una lámina de cobre sobre una o ambas caras de un dieléctrico completamente curado (etapa C). Estos laminados rígidos se clasifican comúnmente en FR4, FR-5 o determinados tipos de PTFE. En aplicaciones habituales, se emplea laminado recubierto por una sola cara, donde la lámina de cobre actúa como capa externa y el material en etapa C se adhiere al subcompuesto base.

●Cobre recubierto de resina (RCC): Los materiales de cobre recubierto de resina están formados por lámina de cobre con un recubrimiento de material dieléctrico resinoso que permite su unión directa al subcompuesto. Se diferencian según su capacidad de procesamiento en medio húmedo o no. En los casos de RCC no aptos para procesos húmedos, las microvías se generan mediante técnicas de taladrado por plasma o láser.

● PP (Preimpregnado Prepreg): Conocido también como material en etapa B, lámina de unión o simplemente "preimpregnado", este compuesto integra tejido de fibra de vidrio impregnado de resina. Durante su aplicación, la resina experimenta un curado parcial sin llegar a solidificarse por completo. En la fase de calentamiento del apilamiento de la PCB durante el prensado, la resina del PP fluirá para adherirse y unir sólidamente el núcleo de la placa con la lámina de cobre u otros materiales.

Consideraciones de diseño para las PCBs HDI:

Los procesos involucrados en la producción de las PCBs HDI suelen ser diferentes de los utilizados con otros tipos de PCB. A continuación, le presentamos lo que debe saber sobre la producción de placas HDI y algunas de las consideraciones de diseño que debe tener en cuenta durante el proceso de fabricación:

Laminado secuencial: En el proceso de laminado, el núcleo de la PCB o los núcleos se combinan con cobre y capas de preimpregnado para las PCBs multicapa, aplicando calor y presión. La cantidad de calor y presión requerida puede variar según el tipo de placa. Después de completar la fase de laminado, se perforan las vias. A diferencia de otros tipos de PCB, los HDI pasan por este proceso en múltiples ocasiones. Este laminado secuencial ayuda a prevenir desplazamientos y roturas durante el proceso de perforación.

Tipos de relleno de vias: Los materiales de relleno de vias deben coincidir con su aplicación específica y los requisitos de su PCB. Los materiales de relleno más comunes con los que trabajamos incluyen el recubrimiento electroquímico, epoxi conductivo y epoxi no conductor. El tipo de relleno elegido influirá en las propiedades eléctricas y mecánicas de la PCB final.

Proceso de Via-in-Pad (via en almohadilla): El proceso de via en almohadilla permite colocar vias en la superficie plana de su PCB, mediante el recubrimiento de la via, llenándola con uno de los materiales de relleno disponibles, cubriéndola y, finalmente, recubriéndola nuevamente. Este proceso generalmente involucra entre 10 y 12 pasos, por lo que requiere equipos especializados y técnicos altamente capacitados.

Tecnología de perforación con láser: Los diseños HDI de cualquier capa suelen requerir microvias láser, las cuales se crean mediante perforadoras láser capaces de generar agujeros de hasta 20 micras de diámetro con gran precisión. El uso de materiales como vidrio uniforme con una constante dieléctrica baja puede reducir aún más el tamaño de los agujeros.

Proceso de fabricación de las PCBs HDI:

El diseño de una PCB HDI es fundamental para su fabricación exitosa. El diseño de las PCBs HDI debe tener en cuenta cuidadosamente los siguientes factores:

Ancho de línea y espaciado spacing: Las PCBs HDI suelen tener anchos de línea y espaciamientos de 1 mil o menos. Esto requiere técnicas de diseño y fabricación precisas para asegurar que las trazas se formen correctamente y que no haya interferencias eléctricas entre ellas.

● Tamaño y colocación de vias: Las PCBs HDI a menudo utilizan microvias, que son vias con un diámetro de 6 mils o menos. Las microvias son más difíciles de perforar y recubrir que las vias tradicionales, por lo que deben colocarse cuidadosamente en la PCB.

● Apilamiento (Stack-up): Las PCBs HDI suelen tener apilamientos complejos, con múltiples capas de cobre y material dieléctrico. El apilamiento debe ser diseñado con precisión para garantizar que la PCB sea tanto eléctricamente como mecánicamente sólido.

Puede consultar el artículo completo sobre el proceso de fabricación de PCBs aquí.

HDI rentable:

Aunque algunos productos de consumo se reducen en tamaño, la calidad sigue siendo el factor más importante para el consumidor, por encima del precio. Utilizando la tecnología HDI en el diseño, es posible reducir una PCB de 8 capas con orificios pasantes a una PCB HDI de 4 capas con tecnología de microvias. Las capacidades de cableado de una PCB HDI de 4 capas bien diseñado pueden lograr las mismas o mejores funciones que una PCB estándar de 8 capas. Aunque el proceso de microvias aumenta el coste de la PCB HDI, un diseño adecuado y la reducción en el número de capas reduce de manera significativa el costo en pulgadas cuadradas de material y el número de capas.

Para gestionar de manera efectiva los costos de las PCBs HDI, considere los siguientes factores:

1) Vias y agujeros: Las vias más pequeñas requieren mayor precisión y son más costosas. Además, un mayor número de vias incrementa los costes.

2) Apilamientos y capas: Los apilamientos complejos y las capas adicionales aumentan los costos; por lo tanto, se debe buscar el número más eficiente de capas.

3) Materiales: La elección de materiales principales (como FR4, metal) y acabados superficiales (como ENIG) afecta los costes.

4) Laminados: Más laminados mejoran el rendimiento, pero aumentan los costes y el tiempo de procesamiento.

5) Vias apiladas frente a vias escalonadas: Las vias apiladas son más costosas debido a los materiales adicionales y el tiempo necesario para su creación.

6) Tamaño de las almohadillas (pads): Optimizar el tamaño de las almohadillas desde el principio puede reducir los costes.

7) Tiempo de entrega Turnaround: Los pedidos urgentes son más costosos. Planifique con antelación para obtener ahorros.Rush orders cost more; plan ahead for savings.

8) Proveedor: Elija un proveedor que ofrezca productos de alta calidad a precios competitivos para evitar gastos adicionales a largo plazo.

Industrias y aplicaciones de las PCBs HDI::

La tecnología HDI es esencial para la electrónica moderna, permitiendo dispositivos más pequeños y rentables sin comprometer el rendimiento. Las principales industrias que utilizan PCBs HDI incluyen:

Electrónica de consumo: Las PCBs HDI se encuentran en smartphones, portátiles, dispositivos portátiles, dispositivos para el hogar inteligente y gadgets IoT, permitiendo una tecnología de consumo miniaturizada pero potente.

Comunicaciones: Son esenciales en dispositivos como enrutadores, conmutadores y semiconductores. Las PCBs HDI apoyan la comunicación electrónica, los medios digitales y la infraestructura de redes.

Automotriz y aeroespacial: Las PCBs HDI permiten componentes compactos y ligeros para automóviles y aeronaves, respaldando características como WiFi, GPS, cámaras y sensores, lo que contribuye a una operación más eficiente.

Dispositivos médicos: Utilizados en equipos avanzados de monitoreo, imágenes y cirugía, la tecnología HDI mejora el rendimiento y reduce el tamaño de los dispositivos.

Aplicaciones industriales: Las PCBs HDI alimentan dispositivos IoT y sensores inteligentes en manufactura, almacenamiento y operaciones industriales, optimizando el rendimiento y la conectividad.