La tecnología HDI suele utilizarse cuando una placa de circuito impreso multicapa convencional ya no puede ofrecer la densidad de trazado suficiente dentro del espacio disponible en la placa.
Resulta especialmente útil para diseños que contengan:
- BGA de paso fino
- Procesadores con un elevado número de pines
- Módulos compactos
- Conectores de alta densidad
- Aparatos electrónicos móviles o portátiles
- Circuitos densos de alta velocidad
La contrapartida es la complejidad de la fabricación.
Una placa de circuito impreso de alta densidad (HDI) puede requerir perforación con láser, formación de microvías, laminación secuencial, relleno de cobre y un control más estricto del registro.
Por ello, una placa HDI suele ser más cara que una PCB convencional con un tamaño exterior y un número de capas similares.
Sin embargo, El IDH no tiene un nivel de precios fijo.
Una estructura sencilla de tipo 1+N+1 y un diseño más complejo de microvías apiladas pueden tener costes de fabricación muy diferentes.
Índice
¿Qué es lo que hace que... Fabricación de PCB de IDH ¿Más caro?
La principal diferencia entre la fabricación convencional de placas multicapa y la HDI es la estructura de fabricación adicional.
Dependiendo del diseño, la producción de HDI puede incluir:
- Perforación con láser
- Recubrimiento de microvías
- Laminado secuencial
- A través del relleno
- Pruebas de imagen adicionales
- Control adicional de registro
- Inspección más compleja
Estos procesos suponen un aumento tanto del material como del tiempo de fabricación.
Por lo tanto, el coste depende en gran medida de la estructura real del HDI, más que del mero número de capas de la placa de circuito impreso.
La estructura del HDI tiene un impacto directo en el coste
Hay varias formas de fabricar una placa de circuito impreso de alta densidad (HDI).
Entre las configuraciones más habituales se incluyen:
- 1+N+1
- 2+N+2
- 3+N+3
- HDI de cualquier número de capas
Esta notación indica el número de capas HDI laminadas secuencialmente alrededor del núcleo.
Por ejemplo, una estructura 1+N+1 suele ser más sencilla que una construcción 2+N+2.
A medida que aumenta el número de ciclos de laminación consecutivos, la fabricación se vuelve más complicada.
Esta es una de las razones por las que dos placas de circuito impreso con el mismo número total de capas pueden tener precios muy diferentes.
Las microvías son uno de los principales factores que influyen en los costes
Las microvías se suelen fabricar mediante perforación con láser, en lugar de mediante perforación mecánica convencional.
Entre sus ventajas se encuentran:
- Diámetro menor
- Mayor densidad de enrutamiento
- Recorrido eléctrico más corto
- Mayor compatibilidad con los paquetes de paso fino
Sin embargo, la perforación con láser supone la incorporación de otro proceso de fabricación.
El coste depende de:
- Número de microvías
- Diámetro de la vía
- Densidad de vías
- Estructura de microvías
- Vías rellenas o sin rellenar
- Configuración apilada o escalonada
Una placa que contenga un número reducido de microvías relativamente sencillas puede resultar mucho más fácil de fabricar que otra que dependa en gran medida de microvías apiladas.
Microvías apiladas frente a microvías escalonadas
Las microvías se pueden disponer de diferentes maneras.
Microvías escalonadas
Cada microvía está desplazada con respecto a la que tiene justo debajo.
Esto puede simplificar algunos requisitos de fabricación.
Microvías apiladas
Las microvías están situadas unas directamente encima de otras.
Las estructuras apiladas pueden ofrecer una mayor flexibilidad en el trazado de las rutas, especialmente en zonas densamente pobladas.
Sin embargo, requieren un control más estricto del proceso y pueden necesitar un relleno de cobre.
Ese procesamiento adicional puede aumentar los costes.
Por este motivo, normalmente se deben utilizar microvías apiladas cuando el diseño realmente las requiera.
El laminado secuencial aumenta el coste
Las placas de circuito impreso multicapa convencionales suelen fabricarse mediante un proceso de laminación relativamente sencillo.
El HDI puede requerir varios ciclos de laminación.
Un proceso simplificado podría ser el siguiente:
Core fabrication → lamination → laser drilling → plating → additional lamination → laser drilling → plating
Cada ciclo adicional añade:
- Material
- Plazo de tramitación
- Requisitos de inscripción
- Requisitos de inspección
Cuanto más compleja es la estructura secuencial, mayor es el coste potencial de fabricación.
El llenado por vía directa puede aumentar el precio
Algunos diseños de circuitos impresos de alta densidad (HDI) requieren microvías rellenas.
Las vías rellenas de cobre se utilizan habitualmente para:
- Microvías apiladas
- Via en la almohadilla
- Aplicaciones de BGA de paso fino
El proceso de llenado requiere un control adicional del proceso.
En el caso de una estructura de enrutamiento sencilla, puede bastar con dejar una microvía sin rellenar.
Sin embargo, en el caso de una zona BGA con alta densidad, puede ser necesario rellenar las vías para que el diseño sea fabricable.
Por lo tanto, el coste debe evaluarse en función de los requisitos de embalaje.
El «via-in-pad» no siempre es necesario
Las vías integradas en el pad pueden ofrecer importantes ventajas en el trazado.
Permite colocar vías directamente dentro de las almohadillas de los componentes, lo que reduce el espacio necesario para la distribución.
Esto resulta especialmente útil para los BGA de paso fino.
Sin embargo, los «via-in-pad» pueden requerir:
- Vías rellenadas
- Superficies planificadas
- Tratamiento adicional
Si un fanout convencional permite obtener el mismo resultado, evitar el uso de vías en las almohadillas podría reducir la complejidad de la fabricación.
El paso entre pines del BGA puede influir en el coste del HDI
El paso entre componentes guarda una relación directa con la densidad de cableado.
Un BGA con un paso relativamente grande puede cablearse utilizando vías convencionales.
Un BGA de paso fino puede requerir microvías y estructuras de vía en la almohadilla.
Por ejemplo, pasar de un BGA convencional a un encapsulado con un paso mucho más fino puede modificar por completo la estrategia de distribución de la placa de circuito impreso.
Por eso, las decisiones relativas al HDI deben tomarse al mismo tiempo que la selección de los componentes.
El tamaño de la placa es una de las razones para utilizar HDI
A primera vista, el HDI parece una tecnología que aumenta los costes.
Pero también puede reducir el coste total del producto al permitir que la placa de circuito impreso sea más pequeña.
Una placa más pequeña puede reducir:
- Tamaño de la carcasa
- Consumo de material
- Peso del producto
- Distancia entre conectores
- Superficie de montaje
En el caso de los productos compactos, el coste adicional que supone la fabricación con HDI puede justificarse, por tanto, por la reducción del tamaño del producto.
Número de capas y coste del HDI
El HDI y el número de capas están relacionados, pero no son lo mismo.
Una placa de circuito impreso HDI de 8 capas no es necesariamente más barata que una PCB convencional de 10 capas.
Para hacer una comparación correcta, habría que tener en cuenta la estructura en su conjunto.
Por ejemplo:
Opción A
- 10 capas convencionales
- Vías pasantes
- Tablero más grande
Opción B
- 8 capas
- HDI
- Microvías
- Tablero más pequeño
Es posible que la opción B tenga un precio unitario de los PCB más elevado, pero que, aun así, el producto resultante sea, en general, de mejor calidad.
Por eso es necesario evaluar el coste de las placas de circuito impreso a nivel de sistema.
El mismo principio se aplica al comparar diferentes estructuras multicapa en Coste de una placa de circuito impreso de 8 capas.
Selección de materiales
Muchas placas HDI utilizan FR-4 estándar o FR-4 de alta Tg.
Las aplicaciones más exigentes pueden requerir materiales especializados.
La elección del material influye en:
- Comportamiento de laminación
- Expansión térmica
- Integridad de la señal
- Fiabilidad
- Ventana de procesamiento
En los diseños HDI de alta velocidad, las propiedades eléctricas del material pueden ser más importantes que una diferencia relativamente pequeña en el precio del laminado.
Espesor del cobre
Las estructuras HDI suelen utilizar elementos de cobre relativamente finos.
El espesor del cobre debe estar equilibrado:
- Requisitos actuales
- Geometría de traza
- Capacidad de grabado
- A través de la fiabilidad
Puede resultar complicado combinar el cobre de gran espesor con un trazado HDI extremadamente fino.
Si hay rutas de alta intensidad, es posible que en el diseño de capas sea necesario separar los requisitos de alimentación de los requisitos de trazado de paso fino.
Coste de las placas de circuito impreso de alta densidad (HDI) según la complejidad del diseño
Una forma útil de abordar la fijación de precios de HDI es basarse en la estructura, en lugar de en un rango de precios fijo.
| Estructura del IDH | Complejidad relativa |
|---|---|
| 1+N+1 | Baja |
| 2+N+2 | Moderado |
| 3+N+3 | Más alto |
| Microvías apiladas | Más alto |
| Via en la almohadilla | Más alto |
| HDI de cualquier número de capas | Muy alto |
Estas categorías son solo una orientación relativa.
El presupuesto definitivo depende también del tamaño de la placa, el material, la cantidad, la estructura de cobre y los requisitos de producción.
Guía práctica: Cómo reducir el coste de las placas de circuito impreso (PCB) de alta densidad (HDI)
Paso 1: Comprueba si el HDI es realmente necesario
Empieza por la distribución de pines del BGA y la densidad de enrutamiento.
Si el diseño puede completarse utilizando vías convencionales sin aumentar excesivamente el tamaño de la placa, la fabricación multicapa convencional puede resultar más económica.
Paso 2: Elige la estructura de HDI más sencilla
Si 1+N+1 cumple los requisitos, quizá no haya motivos para utilizar una estructura secuencial más complicada.
El objetivo no es maximizar la capacidad del IDH.
El objetivo es resolver el problema de enrutamiento con la construcción más sencilla y fiable.
Paso 3: Minimizar las microvías apiladas
Utiliza microvías escalonadas siempre que el diseño lo permita.
Las estructuras apiladas deben reservarse para aquellas zonas en las que aporten una ventaja clara en cuanto al trazado.
Paso 4: Utiliza «Via-in-Pad» de forma selectiva
No coloques microvías rellenas en todas las almohadillas del BGA, a menos que la distribución del paquete lo requiera realmente.
Paso 5: Revisar la selección de BGA
A veces, un diseño de encapsulado ligeramente diferente puede simplificar considerablemente la fabricación de placas de circuito impreso.
Se trata de una decisión de diseño que debe tomarse antes de finalizar el diseño de la placa de circuito impreso.
Paso 6: Optimizar las dimensiones de la placa
Si la tecnología HDI permite reducir considerablemente el tamaño de la placa, compara el coste adicional de fabricación de la placa de circuito impreso con la reducción del tamaño total del producto.
¿Cuándo merece la pena el coste adicional del HDI?
El HDI suele estar justificado cuando resuelve un problema de diseño físico que la fabricación convencional no puede resolver de manera eficiente.
Entre los ejemplos típicos se incluyen:
BGA de paso fino
El paquete no dispone de espacio suficiente para un fanout de vías convencional.
Producto compacto
La placa debe caber dentro de una pequeña caja mecánica.
Alta densidad de enrutamiento
Hay demasiadas conexiones para las estructuras en capas convencionales.
Diseño de alta velocidad
Las microvías permiten obtener conexiones más cortas y estructuras de trazado más controladas.
Reducción de capas
El HDI puede permitir al diseñador alcanzar la densidad de trazado necesaria sin tener que añadir muchas capas convencionales.
Cuándo puede no ser necesario el HDI
Es posible que el HDI no sea la mejor opción cuando:
- Hay plazas disponibles en la junta directiva
- Los componentes tienen un paso relativamente grande
- Las vías convencionales ofrecen un enrutamiento suficiente
- El producto no presenta ninguna limitación significativa en cuanto a su tamaño.
- Una estructura multicapa estándar cumple los requisitos de señal
En estos casos, la fabricación convencional de múltiples capas puede ofrecer una mejor relación coste-complejidad.
El coste del HDI debería compararse con el de las alternativas
Una comparación útil desde el punto de vista de la ingeniería es la siguiente:
PCB convencional
Menor complejidad de fabricación
- Tablero más grande
- Más capas o concesiones en el trazado
frente a:
IDH PCB
Mayor complejidad de fabricación
- Tablero más pequeño
- Mayor densidad de enrutamiento
La respuesta correcta depende del producto.
Si la placa de circuito impreso (PCB) es una parte pequeña de un sistema mucho más grande, reducir el espacio que ocupa la placa puede justificar un precio más elevado de la misma.
Si el armario dispone de espacio suficiente, invertir en HDI puede aportar pocos beneficios prácticos.
FAQ
R: En general, sí. La perforación con láser, la laminación secuencial, el procesamiento de microvías y otras operaciones adicionales aumentan la complejidad de la fabricación.
R: Una construcción 1+N+1, relativamente sencilla, suele ser menos compleja que las estructuras 2+N+2, 3+N+3 o las de cualquier número de capas, siempre que el resto de especificaciones sean comparables.
R: No. Las microvías escalonadas pueden ser suficientes para muchos diseños. Las estructuras apiladas se utilizan cuando la densidad de trazado o los requisitos del encapsulado lo justifican.
R: Sí, es posible. Las vías rellenas y planarizadas requieren un procesamiento adicional, por lo que las vías en pad deben utilizarse cuando aporten una ventaja real en el diseño.
R: Sí. Aunque la placa de circuito impreso en sí misma pueda resultar más cara, la tecnología HDI permite reducir el tamaño de la placa, las dimensiones de la carcasa, el número de capas y, en ocasiones, la complejidad del montaje.
Conclusión
La tecnología HDI aumenta el coste de fabricación de las placas de circuito impreso, ya que introduce procesos que no son necesarios en las placas multicapa convencionales.
Los principales factores que influyen en los costes suelen ser:
- Laminado secuencial
- Microvías
- Microvías apiladas
- A través del relleno
- Via en la almohadilla
- Trazado de paso fino
- Materiales especializados
Sin embargo, descartar el HDI simplemente porque cuesta más no siempre es la decisión correcta.
Si la tecnología HDI permite utilizar una placa más pequeña, simplifica el diseño de un BGA de paso fino o evita un número de capas convencional mucho mayor, el coste adicional de fabricación puede estar justificado.
El enfoque práctico consiste en partir del encapsulado, la densidad de cableado, las dimensiones de la placa y los requisitos eléctricos, y a continuación seleccionar el la estructura HDI más sencilla que resuelve el problema de diseño concreto.
En los proyectos de TOPFAST que impliquen estructuras HDI complejas, lo ideal es revisar la estrategia de apilamiento y de vías antes de la entrega definitiva de los archivos Gerber. De este modo, resulta más fácil identificar los pasos de proceso innecesarios antes de que se incorporen al coste de producción.
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