A tecnologia HDI costuma ser adotada quando uma placa de circuito impresso (PCB) multicamadas convencional não consegue mais oferecer densidade de roteamento suficiente dentro da área disponível da placa.
É particularmente útil para projetos que contenham:
- BGAs de passo fino
- Processadores com grande número de pinos
- Módulos compactos
- Conectores de alta densidade
- Aparelhos eletrônicos móveis ou portáteis
- Circuitos densos de alta velocidade
A desvantagem é a complexidade da fabricação.
Uma placa de circuito impresso (PCB) de alta densidade (HDI) pode exigir perfuração a laser, formação de microvias, laminação sequencial, preenchimento com cobre e um controle mais rigoroso do alinhamento.
Por isso, uma placa HDI costuma ser mais cara do que uma placa de circuito impresso convencional com tamanho externo e número de camadas semelhantes.
No entanto, O HDI não possui um nível de preço fixo.
Uma construção simples do tipo 1+N+1 e um projeto mais complexo com microvias empilhadas podem apresentar custos de fabricação muito diferentes.
Índice
O que faz com que Fabricação de placas de circuito impresso HDI Mais caro?
A principal diferença entre a fabricação convencional de placas multicamadas e a HDI é a estrutura de fabricação adicional.
Dependendo do projeto, a produção de HDI pode envolver:
- Perfuração a laser
- Revestimento de microvias
- Laminação sequencial
- Via enchimento
- Exames de imagem complementares
- Controle adicional de registro
- Inspeção mais complexa
Esses processos aumentam tanto o consumo de material quanto o tempo de fabricação.
Portanto, o custo depende em grande parte da construção efetiva do HDI, e não simplesmente do número de camadas da placa de circuito impresso.
A estrutura do HDI tem um impacto direto no custo
Existem várias maneiras de fabricar uma placa de circuito impresso (PCB) de alta densidade (HDI).
As configurações mais comuns incluem:
- 1+N+1
- 2+N+2
- 3+N+3
- HDI de qualquer camada
A notação descreve o número de camadas HDI laminadas sequencialmente ao redor do núcleo.
Por exemplo, uma estrutura 1+N+1 é, em geral, mais simples do que uma construção 2+N+2.
À medida que o número de ciclos de laminação sequenciais aumenta, a fabricação se torna mais complicada.
Essa é uma das razões pelas quais duas placas HDI com o mesmo número total de camadas podem ter preços significativamente diferentes.
As microvias são um dos principais fatores que influenciam os custos
As microvias são normalmente formadas por meio de perfuração a laser, em vez da perfuração mecânica convencional.
Entre suas vantagens estão:
- Diâmetro menor
- Maior densidade de roteamento
- Percurso elétrico mais curto
- Maior compatibilidade com pacotes de passo fino
Mas a perfuração a laser introduz outro processo de fabricação.
O custo é influenciado por:
- Número de microvias
- Diâmetro da via
- Densidade de vias
- Estrutura de microvias
- Vias preenchidas ou não preenchidas
- Configuração empilhada ou escalonada
Uma placa que contenha um pequeno número de microvias relativamente simples pode ser muito mais fácil de fabricar do que uma que dependa fortemente de microvias empilhadas.
Microvias empilhadas x microvias escalonadas
As microvias podem ser dispostas de diferentes maneiras.
Microvias escalonadas
Cada microvia está deslocada em relação à que está logo abaixo dela.
Isso pode simplificar alguns requisitos de fabricação.
Microviasters empilhadosUnidades de cuidados paliativos
As microvias estão posicionadas diretamente umas acima das outras.
As estruturas empilhadas podem oferecer maior flexibilidade de roteamento, especialmente em áreas densas.
No entanto, eles exigem um controle mais rigoroso do processo e podem exigir o preenchimento com cobre.
Esse processamento adicional pode aumentar o custo.
Por esse motivo, as microvias empilhadas devem, normalmente, ser utilizadas nos casos em que o layout realmente as exija.
A laminação sequencial aumenta o custo
As placas de circuito impresso (PCB) multicamadas convencionais podem, muitas vezes, ser produzidas por meio de uma sequência de laminação relativamente simples.
O HDI pode exigir vários ciclos de laminação.
Um processo simplificado pode ser assim:
Core fabrication → lamination → laser drilling → plating → additional lamination → laser drilling → plating
Cada ciclo adicional acrescenta:
- Material
- Tempo de processamento
- Requisitos de inscrição
- Requisitos de inspeção
Quanto mais complexa for a estrutura sequencial, maior será o custo potencial de fabricação.
O enchimento por via direta pode aumentar o preço
Alguns projetos de HDI exigem microvias preenchidas.
As vias preenchidas com cobre são comumente utilizadas para:
- Microvias empilhadas
- Via no pad
- Aplicações de BGAs de passo fino
O processo de enchimento requer um controle adicional do processo.
Para uma estrutura de roteamento simples, deixar uma microvia sem preenchimento pode ser suficiente.
No entanto, em uma área de BGA com alta densidade, pode ser necessário preencher os vias para que o layout seja viável para fabricação.
O custo deve, portanto, ser avaliado em função dos requisitos de embalagem.
O Via-in-Pad nem sempre é necessário
O “via-in-pad” pode oferecer vantagens significativas no traçado.
Isso permite que as vias sejam posicionadas diretamente dentro dos pads dos componentes, reduzindo o espaço necessário para o fanout.
Isso é particularmente útil para BGAs de passo fino.
No entanto, o via-in-pad pode exigir:
- Vias preenchidas
- Superfícies planarizadas
- Processamento adicional
Se um fanout convencional puder alcançar o mesmo resultado, evitar o uso de vias no pad pode reduzir a complexidade da fabricação.
O espaçamento entre pinos do BGA pode influenciar o custo do HDI
O espaçamento entre componentes tem uma relação direta com a densidade de roteamento.
Um BGA com passo relativamente grande pode ser roteado utilizando vias convencionais.
Um BGA de passo fino pode exigir microvias e estruturas do tipo “via-in-pad”.
Por exemplo, a mudança de um BGA convencional para um pacote com passo muito mais fino pode alterar toda a estratégia de fanout da placa de circuito impresso.
É por isso que as decisões relativas ao HDI devem ser tomadas em conjunto com a seleção dos componentes.
O tamanho da placa é um dos motivos para usar HDI
À primeira vista, o HDI parece ser uma tecnologia que aumenta os custos.
Mas também pode reduzir o custo total do produto, permitindo que a placa de circuito impresso (PCB) seja menor.
Uma placa menor pode reduzir:
- Dimensões do invólucro
- Utilização de materiais
- Peso do produto
- Espaçamento entre conectores
- Área ocupada pela montagem
No caso de produtos compactos, o custo adicional de fabricação do HDI pode, portanto, ser justificado pela redução no tamanho do produto.
Número de camadas e custo do HDI
O HDI e o número de camadas estão relacionados, mas não são a mesma coisa.
Uma placa de circuito impresso HDI de 8 camadas não é necessariamente mais barata do que uma PCB convencional de 10 camadas.
A comparação correta deve levar em conta toda a estrutura.
Por exemplo:
Opção A
- 10 camadas convencionais
- Vias de orifício passante
- Placa maior
Opção B
- 8 camadas
- IDH
- Microvias
- Placa menor
A opção B pode ter um preço unitário de PCB mais alto, mas ainda assim resultar em um produto melhor no geral.
É por isso que o custo das placas de circuito impresso (PCB) deve ser avaliado no nível do sistema.
O mesmo princípio se aplica ao comparar diferentes construções multicamadas em Custo de uma placa de circuito impresso de 8 camadas.
Seleção de materiais
Muitas placas de circuito impresso de alta densidade (HDI) utilizam FR-4 padrão ou FR-4 de alto Tg.
Aplicações mais exigentes podem exigir materiais especializados.
A escolha do material influencia:
- Comportamento na laminação
- Expansão térmica
- Integridade do sinal
- Confiabilidade
- Janela de processamento
Para projetos de HDI de alta velocidade, as propriedades elétricas do material podem ser mais importantes do que uma diferença relativamente pequena no preço do laminado.
Espessura do cobre
As estruturas HDI geralmente utilizam elementos de cobre relativamente finos.
A espessura do cobre deve estar equilibrada:
- Requisitos atuais
- Geometria de traçado
- Capacidade de gravação
- Através da confiabilidade
Pode ser difícil combinar cobre de alta espessura com um traçado HDI extremamente fino.
Se houver caminhos de alta corrente, pode ser necessário que a configuração da pilha separe os requisitos de alimentação dos requisitos de roteamento de passo fino.
Custo das placas de circuito impresso (PCB) de alta densidade (HDI) de acordo com a complexidade do projeto
Uma maneira útil de pensar sobre os preços do HDI é considerando a estrutura, em vez de uma faixa de preço fixa.
| Estrutura do HDI | Complexidade relativa |
|---|---|
| 1+N+1 | Inferior |
| 2+N+2 | Moderado |
| 3+N+3 | Mais alto |
| Microvias empilhadas | Mais alto |
| Via no pad | Mais alto |
| HDI de qualquer camada | Muito alto |
Essas categorias servem apenas como orientação relativa.
A cotação efetiva também depende do tamanho da placa, do material, da quantidade, da estrutura de cobre e dos requisitos de produção.
Guia prático: Como reduzir o custo de placas de circuito impresso (PCB) com alta densidade de componentes (HDI)
Passo 1: Confirme se o HDI é realmente necessário
Comece analisando o fanout do BGA e a densidade de roteamento.
Se for possível concluir o projeto utilizando vias convencionais sem aumentar excessivamente o tamanho da placa, a fabricação multicamadas convencional pode ser mais econômica.
Etapa 2: Escolha a estrutura de HDI mais simples
Se 1+N+1 for capaz de atender aos requisitos, talvez não haja muitos motivos para usar uma estrutura sequencial mais complicada.
O objetivo não é maximizar a capacidade do IDH.
O objetivo é resolver o problema de roteamento com a construção mais simples e confiável.
Etapa 3: Minimizar as microvias empilhadas
Utilize microvias escalonadas sempre que o layout permitir.
As estruturas empilhadas devem ser reservadas para áreas em que ofereçam uma vantagem clara em termos de roteamento.
Etapa 4: Use o “Via-in-Pad” de forma seletiva
Não coloque microvias preenchidas em todos os pads do BGA, a menos que a distribuição do pacote realmente exija isso.
Etapa 5: Analisar a seleção do BGA
Às vezes, uma abordagem ligeiramente diferente na concepção do pacote pode simplificar significativamente a fabricação de placas de circuito impresso.
Essa é uma decisão de projeto que deve ser tomada antes da finalização do layout da placa de circuito impresso.
Etapa 6: Otimizar as dimensões da placa
Se o HDI permitir que a placa fique significativamente menor, compare o custo adicional de fabricação da placa de circuito impresso com a redução no tamanho total do produto.
Quando vale a pena arcar com o custo adicional do HDI?
O HDI costuma ser justificado quando resolve um problema de projeto físico que a fabricação convencional não consegue resolver de forma eficiente.
Entre os exemplos típicos estão:
BGA de passo fino
O pacote não dispõe de espaço suficiente para o fanout convencional de vias.
Produto compacto
A placa deve caber dentro de um pequeno compartimento mecânico.
Alta densidade de roteamento
Há conexões demais para as estruturas em camadas convencionais.
Projeto de alta velocidade
As microvias podem proporcionar conexões mais curtas e estruturas de roteamento mais controladas.
Redução de camadas
O HDI pode permitir que o projetista alcance a densidade de roteamento necessária sem adicionar muitas camadas convencionais.
Quando o HDI pode ser desnecessário
O HDI pode não ser a melhor opção quando:
- Ainda há vagas no conselho
- Os componentes têm um espaçamento relativamente grande
- As vias convencionais oferecem um roteamento adequado
- O produto não apresenta restrições significativas de tamanho
- Uma estrutura multicamadas padrão atende aos requisitos de sinal
Nesses casos, a fabricação convencional em múltiplas camadas pode oferecer uma melhor relação custo-complexidade.
O custo do HDI deve ser comparado com o das alternativas
Uma comparação útil na área de engenharia é:
PCB convencional
Menor complexidade de fabricação
- Placa maior
- Mais camadas ou concessões no roteamento
versus:
PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO HDI
Maior complexidade de fabricação
- Placa menor
- Maior densidade de roteamento
A resposta correta depende do produto.
Se a placa de circuito impresso (PCB) for uma pequena parte de um sistema muito maior, a redução do espaço ocupado pela placa pode justificar um preço mais alto para a PCB.
Se o gabinete tiver espaço de sobra, investir em HDI pode trazer poucos benefícios práticos.
PERGUNTAS FREQUENTES
R: Em geral, sim. A perfuração a laser, a laminação sequencial, o processamento de microvias e outras operações adicionais aumentam a complexidade da fabricação.
R: Uma construção 1+N+1 relativamente simples é, em geral, menos complexa do que as estruturas 2+N+2, 3+N+3 ou de qualquer número de camadas, desde que as demais especificações sejam comparáveis.
R: Não. As microvias escalonadas podem ser suficientes para muitos projetos. As estruturas empilhadas são utilizadas quando a densidade de roteamento ou os requisitos do pacote assim o justificam.
R: Sim, é possível. As vias preenchidas e planarizadas exigem um processamento adicional; portanto, o uso de “via-in-pad” deve ser feito apenas quando oferecer uma vantagem real no layout.
R: Sim. Embora a placa de circuito impresso (PCB) em si possa custar mais, a tecnologia HDI pode reduzir o tamanho da placa, as dimensões do invólucro, o número de camadas e, às vezes, a complexidade da montagem.
Conclusão
A tecnologia HDI aumenta o custo de fabricação das placas de circuito impresso, pois introduz processos que não são necessários para placas multicamadas convencionais.
Os principais fatores que influenciam os custos geralmente são:
- Laminação sequencial
- Microvias
- Microvias empilhadas
- Via enchimento
- Via no pad
- Traceado de passo fino
- Materiais especializados
Mas evitar o HDI simplesmente porque custa mais nem sempre é a decisão certa.
Se o HDI permitir uma placa menor, simplificar o layout de um BGA de passo fino ou evitar um número muito maior de camadas em relação ao convencional, o custo adicional de fabricação pode ser justificado.
A abordagem prática consiste em começar pela embalagem, pela densidade de roteamento, pelas dimensões da placa e pelos requisitos elétricos e, em seguida, selecionar o a estrutura de HDI mais simples que resolve o problema de projeto em questão.
Para projetos TOPFAST que envolvam estruturas HDI complexas, o empilhamento e a estratégia de vias devem, idealmente, ser revisados antes da liberação final dos arquivos Gerber. Isso facilita a identificação de etapas desnecessárias do processo antes que elas se tornem parte do custo de produção.
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