La elección de una estructura de capas para PCB HDI es la decisión que, de forma discreta, determina el coste, el plazo de entrega y el rendimiento antes incluso de trazar una sola pista. Las notaciones 1+N+1, 2+N+2 y «cualquier capa» parecen un menú, pero cada paso que se da en la escala añade ciclos de laminación, requisitos de relleno de cobre y riesgos de proceso que no se pueden revertir una vez que se ha fijado el diseño. Esta guía convierte el menú en una ruta de selección que puedes seguir partiendo de tu propio paso de BGA y tus necesidades de enrutamiento, y no a partir del folleto de un proveedor.
Qué significan realmente los números
La notación describe cuántas capas de acumulación de alta densidad se sitúan a cada lado de un núcleo convencional. En 1+N+1, los dos «1» exteriores son capas de acumulación únicas laminadas a cada lado de un núcleo de «N» capas; el núcleo es una multicapa normal construida con vías pasantes mecánicas. En 2+N+2, cada lado cuenta con dos capas de acumulación secuenciales, lo que permite alcanzar paquetes mucho más densos. El sistema «Any-layer», a veces denominado ELIC (Every Layer Interconnect), elimina por completo el núcleo convencional y conecta cada capa con sus vecinas mediante microvías apiladas rellenas de cobre.
Una confusión en la nomenclatura hace perder tiempo con los presupuestos: los fabricantes hablan en términos de i+N+i (o M+bN+M, donde «b» indica vías enterradas dentro del núcleo), mientras que la documentación del IPC utiliza los tipos I, II y III.
Todos describen la misma estructura física. Utiliza los tipos IPC para la documentación de cumplimiento normativo y «i+N+i» cuando compares las capacidades de los fabricantes. Mezclarlos en una misma especificación solo da lugar a presupuestos que no coinciden. Para conocer el contexto más amplio de qué es el HDI y por qué existe, antes de entrar en los cálculos de la estructura, consulta el artículo completo PCB HDI guía de ingeniería.
El único factor que lo determina
El paso del BGA y las exigencias de trazado, y no la ambición, determinan la estructura de capas. A medida que el paso se reduce, los canales de escape bajo un paquete se encogen hasta que desaparecen los «dog-bones» (las pequeñas almohadillas de fan-out situadas junto a una bola del BGA), y las microvías se convierten en la única vía de salida.
A grandes rasgos: un paso igual o superior a 0,8 mm suele permitirse el enrutamiento en una placa multicapa estándar; entre 0,5 y 0,65 mm, una estructura 1+N+1 suele cerrar la ruta; entre 0,35 y 0,5 mm te obliga a optar por una estructura 2+N+2; a partir de 0,3 mm, hay que recurrir a una estructura 3+N+3 o a cualquier capa. La vía en la almohadilla (via-in-pad) se hace necesaria cuando el paso no deja espacio alguno para una «dog-bone», lo que obliga a incluir el relleno de cobre y la planarización en la estructura.
1+N+1: cuando basta con una capa de acumulación por cada lado
1+N+1 consiste en una única capa de acumulación por cada lado del núcleo, construida con un ciclo de laminación secuencial. Es el punto de entrada al HDI y la opción más flexible: las microvías escalonadas evitan que se concentre la tensión en una sola columna de cobre, y el núcleo sigue transportando la alimentación, la masa y la interconexión enterrada.
Piensa en módulos de paso fino de baja densidad, electrónica de consumo en la que el coste es un factor clave y diseños en los que una capa de escape por cada lado es realmente suficiente. El coste supone un ligero sobreprecio respecto a una placa convencional, que suele situarse en torno a 1,3x a 1,5x, aunque las cifras publicadas varían según el proveedor y el volumen.
2+N+2: el caballo de batalla dominante en paso fino
La configuración 2+N+2 añade una segunda capa de refuerzo por cada cara, lo que prácticamente duplica los canales de escape disponibles bajo un paquete denso sin abandonar un proceso basado en núcleos. Por eso es la configuración HDI más habitual para programas de paso fino en ambas caras de la placa. El coste aumenta aún más, situándose a menudo entre 1,8 y 2,5 veces el de una placa convencional, y la fabricación suele requerir microvías apiladas o escalonadas, además de laminados de alta Tg resistentes al CAF que soporten múltiples ciclos de prensado.
El proceso de fabricación del núcleo es lo que realmente se consigue con esos ciclos de prensado adicionales. Para la mayoría de los trabajos comerciales de paso fino, es la opción ideal: mayor densidad que 1+N+1 y mucho menos riesgo que «any-layer».
3+N+3 y más allá: cuando el 2+N+2 se queda sin espacio
Cuando una ruta de prueba demuestra que 2+N+2 sigue estando saturado, 3+N+3 (tres capas de refuerzo por cada lado) aporta los canales adicionales, con un coste que se multiplica aproximadamente entre 2,5 y 3,5 veces y una fiabilidad que depende en gran medida de la calidad del relleno de cobre a lo largo de tres o más ciclos de laminación.
Existen cuatro o más capas de refuerzo para aplicaciones informáticas extremas y aeroespaciales, con un coste cuatro veces superior al de una placa convencional o más. La regla sigue siendo la misma en todos los niveles: añade una capa de refuerzo solo porque la demanda de enrutamiento lo obligue, no porque un número mayor parezca más avanzado.
Any-layer / ELIC: por qué la ausencia de núcleo es el último recurso
La opción «cualquier capa» elimina el núcleo y permite que todas las capas se interconecten, lo que ofrece la máxima libertad de trazado y las placas acabadas más finas. Esa libertad es real, pero también lo es el coste, que suele oscilar entre aproximadamente el doble y hasta seis veces el de una placa convencional, dependiendo de la densidad de relleno, el material y el rendimiento.
Es la opción que presenta más limitaciones en cuanto a plazos de entrega y rendimiento, y el número de vías apiladas, la calidad del relleno y el CTE del eje Z influyen en su fiabilidad más que en el caso de 1+N+1. Utilízala cuando el paso, la densidad o el grosor no puedan alcanzarse con un número aceptable de capas mediante 1+N+1. No es automáticamente más fiable, ni supone una mejora de calidad.
Microvías apiladas frente a escalonadas
Esta elección está presente en casi todos los presupuestos de 2+N+2 o de «cualquier capa». Las microvías escalonadas desplazan sus plataformas de aterrizaje de una capa a otra, de modo que la tensión no se concentra en una sola columna de cobre y no es necesario rellenar la vía inferior antes del siguiente impacto del láser. Son más tolerantes y, por lo general, más económicas.
Las microvías apiladas ahorran espacio vertical directamente debajo de un BGA, algo necesario para muchos fanouts 2+N+2 muy ajustados y para diseños de cualquier capa, pero requieren vías rellenas y selladas mediante galvanización, así como una relación de aspecto controlada.
Mantén la relación de aspecto de la microvía (profundidad dividida por el diámetro) en o por debajo de aproximadamente 0,75:1 para garantizar un recubrimiento fiable; por encima de 1:1, el producto químico tiene dificultades para llegar al fondo y aparecen huecos. Esa única cifra determina en mucho mayor medida la fiabilidad en el campo que la etiqueta de espesor acumulado. Para consultar la clasificación completa de las microvías y las normas de diseño, véanse las directrices sobre microvías.
Coste y ciclos de laminación
Los ciclos de laminación secuenciales son el factor determinante tanto del coste como del riesgo. Lo que realmente influye en el coste de las placas HDI es la suma de estos ciclos, no la etiqueta que figura en el plano. 1+N+1 requiere uno, 2+N+2 requiere dos, 3+N+3 requiere tres o más, y las pilas de cualquier capa apilan microvías a través de todas las capas.
Cada ciclo añade tolerancia de registro que se acumula, por lo que las almohadillas de captura deben aumentar de tamaño para absorber la desviación de alineación, y las almohadillas de tamaño insuficiente se encuentran entre los rechazos más comunes en el proceso CAM.
Las microvías apiladas aumentan el coste de fabricación entre un 15 y un 20 por ciento aproximadamente con respecto a las escalonadas, debido a la etapa de relleno y planarización. Considera cada multiplicador de este artículo como un rango, no como una cifra exacta: los proveedores no se ponen de acuerdo, y el volumen, el material y el rendimiento influyen más en la cifra que la propia etiqueta cuando se compara un apilamiento de PCB HDI con otro.
Planifica la impedancia y los materiales antes de elegir la estructura de apilamiento
Una estructura de capas no es solo una estrategia de vías; es el plan para las rutas de retorno, el control de la impedancia y el coste de los materiales. La impedancia controlada de la PCB se establece aquí, antes de elegir la estructura, ya que cambiarla más adelante supone un rediseño. Si la impedancia controlada es importante, el espesor del dieléctrico, el peso del cobre, la constante dieléctrica (Dk) del laminado, la impedancia objetivo y la posición del plano de referencia deben establecerse antes de elegir la estructura, ya que modificarlos posteriormente supone un rediseño.
Los materiales varían en función del número de ciclos: La configuración 1+N+1 suele poder mantenerse en FR-4 de Tg medio o alto, mientras que la configuración 2+N+2 y superiores suelen necesitar sistemas de cobre de perfil bajo, resistentes al CAF y de alto Tg, y las capas cualquiera o los canales de alta velocidad pueden necesitar laminados de baja pérdida. No utilices por defecto material de RF de alta calidad en todas las placas de cualquier capa si las redes no lo requieren realmente; el núcleo y sus vías enterradas siguen desempeñando una función útil al transportar la alimentación y la masa.
Un proceso de selección que puedes seguir hoy mismo
Abre tu encapsulado más denso y fíjate en el paso de BGA más estrecho; a continuación, cuenta los planos de trazado que necesitas para sortearlo, traza las redes y mantén la impedancia. Si el paso es de 0,8 mm o superior y el núcleo con vías pasantes ya lo traza, quédate con el multicapa estándar. Si el paso es de aproximadamente 0,5 a 0,65 mm, elige 1+N+1. Si el paso es de 0,35 a 0,5 mm o hay un paquete denso en ambos lados, elige 2+N+2. Si el paso es de 0,3 mm o inferior, o si el factor de forma es ultradelgado, pasa a 3+N+3 o ELIC.
A continuación, hazte una pregunta más: ¿el núcleo N sigue transportando alimentación, tierra y la interconexión enterrada que, de otro modo, tendrías que construir? Mánténlo cuando resulte útil. Todo el proceso se resume en una sola frase: elige el nivel de construcción más bajo que cierre la ruta.
Cuando el apilamiento HDI no sale a cuenta
El HDI deja de merecer la pena en el momento en que resuelve un problema que el diseño no tiene. Si el paso entre pistas es holgado y el trazado es sencillo, una placa multicapa convencional se traza sin problemas y mantiene a tu favor el coste, el rendimiento y el plazo de entrega.
Para ver una comparación detallada entre el diseño HDI y el convencional, comprueba en qué se diferencia una PCB multicapa estándar de un diseño HDI, y en qué aspectos el sobrecoste realmente aporta mayor densidad frente a una placa más delgada que no necesitabas. La estructura adecuada de una PCB HDI es la que exigen el paso entre pistas y el trazado, no la que parezca más capaz.
