La scelta di uno stackup per PCB HDI è la decisione che, in modo discreto, determina i costi, i tempi di consegna e la resa prima ancora che venga tracciata una singola traccia. Le notazioni 1+N+1, 2+N+2 e “any-layer” sembrano un menu, ma ogni passo in più aggiunge cicli di laminazione, requisiti di riempimento del rame e rischi di processo che non potrete annullare una volta bloccato il layout. Questa guida trasforma il menu in un percorso di selezione che potete seguire partendo dal vostro passo BGA e dalle vostre esigenze di instradamento, non da una brochure del fornitore.
Cosa significano effettivamente i numeri
La notazione descrive quanti strati di accumulo ad alta densità si trovano su ciascun lato di un nucleo convenzionale. In 1+N+1, i due “1” esterni sono singoli strati di accumulo laminati su ciascun lato di un nucleo a “N” strati; il nucleo è un normale multistrato costruito con fori passanti meccanici. Nella configurazione 2+N+2, ogni lato presenta due strati di build-up sequenziali, motivo per cui consente di realizzare pacchetti molto più densi. La configurazione «Any-layer», talvolta indicata con l’acronimo ELIC (Every Layer Interconnect), elimina completamente il nucleo convenzionale e collega ogni strato a quelli adiacenti tramite microvia impilate riempite di rame.
Una trappola terminologica fa perdere tempo nei preventivi: i produttori parlano in termini di i+N+i (o M+bN+M, dove “b” indica i fori sepolti all’interno del nucleo), mentre la documentazione IPC utilizza i tipi I, II e III. Descrivono la stessa struttura fisica. Utilizzate i tipi IPC per la documentazione di conformità e i+N+i quando confrontate le capacità dei fornitori. Mescolarli in un’unica specifica produce solo preventivi non corrispondenti. Per un contesto più ampio su cosa sia l’HDI e perché esista, prima di addentrarsi nei calcoli della struttura, consulta la guida completa PCB HDI guida tecnica.
L’unico fattore determinante
Il passo del BGA e le esigenze di instradamento, non l’ambizione, determinano lo stack-up. Man mano che il passo si restringe, i canali di fuga sotto un pacchetto si riducono fino a quando i “dog-bones” (i piccoli pad di fan-out accanto a una sfera BGA) scompaiono, e le microvie diventano l’unica via d’uscita. In linea di massima: un passo pari o superiore a 0,8 mm spesso consente il routing su una scheda multistrato standard; intorno a 0,5–0,65 mm, una struttura 1+N+1 in genere consente il routing; da 0,35 a 0,5 mm si passa a una struttura 2+N+2; a 0,3 mm e inferiori si ricorre a una struttura 3+N+3 o a qualsiasi numero di strati. Il «via-in-pad» diventa necessario quando il passo non lascia spazio per un «dog-bone», il che comporta l’inserimento del riempimento di rame e della planarizzazione nella struttura.
1+N+1 — quando è sufficiente un unico strato di build-up per lato
1+N+1 consiste in un unico strato di accumulo per lato del nucleo, realizzato con un unico ciclo di laminazione sequenziale. Rappresenta il punto di ingresso nell’HDI e l’opzione più tollerante: le microvie sfalsate evitano che lo stress gravi su una singola colonna di rame, mentre il nucleo continua a trasportare alimentazione, massa e interconnessioni sepolte.
Si pensi ai moduli a passo fine grossolano, all’elettronica di consumo sensibile ai costi e ai progetti in cui uno strato di sfogo per lato è davvero sufficiente. Il costo presenta un modesto sovrapprezzo rispetto a una scheda convenzionale, comunemente indicato nell’ordine di da 1,3 a 1,5 volte, sebbene i dati pubblicati varino a seconda del fornitore e del volume.
2+N+2 — il cavallo di battaglia mainstream a passo fine
La configurazione 2+N+2 aggiunge un secondo strato di rinforzo per lato, il che raddoppia approssimativamente i canali di sfogo disponibili sotto un pacchetto ad alta densità senza abbandonare un processo basato su core. Questo è il motivo per cui rappresenta la configurazione HDI più comune per i programmi a passo fine su entrambi i lati della scheda.
I costi aumentano ulteriormente, attestandosi spesso tra 1,8 e 2,5 volte quelli di una scheda convenzionale, e la realizzazione richiede solitamente microvie impilate o sfalsate, oltre a laminati ad alto Tg resistenti al CAF in grado di sopportare più cicli di pressatura.
Il processo di produzione del nucleo è ciò che questi cicli di pressatura aggiuntivi effettivamente garantiscono. Per la maggior parte dei lavori commerciali a passo fine rappresenta il punto di equilibrio ideale: maggiore densità rispetto alla configurazione 1+N+1, rischio di gran lunga inferiore rispetto alla configurazione «any-layer».
3+N+3 e oltre — quando il 2+N+2 non offre più spazio
Quando un percorso di prova dimostra che il 2+N+2 è ancora congestionato, il 3+N+3 (tre strati di build-up per lato) garantisce i canali aggiuntivi, con un costo che sale a circa 2,5–3,5 volte quello standard e un’affidabilità che dipende fortemente dalla qualità del riempimento del rame attraverso tre o più cicli di laminazione.
Esistono schede con quattro o più strati di build-up per applicazioni di calcolo estremo e aerospaziali, con un costo pari a quattro volte quello di una scheda convenzionale e oltre. La regola rimane la stessa a ogni livello: aggiungere uno strato di build-up solo perché la richiesta di instradamento lo impone, non perché un numero maggiore sembri più avanzato.
Any-layer / ELIC — perché l’assenza di nucleo è l’ultima risorsa
La tecnologia Any-layer elimina il core e consente l’interconnessione tra tutti gli strati, garantendo la massima libertà di instradamento e schede finite più sottili. Tale libertà è reale, ma lo è anche il costo, comunemente stimato da circa 2 a 6 volte quello di una scheda convenzionale a seconda della densità di riempimento, del materiale e della resa.
È l’opzione più vincolante in termini di tempi di consegna e resa, e il numero di via impilate, la qualità del riempimento e il CTE sull’asse z influenzano la sua affidabilità in misura maggiore rispetto a quanto avvenga nella configurazione 1+N+1. Utilizzatela quando il passo, la densità o lo spessore non possono essere soddisfatti con un numero accettabile di strati utilizzando la configurazione i+N+i. Non è automaticamente più affidabile e non rappresenta un miglioramento in termini di prestazioni.
Microvie impilate vs sfalsate
Questa scelta è presente in quasi tutti i preventivi 2+N+2 o “any-layer”. I microvia sfalsati spostano i loro pad di atterraggio da uno strato all’altro, in modo che la sollecitazione non si concentri in un’unica colonna di rame e che il via inferiore non debba essere riempito prima del successivo colpo laser. Sono più tolleranti e solitamente più economici.
I microvia impilati consentono di risparmiare spazio verticale direttamente sotto un BGA, il che è necessario per molti fanout 2+N+2 con spazi ristretti e per i circuiti a numero qualsiasi di strati, ma richiedono via riempiti e placcati a chiusura, oltre a un rapporto di aspetto controllato.
Mantenere il rapporto di aspetto della microvia (profondità divisa per diametro) pari o inferiore a circa 0,75:1 per una placcatura affidabile; al di sopra di 1:1 la soluzione chimica fatica a raggiungere il fondo e compaiono delle cavità. Quel singolo numero è molto più determinante per l’affidabilità sul campo rispetto all’etichetta di spessore. Per la classificazione completa delle microvie e le regole di progettazione, consultare le linee guida sulle microvie.
Costi e cicli di laminazione
I cicli di laminazione sequenziali sono il fattore determinante sia per i costi che per i rischi. Ciò che determina effettivamente il costo delle schede HDI è la somma di questi cicli, non l’etichetta sul disegno. 1+N+1 ne richiede uno, 2+N+2 ne richiede due, 3+N+3 ne richiede tre o più, mentre gli stack a numero qualsiasi di strati prevedono microvie attraverso ogni strato. Ogni ciclo aggiunge una tolleranza di registrazione che si somma alle altre, quindi i pad di cattura devono essere più grandi per assorbire la deriva di allineamento, e i pad sottodimensionati sono tra i motivi più comuni di scarto CAM.
I microvia impilati aumentano il costo di fabbricazione di circa il 15-20% rispetto a quelli sfalsati a causa della fase di riempimento e planarizzazione. Considerate ogni moltiplicatore in questo articolo come un intervallo, non come un valore fisso: i fornitori non sono tutti d’accordo, e il volume, il materiale e la resa influenzano il numero più di quanto non faccia l’etichetta quando si confronta uno stackup di PCB HDI con un altro.
Pianificate l’impedenza e i materiali prima di scegliere lo stack-up
Uno stack-up non è solo una strategia relativa ai via; è il piano per i percorsi di ritorno, il controllo dell’impedenza e il costo dei materiali. L’impedenza controllata del PCB viene impostata in questa fase, prima della scelta dello stack-up, poiché modificarla in seguito comporta una riprogettazione. Se l’impedenza controllata è importante, lo spessore del dielettrico, il peso del rame, il Dk del laminato, l’impedenza target e la posizione del piano di riferimento devono essere definiti prima di scegliere la struttura, poiché modificarli in un secondo momento comporta una riprogettazione.
I materiali variano in base al numero di cicli: la configurazione 1+N+1 può spesso rimanere su FR-4 a Tg medio o alto, mentre la configurazione 2+N+2 e superiori richiedono solitamente sistemi a Tg elevato, resistenti al CAF e con rame a basso profilo, e i canali su qualsiasi strato o ad alta velocità potrebbero necessitare di laminati a bassa perdita. Non impostare di default ogni scheda “any-layer” con materiale RF premium se le reti non lo richiedono effettivamente; l’anima e i suoi via sepolti svolgono comunque un lavoro utile nel trasportare alimentazione e massa.
Un percorso di selezione che potete seguire oggi stesso
Aprite il vostro package più denso e individuate il passo BGA più stretto, quindi contate i piani di instradamento necessari per aggirarlo, instradate le reti e mantenete l’impedenza. Se il passo è pari o superiore a 0,8 mm e l’anima con vie passanti lo instrada già, rimanete su un multistrato standard. Se il passo è compreso approssimativamente tra 0,5 e 0,65 mm, scegliete 1+N+1. Se il passo è compreso tra 0,35 e 0,5 mm o se su entrambi i lati è presente un pacchetto denso, scegliete 2+N+2. Se il passo è pari o inferiore a 0,3 mm, oppure se il fattore di forma è ultrasottile, passare a 3+N+3 o ELIC.
Poi ponetevi un’altra domanda: il nucleo N trasporta ancora alimentazione, massa e interconnessioni sepolte che altrimenti dovreste realizzare? Mantenetelo se è utile. L’intero ragionamento si riduce a una sola frase: scegliete il livello di stratificazione più basso che chiuda il percorso.
Quando lo stack-up HDI non conviene
L’HDI smette di essere vantaggioso nel momento in cui risolve un problema che il progetto non presenta. Se il passo è ampio e l’interconnessione è semplice, una scheda multistrato convenzionale funziona bene e mantiene a vostro vantaggio costi, resa e tempi di consegna. Per un confronto dettagliato tra la struttura HDI e quella convenzionale, osserva in che modo un PCB multistrato standard differisce da una struttura HDI e dove il sovrapprezzo garantisce effettivamente una maggiore densità rispetto a una scheda più sottile di cui non avevi bisogno. Il giusto PCB HDI è quello richiesto dal vostro passo e dalle vostre esigenze di instradamento, non quello che sembra più performante.
