Cómo elegir el material ideal para PCB HDI: Guía práctica

La tecnología HDI (High-Density Interconnect) gana adeptos rápidamente: muchos diseñadores electrónicos se pasan a ella. Las ventas de HDI duplican a las de líneas convencionales según las últimas tendencias.

Todo diseñador debe seleccionar el material HDI adecuado para su aplicación, pero con HDI es especialmente crítico porque trabajas con PCB ligeros, pequeños y potentes. El paso (pitch) suele ser inferior a 8 mils (200 µm) y el diámetro de taladro (apertura) inferior a 10 mils (250 µm).

1. PCB HDI — ¿Qué es un Stack-up HDI?

Los PCB HDI tienen requisitos de construcción únicos que los fabricantes deben seguir para máximo rendimiento. Se necesitan materiales con alta Temperatura de Descomposición (Td) y calidad probada. Además, se usa soldadura sin plomo.

Un stack-up HDI contiene una matriz de resina que aporta la resistencia y propiedades dieléctricas necesarias para separar capas de cobre altamente conductoras.

¿Qué papel juega el stack-up HDI en el rendimiento?

El stack-up contiene la matriz de resina, que determina el rendimiento de las aplicaciones HDI. Una correcta elección del stack-up (y por tanto de la matriz de resina) optimiza la calidad de la forma que el diseñador quiere lograr.

2. PCB HDI — Propiedades dieléctricas a considerar antes de elegir

El rendimiento óptimo HDI depende de la correcta elección del material dieléctrico: mayor calidad, mejor rendimiento. Generalmente, la calidad debe superar a la de materiales multicapa tradicionales. Ojo: los dieléctricos de alta calidad pueden ser caros. Propiedades clave para evaluar la calidad:

2.1 Temperatura de Descomposición (Td)

Temperatura a la que el material dieléctrico se descompone térmicamente. En ese punto, el material empieza a cambiar de estado. Los enlaces moleculares suelen determinar su Td. Un buen dieléctrico para stack-up HDI debe tener Td alta para funcionar a alta temperatura.

2.2 Temperatura de Transición Vítrea (Tg)

La Tg del dieléctrico es la transición de estado rígido amorfo a flexible. Es característica de la resina/matriz. Indica el estado del material a temperatura de servicio: si sigue vítreo y rígido o se vuelve gomoso y flexible. Para stack-up HDI, el diseño dictará lo que buscas, pero generalmente una Tg alta implica que el dieléctrico permanece rígido a la temperatura de trabajo, lo cual es positivo.

2.3 Coeficiente de Expansión Térmica (CTE)

Incremento fraccional del material dieléctrico por grado de subida de temperatura. Puede ser volumétrico, superficial o lineal (lo más probable). Si un pequeño cambio de temperatura causa gran variación dimensional, el dieléctrico puede no servir para PCB HDI.

2.4 Tiempo de Deslaminación

También llamado Tiempo de Deslaminación. Mide el rendimiento del material dieléctrico: tiempo que tarda la resina en deslaminarse. En stack-up HDI, cuanto más tarde en deslaminarse, mejor.

3. PCB HDI — Requisitos de material para PCB Flexible HDI

Con la creciente popularidad de HDI, hay que saber qué buscar al comprar materiales para Flexible PCB. Las aplicaciones HDI requieren pistas más finas y vias metalizadas más pequeñas que en PCB estándar. Eso implica capas de conductor y sustrato muy finas. Por desgracia, muchos fabricantes solo miran propiedades físicas y olvidan las técnicas. A continuación, los requisitos técnicos de material para Flexible PCB HDI.

3.1 Estabilidad dimensional de materiales flexibles

Antes, los diseñadores dudaban al combinar sustratos rígidos y materiales flexibles porque fluctuaban durante la fabricación. Ahora sabemos que el sustrato popular entonces —película PI— se encoge durante el laminado por el enorme estrés generado.

El rendimiento del FPC se ve muy afectado por el uso de materiales finos. Pero el rendimiento (yield) del FPC está determinado por la estabilidad dimensional de los materiales. Para lograr productos de circuito de alta densidad, los materiales deben ser dimensional y estructuralmente estables.

3.2 Control de fluidez del adhesivo de revestimiento

La razón principal de usar película de revestimiento en circuitos HDI es lograr una ventana (apertura) pequeña. Hay que asegurar que los aglutinantes no la rellenen durante el laminado. Solo así se evita que el foil quede cubierto, de ahí la necesidad de controlar la fluidez de los materiales de revestimiento HDI.

Demasiada fluidez puede tapar la ventana. Por el contrario, fluidez insuficiente puede causar muchos agujeros en pistas finas, comprometiendo el aislamiento eléctrico. Como la mayoría de materiales flexibles no traen esta característica, la mejor opción es elegir la película de revestimiento según las propiedades de fluidez del aglutinante.

3.3 Foils de cobre de perfil bajo y fino

Una excelente forma de conseguir circuitos flexibles HDI es usar foil de cobre de grano fino, delgado y de perfil bajo. Su grosor debe estar en el rango habitual de circuitos flexibles (1 oz). Para densidad gráfica media, 1 oz es suficiente. Pero para aplicaciones HDI, los fabricantes pueden usar foils de 1/3, 1/2 o 1/4 oz.

3.4 Resistencia del material a la migración electrónica de aglutinantes

En circuitos flexibles, la migración electrónica es una desventaja porque conduce a su destrucción. Algunos aglutinantes permiten que iones de cobre se muevan a través de ellos bajo sesgo de voltaje, alta temperatura o humedad, formando una línea entre polos negativo y positivo.

Al aumentar densidad de pistas y voltaje, la fiabilidad del circuito está bajo amenaza constante de migración electrónica. HDI parece el más expuesto. Por eso los fabricantes deben ser sensibles a este problema y tomar medidas adecuadas.

4. PCB HDI — Diferentes materiales HDI para diferentes necesidades

Los materiales PCB con bajo Factor de Disipación (Df) o Tangente de Pérdida Dieléctrica son los mejores para reducir pérdidas energéticas a alta frecuencia. Al menos cuatro categorías de materiales HDI son adecuadas:

4.1 Velocidad media y pérdida

Son los materiales PCB más populares; pertenecen a la familia FR-4. Su ratio constante dieléctrica/frecuencia no es plano, así que sufren mayor pérdida dieléctrica. Solo sirven para aplicaciones analógicas/digitales con pocos GHz.

4.2 Alta velocidad, baja pérdida

Esta categoría tiene curva Dk/frecuencia más plana. La pérdida dieléctrica es significativamente baja, hasta la mitad que con materiales de velocidad media. Útiles para aplicaciones de ~0 GHz.

4.3 Alta velocidad, baja pérdida, alta integridad de señal

Curvas Dk/frecuencia igualmente planas y pérdida dieléctrica muy baja. Además, eliminan ruido eléctrico innecesario común en otras categorías.

4.4 Alta velocidad, pérdida muy baja, alta integridad de señal, RF y microondas

De todos los materiales HDI comentados, esta categoría tiene la curva Dk/frecuencia más plana y la menor pérdida dieléctrica. Para aplicaciones hasta 20 GHz, es la más adecuada.

5. PCB HDI — Coste de materiales HDI vs. sus funciones

En principio, materiales con Dk y Df bajos y buenas características SI son los mejores para excelente rendimiento HDI. Sin embargo, los elementos del capítulo 5 suelen ser difíciles de procesar y no siempre aplicables a todos los stack-ups HDI. A mayor calidad del material, mayor coste. Típicamente, los materiales de alta velocidad, pérdida muy baja, alta integridad de señal, RF y microondas son los más caros.

6. PCB HDI — Dónde conseguir el material adecuado para HDI

Según tu ubicación, puedes conseguir materiales HDI de varios fabricantes cercanos. Si cuesta encontrar uno de confianza, puedes pedir directamente en Amazon para que te llegue a la puerta.

7. Futuro de los PCB HDI según tendencias recientes

Dada la popularidad de la tecnología HDI en la electrónica actual, el futuro no es nada sombrío. Aunque HDI aún puede mejorar, sus ventajas y aplicaciones son demasiado numerosas para ignorarlas. Casi todos los sectores, incluido el militar, adoptan PCB HDI, lo que aumenta su aceptación.

8. Conclusión

La tecnología HDI avanza globalmente y muchas aplicaciones ya funcionan con ella. No obstante, seleccionar el material dieléctrico adecuado puede ser arduo. Debes considerar varios factores antes de decidir, y eso es lo que hemos intentado ayudarte a hacer en este artículo. Esperamos que la información te sea útil.