FRS Mar 2010 1
Tecnologías de interconexión
FRS Mar 2010 2
Esquema descriptivo de un desarrollo
Proyecto
Electro electrónico
Mecánico
Funciones
Ambiente
Materiales
Procesos
FRS Mar 2010 3
Árbol de Normas IPC
Términos y definiciones Montajes Diseño
Rígidos PCI
Interfaces Avanzadas
Soldabilidad
Cables y arneses Opto electrónica
Soporte Materiales Componentes
Limpieza
Aceptación de PCI
Fabricación Embebidos Materiales Base Flexibles Montajes Refuerzos Hoja de cobre HDI
180 documentos principales
4
Especificaciones Básicas
(SI, grilla, ambiente,...)
ISO 9001- 2000
IEC QC 001001 Reglas básicas
IEC QC 001002
Parte 1 - Administración Parte 2 – Documentación Parte 3 – Proced. Aprobación
IEC QC 001005
Registro de empresas, productos y servicios
IEC 60194
Terminología (completa)
IEC 61182
Descripción digital y transferencia electrónica
de datos
IEC 61188
Proyecto y uso (PCI y ensambles)
IEC 61249
Materiales para circuito impreso
IEC 62326 – 1
Especificación Genérica
IEC 62326 - 4 - 1
Especificación de detalle de capabilidad
IEC 62326 – 4
Especificación Seccional Placas rígidas multicapas
interconectadas
Especificación de Detalle del usuario
EDU
(numeración del usuario)
IEC 61192 Workmanship IEC 61190 Materiales para Montajes IEC 61191 Montajes electrónicos IEC 61193 Evaluación, registro e clasificación de defectos IEC 61189
Métodos de ensayo (para PCI incl)
FRS Mar 2010 5
Dominios
Restricciones:
Disponibilidad
Costos
Proyectista
Fabricante de PCI
Armador
FRS Mar 2010 6
7
60x58 - 3,8 mils 60x56 - 2,9 mils
60x47 - 2,5 mils 56x56 - 1,5 mils
8
52x52 - 4 mils
FRS Mar 2010 9
Características de pré-pregs
Tipos de tejido de vidrio
Estilo Espesor mm Direcc. máquina Transversal fibras/cm
106 0,0356 ECD 900 - 1/0 ECD 900 - 1/0 22x22 68
1080 0,0584 ECD 450 - 1/0 ECD 450 - 1/0 24x19 60
1506 0,1500 ECE 110 - 1/0 ECE 110 - 1/0 19x16 48
1652 0,1143 ECDE 150 - 1/0 ECDE 150 - 1/0 20x20
2113 0,0737 ECE 225 - 1/0 ECD 450 - 1/0 24x22 56
2116 0,0965 ECE 225 - 1/0 ECE 225 - 1/0 24x23 46
2165 0,1016 ECE 225 - 1/0 ECG 150 - 1/0 24x20
2313 0,0813 ECE 225 - 1/0 ECD 450 - 1/0 24x25 55
3070 0,0787 ECDE 300 - 1/0 ECDE 300 - 1/0 27x27
3313 0,0838 ECDE 300 - 1/0 ECDE 300 - 1/0 24x25 55
7628 0,1727 ECG 75 - 1/0 ECG 75 - 1/0 17x12 43
7629 0,1778 ECG 75 - 1/0 ECG 75 - 1/0 17x13
7635 0,2032 ECG 75 - 1/0 ECG 50 - 1/0 17x11
% Resina
10
Lo que define un “laminado”
Constante Dieléctrica y factor de perdidas
Tg = Temperatura de transición vítrea
.
HPCT = Teste en autoclave.
VO = Flamabilidad – característica de auto extinción (UL 94).
C
u= Resistencia al despegue (del cobre al laminado).
α
z= Coeficiente de expansión térmica en eje Z.
P(t) = Perfil de la Superficie.
Estabilidad Dimensional
FRS Mar 2010 12
Materiales base
Cobre su otros metales
Refuerzos
Resinas
FRS Mar 2010 13
Tolerancias en espesor
Tolerancia
estandar % de 1,58 mm ± 0.12 – clase I 7,6
± 0.09 – clase II 5,7
En los laminados convencionales
Tolerancia
Mils mm % em 1,58 0.5 0.0125 0,8 1.0 0.0250 1,58 2.0 0.0504 3,18
FRS Mar 2010 14
Tolerancias
En materiales
:
(no están totalmente bajo control del fabricante de
pci, algunos, apenas pueden elegir)
Constante dieléctrica ± 5 %
Contenido de resina del pré-preg ± 3 %
“Flow” ± 3 %
FRS Mar 2010 15
Resistores embutidos
FRS Mar 2010 17
Tolerancias
• La importancia de las capabilidades
comprobadas y comprobables del fabricante se
ve claramente en los cálculos que siguen.
• Ellos se empiezan a notar cuando la frecuencia
de trabajo pasa de los 500Mhz (1 Gbit/s)
- Er de FR4 vs Frecuencia
Ver los website de proveedores de FR4.
18FRS Mar 2010 19
Microstrip
Z
o= 87*(ln(5,98*H/0,8W +T)*(1/Raíz
ε
R+ 1,41) =
Ω
C
o= 0,67*(
ε
r.1,41) / ln(5,98H / 0,8W + T) = pF / mm
FRS Mar 2010 20
Variación de la impedancia x espesor de cobre
91 96 101
0,035 0,040 0,045 0,050 0,055
Espesor de cobre mm
Zo
=
o
h
FRS Mar 2010 21
Variación de la impedancia x ancho pista
52
57
62
67
0,150
0,200
0,250
Ancho de pista mm
Zo
=
o
h
FRS Mar 2010 22
Variación de la impedancia x tol. del prepreg
59
61
63
65
67
0,18
0,19
0,20
0,21
0,22
Espesor de prepreg mm
Z
o
=
FRS Mar 2010 23
Paliativos
Las “striplines” (internas) en general no tienen la
metalización adicional que tienen las “microstrip” y por ello en ellas no existe la variación del grafico anterior debida al espesor de cobre.
La variabilidad en el ancho suele estar entre 13 y 25 µm pero es función del espesor del cobre: > espesor, > variación.
Cuando la pista es más ancha el efecto se nota menos.
Entonces es más fácil conseguir mejores tolerancias en “striplines” (internas) que en “microstrips” (externas)
24
Reducción de costos
-• Proyecte en base a la construcción que su fabricante
pueda hacer!
• Verifique cuales son las construcciones estándar para
4, 6, 8, etc. capas que hace mejor.
– Defina los anchos de pista que sean necesarias para alcanzar
su objetivo de impedancia (en vez de hacer lo que cree o gusta
y forzar al fabricante a cambiar el espesor del dieléctrico).
–
(Rara vez es importante alcanzar un valor especifico de
impedancia, mejor es alcanzar un valor reproducible y
mantenerlo).
– Esto probablemente le demandara diferentes anchos en
diferentes capas para mantenerla constante)
– Y esto exige que todos sus proveedores hagan la misma
construcción.
FRS Mar 2010 25
Otros detalles
Puedo usar un solo prepreg como el 106, 1080, 3113, o 2313 ?
FRS Mar 2010 26
Las construcciones
27
Simetrías
Mantener un apilamiento equilibrado en el eje Z a partir del centro del panel para disminuir el alabeo/torsión:
El espesor de las capas
El espesor del cobre y su distribución
La posición de los planos y del trazado de señales
Una mayor cantidad de capas implica en mayor cantidad de planos que deben estar uniformemente distribuidos internamente en el eje Z
Deben ser colocados ladrones en las capas externas de baja densidad de cobre. Z
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Orientación al proyectista cuanto a
combinación de prepregs
30
FRS Mar 2010 31
FRS Mar 2010 32
FRS Mar 2010 33
FRS Mar 2010 34
35
FRS Mar 2010 36
FRS Mar 2010 37
FRS Mar 2010 38
FRS Mar 2010 39
FRS Mar 2010 40
SBC 21020
FRS Mar 2010 41 Construcción proyectada por CETT
L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10
FRS Mar 2010 42
Preparativos para la fabricación
Análisis de los datos y especificaciones del proyectista
Definición y selección de materiales
Planeamiento de la construcción
Pasar de CAD a CAM
Edición de cada capa
Preparación y fabricación de plantillas y dispositivos
Ploteo de la imágenes
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Preparación de la documentación de fabricación
FRS Mar 2010 44
Secuencias de fabricación
1 de 6 + 1 de 4
5 UTs 1 de 10
Int. 1 6 Capas Int. 2 4 capas Prensada final 10 capas UT 1 L1 L2 UT 2 L3 L4 UT 4 L7 L8 UT 5 L9 L10 UT 3 L5 L6 2 oz. 66 µm L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10
FRS Mar 2010 45
Película ploteada y
FRS Mar 2010 46
Película
FRS Mar 2010 47
En la mesa de medición
FRS Mar 2010
Archivo de CAD para
48comparar con metrología
FRS Mar 2010
Archivo de CAD para
49comparar con metrología
FRS Mar 2010 50
Fijando origen
FRS Mar 2010 51
FRS Mar 2010 54
FRS Mar 2010 57
FRS Mar 2010 62
FRS Mar 2010 67
Panel atacado
FRS Mar 2010 68
FRS Mar 2010 72
Placa terminada con Ni-Au
FRS Mar 2010 73
Hoy: fibra óptica embutida, componentes
embutidos, microvias, nuevos materiales, SBU….
1995 comienza el cambio
División de aplicaciones de la PCI x Mercados
FRS Mar 2010 74
FRS Mar 2010 75
FRS Mar 2010 76
FRS Mar 2010 77
Definir ambiente y características operacionales:
Desempeño electro- magnético, térmico, mecánico,
Ambiente de operación
Componentes
Materiales (incluyendo acabamiento superficial)
Ensamblado, montaje,
Soldadura,
FRS Mar 2010 78
Proyecto
Especificaciones recomendables
Tipo de material base
Cantidad de capas
Acabamiento protector de soldabilidad
Tipos de mascara y simbología
FRS Mar 2010 79
Parte del Proyecto
Hay que especificar las tolerancias que afecten el desempeño del producto.
Dimensionales.
Espesores:
de las capas y de la placa
de los revestimientos
de la metalización en agujeros
de la mascara antisoldante
FRS Mar 2010 80
Parte del Proyecto
Especificaciones
Mecánicas
Contorno
Recortes, ranuras, etc.
Conectores
Diámetro de perforaciones
Planicidad
“Anillos” mínimos / concentricidad
Agujero x mascara x simbología x isla de cobre
FRS Mar 2010 81
Parte del Proyecto
Especificaciones
Legislación ambiental aplicable (RoHS; WEEE; otras)
Varias
Requisitos de seguridad
FRS Mar 2010 82
Parte del Proyecto
FRS Mar 2010 83
Capabilidades del proveedor
Tipos de material que pueda procesar
Ancho de pista y separación (aislación) ej.: 0,10 mm
Menor diámetro de perforación ej.: 0,10 mm
Mayor cantidad de capas, ej.: 16 capas
Mayor y menor tamaño de placa
Tipos de mecanización
Menor y mayor espesor
Tipo de protección superficial
Máximo-mínimo espesor de cobre
FRS Mar 2010 84
Acabamientos
Algunas características
Tipo
Pro
Contras
Costo Dificultad Vida
OSP
Simple
TE
Bajo
Baja
3 m
Sn
Simple
Bigote
Mascara
Bajo
Baja
6 m
ENIG
Plano
Control
Alto
Alta
6 m
AG
Simple
Mancha
Bajo
Poca
3 m
FRS Mar 2010 85
Paso (mm)
0.25 0.50 0.75 1.00 1.27
1
Ancho 125 µm Aislación 125 µm Isla 700 µm
2
Ancho 125 µm Aislación 125 µm Isla 600 µm
3
Ancho 100 µm Aislación 100 µm Isla 600 µm
4
Ancho 60 µm Aislación 50 µm Isla 300 µm
5
Ancho 75 µm Aislación 100 µm Isla 200 µm
6
Ancho 50 µm Aislación 50 µm Isla 50 µm
FRS Mar 2010 86
Grado de dificultad
Clase 1 – Retícula 1mm, pistas ancho-separación 0,2 mm
Clase 2 – Retícula 0,5 mm, 2 pistas entre patas de integrados,
ancho-sep 0,125 a 0,15 mm.
Clase 3 – Retícula 0,5 mm o menor; ancho-sep 0,15 mm
o menor. Pads SMD 0,4 o 0,5 mm
Existen otras clasificaciones con la misma finalidad. Hasta hay
tablas que contienen agrupados los factores que entran en
FRS Mar 2010 87
Factores de complejidad - dificultad
Son debidos a:
Materiales
Procesos
Equipos
Ambiente
FRS Mar 2010 88
IMPLICANCIAS de los factores
Del punto de vista constructivo hay enormes diferencias entre ellas.
Tecnologías PROCESOS
Tipo y forma de aplicación del producto químico.
FRS Mar 2010 89
Ejemplo: disolución del cobre
Pistas > 0,3 (mm)
Pistas 0,1 a 0,2
(mm) Composición > 140 g/l < 100 g/l
pH 8,8 a 9,2 < 8,4
La banda de control, o límites de variación permisible, se estrecha con el aumento de densidad de la placa y hasta puede ser necesario cambiar el proceso.
Aditivos
Este es un importante factor de calificación de proveedores.
Los materiales elegidos y la densidad y configuración de la placa determinan el proceso de fabricación aplicable.
FRS Mar 2010 90
Factores que influyen en la fabricación
Materiales: Resinas y refuerzos
PTFE x epoxi x poliimida (química)
Cuarzo x vidrio x cerámica x aramida o teflón (mechas o láser)
Dimensiones
Placa y panel: X,Y, Z (equipos y materiales, tolerancias))
Densidad
: ancho-separación y diámetros (equipos, materiales)Espesor metalizaciones: “aspect ratio” para metalizar y atacar (idem +
composición química)
FRS Mar 2010 91
Aspect ratio
s = subataque
R = h / a (aspect ratio)
R tiene diferentes nombres según el proceso:
Ataque; es llamado factor de ataque y suele variar entre 1 a 3
Foto proceso(*): > 1,25 a 1,5 (polímero 25 µm para pista mínima
13 µm)
Metalización agujero: veremos mas adelante
(*) es solo aproximado pues depende de muchos factores
Pista h a Agujero h a s a
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FRS Mar 2010 93
El ataque al cobre
FRS Mar 2010 94
95
FRS Mar 2010 96
Sin controles de proceso……
99
Influencia del tipo de cobre
FRS Mar 2010 100
FRS Mar 2010 101
Metalización
Capabilidad estándar
Perforación Relación
Dia. / Esp. (*).
Diámetro perforación
Espesor dieléctrico o placa
Microvía 0,5 : 1 100 µm 0,05 mm - (50 µm)
PTH 8 : 1 200 µm 1,60 mm
PTH 10 : 1 350 µm 3,2 mm
FRS Mar 2010 103
Metalización
Capabilidad con pulsante
(tenemos esta tecnología)
Perforación Relación
Dia. / Esp.
Diámetro perforación
Espesor dieléctrico o placa
Microvía 0,6 : 1 100µm 0,10 mm - (100 µm)
PTH 11 : 1 200µm 2,8 mm
PTH 14 : 1 350 µm 5,4 mm
FRS Mar 2010 104
Pistas: usar lo mas ancha posible pues la fina es difícil de formar y de inspeccionar sin AOI; o debemos perfeccionar criterios para teste eléctrico.
AOI moderno “ve” hasta 0,25 mil (6 micrones)
Las pistas del lado de arriba – en la maquina de ataque – son atacadas más lentamente que las de abajo; por lo tanto podría ser necesario compensar en el dibujo alguno de los dos lados.
Planificar el teste eléctrico durante la fase proyecto para colocar eventuales islas adicionales para contacto.
Evitar gran variación de diámetros de perforaciones
Distribuir el cobre lo mas uniformemente posible en toda la superficie de la capa …. pues
FRS Mar 2010 105
Lo mismo vale para los dos lados de capas internas para
disminuir alabeo por variación dimensional entre las dos caras Debe ser buscada la simetría espacial vertical. Los planos
metálicos deben ser balanceados, hasta puede ser necesario duplicarlo sin necesidad eléctrica
Es mejor colocarlos en las capas centrales. Reticular las grandes superficies de cobre Evitar áreas metálicas aisladas o apartadas
Evitar un gran número de pistas paralelas muy próximas. Evitar ángulos rectos en los cambios de dirección de pistas Usar “tear drops” en la unión pista-isla
Usar construcciones simétricas
Indicar con LS el lado de la soldadura y LC el lado de los componentes
No usar elementos de identificación metálicos cuyo ancho sea menor que el menor elemento del trazado conductor.
FRS Mar 2010 106
Imprimir en transparencias para visualizar coincidencia entre capas.
Orientar los DIPs en la misma dirección: la del pasaje por la ola.
Dejar espacios alrededor del limite de los componentes para manipular la placa o panel
FRS Mar 2010 107
FRS Mar 2010 108
Prever reparaciones futuras cuando se distribuyen los componentes (calentamiento)
Evaluar el efecto de la separación del cuerpo del componente a la placa por su efecto en la disipación y limpieza después de montado.
A veces hacer “back drilling” mejora la señal.
Colocar cupones de ensayo en el área de circuito o adyacentes. O utilice conductores con puntos de referencia adyacentes
FRS Mar 2010 109
Concepto del “pad stack”
X + 21 X + 16
X + 0,4 Isla térmica en plano de
cobre
X + 35 X + 35
X + 0,9 Aislamiento (antipad)
X + 32 X + 26
X + 0,7 Abertura de mascara
X + 26 X + 20
X + 0,5 Isla capa externa
X + 21 X + 16
X + 0,4 Isla capa interna
X X
X Diámetro de mecha
Tamaño mils Tamaño mils Tamaño (mm) Característica Militares Comerciales
Tipos de multicapas
Dimensionamiento relativo de islas e aislaciones
X 8 10
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Ilustracion y escala
Explicativos En escala X 8 2 3 X 8 10
FRS Mar 2010 111
Laminados simétricos y asimétricos
Variaciones dimensionales anisotrópicas
-0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0 6 Fill Warp %
FRS Mar 2010 112
Cambios dimensionales durante la fabricación de la PCI
Alteration -0,5 -0,3 -0,1 0,1 0,3
1 2 3 4 5 6
Operation µ m/ m m
0
0,15
0,15
0,15
-0,4
-0,35
Oxidizing
Lamination
Thermal treatmt
Artw ork
Etch-stripp
Mech-chem cleaning
FRS Mar 2010 113
Esto produce descentralizaciones islas-agujeros y otras
Por lo tanto también ocurre en islas x fiduciales, y esto afecta la colocación o inserción de componentes.
El resultado puede ser tolerable o intolerable dependiendo de los criterios adoptados en el proyecto.
FRS Mar 2010 115
Costos vs. construcción
FRS Mar 2010 116
FR2 105 4,7 0,73
FR3 110 4,9 0,75
FR4 135 4,7 1
4,5 a 9,8 300
CHn Ceramicas - hidrocarburos 90
130 4,7 130 5,2
160
PD Fibras deAramida - poliimidas 6,5 PTFE Vidrio o cerámica - resina
politetrafluoroetileno 30 - 80 3,5 260 hasta 240 2,2 a 10,2 BT 5,3
Tela vidrio alta silica - resina
ester cianato 230 3,6 180 - 220 3,9 a 4,9
0,95 0,95
1,4 CE
Vidrio alta silica - resina bismaleimida triazina
4,5 4,6
CEM1 CEM3
FR5 Tela vidrio - epoxi ramificada Tela vidrio E - epoxi
Papel - fenolica Papel - epoxi
Nucleo papel epoxi - FR4 externas
Nucleo fibra vidrio/externo tela vidrio- epoxi
Costo relativo Material Composición Tg ºC εr
FRS Mar 2010 117
Tabla para comparación rápida
Tg XY Coeficiente de
expansión térmica Conductibilidad térmica Z Expansión > Tg Constante dieléctrica Factor
δ Absorción de humedad
°C Ppm / °C W/m °C % 1 MHz %
Epoxi-vidrio 125 13 – 18 0.16 4.5 4.8 0.02 0.30
Poliimida-vidrio 250 12 - 16 0.35 2.8 4.8 0.022 0.35
Epoxi-aramida 150 6 – 8 0.12 4.4 3.9 0.85
Poliimida aramida 250 3 – 7 0.15 4.0 3.6 1.50
Poliimida cuarto 250 6 - 8 0..3 2.8 4.0 0.022 0.50
Fibra vidrio - teflón 75 20 0.26 2,1 2.3 0.0004 1.10
teflón-cerámica 140 15-20
20-23 0.75 ND 3 a 9 0.002 0.15
Resina PPO 190 25 - 30 0.22 2.5 3.9 0.005 0,2
Alumna berilia 6 – 21 260 8.0
Aluminio 6061-T-6
23.6 200 10 ppm
Cobre 17.3 400 17 ppm
Cobre - Invar 3 - 5 150XY/2 oz 17 – 22 ppm
FRS Mar 2010 118
