Empilhadeiras comumente usadas para PCBs HDI multicamadas: design, benefícios e aplicações

Os PCBs multicamadas de alta densidade de interconexão (HDI) tornaram-se a espinha dorsal da eletrônica de ponta, desde os smartphones 5G até os implantes médicos.e funcionalidade complexa em pegadas menoresMas o sucesso destes PCBs avançados depende de uma decisão crítica de design: a empilhamento de camadas.Enquanto um pobre pode prejudicar o desempenho, causar interferência, ou levar a costosos retrabalhos.

Este guia descreve os empilhados de PCB multicamadas HDI mais usados, explica como escolher a configuração certa para sua aplicação e descreve os principais princípios de design para evitar armadilhas.Quer esteja a desenhar um PCB de smartphone de 6 camadas ou uma placa de estação base 5G de 12 camadas, a compreensão destes empilhados irá ajudá-lo a liberar todo o potencial da tecnologia HDI.

Principais conclusões
1Os empilhados de PCB multicamadas HDI (412 camadas) utilizam microvias (50150μm) e vias escalonadas/empilhadas para atingir uma densidade de componentes 2×3x superior aos PCB multicamadas tradicionais.
2As configurações mais comuns são 2+2+2 (6 camadas), 4+4 (8 camadas), 1+N+1 (conta de camadas flexível) e 3+3+3 (9 camadas), cada uma adaptada às necessidades específicas de densidade e desempenho.
3.Um empilhamento bem concebido reduz a perda de sinal em 40% a 28 GHz, reduz a transmissão por 50% e diminui a resistência térmica em 30% em comparação com os layouts aleatórios de camadas.
4Indústrias como eletrônicos de consumo, telecomunicações e dispositivos médicos dependem de pilhas especializadas: 2+2+2 para smartphones, 4+4 para estações base 5G e 1+N+1 para wearables.

O que é um HDI Multilayer PCB Stack-Up?
Um empilhamento de PCB multicamadas HDI é o arranjo de camadas de cobre condutoras (sinal, potência, terra) e camadas dielétricas isolantes (substrato, prepreg) em um PCB.Ao contrário dos PCBs multicamadas tradicionais, que dependem de vias através de buracos e layouts simples de sinal-terra-sinal, o uso de empilhadeiras HDI:
a. Microvias: pequenos furos (50-150 μm de diâmetro) que ligam as camadas adjacentes (vias cegas: exterior → interior; vias enterradas: interior → interior).
b. vias empilhadas/escaladas: microvias empilhadas verticalmente (empilhadas) ou deslocadas (escaladas) para ligar camadas não adjacentes sem furos.
c. Aviões dedicados: separar as camadas de terra e de energia para minimizar o ruído e melhorar a integridade do sinal.
O objetivo de um empilhamento HDI é maximizar a densidade (componentes por polegada quadrada), mantendo o desempenho do sinal de alta velocidade (25Gbps+) e a eficiência térmica, críticos para o compacto,Dispositivos de alta potência.

Por que o design empilhado é importante para PCB multicamadas HDI
Um "stack-up" mal concebido prejudica até mesmo as características mais avançadas do HDI.
1.Integritade do sinal: sinais de alta velocidade (28GHz 5G, 100Gbps links de data center) são sensíveis a incompatibilidades de impedância e crosstalk.camada de sinal adjacente ao plano de solo) mantém impedância controlada (50Ω/100Ω) e reduz a reflexão do sinal em 30%.
2Gerenciamento térmico: os PCB HDI densos geram planos de cobre dedicados ao calor no aquecimento de espalhamento em empilhamento 2x mais rápido do que os layouts tradicionais, reduzindo as temperaturas dos componentes em 25°C.
3Fabricabilidade: empilhadas excessivamente complexas (por exemplo, 12 camadas com microvias de 100 μm) aumentam as taxas de sucata para 15%; projetos otimizados mantêm o sucata <5%.
4.Eficiência de custos: a escolha de um empilhamento de 6 camadas em vez de 8 camadas para um PCB de smartphone reduz os custos de material em 25% sem sacrificar o desempenho.

Os empilhados de PCB multicamadas HDI mais usados
Os empilhados HDI são categorizados por sua contagem de camadas e configuração de microvia.

1. 2+2+2 (6 camadas) HDI Stack-Up
O 2+2+2 stack-up é o "cavalo de batalha" da eletrônica de consumo, equilibrando densidade, desempenho e custo.
a.Subestaca superior: 2 camadas (sinal superior + 1 superfície interna) ligadas por microvias cegas.
b. Núcleo médio: 2 camadas (potência interna 2 + sinal interno 3) ligadas por microvias enterradas.
c. Subestaca inferior: 2 camadas (Inner 4 Ground + Bottom Signal) ligadas por microvias cegas.
Características principais:
a. Utiliza microvias empilhadas (Top → Inner 1 → Inner 2) para ligar as camadas exterior e média.
b.Os planos de solo dedicados adjacentes às camadas de sinal reduzem a intermitência.
c. Suporta BGA de passo de 0,4 mm e 0201 passivos ◄ ideais para dispositivos compactos.
Métricas de desempenho:
a. Perda de sinal a 28 GHz: 1,8 dB/ polegada (contra 2,5 dB/ polegada para PCB tradicionais de 6 camadas).
b.Densidade de componentes: 800 componentes/ polegada quadrada (2x a tradicional de 6 camadas).
Melhor para:
a.Smartphones (por exemplo, PCB principal do iPhone 15), tablets, wearables (relógios inteligentes) e sensores IoT.
Prós e contras:

2. 4+4 (8 camadas) HDI Stack-Up
O 4+4 é o padrão para dispositivos de alto desempenho de gama média, adicionando mais duas camadas ao design 2+2+2 para sinais e caminhos de energia extras.
a. Subestaca superior: 4 camadas (Signal superior 1, Inner 1 Ground, Inner 2 Power, Inner 3 Signal 2) ligadas por microvias empilhadas.
b. Subestaca inferior: 4 camadas (Inner 4 Signal 3, Inner 5 Ground, Inner 6 Power, Bottom Signal 4) ligadas por microvias empilhadas.
c. vias enterradas: Conectar o interior 3 (subestaca superior) ao interior 4 (subestaca inferior) para encaminhamento do sinal entre estacas.
Características principais:
a. Quatro camadas de sinal dedicadas (suporta caminhos de 4 x 25 Gbps).
b.Planos de potência dupla (por exemplo, 3,3 V e 5 V) para sistemas de múltipla tensão.
c. Utiliza microvias perfuradas a laser (diâmetro de 75 μm) para alta precisão.
Métricas de desempenho:
a. Controle da impedância: ± 5% (crítico para 5G mmWave).
b.Resistência térmica: 0,8°C/W (contra 1,2°C/W para empilhamento em 6 camadas).
Melhor para:
a. Pequenas células 5G, smartphones de gama média (por exemplo, série Samsung Galaxy A), gateways industriais de IoT e sensores ADAS automotivos.
Prós e contras:

3. 1+N+1 (contagem flexível de camadas) HDI Stack-Up
O 1+N+1 é um projeto modular onde N é o número de camadas internas (28), tornando-o versátil para necessidades personalizadas.
a.Capa superior: 1 camada de sinal (microvia cego para a camada interna 1).
b.Camas internas: N camadas (mistura de sinal, terra, potência, por exemplo, 2 terra, 2 potência para N=4).
c. Camada inferior: 1 camada de sinal (microvia cego para N interno).
Características principais:
a. Contagem de camadas internas personalizável (por exemplo, 1+2+1=4-camadas, 1+6+1=8-camadas).
b. Micróvias em escala (em vez de empilhadas) para uma fabricação mais simples em operações de baixo volume.
c. Ideal para prototipagem ou projetos com necessidades únicas de potência/sinal.
Métricas de desempenho:
a. Perda de sinal: 1,5-2,2 dB/ polegada (varia em função da N; menor para mais planos de solo).
b.Densidade de componentes: 600 ∼ 900 componentes/ polegada quadrada (aumentando com a N).
Melhor para:
a.Protótipos (por exemplo, dispositivos IoT de arranque), dispositivos portáteis médicos (por exemplo, monitores de glicose) e sensores industriais de baixo volume.
Prós e contras:

4. 3+3+3 (9 camadas) HDI Stack-Up
A pilha 3+3+3 é um projeto de alto desempenho para sistemas complexos, com três sub-pilhas iguais:
a.Subestaca superior: 3 camadas (sinal superior 1, terreno interno 1, potência interna 2) → microvias cegas.
b. Subestaca média: 3 camadas (sinal 3 interno, sinal 2 interno, sinal 3 interno, sinal 5 interno) → microvias enterradas.
c. Subestaca inferior: 3 camadas (Inner 6 Power, Inner 7 Ground, Bottom Signal 4) → microvias cegas.
Características principais:
a.Triplos planos de aterragem (redução máxima do ruído).
b. Suporta 4+ pares de diferenciais de alta velocidade (100Gbps+).
c. Utiliza microvias preenchidas com cobre para vias de alimentação (carrega 5 ‰ 10 A por via).
Métricas de desempenho:
a. Perda de sinal a 40 GHz: 2,0 dB/ polegada (melhor na sua categoria para HDI).
b. Transmissão transversal: <-40 dB (contra <-30 dB para empilhamento em 8 camadas).
Melhor para:
Estações base macro 5G, transceptores de centros de dados (100 Gbps+), aviônicos aeroespaciais e dispositivos de imagem médica de ponta.
Prós e contras:

Comparação de empilhadas comuns do IDH
Utilize esta tabela para avaliar rapidamente qual a pilha que se adapta às necessidades do seu projecto:

Principais princípios de concepção para empilhadeiras de PCB multicamadas HDI
Mesmo a melhor configuração de pilha falha sem um design adequado.
1. Emparelhar camadas de sinal com planos de solo
Cada camada de sinal de alta velocidade (≥ 1 Gbps) deve estar adjacente a um plano de solo sólido.
a.Reduz a área do loop (uma das principais fontes de EMI) em 50%.
b. Mantenha a impedância controlada (por exemplo, 50Ω para sinais de extremidade única) assegurando uma espessura dielétrica consistente entre a traça do sinal e a terra.
Exemplo: em um 2+2+2 empilhamento, colocando o sinal superior (28GHz) diretamente acima do Inner 1 Ground corta a reflexão do sinal em 30% em comparação com uma camada de sinal sem terra adjacente.

2. Separar camadas de energia e sinal
Os planos de potência geram ruído (ondulação de tensão, transientes de comutação) que interfere com os sinais de alta velocidade.
a. Colocar os planos de potência do lado oposto dos planos de terra das camadas de sinal (por exemplo, sinal → terra → potência).
b.Utilizar planos de potência separados para diferentes níveis de tensão (por exemplo, 3,3 V e 5 V) para evitar a interligação entre os domínios de potência.
c. Adicionar condensadores de desacoplamento (tamanho 01005) entre os planos de potência e as camadas de sinal para suprimir o ruído.
Dados: A separação das camadas de potência e sinal com um plano de solo reduz o ruído relacionado à potência em 45% em projetos de 10Gbps.

3. Otimize a colocação de micróbios
As microvias são críticas para a densidade do HDI, mas podem causar problemas de sinal se estiverem mal colocadas:
a.Vias empilhadas: Utilização em projetos de alta densidade (por exemplo, smartphones), mas limitados a 2 ∼ 3 camadas (empilhar mais de 4 camadas aumenta o risco de validade).
b.Vias em escala: utilizadas para projetos de baixo volume ou de alta fiabilidade (por exemplo, dispositivos médicos) ̇ são mais fáceis de fabricar e têm menos vazios.
c. Manter as vias afastadas dos cantos da pista: colocar microvias a ≥ 0,5 mm das curvas da pista para evitar picos de impedância.

4Equilíbrio das necessidades térmicas e eléctricas
Os PCB HDI de alta densidade capturam o calor e concebem o empilhamento para dissipá-lo:
a.Usar 2 oz de cobre para planos de potência (versus 1 oz) para melhorar a condutividade térmica.
b. Adicionar vias térmicas (recheadas de cobre, de diâmetro de 0,3 mm) entre componentes quentes (por exemplo, módulos 5G PA) e planos de terra internos.
c. Para dispositivos de 10 W +, incluir uma camada de núcleo metálico (alumínio ou cobre) no empilhamento (por exemplo, 2+1+2+1+2=8 camadas com 1 núcleo metálico).
Estudo de Caso: Uma empilhadeira de 4 + 4 com planos de potência de 2 oz e 12 vias térmicas reduziu a temperatura de um módulo 5G PA em 20 ° C em comparação com um projeto de 1 oz.

5. Seguir as normas IPC-2226
O IPC-2226 (o padrão global para PCB HDI) fornece orientações críticas para empilhadeiras:
a. Diâmetro mínimo da microvía: 50 μm (perfurado a laser).
b.Distância mínima entre microvias: 100 μm.
c. Espessura dielétrica entre as camadas: 50 ‰ 100 μm (para impedância controlada).
A adesão ao IPC-2226 garante que o seu empilhamento seja fabricável e atenda aos padrões de confiabilidade da indústria

Seleção de materiais para empilhadeiras de IHD

Os materiais adequados melhoram o desempenho do empilhamento.

Desafios e soluções comuns de empilhamento
Mesmo com um projecto cuidadoso, os HDI-stack-ups enfrentam obstáculos únicos.

Aplicações reais de HDI Stack-Ups
1Eletrónica de Consumo: Smartphones
a. Dispositivo: PCB principal do iPhone 15 Pro
b.Equipação: 2+2+2 (6 camadas)
c. Porquê: Balança a densidade (1,200 componentes/ polegada quadrada) e o custo; microvias empilhadas permitem BGA de 0,35 mm de passo para o chip A17 Pro.
d.Resultado: PCB 30% menor do que o iPhone 13, com velocidades 5G 2x mais rápidas (descarregar 4,5 Gbps).

2Telecomunicações: 5G Small Cells
a. Dispositivo: Unidade de rádio 5G da Ericsson
b.Apilação: 4+4 (8 camadas)
c.Porquê: Quatro camadas de sinal lidam com sinais de 28 GHz mmWave e 4G LTE; planos de potência dupla suportam amplificadores de 20W.
d.Resultado: perda de sinal 40% menor do que os PCBs tradicionais de 8 camadas, alargando o alcance das células pequenas em 25%.

3Ultrassonografia portátil.
a. Dispositivo: GE Healthcare Logiq E Ultrassom Probe
b.Apilação: 1+4+1 (6 camadas)
c. Porquê: O projeto modular se adapta às necessidades dos sensores personalizados; o substrato de poliimida resiste à esterilização (134 °C).
d.Resultado: 50% mais leve do que os modelos anteriores, com imagens mais claras (graças ao baixo ruído cruzado).

4Automóvel: ADAS Radar
a. Dispositivo: módulo de radar do piloto automático Tesla
b.Equipação: 3+3+3 (9 camadas)
c. Porquê: os planos de terra triplos reduzem a EMI da eletrônica dos carros; vias cheias de cobre gerenciam a potência de 15A para transmissores de radar.
d.Resultado: precisão de detecção de 99,9% em chuva/nevoeiro, em conformidade com as normas de segurança ISO 26262.

Perguntas frequentes sobre HDI Multilayer PCB Stack-Ups
P: Como escolho entre um 2+2+2 e um 4+4?
A: Use 2+2+2 se o seu projeto precisar de ≤2 caminhos de alta velocidade (por exemplo, smartphone com 5G + Wi-Fi 6E) e prioriza o custo.5G pequena célula com 28GHz + 39GHz) ou 10W+ dissipação de energia.

P: Os empilhados HDI podem suportar PCB flexíveis?
R: Sim, usar um empilhamento 1 + N + 1 com substrato de poliimida (por exemplo, 1 + 2 + 1 = HDI flexível de 4 camadas).

P: Qual é o número mínimo de camadas para um PCB 5G mmWave?
R: 6 camadas (2+2+2) com substrato RO4350 Rogers.

P: Quanto custa um HDI adicionado ao custo do PCB?
R: Um 2+2+2 stack-up custa 30% a mais do que um PCB tradicional de 6 camadas; um 3+3+3 stack-up custa 2x mais.

P: Preciso de um software especial para projetar HDI?
R: Sim, ferramentas como o Altium Designer, o Cadence Allegro e o Mentor Xpedition têm recursos específicos do HDI: regras de design de microvia, calculadoras de impedância e simuladores de empilhamento.

Conclusão
Os HDI multilayer PCBs são os heróis desconhecidos da eletrônica moderna, permitindo os dispositivos compactos e de alto desempenho em que dependemos diariamente.e as configurações 3+3+3, cada uma servindo necessidades únicas, desde smartphones de baixo custo até estações base 5G de missão crítica.
A chave para o sucesso consiste em adaptar o empilhamento à sua aplicação: priorizar o custo com 2+2+2, o desempenho com 3+3+3 e a flexibilidade com 1+N+1.Emparelhe isso com princípios de design inteligente (paralizar sinal-terra), otimização de microvia) e materiais de alta qualidade, e você vai criar HDI PCBs que se destacam em densidade, velocidade e confiabilidade.

À medida que a eletrônica continua a encolher e as velocidades sobem para 60GHz+ (6G), o design HDI vai aumentar de importância.Você estará pronto para construir a próxima geração de dispositivos de ponta, aqueles que são menores., mais rápido e mais eficiente do que nunca.