Apilados Comunes para PCBs Multicapa HDI: Diseño, Beneficios y Aplicaciones

Los PCB multicapa de alta densidad de interconexión (HDI) se han convertido en la columna vertebral de la electrónica de vanguardia, desde los teléfonos inteligentes 5G hasta los implantes médicos.y funcionalidad compleja en huellas más pequeñasPero el éxito de estos PCBs avanzados depende de una decisión crítica de diseño: la acumulación de capas.Mientras que un pobre puede paralizar el rendimiento, causando interferencias, o conducir a costosos trabajos de rehabilitación.

Esta guía desglosa los empillages de PCB multicapa HDI más utilizados, explica cómo elegir la configuración adecuada para su aplicación y describe los principios clave de diseño para evitar trampas.Ya sea que esté diseñando un PCB de smartphone de 6 capas o una placa de estación base 5G de 12 capas, comprender estos acoplamientos le ayudará a liberar todo el potencial de la tecnología HDI.

Las cosas que hay que aprender
1.HDI multicapas de PCB apiladas (4 ′′ 12 capas) utilizan microvias (50 ′′ 150 μm) y vias escalonadas / apiladas para lograr una densidad de componentes 2 ′′ 3 veces mayor que las PCB tradicionales de múltiples capas.
2Las configuraciones más comunes son 2+2+2 (6 capas), 4+4 (8 capas), 1+N+1 (número de capas flexible) y 3+3+3 (9 capas), cada una adaptada a las necesidades específicas de densidad y rendimiento.
3.Un acoplamiento bien diseñado reduce la pérdida de señal en un 40% a 28 GHz, reduce el cruce de sonido en un 50% y reduce la resistencia térmica en un 30% en comparación con los diseños aleatorios de capas.
4Las industrias como la electrónica de consumo, las telecomunicaciones y los dispositivos médicos dependen de acumulaciones especializadas: 2 + 2 + 2 para teléfonos inteligentes, 4 + 4 para estaciones base 5G y 1 + N + 1 para dispositivos portátiles.

¿Qué es una pila de PCB multicapa HDI?
Una pila de PCB multicapa HDI es la disposición de capas de cobre conductoras (señal, potencia, tierra) y capas dieléctricas aislantes (substrato, prepreg) en un PCB.A diferencia de los PCB multicapa tradicionales, que dependen de vías a través de agujeros y diseños sencillos de señal a tierra, el uso de apilamientos HDI:
a.Vías microscópicas: agujeros diminutos (50-150 μm de diámetro) que conectan capas adyacentes (vías ciegas: exterior → interior; vías enterradas: interior → interior).
b.Vías apiladas o escalonadas: microvías apiladas verticalmente (apiladas) o desplazadas (escalonadas) para conectar capas no adyacentes sin agujeros.
c. Aviones dedicados: separar las capas de tierra y de energía para minimizar el ruido y mejorar la integridad de la señal.
El objetivo de una pila HDI es maximizar la densidad (componentes por pulgada cuadrada) manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de la señal de alta velocidad (25Gbps+) y la eficiencia térmica.dispositivos de alta potencia.

¿Por qué el diseño de acumulación es importante para los PCB multicapa HDI?
Una pila mal diseñada socava incluso las características HDI más avanzadas.
1.Integritad de la señal: las señales de alta velocidad (28GHz 5G, 100Gbps enlaces de centro de datos) son sensibles a los desajustes de impedancia y cruce de sonido.capa de señal adyacente al plano de tierra) mantiene la impedancia controlada (50Ω/100Ω) y reduce el reflejo de la señal en un 30%.
2Gestión térmica: los PCB HDI densos generan calor en los planos de cobre dedicados a la propagación de calor en el apilamiento 2 veces más rápido que los diseños tradicionales, reduciendo las temperaturas de los componentes en 25 °C.
3.Fabricabilidad: las apilamientos excesivamente complejos (por ejemplo, 12 capas con microvias de 100 μm) aumentan las tasas de chatarra al 15%; los diseños optimizados mantienen la chatarra < 5%.
4Eficiencia de costes: la elección de una pila de 6 capas en lugar de 8 capas para un PCB para teléfonos inteligentes reduce los costes de material en un 25% sin sacrificar el rendimiento.

Los embalajes de PCB de HDI de múltiples capas más utilizados
Los HDI se clasifican por su número de capas y configuración de microvia.

1. 2+2+2 (6 capas) HDI de acumulación
El 2+2+2 es el "caballo de batalla" de la electrónica de consumo, equilibrando la densidad, el rendimiento y el costo.
a.Subestaca superior: 2 capas (señal superior + 1 tierra interior) conectadas por microvias ciegas.
b. Núcleo medio: 2 capas (alimentación interna 2 + señal interna 3) conectadas por microvias enterradas.
c. Subpiel inferior: 2 capas (interior 4 tierra + señal inferior) conectadas por microvias ciegas.
Características clave:
a. Utiliza microvias apiladas (arriba → interior 1 → interior 2) para conectar las capas exterior y media.
b.Los planos de tierra dedicados adyacentes a las capas de señal reducen el cruce de sonido.
c. Soporta BGA de inclinación de 0,4 mm y pasivos 0201 ◄ ideales para dispositivos compactos.
Métricas de rendimiento:
a. Pérdida de señal a 28 GHz: 1,8 dB/pulgada (frente a 2,5 dB/pulgada para los PCB tradicionales de 6 capas).
b.Densidad de componentes: 800 componentes/pulgada cuadrada (2x las 6 capas tradicionales).
Lo mejor para:
a.Telefonos inteligentes (por ejemplo, PCB principal del iPhone 15), tabletas, dispositivos portátiles (relojes inteligentes) y sensores de IoT.
Pros y contras:

2. 4 + 4 (8-Capa) HDI Apilado
La pila 4+4 es la opción para dispositivos de alto rendimiento de gama media, agregando dos capas más al diseño 2+2+2 para rutas adicionales de señal y energía.
a.Subestaca superior: 4 capas (señal superior 1, señal interna 1 tierra, potencia interna 2, señal interna 3 2) conectadas por microvias apiladas.
b.Subpiel inferior: 4 capas (Interior 4 señal 3, Interior 5 tierra, Interior 6 potencia, señal inferior 4) conectadas por microvias apiladas.
c.Vías enterradas: Conectar el interior 3 (subpiel superior) con el interior 4 (subpiel inferior) para el enrutamiento de señales entre pilas.
Características clave:
a.Cuatro capas de señal dedicadas (suporta trayectorias de 4 x 25 Gbps).
b.Planos de potencia dual (por ejemplo, 3,3 V y 5 V) para sistemas de múltiples voltajes.
c. Utiliza microvias perforadas con láser (diámetro 75 μm) para una alta precisión.
Métricas de rendimiento:
Control de impedancia: ± 5% (crítico para 5G mmWave).
b.Resistencia térmica: 0,8 °C/W (frente a 1,2 °C/W para el apilamiento de 6 capas).
Lo mejor para:
a.5G células pequeñas, teléfonos inteligentes de gama media (por ejemplo, la serie Samsung Galaxy A), pasarelas industriales de IoT y sensores ADAS para automóviles.
Pros y contras:

3. 1+N+1 (número de capas flexibles) HDI
La pila 1+N+1 es un diseño modular donde N es el número de capas internas (28), por lo que es versátil para necesidades personalizadas.
a.Capa superior: 1 capa de señal (microvías ciegas hacia el interior 1).
b.Capa interior: N capas (mezcla de señal, tierra, potencia, por ejemplo, 2 tierra, 2 potencia para N=4).
c. Capa inferior: 1 capa de señal (microvías ciegas hacia el interior de N).
Características clave:
a. Número de capas internas personalizable (por ejemplo, 1+2+1=4-capas, 1+6+1=8-capas).
b. Microvías empotradas (en lugar de apiladas) para una fabricación más sencilla en tiradas de bajo volumen.
c. Ideal para prototipos o diseños con necesidades únicas de potencia/señal.
Métricas de rendimiento:
a. Pérdida de señal: 1,5 ∼ 2,2 dB/pulgada (varía según N; menor para más planos de tierra).
b.Densidad de componentes: 600 ‰ 900 componentes/pulgada cuadrada (aumenta con N).
Lo mejor para:
a.Prototipos (por ejemplo, dispositivos IoT de arranque), dispositivos portátiles médicos (por ejemplo, monitores de glucosa) y sensores industriales de bajo volumen.
Pros y contras:

4. 3+3+3 (9-Capa) HDI Apilado
La pila 3+3+3 es un diseño de alto rendimiento para sistemas complejos, con tres subpilas iguales:
a.Subpiel superior: 3 capas (señal superior 1, tierra interna 1, potencia interna 2) → microvias ciegas.
b.Subpiel media: 3 capas (Señales 3 internas, 2 internas, 4 internas, 5 internas, 3 señales) → microvias enterradas.
c.Subpiel inferior: 3 capas (Power 6 interior, Ground 7 interior, señal inferior 4) → microvias ciegas.
Características clave:
a.Triplos planos de tierra (reduce al máximo el ruido).
b. Soporta 4+ pares de diferenciales de alta velocidad (100Gbps+).
c. Utiliza microvías llenas de cobre para las vías de alimentación (lleva 5 ‰ 10 A por vía).
Métricas de rendimiento:
a.Pérdida de señal a 40 GHz: 2,0 dB/pulgada (mejor en su clase para HDI).
b. Transmisores transversales: <-40 dB (frente a <-30 dB para el apilamiento de 8 capas).
Lo mejor para:
a.5G estaciones base macro, transceptores de centros de datos (100 Gbps+), aviónica aeroespacial y dispositivos de imagen médica de alta gama.
Pros y contras:

Comparación de las acumulaciones comunes de IDH
Utilice esta tabla para evaluar rápidamente cuál de las pilas se ajusta a las necesidades de su proyecto:

Principios clave de diseño para las PCB de HDI de múltiples capas
Incluso la mejor configuración de acumulación falla sin un diseño adecuado.
1. Combinar las capas de señal con los planos de tierra
Cada capa de señal de alta velocidad (≥ 1 Gbps) debe estar adyacente a un plano de tierra sólido.
a.Reduce el área del bucle (una fuente importante de EMI) en un 50%.
b. Mantenimiento de una impedancia controlada (por ejemplo, 50Ω para señales de un solo extremo) asegurando un espesor dieléctrico constante entre el rastro de la señal y la tierra.
Ejemplo: en una pila 2+2+2, colocar la señal superior (28GHz) directamente por encima de la tierra interna 1 reduce la reflexión de la señal en un 30% en comparación con una capa de señal sin tierra adyacente.

2Separar las capas de potencia y de señal
Los planos de potencia generan ruido (ondas de voltaje, transientes de conmutación) que interfiere con las señales de alta velocidad.
a. Colocar los planos de potencia en el lado opuesto de los planos de tierra de las capas de señal (por ejemplo, señal → tierra → potencia).
b.Utilizar planos de potencia separados para diferentes niveles de voltaje (por ejemplo, 3,3 V y 5 V) para evitar la interacción entre los dominios de potencia.
c. Añadir condensadores de desacoplamiento (tamaño 01005) entre los planos de potencia y las capas de señal para suprimir el ruido.
Datos: La separación de las capas de potencia y señal con un plano de tierra reduce el ruido relacionado con la energía en un 45% en los diseños de 10Gbps.

3. Optimiza la ubicación de Microvia
Las microvias son críticas para la densidad de HDI, pero pueden causar problemas de señal si están mal colocadas:
a.Vías apiladas: se utilizan para diseños de alta densidad (por ejemplo, teléfonos inteligentes), pero se limitan a 2 ∼3 capas (apilando 4 + capas aumenta el riesgo de vacío).
b.Vías en etapas: se utilizan para diseños de bajo volumen o de alta fiabilidad (por ejemplo, dispositivos médicos) son más fáciles de fabricar y tienen menos huecos.
c. Mantener las vías alejadas de las esquinas de traza: colocar microvias ≥ 0,5 mm de las curvas de traza para evitar picos de impedancia.

4. Equilibrio de las necesidades térmicas y eléctricas
Los PCB HDI de alta densidad atrapan el calor y diseñan el apilamiento para disiparlo:
a.Use 2 oz de cobre para los aviones de potencia (en comparación con 1 oz) para mejorar la conductividad térmica.
b. Añadir vías térmicas (llenas de cobre, de 0,3 mm de diámetro) entre los componentes calientes (por ejemplo, módulos 5G PA) y los planos interiores del suelo.
c. Para los dispositivos de 10W+, incluir una capa de núcleo metálico (aluminio o cobre) en la pila (por ejemplo, 2+1+2+1+2=8 capas con 1 núcleo metálico).
Estudio de caso: Un 4+4 con 2 oz de planos de potencia y 12 vías térmicas redujo la temperatura de un módulo 5G de PA en 20 °C en comparación con un diseño de 1 oz.

5. Seguir las normas IPC-2226
El IPC-2226 (el estándar mundial para los PCB HDI) proporciona directrices críticas para las acumulaciones:
a.Diámetro mínimo de microvía: 50 μm (perforado con láser).
b. Distancia mínima entre microvias: 100 μm.
c. espesor dieléctrico entre capas: 50 ‰ 100 μm (para impedancia controlada).
El cumplimiento de la IPC-2226 garantiza que su acumulación es fabricable y cumple con los estándares de fiabilidad de la industria

Selección de materiales para las instalaciones de acumulación de HDI

Los materiales adecuados mejoran el rendimiento de la acumulación.

Desafíos y soluciones comunes de la acumulación
Incluso con un diseño cuidadoso, las instalaciones de HDI se enfrentan a obstáculos únicos.

Aplicaciones del mundo real de los HDI Stack-Up
1Electrónica de consumo: Smartphones
a.Dispositivo: iPhone 15 Pro PCB principal
b.Afianzamiento: 2+2+2 (6 capas)
c.Por qué: Equilibra la densidad (1,200 componentes / pulgada cuadrada) y el costo; las microvias apiladas permiten BGA de 0,35 mm de paso para el chip A17 Pro.
d.Resultado: PCB 30% más pequeño que el iPhone 13, con velocidades 5G 2 veces más rápidas (descarga de 4,5 Gbps).

2Telecomunicaciones: Células pequeñas 5G
a.Dispositivo: Unidad de radio 5G de Ericsson
b.Afianzamiento: 4+4 (8 capas)
c.Por qué: Cuatro capas de señal manejan señales de onda mm de 28 GHz y 4G LTE; los planos de potencia dual admiten amplificadores de 20 W.
d.Resultado: pérdida de señal 40% menor que los PCB tradicionales de 8 capas, ampliando el rango de células pequeñas en un 25%.

3- Ultrasonido portátil.
a.Dispositivo: sonda de ultrasonido GE Healthcare Logiq E
b.Afianzamiento: 1+4+1 (6 capas)
c.Por qué: el diseño modular se adapta a las necesidades del sensor personalizado; el sustrato de poliimida resiste la esterilización (134 °C).
d.Resultado: una sonda 50% más ligera que los modelos anteriores, con imágenes más claras (gracias a un bajo ruido cruzado).

4- El radar ADAS.
a.Dispositivo: módulo de radar del piloto automático Tesla
b.Afianzamiento: 3+3+3 (9 capas)
c.Por qué: los planos de tierra triples reducen la EMI de la electrónica del automóvil; las vías llenas de cobre manejan la potencia de 15A para los transmisores de radar.
d.Resultado: exactitud de detección del 99,9% en lluvia/niebla, cumpliendo con las normas de seguridad ISO 26262.

Preguntas frecuentes acerca de los PCB de HDI de múltiples capas
P: ¿Cómo puedo elegir entre una acumulación de 2 + 2 + 2 y 4 + 4?
R: Use 2+2+2 si su diseño necesita ≤2 rutas de alta velocidad (por ejemplo, un teléfono inteligente con 5G + Wi-Fi 6E) y prioriza el costo.5G pequeña célula con 28GHz + 39GHz) o 10W+ disipación de energía.

P: ¿Pueden los HDI soportar PCB flexibles?
R: Sí, se utiliza un apilamiento de 1+N+1 con sustrato de poliimida (por ejemplo, 1+2+1=4 capas de HDI flexible).

P: ¿Cuál es el número mínimo de capas para un PCB de onda mm 5G?
R: 6 capas (2+2+2) con sustrato RO4350 de Rogers. Menos capas (4 capas) causan pérdida excesiva de señal (> 2,5 dB/pulgada a 28 GHz).

P: ¿Cuánto cuesta un HDI añadido al coste de los PCB?
R: Una pila de 2+2+2 cuesta un 30% más que un PCB tradicional de 6 capas; una pila de 3+3+3 cuesta 2 veces más.

P: ¿Necesito un software especial para diseñar las pilas HDI?
R: Sí, herramientas como Altium Designer, Cadence Allegro y Mentor Xpedition tienen características específicas de HDI: reglas de diseño de microvia, calculadoras de impedancia y simuladores de acumulación.

Conclusión
Los HDI multilayer PCBs son los héroes desconocidos de la electrónica moderna, permitiendo los dispositivos compactos y de alto rendimiento en los que dependemos a diario.y las configuraciones 3+3+3 satisfacen necesidades únicas, desde teléfonos inteligentes económicos hasta estaciones base 5G de misión crítica.
La clave del éxito está en adaptar la acumulación a su aplicación: dar prioridad al coste con 2+2+2, al rendimiento con 3+3+3 y a la flexibilidad con 1+N+1.Combine esto con los principios de diseño inteligente (combinación de señal y tierra), optimización de microvías) y materiales de alta calidad, y crearás PCB HDI que sobresalen en densidad, velocidad y confiabilidad.

A medida que la electrónica continúa reduciéndose y las velocidades aumentan a 60GHz + (6G), el diseño de HDI solo crecerá en importancia.estarás listo para construir la próxima generación de dispositivos de vanguardia, los que son más pequeños, más rápido y más eficiente que nunca.