Какви са микровиите върху печатните платки?

Микровиа и HDI: Техники за форматиране на PCB за надеждни електронни устройства

Какви са микровиите върху печатните платки?

Обобщение от Meta:  Разкрийте тайните на надеждността на микровиа и Hdi pcb стила. Научете повече за микровиа, пробити с лазер, наслоени срещу изненадващи структури, системи за повреда на микровиа, пазарни стандарти (IPC-2226, IPC-TM-650) и експертни производствени техники за дълготрайни високоплътностни свързани платки.

Въведение: Трансформиране на форматирането на PCB чрез развитие на микровиа и HDI

Печатните платки (PCB) са спокойните, сложни магистрали на съвременните електронни устройства – те свързват, захранват и осигуряват функционирането на всичко – от потребителски мобилни телефони до медицинско оборудване и спътници. Тъй като търсенето на по-малки, по-бързи и по-надеждни цифрови устройства рязко нарасна, областта на проектирането на PCB трябваше значително да се развие. Възходът на микровиа и високоплътностни интерконекции (HDI) PCB модерна иновация  наистина е забелязал важен промян в начина, по който се произвеждат, миниатюризират и получават високоскоростни и високонадеждни приложения съвременните вериги.

Микровиаси — тези малки междинни връзки с мед, изработени чрез лазерно пробиване — могат да имат размер само стотни от милиметъра, но са позволили увеличаването на мощността и ефективността в днешната ултракомпактна електроника. Като поддържат по-плътно разположение на компонентите, фини стъпки в сферичните решетки за монтаж (BGA) и бързо, с ниски загуби насочване на сигнали, микросвързките са истински герои на миниатюризацията на печатните платки. Освен това, разбирането на микросвързките днес е абсолютно необходимо за гарантиране на дълготрайност при термично циклиране, повреди, предизвикани от рефлоу, и дълготрайна надеждност  в сурови или критични за мисията среди.

Все пак тази технология носи със себе си детайли и сложности. Надеждността на микросвързките  зависи от познаването на иновативни материали, както и на стратегиите за запълване, галванизиране и критериите за тестване. Проблеми като пукнатини в тялото на свързката, медни празнини и отделяне на контактната площадка — извън гаранция, ако не спазвате идеалната структура на слоевете, подходящите проценти на елементите или не избирате оптималните процедури и кодове за оценка според IPC-2226, IPC-T-50M и IPC-TM-650  критерии.

Какви са виите в печатните платки?

В областта на проектирането на печатни платки (PCB) виите представляват ключова структура, която осигурява електрическо свързване между слоевете на платката. Въпреки простотата си по концепция, виите се срещат в различни видове — всеки от тях е оптимизиран за специфични изисквания във високоплътни или високочестотни вериги.

Основна PCB вия структура

Обикновена вия се състои от кръгло отверстие  просверлено в ламинирана PCB структура и покрито отвътре с електропроводим мед, за да свързва трасетата между различните слоеве. Традиционните чрез-слойни вии преминават от горния до долния слой на платката и свързват всички слоеве. Обаче с увеличаването на миниатюризацията на компонентите бяха разработени по-напреднали типове вии — слепи, погребани и микровии — за по-плътно подреждане и подобряване на целостта на сигнала.

Защо възникват проблеми с виите?

Съвременните цифрови изисквания — по-голяма дебелина на входовете/изходите, BGAs с фин стъп и по-плътно разположение на слоевете — принуждават разработчиците да преминат от обикновените чрез-дупки. Търсенето на по-малки, по-тънки и по-бързи устройства предизвика прехода към микровии и HDI структури, където всяка квадратна милиметър има значение, а всяко съединение влияе върху топлинното управление, сигнала стабилност и дълготрайната надеждност.

Видове микровии върху PCB

Сляпи PCB отвори

Сляпи виаси  се пробиват от външния слой до няколко вътрешни слоя, но не напречно през целия PCB. Те са от решаващо значение за HDI PCB  свързване на плътно разположени повърхностни компоненти с вътрешни трасета, без да се използва ценна площ от платката.

Предимства на слепите отвори:

Ефективност на пространството: Осигуряване на място върху вътрешните слоеве за високоплътни трасета.

RF/Сигналова сигурност: Минимизиране на дължината на стъбла, което води до значително по-добра производителност при високи честоти.

Производствена ефективност: Намаляване на риска от огъване и преместване на слоеве по време на ламиниране.

Приложения:  Слепите отвори се използват предимно в мобилни телефони, таблети, лаптопи и всякакви устройства, използващи компоненти с фин шаг и компактни конструкции.

Заровени PCB отвори

Заровени отвори  свързват вътрешните PCB слоеве, но не  стигат до външните повърхностни области. Те са напълно вградени в платката.

Предимства и случаи на употреба:

Възможняват сложни междуслоеви връзки без влияние върху повърхността.

Възможняват значително повече предавателни канали за BGA-компоненти с високо число контакти.

Съвети за изграждане:  Скритите преходни отвори изискват няколко ламиниращи стъпки, което увеличава производствената сложност и разходите. Необходима е внимателна регистрация, за да се избегнат дефекти от неправилно подравняване.

Микропреходни отвори: структурата на HDI

Микровиаси  са малки преходни отвори, пробити с лазер, с типичен диаметър 80–100 μ мкм (0,003–0,006" или ≤ 6 мила). Те редовно свързват само съседните слоеве – отлично подходящи за изграждащи обработки в HDI платки.

Технически характеристики:

Съотношение на аспекта: ≤ 0,75:1 (дълбочина: диаметър); според критериите IPC-T-50M, ≤ 1:1 при използване на ≤ 6 мила.

Лазерно пробиване: Позволява микровиите да бъдат точно позиционирани, изработени и струпани или разположени стъпаловидно.

Запълнени и капсулирани вии: Обикновено се запълват с мед за здравина; „капсулирани“, ако се използват като лостова площадка (Via-in-Pad).

Струпани срещу стъпаловидни микровии

Струпани микровии  са подредени вертикално и свързани през всички слоеве за натрупване отдясно. Стъпаловидни микровиите  са балансирани във всеки слой, с кратки контакти между тях.

IPC-2226  определя типовете слоеви структури, стандарти за запълване/капсулиране и геометрия на микросвързки за двата типа.

Други забележителни типове свързки.

Запълнени и запечатани микровиа: За стилове с виа в пада, обърнете внимание на здравината/равнинността.

Пропуснати виа: Свързват несъседни слоеве, пропускайки различни други слоеве.

Чрез-дупка (PTH): За конектори и механична ефективност.

Функцията на микровиа в HDI PCB дизайн

Високоплътен междусвързан (HDI)  технологията е подобрена с идеята, че всяко използване и трасе трябва да осигурява оптимална функционалност в много малко пространство. Микровиаси  те са основни за това, което прави възможно разработчиците да преодолеят ограниченията на типичните чрез-дупка виа и да осигурят изключителна плътност на веригата.

Типове HDI стек-ъп (IPC-2226)

Защо микропреходните отвори са жизненоважни за HDI

Миниатюризация: Път на сигнали от компоненти с ултрафин разстояние между краката (разстояние <0,8 мм) в малки форм-фактори.

Сигнална цялостност: По-късите микропреходни отвори, пробити с лазер, проявяват по-ниска индуктивност и паразитна капацитетност, което е жизненоважно за DDR, RF и високочестотни проекти.

Термално управление:  Микропреходните отвори провеждат топлина вертикално, което позволява интелигентни стратегии за разсейване на топлината. —често използвани като термични преходни отвори под ИС, генериращи топлина.

Намалено взаимно влияние:  Микровиите, изпълнени с мед и добре подравнени, намаляват нежеланото свързване между съседни сигнали.

"При HDI микровиите са вашето хирургическо средство —точно, надеждно и задължително за извеждане на високоскоростни и високоплътностни сигнали", казва специалист по проектиране на HDI.

Как се произвеждат микровиите? Производствен процес и производство

Стъпки при производството

• Подготовка на субстрата: Подготвя се висококачествен диелектричен материал, подходящ за лазерно пробиване (като Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT или ABF филми за натрупване), с разгънат/равен стъклен слой (стилове 1035, 1067).
• Процес на лазерно пробиване:

Преди пробиване: Проверява се ламинирането, маркират се целевите/приемащите контактни площи и се осигурява правилната регистрация.

Лазерно пробиване: Използва се UV или CO2 лазер за ≤дупки с диаметър 6 mil; прецизен контрол върху конусността и експозицията на приемащите контактни площи.

След свръхване: аблативно почистване, оценка на качеството на отворите, проверка за остатъци/стъклени отпадъци.

• Премахване на смола: премахва смолата/стъклото, които все още са присъстващи в тялото на преходните отвори след лазерната аблатия, за да се осигури правилно адхезиране на медта.
• Метализация (медно покритие):

Химично утаяване на мед като първоначален слой

Електролитно медно покритие (конформно/пулсиращо) за пълно запълване —особено за микропреходни отвори в контактните площи. Добавките намаляват образуването на вакуумни дефекти.

Запълнените и запечатани микропреходни отвори се покриват с мед до равнището на повърхността (понякога с меден капак за подобряване на способността за лепене).

• Контрол на качеството:

Направа на напречни сечения, микротравене за проверка на вакуумни дефекти, проблеми с адхезията и еднородността на дебелината на медния слой.

Изработка на D-купони според Приложение B към IPC-2221 за изпитвания на надеждност.

Основни производствени променливи

Съотношение на дебелина и диаметър за микросвръзки:  Според IPC-T-50M , съотношението (дълбочина към диаметър) не бива да надвишава 0.75:1 —или 1:1 за свръзки ≤6 mil —за гарантиране на надеждно медно покритие и избягване на тънки стени или вакуумни дефекти в дъното. Високите съотношения увеличават риска от непълно запълване с месинг, намаляване на надеждността или образуване на медни вакууми, особено по време на термични цикли при монтажа.  

Допуск за позициониране:  Правилното подравняване ( ±2–4 mils) между лазерно пробитата дупка и контактната/целевата площадка е от решаващо значение. Неправилното подравняване може да доведе до отделяне на интерфейса, прекъснати вериги, скрити дефекти или повишен риск от повреди, предизвикани от рефлоу.  

Диаметър на контактната площадка: Контактната площадка трябва да е ≥80 % от диаметъра на преходното отверстие, според най-добрите препоръки за проектиране на микроотверстия . Това съотношение осигурява здрава адхезия на медта и намалява риска от пукнатини в ъглите или изтръгване на площадката по време на термично циклиране или механично напрежение.

Разстояние до лепкавата маска: Нулево разширение на лепкавата маска  се препоръчва около микроотверстията, особено в HDI платки, за да се минимизира риска от прекалено покриване или неточна регистрация на маската, които биха могли да компрометират съпротивлението и добива.

Последователно пресоване : Множествени цикли на ламинация —са критични за скрити преходни отверстия и струпани или стъпенчати микроотверстия —и внасят допълнителен риск от несъответствие в разширението по Z-ос (CTE) и концентрация на напрежения. Предпочитат се размерно стабилни и подходящи за лазерно пробиване преградни материали или ABF (Ajinomoto Build-up Film), за да се управлява този проблем.  

Медно запълнени срещу незапълнени микровиа

Микроотвори, запълнени и запечатани с мед  са задължителни за печатни платки с висока надеждност, особено когато се използват като микроотвори в контактната площадка за BGA или за фини стъпки CSP, или когато се прилагат натрупани микроотвори за максимална вертикална плътност.

Проектиране на надеждни микроотвори: насоки, дефекти и тестване

Надеждност на микроотворите  е от първостепенно значение за електроника с критична роля. Успехът се определя от взаимодействието между проектирането, материалите, производството и инспекцията. Ето какво трябва да знаят всеки проектиращ и производител:

Основни механизми на повреда на микроотворите

Пукнатини по стени на микроотворите: Обикновено започват при остри филетни преходи или когато съотношението на страните е твърде високо.

Кътни пукнатини (интерфейс между капсулния и целевия контакт) : Свързани с разширението по Z-ос (несъответствие в коефициентите на термично разширение) по време на рефлоу.

Изтегляне на целевия контакт : Възниква, ако контактият е твърде малък или адхезията е слаба.

Неправилна регистрация : Или от дупка към контакт, или от слой към слой; критично за стекирани микровиа.

Медни вакууми : Лошо плакиране, дефектни добавки или задържан газ по време на запълване.

Скрити („отворени“) микровиа : Над температурата на стъкловидното преходно състояние (Tg) стъкловидните преходи могат да позволят на микропукнатините да се самовъзстановяват, скривайки дефектите по време на тестване при стайна температура, но те се проявяват при експлоатационни условия.

Шест съвета за здраво проектиране на микровиа

• Изберете диелектрик, съвместим с лазерно пробиване: разпръснато стъкло/равно стъкло (напр. 1035, 1067, 1086); смолни системи като Isola FR408HR, ABF филми за изграждане.
• Следвайте аспектното съотношение и изискванията към площадките според IPC-T-50M: ≤предпочитано 0,75:1; диаметър на площадката ≥80 % от диаметъра на виа.
• Предпочитайте стъпкани микровиа пред наслоени, когато е възможно: намалява напрежението и риска от вакуумни образувания или пукнатини; стъпканото отместване > <0,8 mm) при миниатюрни размери.
• Изберете подходяща структура на слоевете според IPC-2226: Вид I: повърхностни + с вътрешни. Вид II: повърхностни, скрити и с вътрешни. Вид III: множество слоеве за изграждане + наслоени/стъпкани.
• Подобрение на маската за лепене: целта е нулево разстояние (0 mil).
• Запазете разположението/маршрутизирането на D-купоните на ниво панел: необходимо за следпроизводствено тестване.

Трайният формат интегрира гледната точка „тестване по време на създаване“ — надеждните микровиа започват с подходяща структура на слоевете и завършват с проследими D-купонни тестове.“ — Ръководител на качеството за HDI, Global Circuits.

Техники за проверка на микровиите (IPC-TM-650)

Отрицателни аспекти и предимства на PCB с микровиа

Значителни предимства.

Непревзойдена миниатюризация: позволява многослойни HDI структури с още по-голям брой входове/изходи в изключително компактни корпуси.

Подобрена сигнальна точност: микровиа, пробити с лазер, намаляват стъбла и паразитни ефекти — от решаващо значение за високоскоростно и нискозагубно трасиране (DDR, RF, SerDes).

Топлинен мениджмънт: Надеждни вертикални топлинни трасирания; важни за топлоинтензивни стратегии (енергия, CPU, FPGA).

Гъвкавост на оформлението: Поддръжка за струпани, стъпени и пропуснати виа, както и за сложни BGA-конфигурации.

Приятелски към монтажа (при запълване/капсулиране): Надеждно лепене за фин-питч BGA/CSP чрез виа-в-пад.

Скрити недостатъци

Цена: Лазерно пробиване, медно запълване/капсулиране, последователна ламиниране и тестови цикли — всичко това се натрупва. Сложност на производството: Няколко етапа на ламиниране, насочване с D-купон, изискващи се тестови процедури. Риск от загуба при отражение: Тънка мед, несъвпадащи виа, неразкрити проблеми при слаб контрол на процеса. Термо-механична надеждност: Повече интерфейси = повече потенциални точки на повреждение (разделяния, предизвикани от несъвпадение на коефициентите на термично разширение — CTE).

Кейс-студии: Където микровиа позволяват следващото поколение дизайн.

Кейс 1: Платки за мобилни телефони и таблет компютри

Проблем: За програмиране на SoC-пакети с високо число контакти (напр. BGAs с разстояние между контактите 0,4 мм) стандартните чрез-дупки неизбежно заемат голяма площ на платката; това е неприложимо за днешните тънки смартфони.

Услуга: PCB-методи за HDI с микродупки  (Структури от тип II/III, предимно запълнени/затворени и стъпчени микродупки) направиха възможно директното скриване на BGA-контактите — подобрявайки електрическата ефективност, намалявайки ЕМИ и позволявайки многофункционални PCB-платки с дебелина < 1 мм.

Ситуация 2: Автомобилна ECU (електронно управляващо устройство).

Изискване: Висока надеждност при сурови условия от –40 ° °C до 125 ° °C.

Алтернатива:

Запълнени и затворени микродупки в HDI-структура (тип III) с изненадващи двойни стъпчени чрез-структури.

Обширно тестване с D-купони и термични шокове (според IPC-TM-650).

Крайни резултати:  < 0,5 % дефектни области; устойчивост при продължително термично циклиране и резонанс.

Сценарий 3: Високоскоростно мрежово оборудване.

ИСТОРИЯ: FPGA с фин пич BGA и високоскоростни SerDes.

Секретно предимство:

Стъпенчени микровиа, запълнени/затворени във vias-in-pad; позволяват доверени eye-диаграми над 30 Gbps с минимални загуби при отражение (VSWR < 1,2:1).

Подобрен маршрутингов потенциал, намалено крос-ток и значително по-добра топлинна дисипация.

Примери за HDI и микровиа PCB стекъпи.

За да се разбере как HDI стекъпите и микровиа архитектурите подпомагат следващото поколение PCB формати, разгледайте тези полезни конфигурации на слоеве:

Често задавани въпроси

По-долу са някои често задавани въпроси относно надеждността на микровиа и HDI печатни платки:

В: Какво предизвиква най-честите повреди на микровиа по време на рефлоу?  

О: Основните причини са разширение по Z-ос (неравенство в коефициента на термично разширение), слаба връзка на интерфейса между улавящата и целевата площадка, както и недостатъчни медни области или неподходящо запълване. Натрупаните микровиа са особено уязвими, ако имат прекалено голямо съотношение диаметър/дебелина или са лошо запълнени.

В: Употребата на запълнени и капсулирани микровиа подобрява ли надеждността?  

О: Да. Запълнените/капсулираните микровиа са от решаващо значение за конструкции с виа в площадката, натоварени конфигурации и извеждания за BGA. Те предотвратяват капилярно изсмукване на оловно-касиевата спойка, колапс на площадките и издържат пукнатини, предизвикани от термично циклиране.

В: Какво е подходящото съотношение дълбочина/диаметър за микровиа в HDI  Печатни платки?  

О: Следвайте IPC-2226 и IPC-T-50M: ≤ 0,75:1 за оптимална честност, 1:1 само за ≤ 6 милиона микровиа. По-големи пропорции на фасетите водят до риск от пространства и концентрация на напрежение и тревожност.

В: Как се оценява надеждността на микровиа?

О: Използвайте проследяване на съпротивлението на D-купони по време на симулиран рефлоу (IPC-TM-650 2.6.27), термичен шок с цикли (-55 ° °C до +210 ° °C, според IPC-TM-650 2.6.7.2), микросекционен анализ или HATS (направо ускорен термичен шок).

В: Какви са конкретните начини, по които насоките за проектиране на стекове от микровиа влияят върху трайната ефективност?  

О: Стъпилите стекове разпределят топлината и напрежението значително по-добре; натрупаните виа винаги трябва да бъдат запълнени/затворени. Разстоянието и процентното съотношение между падовете и виата са важни, за да се предотврати разделяне на интерфейса или скрити дефекти.

В: Какви са критериите на IPC за PCB с микровиа?

О: Предимно IPC-2226 (HDI стек-ъп/стил на виа), IPC-2221 (купон/тест), IPC-T-50M (дефиниции), IPC-TM-650 2.6.27 и 2.6.7.2 (тестване/термичен шок).

В: Подходящи ли са микровиа за управление на мощността/топлината?  

А: Да, медните микровиа обикновено се използват като вертикални термични виа под QFN, BGA и мощностни устройства, за да се подобри разсейването.