Kuidas kasutada PCB-s kihitud või nihutatud läbiviike?

PCB kihistatud ja hajutatud pimedad ning maetud viiad

Kuidas kasutada PCB-s kihitud või nihutatud läbiviike?

Sissejuhatus

Tänapäevaste digitaalsete seadmete pidev miniaturiseerumise ja suurendatud jõudluse suunas liikumine on asetanud HDI-PCB disaini tõelisse tootearenduse südamesse. Kiirkäiguga, kõrga tihedusega (HDI) plaatide abil saab juhtida kõike – mobiiltelefonidest ja 5G mooduliteni kuni innovaatiliste autosüsteemideni, IoT tööriistadeni ja kandvate kaasaegsete tehnoloogiateeni. Nende meetod? PCB viiate tõhusam kasutamine – eriti kihistatud ja hajutatud viiate kasutamine järgmise põlvkonna andmete edastamise tiheduse, signaaliturbega ja tootmise tõhususe saavutamiseks.

Viia tüübi valik – kas kasutada kihistatud või üllatavaid viasid – ei ole lihtsalt tehniline detail. See on taktikaline otsus, mis mõjutab iga PCB elemendi: efektiivsust, terviklikkust, tootmiskulusid ja ka turuleviimise aega. Tänapäevastes vormides, kus kasutatakse väga väikese sammuga komponente ja keerukaid kihtidevahelisi ühendusi, võib õige läbiviia süsteem olla otsustav tegur selle vahel, kas toode edeneb või ebaõnnestub – kogu ajal, mil täidetakse miinimumtootmiskulusid ja rangeid stabiilsusnõudeid.  

Mis on viia PCB-s? PCB viiatüüpide mõistmine

Vias on elektroplaatitud ava PCB-s (trükitud juhtmeplaadil), mis ühendab mitme kihi multikihilises PCB-s. Viasid kasutatakse elektriliste signaalide juhtimiseks mitte ainult tasandil, vaid ka üles ja alla, mis suurendab oluliselt PCB-desse paigutatavate komponentide tihedust ja PCB disaini paindlikkust. Tõhusa läbipõikega konstruktsiooni abil saab realiseerida kõike – alates väikestest kanduvatest seadmetest kuni kiirete võrgutehnoloogiate ja kosmosetehnika elektroonikani.

Tavalised PCB-viasid

Mis on mikroaukud, pimedad ja peidetud aukud HDI-PCB-del?

Mikroviasid

Mikroaukud on tänapäevase HDI-PCB-tehnoloogia alus. Need on määratletud (IPC-2226 järgi) kui aukud, mille läbimõõt ≤ on 0,15 mm (150 μ µm), neid valmistatakse laserboorimisega ja kasutatakse tavaliselt naabertahvlite ühendamiseks (nt 1. kiht 2. kihiga). Nende väike suurus võimaldab neid paigutada väga kitsa pinnaavaga BGA-komponentide all ja piiratud juhtimisvõrkudes, kuhu tavapärased boorid ei pääse.

Tegelikud andmed:

Toetavad juhtimistihedust umbes 1500+ ühendust/cm²

Neid saab kuhjata (vertikaalselt) või nihutada (tasakaalustatult) sügavamate kihtide jaoks.

Pimeviasid

Pimedad aukud ühendavad välimist kihti mitme sisemise kihiaga, kuid ei lähe plaadi läbi täielikult:

Neid kasutatakse signaalide "päästmiseks" tihedatest komponentide padidest sisemistesse juhtimiskihtidesse.

Vähendavad parasiitset mahtuvust/induktiivsust võrreldes läbipõiksete aukudega.

Sageli tavaliselt kasutatav peategevusena pilingu teel.

Peidetud viiad

Maetud viad ühendavad ainult sisemisi kihte ja neid ei ole võimalik tuvastada PCB pinnalt:

Võimaldavad täiendavalt tihedamaid plaadikihistaadu, mitte häirides väliste signaal-/maapinna kihte.

Oluline mitmekihiliste, väga kompaktsete või turvaliste PCB-süsteemide puhul.

Koondatud viad: definitsioon, omadused ja rakendused

Koondatud viad on struktuurid, kus mitu mikroviat (ja sageli ka pimedaid või peidetud viasid) on vertikaalselt joondatud PCB kihtidega. See paigutus võimaldab vertikaalset viakooristust („via-on-via“ konstruktsioon) ja on oluline kompaktsete PCB-konstruktsioonide jaoks, millel on kõrge ülekanne.  

Koondatud viade peamised omadused

Optimaalne ruumieffektiivsus: koondatud struktuurid võimaldavad paljude signaalide edastamist minimaalsetes vertikaalsetes veergudes, vabastades olulise ruumi toite- ja maapinna kihtidele mujal plaadil.

Säilitab kõrgkiirusliku ja täpse trassimise omadusi: kihtide vahelised palju lühemad ja sirgema kujuga signaaliteed võimaldavad pakkuda mikroaukude kuhjumist, mis vähendab viivitusi (väiksemad parasiitlikud efektid), mis on oluline kõrgkiiruslike printplaatide trassimisel.  

Tööstuslik tootmine – nõuab täppisülesehitust: kuhjatud aukude valmistamine nõuab kõrgtäpsuslikku järjestikulist laminaati, laseruurimist ning tavaliselt täidetud või vaskega kaetud läbivaid struktuure. See suurendab stabiilsusriski ja kulutusi.

Ideaalne edasijõudnud elektroonikaseadmete jaoks: kasutatakse nutiseadmetes, tahvelarvutites, kandvates seadmetes, DDR-mälukomponentides ning järgmise põlvkonna FPGA-/protsessoriplaatidel.

Tavaline rakendusnäide

"Meil õnnestus 12-kihiline kõrgtoimiv FPGA-plaat vahetada 6-kihilise HDI-printplaatiga, kasutades kuhjatud mikroaukude tänapäevast tehnoloogiat. See parandas signaalistabiilsust ja saavutas 40% ruumisäästu." – juhtiv printplaatide arendaja, NASDAQ-il noteeritud telekommunikatsioonifirma

Kihistatud aukud: analüüs, omadused ja rakendused

Kihistatud läbiviigud tähistavad sellist paigaldusviisi, kus mitu läbiviigu (tavaliselt mikroläbiviigu) paigutatakse sirgjooneliselt üksteise vastas, mitte otse üksteise peale. Väliselt moodustavad nad „nurksirgjoonelise“ või astmelise teekonna läbi PCB-kihtide!

Kihistatud läbiviikude saladuslikud funktsioonid

Suurendatud usaldusväärsus: nende nihutatud struktuur jaotab mehaanilist ja soojuslikku pinget palju ühtlasemalt, vähendades oluliselt läbiviigu murdumise, toru kihistumise või ebapiisava plaatimise riski PCB eluiga jooksul. Oluline missioonikriitilistes ja autonoomsetes süsteemides.

Parandatud soojusjuhtivus: kuna soojus ei keskendu ühte kindlasse vertikaalsesse joonesse (nagu kuhjatud läbiviigud), võimaldab kihistatud paigaldus tõhusamat soojuse lagunemist – vähendades kuumenemispiirkondi ja parandades pikkemat eluiga.

Tootmislihtsus: Ükssikkude mikroaukude paigutus vähendab vertikaalse puurimise täpsusnõudeid. See viib vähemate defektide, vähema vajaduse kallite laser täitmiste järele ja parema üldise tulemuse saavutamiseni PCB tootmisprotsessis.

Parandatud juhtimiselähenemise paindlikkus: Aukude vastastikuse paigutusega säilitatakse lisaruumi kihtide vahel, mis võimaldab edukamat väljumist ja soojuslahutust mitmekihilistes PCB-konstruktsioonides.

Tavaline rakendusnäide

"Me kasutame oma tugevas kaubanduslikus juhtpaneelis ükssikkuid mikroauke. Tulemuseks on suurem usaldusväärsus keerulistes temperatuur- ja vibratsioonitingimustes ning tootmiskulu on umbes 30% madalam kui täisaukudega lahenduste puhul." — Vanem konstruktor, autotööstuse elektroonikatootja

Lahendus: Ükssikkude mikroaukude kasutusjuhtude kokkuvõte

Pileeritud via eelised ja puudused

Puudused (jätkub):

Aususe oht: Iga lisatud pileeritud via suurendab probleemide tekke võimalust, näiteks kihi lagunemine, ebapiisav vasumistamine või toru väsimus – eriti siis, kui tootmiskontroll või materjalide proportsioonid ei ole range kontrolli all. Halb järjestikune laminaatimine või metallimistuse ebaharmonilisus võib tekitada nõrgad kohad, mis ohustavad tugevust mehaanilise või soojusliku tsükelduse korral.

Range tootja võime nõuded: Mitte iga prinditud juhtplaadi tootja ei toeta tegelikult keerukaid mikrovia tehnoloogiaid. HDI-plaatide tootmiseks on vajalikud tänapäevased laseruuringud, peaaegu täiuslik laminaatimine ja vasumistamisvõimalused; ilma nendeta võivad tootmisprotsessid pikeneda ja turuleviimise aeg lüheneda.

Piiratud põhja sügavus: IPC-2226 standard määrab tavaliselt ühendatud mikroaukude maksimaalse kihtide arvu, soovitades tavaliselt vaid 2 või 3 koormatud kihti enne, kui usaldusväärsus oluliselt langeb. Sügavate aukudega konstruktsioonide jaoks võib olla vajalik üleminek maetud või imelikute lahenduste kasutusele.

Kihistatud aukude eelised ja puudused.

Kihistatud struktuurid – usaldusväärsusele orienteeritud HDI PCB-de jaoks soovitav valik – omavad oma eraldi eeliseid ja puudusi.

Eelised

Ülimad pikaajalise usaldusväärsuse näitajad: kihistatud mikroaukude sirge tasakaalustatus vähendab mehaanilisi ja termilisi pingekontsentratsioone ning välistab praktiliselt vertikaalsete pragude teket, mis on iseloomulik halvasti valmistatud ühendatud struktuuridele.

Palju suurem vastupidavus termilistele tsüklitele: autotööstuses ja tööstuslikus keskkonnas esineb sageli suuri temperatuurikõikumisi – kihistatud pimedad ja maetud augud taluvad neid tsükleid pikema elueaga, suurendades seadmete kasutusiga.

Tootmislihtsustus = kulutagastus: Kuna viad ei nõua ideaalset vertikaalset paigutust ega palju järjestikuseid laminaatimistegevusi, suurenevad tulu ja väheneb tagasitõmbumine – seda teeb usaldusväärsete, kõrgelülitusarvuga HDI-plaatide tootmine lihtsamaks.

Suurem marsruutimise paindlikkus: Üllatavalt paigutatud viade zigzaagmuster avab lisamarsruute juhtmete jaoks, võimaldades keerukamaid tagasitõmbumismustreid ja parandatud ühendusi kihtide vahel. See paindlikkus on oluline erinevate signaalipaartide edastamisel või reguleeritud takistusega paigutustel.

Negatiivsed tegurid

Veidi suurem PCB-pindala kasutus: Kuna viad ei ole üksteise peal, kasutatakse PCB-l lisapinda X/Y-tasandil. See võib olla piirav tegur väga kompaktsetes või äärmiselt kõrgtihedustes paigutustes, kus iga millimeeter loeb.

Pikkem signaalitee ja suurem lisaparasiit: Kuna signaal peab läbima pikema, kõverdava vertikaalse tee, on selles veidi kaasas olevat induktiivsust ja viivitust võrreldes kihistatud vertikaalse ühendusega. Väga kõrgel andmete edastumiskiirusel tuleb seda arvesse võtta ja vähendada.

Võimalik keerukuse kasv paigutuses: Õige eraldus, vahekaugus ja kihtide paigutus nõuavad ettevaatlikku projekteerimist ning võivad suurendada ECAD-projekteerimistööd – eriti paljude kihtidega trükkplaadi (PCB) konfiguratsioonides.

Signaali usaldusväärsus, stabiilsus ja tõhusus

Signaali stabiilsus on kõrgkiiruseliste trükkplaatide (PCB) projekteerimisel ülemklassi probleem – ja teie valik kihistatud ja nihutatud läbiviiste vahel mõjutab otse süsteemi tõhusust, usaldusväärsust ja elektromagnetilist ühilduvust.

Kuidas kihistatud läbiviidad mõjutavad signaali usaldusväärsust

Lühem elektriline teepikkus: Kihistatud läbiviidad pakuvad kiireimat vertikaalset ühendust kihtide vahel, vähendades viivitust ja ESR-i (vastavat summaarset takistust). See on kasulik kõrgsageduslikele signaalidele, näiteks DDR-, PCIe- ja SerDes-liinidel.

Minimeeritud parasiitindektiivsus ja mahtuvus: Turvaliselt piiratud kuhjaga aidatakse säilitada optimaalne reguleeritud takistusjuhtimine, mis aitab säilitada signaali kõrge kvaliteedi ülekannete vältel.

Ristmõju ja EMI riskid: Erakordselt paksudes piirkondades võivad kuhjatud veerud tekitada elektromagnetilist sidet (ristmõju). Paralleelsed signaalimuutused ja maandus tagasitee läbiviad tuleb hoolikalt kavandada:

Kasuta maanduskaitset ja diferentsiaalpaare.

Kasuta signaali terviklikkuse seadmeid Allegro PCB Designeris või Pace PCB disainitarkvaras.

Kuidas kahanevad läbiviad mõjutavad signaali stabiilsust

Parem signaali privaatsus: Kahanev paigutus suurendab ruumilist eraldumist, vähendades naabermõjuga läbiviate vahel kapasitiivse ja induktiivse sideme tõenäosust.

Veidi pikem rada, veidi suuremad parasiitkomponendid: Zigzag-rada suurendab kogu signaali pikkust, kuid tavaliselt ebaoluliselt enamikes praktilistes kooskõlades, kui seda hoitakse disaininõuete piires.

Vähendatud EMI-oht: Jaotatud asukohakasutus võimaldab eraldada augukohti ja vähendada väljundit.

Usaldusväärsuse kaalutlused

Kulutagajärjed: Kuhjatud ja nihutatud viad.

Kuhjatud via kulukonto.

Kõrgelt keerukas tootmisprotsess: Järjestikune laminaatimine, täpsuskirurgiline laserkaevandus, via täitmine ja spetsialiseeritud kihtimine tõstavad tootmiskulusid oluliselt. Täis mikrovia kulude tõus võib olla tavaliselt 15–40% suurem kui lihtsate pimedate või nihutatud viade puhul.

Tootmisnäitajad ja ületootmise oht: Suurem protseduuri sisend ja väljund viitab suuremale tagasitoo riskile, mis nõuab kõrgema spetsifikatsiooniga testimist või täiendavat remonti, mis omakorda suurendab kogutöö kulutusi.  

Kulutabeli eksemplar.

Praktikunne

Mitmekihiline HDI-plaadi stiilis teeb ülekattega pimedad läbiviigud või plaadi äärde liiga lähedale paigutatud läbiviigud riski ekskursiooni ebavõrdsuse tekkeks; seega soovime soovitada kasutada kihistatud läbivigu asemel hajutatud läbivuid, et vähendada laminaatimistsüklite arvu ja seotud kulusid ning samal ajal parandada soojuslikku tsükkelkindlust.

Tavaliselt esinevad küsimused

1. Mis on oluline erinevus laetud läbivute ja hajutatud läbivute vahel?

Kihistatud läbiviigud on üksteise taga ja ees paigutatud naaberkihistel, moodustades eriti sirge ja lihtsalt liigutatava vertikaalse edastussamba. Hajutatud läbiviigud on aga kihi kaupa nihutatud – „nurksirgjooneline“ või kaldunud struktuur, mis suurendab stabiilsust ja soojuslikku efektiivsust.

2. Millistes olukordades tuleks minul oma HDI-PCB-s kasutada kihistatud läbivuid?  

Kasutatakse üksteise peale paigutatud läbiviike raamistikute abil, kui on vaja maksimaalset juhtimispuhverit väga kompaktsetes PCB-vormingutes, näiteks BGA-komponentide all nutitelefonides, tahvelarvutites või DDR4 RAM-komponentides ning kus on vajalik minimaalne signaalipikkus kõrgkiiruslike signaalide jaoks.  

3. Kus pakuvad kohastatud läbiviikud veel suuremat väärtust?

Kohastatud läbiviikud tagavad usaldusväärsumat tulemust autotööstuses, tööstuslikus kasutuses või suure võimsusega rakendustes – kus mehaaniline löök, resonaants või soojuspinge ohustavad usaldusväärsust. Neid kasutatakse ka siis, kui soovitakse vähendada tootmiskulusid ilma elektrilise jõudluse ohustamiseta.

4. Kas läbiviikude struktuur mõjutab PCB-tootmiskulusid?

Kindlasti. Üksteise peale paigutatud läbiviikud on palju kallimad valmistada, kuna nende tootmiseks on vajalikud keerukad protsessid (laserboorimine, järjestikune laminaatimine, plaatimine ja täitmine). Kohastatud läbiviikud on oluliselt odavamad, lihtsamad ja annavad enamasti parema tulemuse tootmisetingimustes.

5. Kuidas täpselt mõjutavad elemendi suhe ja mõõtmed usaldusväärsust?

Elemendi suhe (aukude sügavus/kõrgus) on oluline. Standardite (näiteks distribuutori või IPC) ületamine suurendab murdumise ja ebapiisava plaatimise ohtu. Mikroaukud peaksid tavaliselt omama elemendisuhtet 1:1 või väiksemat. Töötage alati oma tarnija võimaluste piires.