Mis on mikroaukud plaatidel?

Mikroaukud ja kõrgtiheduse ühendused: PCB-vormingute tehnikad usaldusväärsete elektroonikaseadmete jaoks

Mis on mikroaukud plaatidel?

Meta kokkuvõte:  Avage mikroaukude usaldusväärsuse ja stiili saladused ning HDI PCB stiil. Tutvuge laseriga puuritud mikroaukude, kihistatud versus üllatavate struktuuride, mikroaukude ebaõnnestumissüsteemide, turu standarditega (IPC-2226, IPC-TM-650) ning eksperttootmismetoodikatega pika elueaga kõrgtihedusega ühendusplaatide jaoks.

Sissejuhatus: Mikroaukude ja HDI arenguga PCB-vormingu teisendamine

Trükitud juhtmeplaatid (PCB-d) on kaasaegsete elektroonikaseadmete rahulikud, keerukad maanteed – need ühendavad, toidavad ja võimaldavad kõike: alates tarbijate mobiiltelefonidest kuni meditsiiniseadmeteni ja satelliitideni. Kuna nõudlus väiksemate, kiiremate ja usaldusväärsemate digitaalsete seadmete järele on järsult tõusnud, peab ka PCB-disaini valdkond oluliselt arenema. Kasvab mikroaukude ja kõrgtihedusega ühenduste (HDI) PCB tehnoloogia  on tõepoolest märkinud olulist nihet selle suhtes, kuidas tänapäevaseid elektroonikaringe toodetakse, miniaturiseeritakse ja saavutatakse nendega kõrgkiiruslikke ning kõrgtöökindlaid rakendusi.

Mikroviasid – need väikesed, laseriga puuritud, vasest täidetud ühendused – võivad olla lihtsalt kümnendikud millimeetris, kuid nad on võimaldanud tänapäeva äärmiselt kompaktsete elektroonikaseadmete võimsuse ja tõhususe kasvu. Tihedama komponentide paigutuse, väikese sammuga kerakujuliste võrguühendustega (BGA) ja kiire, väikese kaotusega signaalimarsruutimise säilitamisega on mikroaukud tõepoolest PCB-de miniaturiseerimise tegelased kangelased. Sellest kaugemale ulatub see, et mikroaukude mõistmine on praegu oluline ka püsivuse tagamiseks soojusliku tsüklituse, sulatamisel tekkivate vigade ja pikaajalise töökindluse suhtes  rasketes või missioonikriitilistes keskkondades.

Siiski kaasneb selle tehnoloogiaga detailid ja keerukus. Mikroaukude usaldusväärsus  sõltub innovaatiliste materjalide, täitmise strateegiate, plaatimise ja testinõuete arvestamisest. Probleemid nagu torukehad, vasemiklõhed ja kontaktplaatide lahtipõrkumine – väljumine, kui te ei järgi ideaalset kihtide paigutust, säilitate sobiva elemendi protsendi või valite optimaalsed protseduurid ja hindamise kupongikoodid vastavalt IPC-2226, IPC-T-50M , ja IPC-TM-650  kriteeriumidele.

Mis on läbiviidad (vias) PCB-del?

PCB-de disaini maailmas on läbiviiad oluline raamistik, mis võimaldab elektrilist ühendust emaplaadi eri kihtide vahel. Lihtsana mõistetuna võivad läbiviidad olla eri tüüpi – igaüks on optimeeritud konkreetsetele nõudmistele kõrgtihedusega või kõrgkiiruslikus ahelas.

Põhiline PCB-läbiviiaraamistik

Tavaline läbiviias koosneb ümmargusest avast  mille puhul kasutatakse laminatsiooniga PCB-kihtide paigutust, ning mille sisemine pind on kaetud elektrijuhtiva vasuga, et ühendada jõujooni eri kihtide vahel. Tavalised läbipuured ulatuvad emaplaadi ülaservast selle alumiseni ja ühendavad kõiki kihte. Siiski, kuna tööriistade miniaturiseerumine suurenes, loodi täiustatud läbipuuri tüübid – peidetud, maetud ja mikroläbiviidad – tihedama pakendamise ja parema signaalitäpsuse tagamiseks.

Miks tekkivad via-probleemid?

Modernsed digitaalsed vajadused – suurem sisend/väljundpaksus, väiksemad BGA-vahekaugused ja kitsamad kihtide vahekaugused – sunnivad arendajaid liikuma läbi lihtsate läbipuuraugude. Väiksemate, õhemate ja kiiremate seadmete järgimine põhjustas ülemineku mikroaukudele ja HDI-kihtidele, kus iga ruutmillimeeter loeb ja iga ühendus mõjutab soojusjuhtimist, signaalistabiilsust ja pikaajalist usaldusväärsust.

Mikroaukude tüübid trükkplaadil

Pinnatud trükkplaadi aukud

Pimeviasid  puuritakse väliskihtidest mitmele sisemisele kihtile, kuid mitte täielikult läbi trükkplaadi. Need on olulised HDI printpliigid  tihedate pinnakomponentide ühendamisel sisemistele juhtmetele ilma väärtusliku plaadi ala kasutamiseta.

Pinnatud aukude eelised:

Ruumieffektiivsus: tagab ruumi säilitamise sisemistes kihtides kõrgtihedusega juhtmete jaoks.

RF/signaalikaitse: vähendab stubide pikkust, mis tagab palju parema jõudluse kõrgematel sagedustel.

Tootmisefektiivsus: vähendab paindumise ja kihtide nihkumise ohtu laminaadi ajal.

Rakendused:  Pimeviad on levinud mobiiltelefonides, tahvelarvutites, sülearvutites ja kõigis seadmetes, mis kasutavad väikese sammuga komponente ja täpselt paigaldatavaid detailielemente.

Peidetud PCB-viad

Üllatusviad  ühendavad sisemisi PCB-kihte, kuid ei ei  jõua välispinnale. Need on täielikult põhjustatud plaadi sees.

Eelised ja kasutusjuhud:

Võimaldab keerukaid kihtidevahelisi ühendusi ilma mõjuta pinnale.

Võimaldab palju rohkem andmekanaleid kõrgpinnaarvuga BGA-de jaoks.

Konstrueerimissoovitused:  Peidetud viad nõuavad mitmeid laminaadumisoperatsioone, mis suurendab tootmiskeerukust ja kulutusi. Registreerimise täpsus on oluline, et vältida joondumisvigasid.

Mikroaukud: HDI struktuur

Mikroviasid  on väikesed, laseriga puuritud aukud, mille tavaline läbimõõt on 80–100 μ µm (0.003–0.006 tolli või ≤ 6 mila). Need ühendavad tavaliselt vaid naaberkihte – ideaalsed HDI-plaatide ehitusprotsesside jaoks.

Tehnika tegelikkused:

Kõrguse ja läbimõõdu suhe: ≤ 0,75:1 (sügavus : läbimõõt); vastavalt IPC-T-50M standardile ≤ 1:1, kui kasutatakse ≤ 6 mila.

Laserpuurimine: Võimaldab mikroaukude täpset paigutamist, valmistamist ning kihistamist või üleliitumist.

Täidetud ja kinnitatud läbiviigud: Tavaliselt täidetakse vaskega stabiilsuse tagamiseks; "kattetud", kui neid kasutatakse solderiplatsina (läbivii platsil).

Kuhjatud vs. nihutatud mikroläbiviigud

Kuhjatud mikroläbiviigud  on vertikaalselt joondatud ja ühendavad kihte otse üle. Astmelistest mikroaukudest  on iga kihi sees tasakaalustatud ning nende vahel on lühikesed juhtmed.

IPC-2226  määrab kihtide paigutuse tüübid, täidetud/kattega standardid ja mikroaukude geomeetria mõlemas stiilis.

Muud tähelepanuväärsed aukude tüübid.

Täidetud ja kattetud mikroaukud: via-in-pad-stiilide puhul tuleb tagada tugevus/koplanaarsus.

Puuduvad aukud: ühendavad mittekülgnevaid kihte, vahele jättes mitmeid teisi kihte.

Läbipuuritud auk (PTH): ühenduste ja mehaanilise tugevuse jaoks.

Mikroaukude funktsioon HDI-pindlaual disainis

Kõrge tihedusega ühendus (HDI)  tehnoloogia on täiustanud mõtet, et iga kasutus ja juhe peab pakuma optimaalset funktsionaalsust väga väikses ruumis. Mikroviasid  need on selle põhielementideks, võimaldades arendajatel ületada tavaliste läbipuuritud aukude piiranguid ja saavutada erakordset kontuuri tihedust.

HDI kihtide paigutuse tüübid (IPC-2226)

Miks mikroaukud on olulised HDI jaoks

Miniatuurseerimine: Signaalite edastamine ultrapeenepinna komponentidest (pinna samm < 0,8 mm) väikestes vormitegurites.

Signaali terviklikkus: Lühemad, laseriga puuritud mikroaukud omavad väiksemat induktiivsust ja parasiitset mahtuvust, mis on oluline DDR-, RF- ja kõrgkiiruslikuks disainiks.

Soojusjuhtimine:  Mikroaukud juhitavad soojust vertikaalselt, võimaldades nutikaid soojuslahutusstrateegiaid. —neid kasutatakse sageli soojuse tekitavate IC-de all soojusaukudena.

Vähendatud ristmõju:  Pronksiga täidetud ja hästi joondatud mikroaukud vähendavad soovimatut sidumist naaber signaalide vahel.

"HDI-s on mikroauk sinu kirurgiline tööriist —täpne, usaldusväärne ja oluline kõrgkiirusliku ja kõrgtihedusega signaali väljumiseks," ütleb HDI disainispetsialist.

Kuidas mikroauke valmistatakse? Valmistus ja tootmine

Valmistamise etapid

• Alusmaterjali ettevalmistus: valmistatakse kõrgkvaliteedilist, laserpuurimisele sobivat dielektrilist materjali (nt Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT või ABF ehitusfilmid) laiendatud/tasase klaasiga (stiilid 1035, 1067).
• Laserboorimise protsess:

Eelboorimine: kontrollida laminatsiooni, märgistada siht-/kinnituspadiid ja tagada registreerimine.

Laserboorimine: kasutada UV- või CO2-lasert ≤6 mila suuruste aukude tegemiseks; täpne reguleerimine tõusunurga ja kinnituspadi kokkupuute tagamiseks.

Pärast boorimist: ablatiivne puhastus, augu kvaliteedi hindamine, jäätmete/klaasiprahlite olemasolu kontrollimine.

• Puhastus (de-smearing): eemaldab resiini/klaasi, mis on jäänud läbi põletatud mikroaukude torusse, tagades sobiva vasu kleepumise.
• Metalliseerimine (vasuplating):

Kehutu vasu kui aluskiht

Elektrolüütiline vasuplating (kohanduv/pulsatsiooniline) täielikuks täitmiseks —eriti mikroaukude puhul, mis asuvad padi sees. Lisandid vähendavad tühjade ruumide teket.

Täidetud ja kattetud mikroaukud plaatitakse nii, et need on tasapinnalised pinnaga (mõnikord koos vasemikattekihiga solderdamiseks).

• Kvaliteedi kontroll:

Ristlõikeanalüüs, mikroätch-test tühiuste, haardumisprobleemide ja vasemikihi ühtlasuse tuvastamiseks.

D-kupongi valmistamine vastavalt IPC-2221 lisale B usaldusväärsuse testimiseks.

Peamised tootmisparameetrid

Mikroaukude aspektisuhes:  Nagu määratletud IPC-T-50M , ei tohiks aspektisuhe (sügavus läbimõõt) ületada 0,75:1 —või 1:1 aukude puhul ≤6 tuhandikku tolli —tagada usaldusväärne vasemistamine ja vältida seinte õhukest või tühja ala põhjas. Kõrged aspektisuhed suurendavad täieliku vasest täitmise puudumise, usaldusväärsuse vähenemise või vasest tühimikute teket riski, eriti paigaldamisel tekkivate soojuspingete ajal.  

Registreerimistolerants:  Õige joondus ( ±2–4 tuhanded tolli) laserpuuritud augu ja kinnituspadi vahel on oluline. Vale joondus võib põhjustada liidese eraldumist, lahtisi ühendusi, varjatud vigu või reflow'ga seotud rikeste teket.  

Kinnituspadi läbimõõt: Kinnituspadi läbimõõt peaks olema ≥80% mikroaukude läbimõõdust, nagu soovitatakse parimate mikroaukude projekteerimisjuhistes . See suhe tagab tugeva vasest kleepumise ja vähendab nurga pragude või padi välja tõmbumise ohtu soojus- või mehaanilise koormuse ajal.

Pinnakatte vabasirg: Null pinnakatte laienemine  soovitatakse mikroaukude ümbruses, eriti HDI-plaatidel, et vähendada maski ülekattumise või vale registreerimise riski, mis võib kahjustada takistust ja väljatoodangut.

Järjestikune laminatsioon : Mitu laminaatsioonitsüklit —on kriitilised maetud aukude, kuhjatud või nihutatud mikroaukude puhul —teevad lisariski Z-telje (CTE) laienemismittevastavuse ja pinge-kontsentratsiooni suhtes. Dimensiooniliselt stabiilsed ja laseriga puuritavad eelimpregneeritud materjalid või ABF (Ajinomoto Build-up Film) on eelistatud selle probleemi haldamiseks.  

Vasktäidis vs täitmata mikroauk

Mikroläbipunktid, mis on täidetud ja kattetud vaskega  on olulised kõrgelt usaldusväärsust nõudvate plaatide jaoks, eriti siis, kui neid kasutatakse BGA-de või väikese sammuga CSP-de pinnatud läbipunktidenas või kui mikroläbipunkte kihitatakse maksimaalse vertikaalse tiheduse saavutamiseks.

Usaldusväärsuse mikroläbipunktide projekteerimine: juhised, defektid ja testimine

Mikrovia usaldusväärsus  on ülimat tähtsust missioonikriitiliste elektroonikaseadmete puhul. Edu määrab disaini, materjalide, tootmise ja inspektsiooni kokkupuude. Siin on kõik, mida iga disainer ja tootja peab teadma.

Peamised mikrovia katkemehhanismid

Külgmised pragud: Tekivad tavaliselt teravnurksete üleminekute kohas või siis, kui aspektisuhe on liiga kõrge.

Nurkpragud (ühendusplaat–sihiplaat) : Seotud Z-telje laienemisega (CTE-mittevastavus) reflow’i ajal.

Sihiplaadi väljatõmbumine : Esineb siis, kui plaat on liiga väike või kleepuvus on halb.

Registreerimisviga : Kas auk–plaat või kiht–kiht, oluline kihistatud mikroviade puhul.

Vaskpuudused : Nõrk plaatimine, vigased lisandid või täitmise ajal kinni jäänud gaas.

Latentsed ("avatud") mikroviaad : Üle Tg, võib klaasüleminek lubada mikropurtsude iseenda parandamist, peitmatades rikkeid toatemperatuuril tehtavates testides, kuid need ilmuvad tegelikus kasutuses.

Kuus nõuannet tugeva mikrovia disainimiseks

• Valige laserboorimisele sobiv dielektrikum: Laialt levitud klaas/tasane klaas (nt 1035, 1067, 1086); põhjapõhised süsteemid nagu Isola FR408HR, ABF ehitusfilmid.
• Järgige IPC-T-50M aspektisuhet ja padide nõudeid: ≤eelistatav 0,75:1; padide läbimõõt ≥80 % via läbimõõdust.
• Kui võimalik, kasutage üksteise kohale paigutatud asemel nihutatud mikroviaasid: vähendab pinget ning tühimike või pragude tekke ohtu; nihutuse suurus peab olema suurem kui <0,8 mm) väikestes tüüpi aspektides.
• Vali sobiv IPC-2226 kihtide paigutus: Tüüp I: pimedad + koos. Tüüp II: pimedad, maetud, koos. Tüüp III: mitme kihi ehitus + kihistatud/nihele paigutatud.
• Pinnakate edenemine: Sihtväärtus – puudub vabaruum (0 tolli).
• Säilita paneeli taseme D-tasuta kuponite paigutus/marsruutimine: Vajalik pärast tootmist toimuva kontrolli jaoks.

Kestev vorming integreerib vaatenurga „kontrollimine loomise ajal“ – usaldusväärsete mikroaukude loomine algab sobiva toote kihtide paigutusega ja lõpeb jälgitava D-kuponi testidega.

Mikroaukude kontrollimise meetodid (IPC-TM-650)

Negatiivsed omadused ja eelised mikroaukudega PCB-del.

Olulised eelised.

Unikaalne miniaturiseerumine: Võimaldab mitmekihilisi HDI-kihistaaduseid palju suurema I/O arvuga väikeses ruumis.

Parandatud signaalitäpsus: Laseriga puuritud mikroaukud vähendavad stubbe ja parasiitseid efekte, mis on olulised kõrgkiiruselise, väikese kaotusega marsruutimise puhul (DDR, RF, SerDes).

Soojusjuhtimine: Usaldusväärne vertikaalne soojusjuhtivus; oluline soojakontsentraatsiooniga lahendustes (võimsus, CPU, FPGA).

Paigalduslik paindlikkus: Toetab kihistatud, nihutatud ja läbipuurimata auke ning keerukaid BGA-trasse.

Monteerimislihtne (kui täidetud/katmised): Loodab usaldusväärse solderimise peenepinna BGA-/CSP-seadmete jaoks via-in-pad funktsiooni kasutamisel.

Salajased negatiivsed aspektid

Hind: Laseru ekspeditsioon, vasem täitmine/kate, järjestikune laminaatimine ja hindamistsüklid kogunevad. Tootmisega seotud keerukus: Mitmed laminaatimistoimingud, D-tüüpi kupongi suunamine, range hindamisprotseduur. Tagasipöördumise kaotuse oht: Õhuke vasem, valesti joondatud läbiviidad, avatumatud probleemid juhul, kui protseduuri kontroll on nõrk. Soojus-mehaaniline usaldusväärsus: Mida rohkem kasutajaliideseid, seda rohkem ohtlikke kohti (CTE-erinevustest tingitud pragude teke).

Näidisjuhud: Kus mikroviiad võimaldavad järgmise põlvkonna disaini

Olukord 1: Mobiiltelefonide ja tahvelarvutite süsteemiplaadid

Probleem: Kõrgpinnaarvuliste SoC-pakendite (nt 0,4 mm sammuga BGA-d) programmeerimiseks kasutaksid tavalised läbiviidad liialt palju plaadi pinda; see ei ole võimalik tänapäeva õhukate telefonide jaoks.

Lahendus: Mikrovia HDI PCB-meetodid  (Tüübi II/III kihtide paigutus, peamiselt täidetud/katetud ja hajutatud mikroviiad) võimaldasid BGA-kontaktide otsest varjamist – parandades elektrilist efektiivsust, vähendades EMI-d ja võimaldades multifunktsionaalseid PCB-sid < 1 mm paksusega.

Olukord 2: Automaatika ECU (elektrooniline juhtseade).

Vajadus: Kõrge terviklikkus rangeimates tingimustes –40 ° °C kuni 125 ° °C.

Alternatiiv:

Täidetud ja katmised mikroaukud HDI-konstruktsioonis (tüüp III) üllatavate, kahekordsete üleliitumistega läbipuurumitega.

Laias ulatuses D-kupongi ja soojuschocki testid (vastavalt IPC-TM-650 standardile).

Lõppresultaat:  < 0,5 % pindala langemise määr; vastupidav rangele soojusvaheldusele ja resonantsile.

Olukord 3: Kiireandmete võrguvara.

Ajalugu: Peenepiniga BGA-FPGA-d, kiireandmete SerDes.

Salajane eelis:

Järjestatud mikroaukud, täidetud/kaasatud läbi pad-iga; võimaldab > 30 Gbps usaldusväärseid silma-diaagramme minimaalse tagasikajastumisega (VSWR < 1.2:1).

Suurendatud marsruutimise paindlikkus, vähenenud ristmõju ja palju parem soojuse hajutamine.

HDI ja mikroaukude PCB kihtide paigutusnäited.

Et mõista, kuidas HDI kihtide paigutused ja mikroaukude raamistikud võimaldavad järgmise põlvkonna PCB-vorminguid, vaadelda neid kasulikke kihtide paigutusi:

Tavaliselt esinevad küsimused

Allpool on mõned sageli esitatud küsimused mikroaukude ja HDI-printplaatide usaldusväärsuse kohta:

K: Millised tegurid põhjustavad tavaliselt mikroaukude läbimineku reflow'is?  

A: Peamised põhjused on Z-telje laienemine (CTE-erinevus), nõrk liitumine kinnituspadi ja sihtpadi piiril ning liiga väikesed vasunapitsoonid või ebapiisav täitmine. Kuhjatud mikroaukud on eriti ohtlikud, kui nende aspektisuhe ületab lubatut või täitmine on ebapiisav.

K: Kas tihendatud ja kattetega mikroaukude kasutamine parandab usaldusväärsust?  

A: Jah. Täidetud/kattega mikroaukud on olulised via-in-pad-i konfiguratsioonide, koormatud paigalduste ja BGA-lahutuste jaoks. Nad takistavad solderi imbumist, padide kokkukukkumist ning vastavad soojusvaheldusest tingitud pragude tekkele.

K: Mis on sobiv aspektisuhe mikroaukudele HDI-  Printplaatidel?  

A: Järgige IPC-2226 ja IPC-T-50M standardit: ≤ 0,75:1 optimaalse usaldusväärsuse saavutamiseks, 1:1 ainult ≤ 6 milise mikroaukuga. Suuremad aspektisuhed suurendavad tühimikute ja pinge- ning pingetäitumiskeskuste teket.

K: Kuidas hinnatakse mikroaukude usaldusväärsust lihtsalt?

S: Kasutage D-kupongi takistuse jälgimist simulatsiooniliselt läbi sulatamise (IPC-TM-650 2.6.27), soojuslikku löögi katsetamist (−55 ° °C kuni +210 ° °C, vastavalt IPC-TM-650 2.6.7.2), mikrosektsiooni analüüsi või HATS-i (täiesti kiirendatud soojuslik löök).

K: Kuidas mõjutavad mikroaukude paigutuse disainijuhised pikaajalist tõhusust täpselt?  

S: Läbistatud paigutused jaotavad soojust ja pinget palju paremini; kuhjatud aukud tuleb alati täita/kattega kaitsta. Vahemaa ja pad/via protsendid on olulised, et vältida kasutajaliidese lagunemist või varjatud vigu.

K: Millised on IPC nõuded mikroaukudega PCB-dele?

S: Peamiselt IPC-2226 (HDI paigutus/aukude stiil), IPC-2221 (kupong/test), IPC-T-50M (määratlus), IPC-TM-650 2.6.27 ja 2.6.7.2 (testimine/soojuslik löök).

K: Kas mikroaukud on sobivad võimsuse/soojusjuhtimiseks?  

S: Jah, vasest täidetud mikroaukud kasutatakse tavaliselt vertikaalsete soojusaukudena QFN-ide, BGA-de ja võimsusseadmete all soojuse lagunemise parandamiseks.