چگونه از ویاهای انباشته یا ویاهای جابه‌جاشده در مدار چاپی استفاده کنیم؟

ویای‌های کور و دفن‌شدهٔ انباشته و نامنظم در پی‌سی‌بی

چگونه از ویاهای انباشته یا ویاهای جابه‌جاشده در مدار چاپی استفاده کنیم؟

مقدمه

کوشش بی‌وقفه به سوی کوچک‌ترشدن و بهبود عملکرد در دستگاه‌های دیجیتال امروزی، طراحی پی‌سی‌بی‌های اچ‌دی‌آی را در مرکز واقعی توسعهٔ مؤثر محصول قرار داده است. بُردهای با سرعت بالا و تراکم بالا (اچ‌دی‌آی) در همهٔ چیزها از تلفن‌های همراه و ماژول‌های ۵جی تا سیستم‌های خودرویی نوآورانه، ابزارهای اینترنت اشیا و فناوری‌های پوشیدنی مدرن، نقش دارند. روش آن‌ها چیست؟ بهره‌برداری کارآمد از ویای‌های پی‌سی‌بی — به‌ویژه استفاده از ویای‌های انباشته و نامنظم برای دستیابی به تراکم انتقال نسل بعدی، امنیت سیگنال و کارایی ساخت.

انتخاب اینکه آیا از ویاهای انباشته یا ویاهای شوکه‌شده استفاده شود، تنها یک جزئیات فنی نیست. بلکه این انتخاب، تصمیمی راهبردی است که بر همهٔ عناصر برد مدار چاپی تأثیر می‌گذارد: بازدهی، پایداری، هزینهٔ ساخت و همچنین زمان رسیدن به بازار. در قالب‌های پیشرفته با اجزای با فاصلهٔ بسیار کوچک و ارتباط‌های پیچیدهٔ لایه‌به‌لایه، ساختار مناسب ویاها می‌تواند تفاوت ایجاد کند بین محصولی که موفق می‌شود و محصولی که از چرخهٔ تولید خارج می‌شود—همزمان با رعایت بودجهٔ حداقلی تولید و الزامات سختگیرانهٔ پایداری.  

ویا در برد مدار چاپی چیست؟ شناخت انواع ویا در برد مدار چاپی

یک ویا در زمینهٔ طراحی برد مدار چاپی (PCB) یک سوراخ فلز‌آویز شدهٔ الکتریکی است که لایه‌های متعدد را در یک برد مدار چاپی چندلایه به هم متصل می‌کند. ویاها امکان انتقال سیگنال‌های الکتریکی را نه تنها در جهت افقی، بلکه در جهت عمودی نیز فراهم می‌سازند و بدین ترتیب انعطاف‌پذیری انتقال و چگالی طراحی برد مدار چاپی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. طراحی مؤثر ویاها پایهٔ تمامی سیستم‌ها — از دستگاه‌های پوشیدنی کوچک تا الکترونیک شبکه‌های پرسرعت و فضایی — را تشکیل می‌دهد.

انواع رایج ویاهای برد مدار چاپی

میکروویاها، ویاهای کور و ویاهای پنهان در PCBهای HDI چیستند؟

میکروویاها

میکروویاها امروزه پایهٔ نوآوری‌های مدرن در PCBهای HDI هستند. بر اساس استاندارد IPC-2226، ویاهایی با قطر ≤ ۰٫۱۵ میلی‌متر (۱۵۰ μ میکرون) تعریف می‌شوند؛ این ویاها با حفر لیزری ساخته می‌شوند و معمولاً برای اتصال لایه‌های مجاور (مثلاً لایهٔ ۱ به لایهٔ ۲) استفاده می‌شوند. ابعاد بسیار کوچک آنها امکان قرارگیری زیر قطعات BGA با فاصلهٔ بسیار کم و در شبکه‌های مسیری محدود را فراهم می‌کند که در آنها مته‌های معمولی قادر به دسترسی نیستند.

اطلاعات کلیدی:

پشتیبانی از چگالی مسیری حدود ۱۵۰۰+ اتصال بر سانتی‌متر مربع

می‌توانند به‌صورت انباشته (عمودی) یا جابه‌جاشده (متوازن) برای لایه‌های عمیق‌تر استفاده شوند.

via های کور

ویاهای کور، لایهٔ خارجی را به چند لایهٔ داخلی متصل می‌کنند اما از عرض کامل برد عبور نمی‌کنند:

برای «فرار» سیگنال‌ها از پدهای اجزای متراکم به لایه‌های انتقال داخلی استفاده می‌شوند.

نسبت به گزینه‌های سوراخ‌دار از طریق تمام ضخامت، ظرفیت و اندوکتانس نامطلوب را کاهش می‌دهند.

معمولاً به‌عنوان عمل اصلی در روش انباشته‌سازی استفاده می‌شود.

Via های مدفون

سوراخ‌های دفن‌شده تنها لایه‌های داخلی را به هم متصل می‌کنند و از سطح برد مدار چاپی (PCB) قابل مشاهده نیستند:

اجازهٔ انباشته‌سازی بیشتر برد را می‌دهند، بدون آنکه لایه‌های سیگنال یا زمین خارجی را تحت تأثیر قرار دهند.

برای تنظیمات برد مدار چاپی چندلایه، بسیار قابل حمل یا امن، اهمیت ویژه‌ای دارد.

سوراخ‌های انباشته‌شده: تعریف، ویژگی‌ها و کاربردها

سوراخ‌های انباشته‌شده ساختارهایی هستند که در آن چندین میکروسوراخ (و اغلب سوراخ‌های کور یا پنهان) به‌صورت عمودی در طول انباشته‌سازی برد مدار چاپی (PCB) تراز می‌شوند. این روش بارگذاری عمودی سوراخ‌ها (طرح «سوراخ روی سوراخ») را فراهم می‌کند و نقش اساسی در امکان‌پذیر کردن طراحی‌های فشردهٔ برد با ضخامت انتقال بالا دارد.  

ویژگی‌های پنهان سوراخ‌های انباشته‌شده

بهینه‌سازی مؤثر فضای موجود: ساختارهای انباشته‌شده امکان انتقال تعداد زیادی سیگنال را در ستون‌های عمودی بسیار کوچک فراهم می‌کنند و فضای مهمی را برای صفحات تغذیه و زمین در سایر بخش‌های برد آزاد می‌سازند.

حفظ جنبه‌های سرعت بالا و فاصله کوچک بین خطوط: با کوتاه‌تر بودن و صاف‌تر بودن مسیرهای سیگنال بین لایه‌ها، میکروویاهاي انباشته به کاهش تاخیر (کاهش پارازیت‌ها) کمک می‌کنند که برای مسیریابی PCB با سرعت بالا حیاتی است.  

تولید آسان— نیازمند ساخت پیشرفته: ساخت ویاهاي انباشته نیازمند لامیناسیون متوالی با دقت بالا، حفر با لیزر و ساختارهای سوراخ‌دار که به‌طور معمول با بارگذاری یا روکش مس پوشانده می‌شوند. این امر خطرات ناپایداری و هزینه‌ها را افزایش می‌دهد.

برای دستگاه‌های الکترونیکی پیشرفته مناسب است: در دستگاه‌های هوشمند، تبلت‌ها، پوشیدنی‌ها، اجزای حافظه DDR و برد‌های FPGA/پردازنده نسل بعدی استفاده می‌شود.

مثالی رایج از کاربرد

"ما توانستیم یک برد FPGA با عملکرد بالا و ۱۲ لایه را با استفاده از فناوری نوین میکروویاهاي انباشته به یک برد HDI با ۶ لایه تبدیل کنیم. این امر پایداری سیگنال را بهبود بخشید و صرفه‌جویی ۴۰ درصدی در فضای مورد نیاز ایجاد کرد." — طراح ارشد PCB، شرکت ارتباطاتی فهرست‌شده در NASDAQ

ویاهاي پله‌ای: تحلیل، ویژگی‌ها و کاربردها

سوراخ‌های مورب به آرایشی اشاره دارند که در آن چندین سوراخ (معمولاً میکروسوراخ‌ها) به‌صورت موازی و نه مستقیماً روی هم قرار می‌گیرند. از نظر ظاهری، این آرایش مسیری «شکسته» یا پلکانی را در لایه‌های برد مدار چاپی ایجاد می‌کند!

کارکردهای پنهان سوراخ‌های مورب

قابلیت اطمینان بالاتر: ساختار جابه‌جاشدهٔ آن‌ها تنش‌های مکانیکی و حرارتی را بسیار یکنواخت‌تر پخش می‌کند و خطر شکستن سوراخ، جداشدن لایه‌های بدنهٔ سوراخ یا پوشش‌دهی نامناسب را در طول عمر برد مدار چاپی به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. این ویژگی در سیستم‌های حیاتی و خودرویی بسیار مهم است.

پایش حرارتی بهتر: ازآنجاکه گرما در یک خط عمودی منفرد متمرکز نمی‌شود (برخلاف سوراخ‌های انباشته)، آرایش مورب امکان پراکندگی مؤثرتر گرما را فراهم می‌کند — مناطق گرمایی را کاهش داده و عمر برد را افزایش می‌دهد.

سادگی تولید: قرار دادن پله‌ای میکروویاها نیاز به دقت بالا در حفاری عمودی را کاهش می‌دهد. این امر منجر به کاهش عیوب، نیاز کمتر به پرکردن لیزری گران‌قیمت و بهبود بازده کلی فرآیند ساخت برد مدار چاپی می‌شود.

انعطاف‌پذیری بهتر در مسیریابی: با جبران کردن ویاها، شبکه‌های اضافی مسیریابی بین لایه‌ها حفظ می‌شوند که امکان مسیریابی پیشرفته‌تر خروجی و پخش سیگنال (fanout) در طراحی‌های برد مدار چاپی چندلایه را فراهم می‌کند.

مثال کاربردی رایج

"ما از میکروویاهای پله‌ای در پنل کنترل تجاری مقاوم خود استفاده می‌کنیم. نتیجه، افزایش قابلیت اطمینان در شرایط سخت حرارتی و لرزشی است و هزینه ساخت حدود ۳۰ درصد کمتر از گزینه‌های پرچیده‌تر است." — طراح ارشد، تولیدکننده تجهیزات الکترونیکی خودرو

جدول: خلاصه‌ای از موارد استفاده از ویاهای پله‌ای

مزایا و معایب سوراخ‌های انباشته

معایب (ادامه دارد):

خطرات اعتماد: هر سوراخ اضافی در انباشت، احتمال بروز مشکلاتی مانند ترک‌خوردگی، پوشش ناقص مس یا خستگی بدنه را افزایش می‌دهد — به‌ویژه اگر کنترل‌های ساخت یا تناسب ابعاد اجزا به‌دقت رعایت نشوند. لامیناسیون یا پوشش‌دهی نامطلوب در مراحل متوالی می‌تواند نقاط ضعف ایجاد کند که در برابر چرخه‌های مکانیکی یا حرارتی، پایداری سازه‌ای را به‌خطر می‌اندازد.

نیازمندی‌های سخت‌گیرانه به توانایی سازنده: همه سازندگان مدارهای چاپی قادر به اجرای فناوری مدرن میکروسوراخ‌های باردار نیستند. سازندگان تخته‌های HDI باید تجهیزات پیشرفته حفر با لیزر، لامیناسیون دقیق و قابلیت پرکردن مس را داشته باشند؛ در غیر این صورت، بازگشت‌ها افزایش یافته و زمان عرضه محصول به بازار به‌تأخیر می‌افتد.

عمق محدود حفاری: محدودیت‌های رایج IPC-2226 برای میکروویاهاي انباشته، معمولاً تنها دو یا سه لایه بارگذاری‌شده را پیش از آنکه قابلیت اطمینان به‌طور قابل توجهی کاهش یابد، توصیه می‌کند. نیازهای عمیق‌تر ممکن است تغییر به گزینه‌های مدفون یا شگفت‌انگیز را ضروری سازد.

مزایا و معایب ویاهای جابجا شده.

ساختارهای ویایی جابجا شده — انتخاب مطلوب برای طراحی‌های HDI PCB که بر قابلیت اطمینان تأکید دارند — مجموعه‌ای خاص از مزایا و معایب را به همراه دارند.

مزایا

قابلیت اطمینان بلندمدت عالی: تراز مستقیم ویاهای میکرو جابجا شده، تمرکزهای تنش مکانیکی و حرارتی را کاهش می‌دهد و در عمل خطر ایجاد ترک عمودی را که در ساختارهای انباشته نامناسب دیده می‌شود، از بین می‌برد.

مقاومت بسیار بیشتر در برابر چرخه‌های دمایی: محیط‌های خودرویی و صنعتی معمولاً با نوسانات دمایی گسترده‌ای روبرو هستند — ویاهای کور و مدفون جابجا شده در برابر این چرخه‌ها با عمر طولانی‌تری مقاومت می‌کنند و عمر مفید محصول را افزایش می‌دهند.

سادگی تولید = صرفه‌جویی مالی در هزینه‌ها: همان‌طور که به سؤالات مربوط به ویای‌های از نوع ویا-تِرُو پاسخ داده شده است، این ویاها نیازی به قرارگیری عمودی ایده‌آل یا فرآیندهای لامینیشن مکرر زیادی ندارند؛ بنابراین بازده افزایش یافته و زمان تحویل کاهش می‌یابد — که این امر تولید برد‌های HDI با تعداد لایه‌های بالا و قابل اعتماد را ساده‌تر می‌کند.

انعطاف‌پذیری بیشتر برای مسیریابی: الگوی زیگ‌زاگی قرارگیری ویای‌های از نوع ویا-تِرُو، شبکه‌های مسیریابی اضافی‌تری برای خطوط ایجاد می‌کند و امکان طراحی الگوهای پیچیده‌تر مسیریابی و اتصالات بهتر بین لایه‌ها را فراهم می‌سازد. این انعطاف‌پذیری می‌تواند برای انتقال مجموعه‌های دیفرانسیلی یا طرح‌بندی‌های با مقاومت کنترل‌شده در برابر نویز حیاتی باشد.

عوامل نامطلوب

مصرف کمی بیشتر فضای برد PCB: از آنجا که ویاها روی هم قرار نگرفته‌اند، فضای بیشتری در صفحهٔ X/Y از برد اشغال می‌شود. این امر ممکن است در طرح‌بندی‌های فوق‌فشرده یا با چگالی بسیار بالا که در آن هر میلی‌متر مربع اهمیت دارد، محدودیت ایجاد کند.

طولانی‌تر بودن مسیر سیگنال و وجود پارازیت‌های اضافی: از آنجا که سیگنال باید در مسیری عمودی بلندتر و مارپیچ عبور کند، القای ناچیز و تأخیری در مقایسه با اتصال عمودی انباشته ایجاد می‌شود. در نرخ‌های داده‌ی بسیار بالا، این مسئله باید طراحی و کاهش یابد.

پیچیدگی احتمالی در طرح‌بندی: تضمین ترتیب مناسب، فاصله‌گذاری دقیق و تخصیص لایه‌ها نیازمند طراحی دقیق است و ممکن است حجم کار طراحی ECAD را افزایش دهد — به‌ویژه در مدارهای چاپی با تعداد لایه‌ی بالا.

تأثیر بر صحت، پایداری و کارایی سیگنال

پایداری سیگنال در طراحی مدارهای چاپی پرسرعت از اهمیت بالایی برخوردار است؛ و انتخاب شما بین ویای‌های انباشته و ویای‌های پله‌ای مستقیماً بر کارایی سیستم، قابلیت اطمینان و سازگاری الکترومغناطیسی تأثیر می‌گذارد.

تأثیر ویای‌های انباشته بر صحت سیگنال

کوتاه‌تر بودن مسیر الکتریکی: ویای‌های انباشته کوتاه‌ترین مسیر عمودی بین لایه‌ها را فراهم می‌کنند و بنابراین تأخیر و ESR (مقاومت سری معادل) را به حداقل می‌رسانند. این ویژگی برای سیگنال‌های با فرکانس بالا — مانند سیگنال‌های DDR، PCIe و خطوط SerDes — مفید است.

کاهش حداقلی القای نامطلوب و ظرفیت نامطلوب: استفاده از ستون‌های متمرکز به‌صورت ایمن، امپدانس کنترل‌شدهٔ بهینه را حفظ می‌کند و در حفظ کیفیت عالی سیگنال در طول تغییرات کمک می‌کند.

خطرات تداخل سیگنالی (کراس‌تاک) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI): در نواحی بسیار ضخیم، قرارگیری ستونی می‌تواند ترکیب الکترومغناطیسی (کراس‌تاک) ایجاد کند. تغییرات موازی سیگنال و ویاهای بازگشت زمین باید با دقت طراحی شوند.

از محافظت زمین و جفت‌های دیفرانسیل استفاده کنید.

از ابزارهای تضمین صحت سیگنال در نرم‌افزارهای طراحی PCB مانند Allegro PCB Designer یا Pace PCB استفاده کنید.

تأثیر ویاهای نامنظم بر پایداری سیگنال چگونه است؟

حریم بیشتر سیگنال: فرمت نامنظم، جداسازی فضایی را افزایش داده و ظرفیت ترکیب خازنی و القایی بین ویاهای مجاور را کاهش می‌دهد.

مسیر کمی بلندتر، پارامترهای نامطلوب کمی بیشتر: مسیر زیگ‌زاگ، طول کلی سیگنال را افزایش می‌دهد، اما در بیشتر موارد عملی، این افزایش در صورت رعایت دستورالعمل‌های طراحی، ناچیز است.

کاهش تهدید EMI: استفادهٔ توزیع‌شده از موقعیت‌ها می‌تواند نقاط نقص را جدا کند و سطح انتشار را کاهش دهد.

ملاحظات قابلیت اطمینان

پیامدهای هزینه‌ای: ویای‌های انباشته و نامنظم.

حساب هزینهٔ ویای انباشته.

پیچیدگی بالای تولید: لامیناسیون متوالی، لیزر دقیق، پرکردن ویاها و لایه‌بندی تخصصی، هزینه‌های تولید را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌دهند. افزایش معمول هزینه برای میکروویاهای بارگذاری‌شده می‌تواند از ۱۵ تا ۴۰ درصد بیشتر از گزینه‌های سادهٔ کور یا نامنظم باشد.

تهدیدات بازده و بازکاری: افزایش پیچیدگی فرآیند، احتمال بیشتری برای افت بازگشت ایجاد می‌کند و نیازمند آزمون‌های دقیق‌تر یا بازسازی مجدد است که این امر دوباره هزینهٔ کلی کار را افزایش می‌دهد.  

نمونه‌ی جدول هزینه:.

مطالعه موردی

در سبک برد HDI چندلایه، سوراخ‌های کور همپوشان یا سوراخ‌هایی که بیش از حد نزدیک لبهٔ برد قرار دارند، خطر عدم تعادل در فرآیند اکسپدیشن را ایجاد می‌کنند؛ بنابراین، پیشنهاد می‌شود به جای سوراخ‌های انباشته، از سوراخ‌های ترتیبی استفاده شود تا تعداد چرخه‌های لامیناسیون و هزینه‌های مرتبط کاهش یابد و همزمان قابلیت اطمینان در چرخه‌های حرارتی بهبود پیدا کند.

پرسش‌های رایج

۱. تفاوت اساسی بین ویاهای بارگذاری‌شده و ویاهای پله‌ای چیست؟

ویاهای انباشته در لایه‌های مجاور به‌صورت عمودی روی هم قرار می‌گیرند و ستون انتقالی بسیار صاف و قابل حملی ایجاد می‌کنند. در مقابل، ویاهای پله‌ای از لایه‌ای به لایه دیگر به‌صورت افقی جابه‌جا می‌شوند — ساختاری «شکل زیگ‌زاگ» یا کج که پایداری و بازده حرارتی را افزایش می‌دهد.

۲. در چه شرایطی باید از ویاهای انباشته در PCBهای HDI استفاده کنم؟  

از ویاهای انباشته در سیستم‌ها زمانی استفاده کنید که نیاز به بیشترین چگالی مسیریابی در فرمت‌های بسیار فشرده PCB داشته باشید، مانند زیر اجزای BGA در تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها یا اجزای DDR4 RAM، و جایی که کوتاه‌ترین مسیر سیگنال برای سیگنال‌های پرسرعت ضروری است.  

۳. ویاهای پله‌ای در کدام موارد ارزش بیشتری فراهم می‌کنند؟

سوراخ‌های مورب در کاربردهای خودرویی، صنعتی یا با توان بالا، قابلیت اطمینان را فراتر می‌برند—جایی که ضربه‌های مکانیکی، پدیده رزونانس یا چرخه‌های حرارتی، پایداری را تهدید می‌کنند. همچنین زمانی مفید هستند که بخواهید هزینه‌های تولید را کاهش دهید، بدون آنکه عملکرد الکتریکی در معرض خطر قرار گیرد.

۴. آیا ساختار سوراخ‌های عبوری بر هزینه تولید برد مدار چاپی تأثیر می‌گذارد؟

قطعاً. سوراخ‌های انباشته بسیار گران‌تر از سایرین هستند، زیرا فرآیندهای پیچیده‌ای مانند حفر لیزری، لامینیشن متوالی، روکش‌دهی و پرکردن نیاز دارند. در مقابل، سوراخ‌های مورب مقرون‌به‌صرفه‌تر، ساده‌تر و در اغلب محیط‌های تولیدی عملکرد بهتری دارند.

۵. نسبت و ابعاد عناصر سوراخ‌های عبوری چگونه بر قابلیت اطمینان تأثیر می‌گذارند؟

نسبت عناصر سوراخ عبوری (عمق سوراخ تقسیم بر قطر آن) بسیار حیاتی است. فراتر رفتن از استانداردهای تأمین‌کنندگان یا IPC احتمال شکست و روکش‌دهی ناکافی را افزایش می‌دهد. سوراخ‌های ریز معمولاً باید نسبتی برابر یا کمتر از ۱:۱ داشته باشند. همیشه در حد قابلیت‌های تأمین‌کننده خود کار کنید.