Kuinka käyttää piirilevyssä kerrostettuja tai siirrettyjä viakoja?

PCB:n päällekkäiset ja vaihtelevat sokeat ja haudatut viat

Kuinka käyttää piirilevyssä kerrostettuja tai siirrettyjä viakoja?

Johdanto

Nykyaikaisissa digitaalisissa laitteissa miniaturoiden ja suorituskyvyn saavuttamisen jatkuva pyrkimys on asettanut hdi-pcb-suunnittelun todelliseen tuotteen kehityksen keskipisteeseen. Korkean nopeuden ja tiukentuvan tiukkuuden (hdi) piirit mahdollistavat kaiken: matkapuhelimet ja 5g-moduulit sekä innovatiiviset autonjärjestelmät, iot-työkalut ja muovattava nykyaikainen teknologia. Niiden menetelmä? Pcb-vioiden tehokkuus – erityisesti päällekkäisten viatojen ja vaihtelevien viatojen käyttö seuraavan sukupolven siirtotiukkuuden, signaalin turvallisuuden ja valmistustehokkuuden saavuttamiseksi.

Valinta siitä, käytetäänkö päällekkäisiä vai hämmentäviä läpikulkureiä, ei ole pelkästään tekninen yksityiskohta. Se on taktinen valinta, joka vaikuttaa kaikkiin piirilevyn elementteihin: tehokkuuteen, eheyyteen, valmistuskustannuksiin ja markkinoille tulemisaikaan. Edistyneissä muodoissa, joissa käytetään pienipituisia komponentteja ja monimutkaisia kerroskerrosyhteyksiä, oikeat läpikulkurakenteet voivat tehdä eron tuotteen välillä, joka menestyy, ja tuotteen välillä, joka jää elämästä – kaiken aikaa noudattaen vähimmäisvalmistuskustannusarvioita ja tiukkoja luotettavuusvaatimuksia.  

Mikä on läpikulkureikä piirilevyssä? Piirilevyn läpikulkureikätyypit

Käytössä piirilevyn (PCB, Printed Circuit Board) suunnittelussa viiva on sähköisesti pinnoitettu reikä, joka yhdistää useita kerroksia monikerroksisessa piirilevyssä. Viivat mahdollistavat suunnittelijoiden ohjata sähkösignaaleja eteenpäin ja taaksepäin, ei vain tasaisesti, mikä parantaa merkittävästi piirilevyn signaalien siirtoa ja suunnittelutiukkuutta. Tehokas läpi-tyyli tukee kaikkea: pienistä kuljetettavista laitteista korkean nopeuden verkkolaitteisiin ja avaruusteknologian elektroniikkaan.

Yleisin piirilevyn viivatyypit

Mitä ovat mikro- ja sokea- ja piilotettuja kaisteluvälejä HDI-PCB:ssä?

Mikroviat

Mikroviat ovat nykypäivän HDI-PCB-tuotteiden nykyaikaisen innovaation perusta. "Tehdas" (kuten määritellään IPC-2226) ≤ 0,15 mm (150 mm) μ m) mikrosäiliöt syntyvät laserporauksella ja niitä käytetään yleensä naapuritasotusten (esim. kerroksesta 1 kerrokselle 2) yhdistämiseen. Niiden pieni mittaus mahdollistaa niiden asettamisen hienojen BGA-osien alle ja rajoitettujen ohjausverkkojen sisällä, joihin tavanomaiset poraimet eivät pääse.

Tosiasiat:

Tuen ohjauspaksuus noin 1500+ liitettä/cm KAKSI

Voidaan kerätä (nojautua) tai siirtää (tasapainottaa) paljon syvemmälle kerrokselle.

Sokkiviat

Sokeat läpimurat yhdistävät ulkoisen kerroksen useisiin sisäisiin kerroksiin, mutta ne eivät kulje kokonaan levyn mukana:

Käytetään signaalien "väistämiseen" paksuista elementtipölyistä sisäisiin siirtosalauksiin.

Vähentää parasiittista kapasiteettia/induktanssia läpireikään valintojen verrattuna.

Käytetään yleisesti päätoimintana pinoamistekniikassa.

Piilotetut viat

Haudatut viat yhdistävät vain sisäisiä kerroksia eivätkä näy piirilevyn pinnalta:

Mahdollistavat tiukemmat piirilevyn pinottavuusasetukset ilman, että ulkoisia signaali- tai maakerroksia häiritään.

Tärkeää monikerroksisissa, erityisen kantavissa tai turvallisissa piirilevysovelluksissa.

Pinotut viat: määritelmä, ominaisuudet ja sovellukset

Pinotut viat ovat rakennelmia, joissa useita mikroviaa (ja usein myös sokeita tai piilotettuja viaa) sijoitetaan suoraan toistensa päälle piirilevyn pinottavuusrakenteessa. Tämä järjestely mahdollistaa pystysuoran viayhteyden (”via-päällä-via” -rakenne) ja on keskeinen tekijä tiukkojen piirilevyjen suunnittelussa korkealla siirtotiukkuudella.  

Pinottujen vioiden salaiset ominaisuudet

Paras tilatehokkuus: Pinottavat rakennelmat mahdollistavat lukuisien signaalien siirtämisen pienissä pystysuorissa sarakkeissa, mikä vapauttaa tärkeää tilaa virta- ja maatasoille muualla levylle.

Säilyttää korkean nopeuden ja pienien piirtojen ominaisuudet: Pienempien ja suorampien signaalipolkujen ansiosta kerrosten välillä pinoamalla mikroviaja vähennetään viivettä (alhaisemmat sivuvaikutukset), mikä on ratkaisevan tärkeää korkean nopeuden PCB-reitityksessä.  

Tuotantohelpotus – edistyneen rakentamisen vaatimus: Pinoamalla viajat vaativat korkean tarkkuuden peräkkäistä laminointia, laserreikäystä sekä yleensä täytettyjä tai kuparipinnoitettuja läpikuuluvia rakenteita. Tämä lisää vakausriskejä ja kustannuksia.

Täydellinen edistyneille elektronisille laitteille: Käytetään älylaitteissa, tablettitietokoneissa, kuljetettavissa laitteissa, DDR-muistikomponenteissa ja seuraavan sukupolven FPGA-/prosessorikortteja.

Yleinen sovellusesimerkki

"Pystyimme pienentämään 12-kerroksisen korkean suorituskyvyn FPGA-kortin 6-kerroksiseksi HDI-PCB-kortiksi käyttäen pinoamalla mikroviaja -nykyaikaista teknologiaa. Tämä paransi signaalivakautta ja saavutti 40 %:n tilasäästön." – Johtava PCB-kehittäjä, NASDAQ-listattu teleliikenneyritys

Vaihtelevat viat: analyysi, ominaisuudet ja sovellukset

Vaihtelevalle viaputkelle ominainen asennus tarkoittaa useita viaputkia (yleensä mikroviaputkia), jotka on sijoitettu suorassa vastakkaisessa järjestyksessä eikä suoraan päällekkäin. Visuaalisesti ne muodostavat "sahalaitaisen" tai porrastetun kulun piirilevyn kerrosten läpi!

Vaihtelevalle viaputkelle ominaiset salaiset toiminnallisuudet

Parantunut luotettavuus: Niiden poikittainen rakenne jakaa mekaanisen ja lämpöjännityksen huomattavasti tasaisemmin, mikä vähentää merkittävästi viaputken murtumisen, putken irtoamisen tai riittämättömän metallipinnoituksen riskiä piirilevyn koko elinkaaren ajan. Tärkeää tehtäväkriittisissä ja auton järjestelmissä.

Parantunut lämmön siirtyminen: Koska lämpöä ei keskitetä yksittäiseen pystysuoraan linjaan (kuten pinottuissa viaputkissa), vaihtelevalle viaputkelle ominainen asennus mahdollistaa tehokkaamman lämmön hajaantumisen – pienentäen kuumennusalueita ja parantaen pitkäikäisyyttä.

Tuotannon yksinkertaistaminen: Asettelun vaihtelu pienentää pystysuoran poraamisen tarkkuusvaatimuksia. Tämä johtaa vähemmän virheisiin, huomattavasti vähemmän kalliiden laser-täytteiden tarpeeseen ja parempaan kokonaistuottavuuteen piirilevyn valmistusprosessissa.

Parantunut reitityksen joustavuus: Vialle vastatoimien avulla säilytetään lisäreititysverkkoja kerrosten välillä, mikä mahdollistaa edistyneempiä poistumis- ja hajautusreittejä monikerroksisissa piirilevyissä.

Tyypillinen käyttöesimerkki

"Käytämme asettelun vaihtelua mikroviauksissa vahvassa kaupallisessa ohjauspaneelissamme. Tuloksena on suurempi luotettavuus vaativissa lämpö- ja värähtelyympäristöissä, ja valmistuskustannukset ovat noin 30 % alhaisemmat kuin täytettyjen vaihtoehtojen tapauksessa." — Vanhempi suunnittelija, automaatioelektroniikan OEM-valmistaja

Taulukko: Asettelun vaihtelun käyttötapaukset yhteenvetona

Pilkkuvia reikiä koskevat edut ja haitat

Haitat (jatkuu):

Luotettavuusriskit: Jokainen lisätty pilaus lisää vaaraa esimerkiksi halkeamien, epätäydellisen kuparipinnoituksen tai putken väsymisen muodossa – erityisesti jos valmistusvalvontaa tai komponenttien suhteita ei pidetä tiukasti hallinnassa. Heikko peräkkäinen laminointi tai pinnoituksen epäharmonisuus voi aiheuttaa heikkoja kohdikkoja, jotka voivat vaarantaa rakenteen kestävyyttä mekaanisen tai lämpötilan vaihtelun aikana.

Tiukat valmistajavaatimukset: Kaikki PCB-valmistajat eivät tue todellista mikroreikäteknologiaa. HDI-piirikorttivalmistajien on oltava varustettuja edistyneillä laserporausmenetelmillä, lähes täydellisellä laminoinnilla ja kuparitäytöllä; ilman näitä ominaisuuksia tuotannon laatu voi kärsiä ja markkinoille tuloa voidaan viivyttää.

Rajoitettu pinoamissyvyys: IPC-2226:n yleiset rajoitukset koskevat pinottuja mikroviaja, ja ne suosittelevat yleensä vain 2–3 kuormitettua kerrosta ennen kuin luotettavuus laskee merkittävästi. Syvien pinojen vaatimukset saattavat edellyttää siirtymistä haudattuihin tai ihmeellisiin vaihtoehtoihin.

Vaihtelevien via-rakenteiden etu- ja haittapuolet.

Vaihtelevat rakenteet – luotettavuuteen keskittyvien HDI-piirilevyjen hyvä valinta – sisältävät omat etunsa ja haittansa.

Hyödyt

Paras pitkän aikavälin luotettavuus: Vaihtelevien mikroviajien suora tasapaino vähentää mekaanisia ja lämpöjännityksen konsentraatioita, poistaen käytännössä riskin pystysuorien halkeamien muodostumisesta huonosti valmistettujen pinottujen rakenteiden yhteydessä.

Paljon kestävämpi lämpökytkentäsykleissä: Autoteollisuus ja teollisuuskohteet kohtaavat usein suuria lämpötilan vaihteluita – vaihtelevat sokeat ja haudatut viat kestävät näitä syklejä paremmin, mikä lisää tuotteiden käyttöikää.

Tuotannon yksinkertaisuus = kustannussäästöjä: Koska viat eivät vaadi täydellistä pystyasentoa tai useita peräkkäisiä laminointitoimintoja, tuotto kasvaa ja kustannukset vähenevät – mikä tekee luotettavien, monikerroksisten HDI-korttien valmistuksesta yksinkertaisempaa.

Suurempi reititysjoustavuus: Epäsäännölinen läpikuvausasento avaa lisää reititysverkkoja johdinradalle, mikä mahdollistaa monimutkaisemmat reitityskuviot ja parantaa kerrosten välisiä yhteyksiä. Tämä joustavuus voi olla ratkaisevan tärkeää differentiaaliparin siirrossa tai ohjatun herkkyyden suunnittelussa.

Haitallisat tekijät

Hieman suurempi PCB:n pinta-alan käyttö: Koska viat eivät ole pinottuja, ne vievät lisää tilaa PCB:llä X/Y-tasolla. Tämä voi olla rajoittavaa erinomaisen kompakteissa tai erinomaisen korkeatiukuisissa rakenteissa, joissa jokainen millimetri lasketaan.

Pidempi signaalikulku ja suuremmat lisäparasitiit: Koska signaalin on kuljettava pidempää, mutkikkaampaa pystysuuntaista reittiä, siihen sisältyy pienempi induktanssi ja viivästys verrattuna pinoon asetettuun pystysuuntaiseen yhteyteen. Erittäin korkeilla datanopeuksilla tämä on otettava huomioon suunnittelussa ja vähennettävä.

Mahdollinen asettelun monimutkaisuus: Tarkkojen erityisvaatimusten, välimatkojen ja kerrosten sijoittelun varmistaminen vaatii huolellista suunnittelua ja voi lisätä ECAD-suunnittelutyön määrää – erityisesti monikerroksisissa PCB-rakenteissa.

Signaalintarkkuus, vakaus ja tehokkuusvaikutus

Signaalinvakaus on keskeinen huolenaihe nopeiden PCB-asettelujen suunnittelussa – ja valintanne pino- ja vaihtelevien läpiviertojen välillä vaikuttaa suoraan järjestelmän tehokkuuteen, luotettavuuteen ja sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen.

Kuinka pino- läpivierrat vaikuttavat signaalintarkkuuteen

Lyhennetty sähköinen kulku: Pino-läpivierrat tarjoavat nopeimman pystysuuntaisen kerrosvälisen yhteyden, mikä vähentää viivästystä ja ESR:tä (ekvivalenttia sarjaresistanssia). Tämä hyödyttää korkeataajuus-signaaleja, kuten DDR-, PCIe- ja SerDes-kanavien signaaleja.

Vähennetty parasiittinen induktanssi ja kapasitanssi: Turvallisesti rajoitettu pinottu rakenne auttaa säilyttämään optimaalisen säädetyn impedanssin ohjaamisen, mikä edistää signaalin erinomaista laadun säilymistä siirroissa.

Ristisignaalien ja elektromagneettisen häferän riskit: Erityisen paksuissa alueissa pylväiden kautta pinottu rakenne voi aiheuttaa elektromagneettista yhdistelmää (ristisignaalihäiriöitä). Rinnakkaiset signaalimuutokset ja maapalautusreiät on suunniteltava huolellisesti.

Käytä maasuojaa ja differentiaalipareja.

Käytä signaalin eheyden tarkistusvälineitä Allegro PCB Designer -tai Pace PCB -suunnitteluoohjelmassa.

Miten vaihtelevat reiät vaikuttavat signaalin vakautta

Parantunut signaalin yksityisyys: Vaihteleva asettelu lisää tilallista erottelua, mikä vähentää kapasitiivisen ja induktiivisen yhdistelmän mahdollisuutta vierekkäisten reikien välillä.

Hieman pidempi reitti, hieman suuremmat parasiittiset arvot: Tikkaismainen reitti kasvattaa kokonaissignaalipituutta, mutta yleensä merkityksettömästi useimmissa käytännön sovelluksissa, jos se pysyy suunnittelun ohjeiden puitteissa.

Vähentynyt EMI-uhka: Hajautettu paikkojen käyttö voi erottaa reikäpaikat ja vähentää päästöjä.

Luotettavuustarkastelut

Kustannusvaikutukset: Kerrotut ja vaihtelevat läpiviennit.

Kerrottujen läpivientien kustannustili.

Korkea tuotantomonimutkaisuus: Peräkkäinen laminointi, tarkka laserporaus, läpivientien täyttäminen ja erikoistettu kerrostaminen nostavat merkittävästi valmistuskustannuksia. Tyypillinen kustannuslisä monimutkaisille mikroläpivienille vaihtelee 15–40 %:n välillä yksinkertaisia sokeita tai vaihtelevia ratkaisuja korkeammalla.

Tuotosasteen ja korjaustyön uhkat: Monitasoisemmat prosessit lisäävät mahdollisuutta hylkäyksiin, mikä vaatii tarkempaa testausta tai uudelleenvalmistusta, mikä lisää taas kokonaistyökustannuksia.  

Kustannustaulukon instanssi.

Tapaustutkimus

Monikerroksisessa HDI-korttityylissä päällekkäiset sokeat viat tai liian lähellä kortin reunaa sijaitsevat viat aiheuttavat epätasapainon riskin; siksi suosittelemme käyttävän vaihtelevia vioita pinottujen viojen sijaan, jolloin laminoimiskiertojen määrä ja niitä vastaavat kustannukset vähenevät ja lämpökytkentäluotettavuus paranee.

Usein kysytyt kysymykset

1. Mikä on keskeinen ero ladattujen viojen ja vaihtelevalle vioiden välillä?

Pilviviat ovat tasattu takaperin ja eteenpäin käyttäen päällekkäisiä viereisiä kerroksia, mikä muodostaa erinomaisen suoran ja siirrettävän pystysuoran siirtosarakkeen. Vaihtelevat viat taas ovat tasattu tasaisesti kerroksesta toiseen – niin sanottu "nipistetty" tai kallistettu rakenne, joka parantaa vakautta ja lämmönvaihtotehokkuutta.

2. Missä tilanteissa tulisi käyttää pilviviitä HDI-PCB:ssä?  

Käytä pilviviitä, kun tarvitset maksimaalista ohjaustiukkuutta erinäin kompakteissa PCB-muodoissa, kuten BGA-komponenttien alla älypuhelimissa, tablettitietokoneissa tai DDR4-muistikomponenteissa, ja kun korkean nopeuden signaaleille vaaditaan mahdollisimman alhainen signaalipolku.  

3. Missä vaihtelevat viat tuovat enemmän arvoa?

Vaihtelevat viat ovat erinomaisia luotettavuuden kannalta auto-, teollisuus- tai korkean tehon sovelluksissa – siellä, missä mekaaninen isku, resonanssi tai lämpötilan vaihtelu vaarantavat luotettavuutta. Niitä voidaan myös käyttää, kun halutaan vähentää valmistuskustannuksia uhraamatta sähköistä suorituskykyä.

4. Vaikuttaako läpivientirakenne PCB-valmistuskustannuksiin?

Kyllä varmasti. Pinoamalla tehtyjä läpivientiä on paljon kalliimpaa valmistaa, koska niiden valmistukseen vaaditaan monimutkaisia prosesseja (laserreikäys, peräkkäinen laminointi, metallipinnoitus ja täyttö). Siirrettyjä läpivientiä on huomattavasti edullisempi ja helpompi valmistaa, ja ne toimivat paremmin useimmassa tuotantoympäristössä.

5. Kuinka läpivientien suhde ja mitat vaikuttavat luotettavuuteen?

Läpivientien suhde (reikäsyvyys/halkaisija) on ratkaisevan tärkeä. Jos suhde ylittää valmistajan tai IPC:n standardit, kasvaa rikkoutumisen ja riittämättömän metallipinnoituksen riski. Mikroläpivienntien suhteen tulisi yleensä olla 1:1 tai pienempi. Noudattaen aina toimittajasi valmistusmahdollisuuksia.