Što su mikro-snimke na PCB-ovima?

Mikro prolame i HDI: Tehnike formatiranja PCB-a za pouzdane elektroničke uređaje

Što su mikro-snimke na PCB-ovima?

Meta sažetak:  Otkrijte tajne pouzdanosti i mikrovia tehnologije Hdi pcb stil. Saznajte više o laserski bušenim mikroprolazima, složenim i iznenađenim okvirima, sustavima za otkrivanje kvarova mikroprolaza, tržišnim standardima (IPC-2226, IPC-TM-650) i stručnim tehnikama proizvodnje za dugotrajne spojne ploče visoke gustoće.

Uvod: Transformacija PCB formata s mikrootvorovima i razvojem HDI-ja

Tiskane ploče (PCB) su mirne, složene autoceste suvremenih elektroničkih uređaja - spajaju, napajaju i omogućuju sve, od potrošačkih mobitela do medicinskih uređaja i satelita. Kako je potreba za manjim, bržim i pouzdanijim digitalnim uređajima naglo porasla, svijet dizajna PCB-a morao se značajno razviti. Uspon mikroprolazi i međusobna veza visoke gustoće (HDI)PCB suvremena inovacija  je doista primijetio važnu promjenu u načinu na koji se moderni sklopovi proizvode, minijaturiziraju i postižu brze i pouzdane primjene.

Mikrovijci -- ti mali, laserski izbušeni bakrenim spojevi -- mogu biti veličine tek stotinke milimetra, no omogućili su porast snage i učinkovitosti u današnjoj ultrakompaktnoj elektronici. Održavanjem gušćeg smještaja komponenti, finih sfernih mrežnih nizova (BGA) i brzog usmjeravanja signala s niskim gubicima, mikroprolazi su pravi heroji minijaturizacije PCB-a. Štoviše, razumijevanje mikroprolaza trenutno je ključno za osiguranje trajnosti protiv termički ciklusi, kvarovi uzrokovani reflowom i dugotrajna pouzdanost  u teškim ili kritičnim okruženjima.

Ipak, s ovom tehnologijom dolaze detalji i poteškoće. Pouzdanost Microvia  ovisi o prepoznavanju inovativnih predmeta, kroz strategije punjenja, prevlake i kriterije testiranja. Problemi poput pukotine cijevi, pukotine u bakru i izvlačenje pločica -izlazne posljedice ako se ne pridržavate idealnog rasporeda, ne zadržite odgovarajući postotak elemenata ili ne odaberete optimalne postupke i kodove kupona za procjenu prema IPC-2226, IPC-T-50M , i IPC-TM-650  kriterije.

Što su prolazni otvori (vias) u PCB-ima?

U svijetu dizajna PCB-a, korištenje je ključni okvir koji omogućuje električnu vezu između slojeva matične ploče. Iako su jednostavni za koncept, prolazni otvori mogu biti smješteni u brojnim vrstama - svaka je poboljšana za zahtjeve detalja u sklopovima visoke gustoće ili velike brzine.

Osnovni PCB putem okvira

Redovita upotreba sadrži okrugli otvor  izbušeni pomoću laminiranog sloja PCB-a, obloženog iznutra električno vodljivim bakrom za premošćivanje tragova između različitih slojeva. Tradicionalni prolazni otvori kreću se od onih na dnu ploče, povezujući sve slojeve. Međutim, kako se minijaturizacija alata umnožavala, napredovale su vrste - slijepi, ukopani i mikro otvori - izrađeni su za čvršće pakiranje i poboljšanu pouzdanost signala.

Zašto se javljaju problemi s prolazima (Vias)?

Moderne digitalne potrebe - veća debljina ulazno/izlaznih priključaka, BGA-ovi s finim korakom i važniji slojevi - potiču razvojne programere da napuste jednostavne prolazne rupe. Potraga za manjim, tanjim i bržim uređajima pokrenula je prelazak na mikroprolazne rupe i HDI slojeve, gdje je svaki kvadratni milimetar važan, a svaki spoj utječe na upravljanje toplinom, stabilnost signala i trajnu pouzdanost.

Vrste mikrootvora na PCB-u

Slijepi PCB prolazi

Slijepi vijaci  buše se od vanjskog sloja do nekoliko unutarnjih slojeva, ali ne u potpunosti kroz PCB. Ključni su u HDI PCB-ovi  povezati guste površinske dijelove s unutarnjim vođenjem bez korištenja vrijedne površine ploče.

Prednosti slijepih prolaza:

Performanse prostora: Osigurajte prostor na unutarnjim slojevima za usmjeravanje visoke gustoće.

Sigurnost RF/signala: Minimizirajte mjerenje prekida, što pokreće puno bolje performanse na visokim frekvencijama.

Povrat proizvodnje: Smanjena opasnost od savijanja i pomicanja slojeva tijekom laminacije.

Ulozi:  Slijepi prolazi prevladavaju u mobilnim telefonima, tabletima, prijenosnim računalima i svim vrstama uređaja koji koriste dijelove s malim korakom i uske elemente.

Skriveni PCB prolazi

Iznenadni prolaz  međutim, spojite unutarnje PCB slojeve ne  doći do vanjskih površina. Potpuno su ugrađeni u ploču.

Prednosti i uvjeti korištenja:

Omogućuje zamršene međusobne spojeve slojeva bez utjecaja na površinu.

Omogućuje puno više kanala za slanje signala za BGA-ove s velikim brojem pinova.

Savjeti za gradnju:  Skriveni prolazi zahtijevaju različite radnje laminiranja, što povećava složenost i brzinu proizvodnje. Potrebna je svjesna registracija kako bi se spriječile greške uzrokovane neusklađenošću.

Mikroprolazi: Struktura HDI-ja

Mikrovijci  su mali, laserski izbušeni otvori uobičajene veličine 80-100 μ m (0,003-- 0,006" ili ≤ 6 mil). Redovito povezuju samo susjedne slojeve -- izvrsni za nadogradnju HDI ploča.

Istine o tehnici:

Omjer slike: ≤ 0,75:1 (dubina: veličina); prema kriterijima IPC-T-50M, ≤ 1:1 ako se koristi ≤ 6 milijuna

Lasersko bušenje: Omogućuje precizno pozicioniranje, stvaranje i slaganje ili izrezivanje mikrootvora.

Ispunjeni i zatvoreni prolazi: Obično su ispunjeni bakrom radi izdržljivosti; "Prekriveni" ako se koristi kao lemna pločica (Via-in-Pad).

Nagomilane u odnosu na stupčasto raspoređene mikrootvore

Nagomilane mikrovija  vertikalno su poredani, povezujući se kroz akumulacijske slojeve desno. Stupnjevite mikroperforacije  su uravnoteženi u svakom sloju, kontaktirani kratki tragovi između njih.

IPC-2226  definira tipove slaganja, ispunjene/zatvorene standarde i geometriju mikrootvora za oba stila.

Druge značajne vrste prolaza.

Ispunjeni i zatvoreni mikrootvorovi: Za tipove otvora u kontaktnoj pločici, provjerite čvrstoću/komplanarnost.

Promašivanje prolaza: Povezuje nesusjedne slojeve, propuštajući preko raznih drugih slojeva.

Prolazni otvor (PTH): Za konektore i mehaničku učinkovitost.

Funkcija mikrootvora u HDI PCB stilu

Visoko gusto povezivanje (HDI)  tehnologija je poboljšana idejom da svaka upotreba i trag moraju pružiti optimalne značajke u vrlo malom prostoru. Mikrovijci  su primarni za to, omogućujući programerima da probiju granice tipičnih prolaznih otvora i osiguraju izvanrednu gustoću sklopa.

Vrste HDI Stack-Up (IPC-2226)

Zašto su mikrootvorovi ključni za HDI

Miniaturizacija: Putni signali iz komponenti s ultra-finim korakom (korak <0,8 mm) u malim faktorima oblika.

Integritet signala: Kraći, laserski izbušeni mikroprolazi pokazuju nižu induktivnost i parazitski kapacitet, što je ključno za DDR, RF i brze dizajne.

Upravljanje toplinom:  Mikroprolazi provode toplinu vertikalno, omogućujući pametne strategije odvođenja topline —često se koriste kao termalni prolazi ispod integriranih krugova koji generiraju toplinu.

Smanjeno preslušavanje:  Bakrom ispunjene i dobro poravnane mikrootvornice smanjuju nenamjerno spajanje između susjednih signala.

"U HDI-ju, mikrovija je vaš kirurški alat." —"precizan, pouzdan i ključan za brzi proboj signala visoke gustoće", kaže HDI stručnjak za dizajn.

Kako se izrađuju mikrootvorovi? Izrada i proizvodnja

Koraci izrade

• Priprema podloge: Pripremite visokokvalitetni dielektrični materijal koji se može bušiti laserom (poput Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT ili ABF filmova za izgradnju) s raširenim/ravnim staklom (stilovi 1035, 1067).
• Postupak laserskog bušenja:

Prethodno bušenje: Provjerite laminaciju, označite ciljne/hvatačke pločice, osigurajte registraciju.

Lasersko bušenje: Koristite UV ili CO2 laser za ≤rupe od 6 mil; precizna kontrola konusa i izloženosti jastučića za hvatanje.

Nakon bušenja: Čišćenje ablacijom, procjena kvalitete rupe, provjera ostataka/krhotina stakla.

• Uklanjanje mrlja: Uklanja smolu/staklo koje je još uvijek prisutno u cijevi via nakon laserske ablacije, osiguravajući pravilno prianjanje bakra.
• Metalizacija (bakrenje):

Elektrohemijski bakar kao sloj sjemena

Elektrolitičko bakrenje (konformno/pulsno) za potpuno punjenje —posebno za mikrootvore tipa "via-in-pad". Aditivi smanjuju stvaranje šupljina.

Ispunjene i zatvorene mikrootvornice se prekrivaju do ravnine s površinom (ponekad s bakrenom kapicom radi lemljivosti).

• Kontrola kvalitete:

Presjeci, ispitivanje mikronagrizanjem na šupljine, problemi s prianjanjem, ujednačenost debljine bakra.

Izrada D kupona prema IPC-2221 Dodatku B za ispitivanje pouzdanosti.

Ključne proizvodne varijable

Omjer slike mikrovija:  Kako je diktirano od strane IPC-T-50M , omjer stranica (dubina i promjer) ne smije biti veći od 0,75:1 —ili 1:1 za prolaze ≤6 milijuna —kako bi se osiguralo pouzdano bakrenje i izbjegle tanke stijenke ili šupljine na dnu. Visoki omjeri stranica povećavaju rizik od nepotpunog ispunjavanja bakrom, smanjene pouzdanosti ili šupljina u bakru, posebno tijekom toplinskih odstupanja u montaži.  

Tolerancija registracije:  Pravilno poravnanje ( ±2–razmak od 4 mil) između laserski izbušene rupe i ciljne pločice je ključan. Pogrešna registracija može dovesti do odvajanja sučelja, otvorenih krugova, skrivenih nedostataka ili povećanog rizika od kvarova uzrokovanih ponovnim punjenjem.  

Promjer hvatališta: Pločica za snimanje treba biti ≥80% promjera prolaza, prema najboljim smjernice za dizajn mikroprenosa ovaj omjer osigurava robusno prianjanje bakra i smanjuje rizik od pukotina u kutovima ili izvlačenja pločica tijekom termičkih ciklusa ili mehaničkog naprezanja.

Razmak maske za lemljenje: Nula širenja maske za lemljenje  preporučuje se oko mikrootvora, posebno u HDI pločama, minimizirajući rizik od preklapanja maskiranja ili pogrešne registracije što bi moglo ugroziti otpor i prinos.

Sekvencionalno prevlačenje više ciklusa laminiranja —kritično za ukopane prolaze, naslagane ili stepenasto postavljene mikro prolaze —uvode dodatni rizik za neusklađenost ekspanzije Z-osi (CTE) i koncentraciju naprezanja. Za upravljanje ovim poželjni su dimenzijski stabilni i laserski bušivi preprezi ili ABF (Ajinomoto Build-up Film).  

Mikrootvorovi ispunjeni bakrom u odnosu na neispunjene

Mikrootvorovi ispunjeni bakrom i zatvoreni  su bitni za visokopouzdane ploče, posebno kada se koriste kao prolazni otvori za BGA-ove ili CSP-ove s finim korakom, ili prilikom slaganja mikroprolaza za maksimalnu vertikalnu gustoću.

Projektiranje mikrootvora za pouzdanost: smjernice, nedostaci i testiranje

Pouzdanost mikrovija  je od najveće važnosti za elektroniku od kritične važnosti. Presjek dizajna, materijala, proizvodnje i inspekcije definira uspjeh. Evo što svaki dizajner i proizvođač mora znati:.

Glavni mehanizmi kvara mikrovija

Pukotine u bačvi: Obično počnite na oštrim prijelazima zaobljenja ili tamo gdje je omjer slike prevelik.

Kutne pukotine (sučelje između hvatališta i ciljnog hvatišta) povezano s ekspanzijom Z-osi (neusklađenost CTE-a) tijekom ponovnog točenja.

Izvlačenje ciljne pločice : Javlja se ako je jastučić premalen ili je prianjanje slabo.

Neispravna registracija ili od rupe do kontaktne površine ili od sloja do sloja, kritično kod složenih mikrootvora.

Bakrene šupljine loša prevlaka, neispravni aditivi ili zarobljeni plin tijekom punjenja.

Latentne ("otvorene") mikrootvore iznad Tg, staklasti prijelazi mogu omogućiti samozacjeljivanje mikropukotina, prikrivajući kvarove tijekom ispitivanja na sobnoj temperaturi, ali se pojavljuju u terenskim uvjetima.

Šest savjeta za robustan dizajn mikrovija

• Odaberite dielektrik kompatibilan s laserskim bušenjem: razmazano staklo/ravno staklo (npr. 1035, 1067, 1086); sustavi smole poput Isola FR408HR, ABF filmovi za izgradnju.
• Slijedite zahtjeve IPC-T-50M za omjer slike i podlogu: ≤0,75:1 poželjno; promjer pločice ≥80% putem promjera.
• Mikroprolazi raspoređeni jedan preko drugoga gdje je to moguće: Smanjuje naprezanje i rizik od šupljina ili pukotina; pomak raspoređenosti > <0,8 mm) u malim dijelovima.
• Odaberite odgovarajuće IPC-2226 slaganje:. Vrsta I: slijepo +sa. Vrsta II: slijepo, ukopano, sa. Vrsta III: više nagomilavanja + naslagano/razmaknuto.
• Napredak maske za lemljenje: Cilj nema razmaka (0 mil).
• Očuvanje plasmana/usmjeravanja D vaučera na razini panela: Potrebno za provjeru nakon proizvodnje.

Trajni format integrira gledište 'ispitivanja dok stvarate' - pouzdani mikrootvorovi počinju s odgovarajućim nizom proizvoda i završavaju sljedivim D-kuponskim ispitivanjem." - HDI Voditelj kvalitete, Global Circuits.

Tehnike probira mikrovija (IPC-TM-650)

Negativne strane i prednosti mikroprolaznih tiskanih pločica.

Značajne koristi.

Neusporediva miniaturizacija: Omogućuje višeslojne HDI slojeve s znatno više ulazno/izlaznih operacija na malim površinama.

Poboljšana iskrenost signala: Laserski izbušeni mikroprolazi smanjuju prekide i parazite, što je ključno za brzo usmjeravanje s malim gubicima (DDR, RF, SerDes).

Toplinska administracija: Pouzdani uspravni toplinski tečajevi; važni u strategijama s visokom toplinskom gustoćom (napajanje, CPU, FPGA).

Svestranost rasporeda: Podrška za nagomilane, stepenaste, promašene prolaze i složene BGA prolaze.

Jednostavno sastavljanje (kada je napunjeno/pokriveno): Iskrenost lemljenja za BGA/CSP-ove s finim korakom koristeći prednost via-in pad-a.

Tajni negativni aspekti

Cijena: Laserska ekspedicija, punjenje/pokrivanje bakrom, uzastopna laminacija i ciklusi procjene se akumuliraju. Složenost proizvodnje: Nekoliko koraka laminacije, usmjeravanje D kupona, strogi postupci procjene. Opasnost od gubitka povrata: Tanak bakar, nepravilno poravnati prolazi, neizloženi problemi ako je kontrola postupka loša. Termo-mehanička pouzdanost: Mnogo više korisničkog sučelja = više opasnih mjesta (podjele uzrokovane neusklađenošću CTE-a).

Studije primjera: Gdje mikrootvorovi omogućuju stilove sljedeće generacije

Okolnost 1: Sistemske ploče mobilnih telefona i tablet računala

Problem: Za programiranje SoC snopova s velikim brojem pinova (npr. BGA-ovi s razmakom od 0,4 mm), standardni prolazni prolazi bi zasigurno zauzeli veliku površinu ploče; to nije izvedivo za današnje tanke telefone.

Usluga: Microvia HDI PCB metode  (Slaganje elemenata tipa II/III, prvenstveno ispunjenih/zatvorenih i stepenasto raspoređenih mikroprolaza) omogućilo je izravno skrivanje BGA krugova - poboljšavajući električnu učinkovitost, smanjujući EMI i omogućujući višenamjenske PCB-ove debljine < 1 mm.

Situacija 2: Automobilski ECU (elektronički upravljački uređaj).

Potreba: Visok integritet u teškim -40 ° C do 125 ° C tretman.

Alternativa:

Ispunjene i prekrivene mikrootvore u HDI strukturi (vrsta III) s iznenađenim, dvostruko složenim okvirima.

Opsežan D-kupon i provjera toplinskog šoka (prema IPC-TM-650).

Krajnji rezultat:  < 0,5 % stopa pada površine; izdržljivo tijekom jakih termičkih promjena i rezonancije.

Scenarij 3: Hardver za brzu mrežu.

POVIJEST: BGA FPGA-ovi s finim korakom, brzi SerDes.

Tajna prednost:

Mikroprolazi raspoređeni u stupićima, ispunjeni/zatvoreni u otvoru za prolazak; omogućuju pouzdane očne dijagrame > 30 Gbps s minimalnim gubitkom povratka (VSWR < 1,2:1).

Povećana svestranost usmjeravanja, smanjeno preslušavanje i puno bolje odvođenje topline.

HDI i Microvia primjeri slaganja PCB-a.

Kako bismo shvatili kako HDI slojevi i mikrovia okviri omogućuju PCB formate sljedeće generacije, razmotrite ove korisne postavke slojeva:.

Često postavljana pitanja

U nastavku su neka često postavljana pitanja o pouzdanosti mikroprolaza i HDI PCB-a:

P: Što uzrokuje najčešće kvarove mikrovija tijekom reflow-a?  

A: Vodeći sustavi su razvoj Z-osi (nejednakost CTE), slaba veza na granici hvatanja/ciljne pločice i bakrena područja ili neadekvatno ispunjenje. Nagomilani mikrootvorovi, ako su preko AR-a ili loše ispunjeni, posebno su ugroženi.

P: Poboljšava li korištenje pretrpanih i zatvorenih mikrootvora iskrenost?  

O: Da. Ispunjeni/zatvoreni mikroprolazi ključni su za spajanje prolaza u kontaktnu ploču, opterećene postavke i izbjegavanje BGA-a. Oni sprječavaju razlijevanje lema, urušavanje kontaktne ploče i otporni su na cijepanje uzrokovano toplinskim ciklusima.

P: Koji je prikladan omjer stranica za mikrootvore u HDI-ju?  PCB-i?  

A: Pridržavajte se IPC-2226 i IPC-T-50M: ≤ 0,75:1 za optimalnu iskrenost, 1:1 samo za ≤ mikrootvorovi od 6 mil. Veći proporciji faseta rizik od prostora i koncentracije napetosti i tjeskobe.

P: Kako se jednostavno procjenjuje pouzdanost mikrovija?

A: Koristite praćenje otpora D-kupona tijekom simuliranog reflow-a (IPC-TM-650 2.6.27), cikličko zagrijavanje zbog toplinskog šoka (-55 ° C do +210 ° C, prema IPC-TM-650 2.6.7.2), analiza mikropresjeka ili HATS (stvarno ubrzani termalni udar).

P: Kako konkretno smjernice za dizajn mikrovija slojeva utječu na trajnu učinkovitost?  

A: Stupčasto raspoređeni slojevi puno bolje raspoređuju toplinu i napetost; naslagani prolazi uvijek trebaju biti ispunjeni/pokriveni. Razmak i postoci pločica/prelaza važni su kako bi se spriječilo dijeljenje korisničkog sučelja ili skriveni nedostaci.

P: Koji su IPC kriteriji za mikroprocesorske PCB-ove?

A: Uglavnom IPC-2226 (HDI stack-up/via stil), IPC-2221 (kupon/test), IPC-T-50M (značenje), IPC-TM-650 2.6.27 i 2.6.7.2 (testiranje/termički udar).

P: Jesu li mikrootvorovi prikladni za upravljanje napajanjem/termalnim sustavom?  

O: Da, mikroprolazi ispunjeni bakrom obično se koriste kao vertikalni termalni otvori ispod QFN-ova, BGA-ova i energetskih uređaja za povećanje disipacije.