Mik azok a mikrofuratok a NYÁK-okon?

Mikrovia- és HDI-technikák: PCB-formátumok megbízható elektronikai eszközök számára

Mik azok a mikrofuratok a NYÁK-okon?

Meta-összefoglaló:  Tudja meg a mikrovia-megbízhatóság titkait és HDI PCB stílusát. Ismerkedjen meg a lézerfúrt mikroviákkal, a rétegzett és a váratlan („stacked” vs. „staggered”) elrendezésekkel, a mikrovia-hibarendszerekkel, a piaci szabványokkal (IPC-2226, IPC-TM-650) és a szakértő gyártási technikákkal, amelyek hosszú élettartamú, nagy sűrűségű kapcsolódó nyomtatott áramkörök (PCB-k) készítését teszik lehetővé.

Bevezetés: A PCB-formázás átalakítása mikroviákkal és HDI-fejlesztéssel

A nyomtatott áramkörök (PCB-k) a modern elektronikai eszközök csendes, összetett autópályái – összekötik, táplálják és lehetővé teszik mindent: a fogyasztói mobiltelefonoktól kezdve az orvosi berendezéseken át a műholdakig. Ahogy a kisebb, gyorsabb és megbízhatóbb digitális eszközök iránti igény robbanásszerűen nőtt, a PCB-tervezés világának is jelentősen fejlődnie kellett. Megszületett a mikrovia- és High-Density Interconnect (HDI) PCB modern innováció  valóban észrevett egy fontos változást abban, hogy a modern áramköröket hogyan gyártják, mikrominiaturizálják és érik el a nagy sebességű, magas megbízhatóságú alkalmazásokat.

Mikroátmenőlyukak -- ezek a kis, lézerrel fúrt, rézzel töltött összeköttetések -- akár csak tizedmilliméteres méretűek lehetnek, mégis lehetővé tették a teljesítmény és hatékonyság növekedését a mai extrém kompakt elektronikai eszközökben. A sűrűbb alkatrész-elhelyezés, a finom léptékű gömbhálós csatlakozók (BGA) és a gyors, alacsony veszteségű jelvezetés fenntartásával a mikrovia-k igazi hősök a nyomtatott áramkörök (PCB) mikrominiaturizálásában. Továbbá a mikrovia-k megértése ma már elengedhetetlen a tartósság biztosításához hőciklusokkal, újrafolyósításból eredő hibákkal és hosszú távú megbízhatósággal szemben  kemény vagy küldetés-kritikus környezetekben.

Ennek a technológiának azonban részletgazdagsága és bonyolultsága is van. A mikrovia-megbízhatóság  a fejlett anyagok, kitöltési módszerek, lemezelt felületek és vizsgálati kritériumok megismerésétől függ. Ilyen problémák például a furatfal-törések, a rézrések és a pad-kihúzódás -kihagyás, ha nem tartja be az ideális rétegfelépítést, nem tartja meg a megfelelő anyagösszetételt, vagy nem választja az optimális eljárásokat és értékelési kuponkódokat a következő szerint: IPC-2226, IPC-T-50M és a IPC-TM-650  kritériumok.

Mi a via a nyomtatott áramkörökön?

A nyomtatott áramkörök (PCB) tervezésében a via egy alapvető struktúra, amely elektromos kapcsolatot biztosít a nyomtatott áramkör több rétege között. Egyszerűnek tűnő fogalom, de a viák számos típusban fordulnak elő – mindegyiket speciális igényekre optimalizálták, például nagy sűrűségű vagy nagysebességű áramkörök esetén.

Alapvető PCB-via-struktúra

Egy tipikus via egy kör alakú nyílás  a laminált PCB-rétegstruktúrában fúrt, belül elektromosan vezető rézzel bélelt nyílás, amely összeköti a nyomtatott áramkör különböző rétegeiben futó nyomvezetékeket. A hagyományos átmenő (through-hole) viák a nyomtatott áramkör felső felületétől az alsó felületéig húzódnak, és az összes réteget összekötik. Azonban a technológiai miniaturizáció előrehaladtával fejlettebb via-típusokat – vakvia (blind), temetett via (buried) és mikrovia – fejlesztettek ki a sűrűbb elrendezés és a javított jelminőség érdekében.

Miért merülnek fel átjárat-problémák?

A modern digitális igények – magasabb I/O-vastagság, finom léptékű BGÁk és szorosabb rétegek – arra kényszerítik a fejlesztőket, hogy túllépjenek a hagyományos átmenő átjáratokon. A kisebb, vékonyabb és gyorsabb eszközök iránti igény indította el az átmenetet a mikroátjáratokra és az HDI-rétegezésre, ahol minden négyzetmilliméter számít, és minden kapcsolódás befolyásolja a hőkezelést, a jelstabilitást és a hosszú távú megbízhatóságot.

A mikrovia-fajták nyomtatott áramkörökön

Felszíni nyomtatott áramkör-viák

Vakfúrólyukak  az egyik külső rétegből fúrják a belső rétegekig, de nem hatolnak át teljesen a nyomtatott áramkörön. Kulcsszerepet játszanak abban, hogy HDI PCB-k  sűrű felületi alkatrészeket kössenek össze a belső vezetékekkel anélkül, hogy értékes lapterületet használnának fel.

A felszíni viák előnyei:

Térhatékonyság: Biztosítják a belső rétegeken a helyet a nagy sűrűségű vezetékek számára.

RF/jelbiztonság: Minimalizálják a stubok hosszát, ami sokkal jobb teljesítményt eredményez magas frekvenciákon.

Gyártási visszatérés: Csökkentik a hajlás és a rétegek eltolódásának kockázatát a laminálás során.

Alkalmazások:  A felszíni viák gyakran előfordulnak mobiltelefonokban, táblagépekben, laptopokban és minden olyan eszközben, amely finom léptékű alkatrészeket és szoros elrendezésű elemeket használ.

Rejtett nyomtatott áramkör-viák

Meglepetésvezetékek  összekötik a belső nyomtatott áramkör-lemezek rétegeit, de nem  nem érik el a külső felületi területeket. Teljesen beépítettek a lemezbe.

Előnyök és alkalmazási helyzetek:

Lehetővé teszik az összetett rétegről-rétegre történő összeköttetéseket a felületi hatás nélkül.

Lehetővé teszik a sokkal több adatátviteli csatorna kialakítását nagy lábkiosztású BGA-khoz.

Gyártási tanácsok:  A rejtett vezetékek több laminálási folyamatot igényelnek, ami növeli a gyártási bonyolultságot és költséget. Pontos regisztráció szükséges a torzulási hibák elkerüléséhez.

Mikrovezetékek: az HDI szerkezete

Mikroátmenőlyukak  kis méretű, lézerrel fúrt vezetékek, általános átmérőjük 80–100 μ m (0,003–0,006 hüvelyk vagy ≤ 6 mil). Rendszeresen csak a közeli rétegeket kötik össze – kiváló megoldás HDI-panelek felépítési kezeléséhez.

Technikai tények:

Oldalarány: ≤ 0,75:1 (mélység:szélesség); az IPC-T-50M szabvány szerint, ≤ 1:1, ha ≤ 6 mil-t használnak.

Lézeres fúrás: Lehetővé teszi a mikrovia-k pontos pozicionálását, kialakítását, valamint egymásra rakását vagy eltolását.

Kitöltött és lezárt via-k: Általában rézzel töltik ki ellenállásuk növelése érdekében; „lefedett”, ha a via-t forrasztópadként használják (Via-in-Pad).

Egymásra rakott vs. eltolt mikrovia-k

Halmozott mikrovia-k  függőlegesen vannak elrendezve, és a rétegek egészében összekötik őket. Lépcsőzetes mikroátmenetek  egyensúlyozottak az egyes rétegekben, rövid nyomvezetékek kötik őket össze.

IPC-2226  meghatározza a rétegelt felépítés típusait, a kitöltött/lezárt szabványokat és a mikrovia-geometriát mindkét típusra.

Egyéb megjegyzésre méltó átjárat-típusok.

Kitöltött és lezárt mikroátjáratok: A padon belüli átjárat-stílusokhoz ügyeljen a szilárdságra/síkságra.

Hiányzó átjáratok: Nem szomszédos rétegeket kötnek össze, kihagyva több más réteget.

Átmenő furat (PTH): Csatlakozókhoz és mechanikai hatékonysághoz.

A mikroátjáratok szerepe az HDI nyomtatott áramköri lapok tervezésében

Nagy sűrűségű összeköttetés (HDI)  a technológia fejlesztése erősítette azt az elképzelést, hogy minden alkatrésznek és vezetéknek optimális funkciót kell biztosítania nagyon korlátozott helyen. Mikroátmenőlyukak  ezek elsődlegesek ebben, lehetővé téve a fejlesztők számára, hogy áttörjék a tipikus átmenő furatok korlátait, és rendkívüli áramkör-sűrűséget érjenek el.

HDI rétegstruktúra-típusok (IPC-2226)

Miért fontosak a mikroviák az HDI-hez

Miniaturizálás: Jelek vezetése ultrafinom léptékű alkatrészekből (lépték < 0,8 mm) kis méretű kialakításokban.

Jel integritás: Rövidebb, lézerfúrt mikroviák alacsonyabb induktivitással és parazita kapacitással rendelkeznek, ami elengedhetetlen a DDR-, RF- és nagysebességű tervezésekhez.

Hővezérlés:  A mikroviák hőt vezetnek függőlegesen, így lehetővé teszik az intelligens hőelvezetési stratégiákat. —gyakran hőgeneráló IC-k alatt hővezető viaként használják őket.

Csökkentett kereszthatás:  A rézzel töltött és jól igazított mikrovia-k csökkentik a szomszédos jelek közötti szándéktalan csatolást.

"Az HDI-ben a mikrovia a műszaki eszközöd —pontos, megbízható és elengedhetetlen a nagysebességű, nagy sűrűségű jelvezetékek kiosztásához," mondja egy HDI-tervezési szakértő.

Hogyan készülnek a mikrovia-k? Gyártás és gyártási folyamat

Gyártási lépések

• Alapanyag-előkészítés: Készítsd elő a magas minőségű, lézerfúrható dielektromos anyagot (pl. Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT vagy ABF rétegfelépítési fóliák) simított/lapos üveggel (1035 és 1067 típusok).
• Lézerfúrási folyamat:

Előfúrás: Ellenőrizd a laminálást, jelöld meg a célpont/fogadó padokat, és biztosítsd a pontos regisztrációt.

Lézerfúrás: UV- vagy CO2-lézerrel fúrd ≤6 millió lyuk; pontos szabályozás a csökkenő átmérő és a kapcsolódó pad kitettségének biztosításához.

Fúrás után: ablációs tisztítás, lyukminőség értékelése, maradékanyag / üvegszemcse jelenlétének ellenőrzése.

• A szennyeződés eltávolítása: eltávolítja a fúrást követő lézerabláció után a via hengerben még jelen lévő gyantát / üveget, így biztosítva a megfelelő réz tapadást.
• Fémbevonás (réz lemezelés):

Kémiai réz mint alapréteg

Elektrolitikus réz lemezelés (konformális / impulzusos) teljes kitöltéshez —különösen a padon belüli mikrovia-khoz. A segédanyagok csökkentik a légüregek képződését.

A kitöltött és lezárt mikrovia-kat addig lemezelik, amíg a felülettel egy síkba kerülnek (néha réz kupakkal a forraszthatóság érdekében).

• Minőségellenőrzés:

Keresztmetszeti vizsgálat, mikro-etch teszt légüregek, tapadási problémák és réz vastagság egyenletességének ellenőrzésére.

D kupon gyártása az IPC-2221 Függelék B szerint megbízhatósági vizsgálatokhoz.

Fő gyártási változók

Mikrovia arány:  A következő szabvány szerint: IPC-T-50M , a mélység–átmérő aránynak nem szabad meghaladnia a 0,75:1 értéket —vagy 1:1-et a viák esetében ≤6 mil —a megbízható rézbevonat és a vékony falak vagy aljzati üregek elkerülése érdekében. A magas arányok növelik az átfogó rézkitöltés hiányának, a csökkenő megbízhatóságnak vagy a rézüregek kialakulásának kockázatát, különösen az összeszerelés során fellépő hőingerek idején.  

Regisztrációs tűréshatár:  A lézerfúrt lyuk és a fogó/cél pad megfelelő igazítása ( ±2–0,1 mm) elengedhetetlen. Az igazítási hiba vezethet felületi leválásra, nyitott áramkörökhöz, rejtett hibákhoz vagy a forrasztási folyamat során fellépő hibák kockázatának növekedéséhez.  

Fogadópárnácska átmérője: A fogadópárnácskának ≥a fúrás átmérőjének 80%-át kell elérnie, amint azt a legjobb mikrofúrásos tervezési irányelvek előírják . Ez az arány biztosítja a réz tapadásának megbízhatóságát, és csökkenti a sarkok repedésének vagy a párnácska kihúzódásának kockázatát hőciklus vagy mechanikai feszültség hatására.

Forrasztómaszk-távolság: Nulla forrasztómaszk-bővítés  ajánlott a mikrofúrások körül, különösen az HDI-nyomtatott áramkörökön, így minimalizálva a maszkolási átfedés vagy a rossz regisztráció kockázatát, amelyek befolyásolhatnák az ellenállást és a kihozatalt.

Szekvenciális laminálás : Több laminálási ciklus —kritikus a beágyazott fúrások, illetve a torony- vagy lépcsőzetesen elhelyezett mikrofúrások esetében —, mivel további kockázatot jelentenek a Z-tengely irányú (CTE) kiterjedésbeli eltérés és a feszültségkoncentráció szempontjából. A dimenzióban stabil és lézerrel fúrható előlapok vagy ABF (Ajinomoto Build-up Film) használata ajánlott e kockázat kezelésére.  

Réz kitöltésű vs. kitöltetlen mikrovia

Rézzel töltött és lezárt mikrovia-k  alapvető fontosságúak a magas megbízhatóságú nyomtatott áramkörökön, különösen akkor, ha BGA-k vagy finom léptékű CSP-k esetén via-in-pad megoldásként használják őket, illetve akkor, ha maximális függőleges sűrűség érdekében mikroviákat rétegeznek egymásra.

Mikrovia-megbízhatóság tervezése: útmutatók, hibák és vizsgálatok

Mikrovia-megbízhatóság  elsődleges fontosságú küldetés-kritikus elektronikai berendezések esetében. A tervezés, az anyagok, a gyártás és az ellenőrzés összefüggése határozza meg a sikert. Íme, amit minden tervezőnek és gyártónak tudnia kell:

Fő mikrovia-hibamechanizmusok

Hordórepedések: Általában éles lekerekítési átmeneteknél kezdődnek, vagy ott, ahol az aránytényező túl magas.

Sarkonképződés (a rögzítő pad és a célpad kapcsolata) : A Z-tengely irányú kiterjedéssel (CTE-eltérés) jár együtt a forrasztási folyamat során.

Célpad kihúzódása : Akkor fordul elő, ha a pad túl kicsi, vagy a tapadás gyenge.

Elmozdulás : Akár lyuk-pad, akár réteg-réteg kapcsolat, kritikus a többrétegű mikrovia-készítésnél.

Rézüregek : Gyenge lemezelés, hibás adalékanyagok vagy becsapódott gáz a kitöltés során.

Rejtett („nyitott”) mikroviák : A Tg fölött a üveges átmenet lehetővé teheti a mikrotörések öngyógyulását, így a hibák szobahőmérsékleten végzett tesztek során rejtve maradnak, de a tényleges üzemeltetési körülmények között megjelennek.

Hat tipp a megbízható mikrovia-tervezéshez

• Válasszon dielektrom anyagot, amely kompatibilis a lézeres fúrással: széles üveg / sík üveg (pl. 1035, 1067, 1086); gyanta-rendszerek, például Isola FR408HR, ABF felépítési fóliák.
• Kövesse az IPC-T-50M arány- és pad-előírásokat: ≤0,75:1 az ajánlott arány; pad átmérője ≥a furat átmérőjének 80%-a.
• A mikrofuratokat – ha lehetséges – eltolva helyezze el egymás fölé, ne egymásra rakva: csökkenti a feszültséget és a pórusok vagy repedések kialakulásának kockázatát; az eltolás mértéke > <0,8 mm (kis méretű alkalmazások esetén).
• Válasszon megfelelő IPC-2226 rétegstruktúrát: I. típus: vakfurat + …; II. típus: vakfurat, eltemetett furat + …; III. típus: több réteg felépítése + egymásra rakott / eltolva elhelyezett mikrofuratok.
• Forrasztómaszk fejlesztése: célzottan nulla távolság (0 mil).
• A panel-szintű D-kupon elhelyezését / vezetését tartsa meg: szükséges a gyártás utáni vizsgálathoz.

Egy tartós formátum integrálja a „vizsgálat közben történő létrehozás” szemléletet – megbízható mikrofuratok a megfelelő termék-rétegstruktúrával kezdődnek, és nyomon követhető D-kupon tesztekkel érnek véget. – HDI felső minőségmenedzser, Global Circuits.

Mikrofurat-vizsgálati módszerek (IPC-TM-650)

A mikrovia nyomtatott áramkörök negatív oldalai és előnyei.

Jelentős előnyök.

Kivételes miniaturizáció: Lehetővé teszi a többrétegű HDI rétegrendszerek alkalmazását, amelyek lényegesen több bemeneti/kimeneti csatlakozással rendelkeznek kis felületen.

Javított jelhűség: A lézerrel fúrt mikroviák csökkentik a stubokat és a parazitikus hatásokat, ami elengedhetetlen a nagysebességű, alacsony veszteségű vezetékekhez (DDR, RF, SerDes).

Hőkezelés: Megbízható függőleges hővezetési útvonalak; fontos a hőterhelés alatt álló megoldásokban (teljesítmény, CPU, FPGA).

Elrendezési rugalmasság: Támogatja a halmozott, eltolódott, hiányzó és összetett BGA-fúrásokat.

Gyártásbarát (kitöltött/takart esetén): Pontos forrasztás finom léptékű BGA/CSP csomagokhoz a via-in-pad technológia kihasználásával.

Rejtett negatív oldalak

Ár: Lézeres fúrás, réz kitöltés/takarás, egymást követő laminálás és minősítési ciklusok költséget jelentenek. Gyártási bonyolultság: Több laminálási folyamat, D-kupon irányítás, szigorú minősítési eljárások. Visszaverődés-veszély: Vékony réz, eltolódott fúrások, fel nem tárt problémák gyenge folyamatirányítás esetén. Hőmechanikai megbízhatóság: Több felület = több kockázati hely (CTE-eltérésből eredő repedések).

Példatanulmányok: Hol teszik lehetővé a mikrofúrások a következő generációs terveket

Első eset: Mobiltelefon- és tablet-számítógép-alaplapok

Probléma: A nagy lábszámmal rendelkező SoC csomagok (pl. 0,4 mm-es BGA lépték) programozásához a hagyományos átmenő fúrások túl sok nyomtatott áramköri lapfelületet foglalnának el; ez ma már nem megoldható a vékony mobiltelefonokban.

Megoldás: Mikrofúrásos HDI nyomtatott áramköri laptechnológia  (II. és III. típusú rétegstruktúrák, elsősorban kitöltött/lezárt és eltolódó mikrovia-kapcsolatok) lehetővé tették a BGA csatlakozók közvetlen elrejtését – javítva az elektromos hatékonyságot, csökkentve az EMI-t és lehetővé téve a többfunkciós, 1 mm-nél vékonyabb nyomtatott áramkörök (PCB) gyártását.

Helyzet 2: Autóipari ECU (elektronikus vezérlőegység).

Igény: Magas megbízhatóság extrém -40 ° °C és 125 ° °C közötti hőmérsékleti körülmények között.

Alternatíva:

Kitöltött és lezárt mikrovia-kapcsolatok HDI-szerkezetben (III. típus), meglepően, párosan egymásra rakott átmenő struktúrákkal.

Kiterjedt D-minták és hőmérséklet-ingerek vizsgálata (az IPC-TM-650 szabvány szerint).

Végeredmény:  < 0,5 % hiányzó területi arány; ellenálló az extrém hőmérséklet-ingereknek és rezgéseknek.

Helyzet 3: Nagysebességű hálózati hardver.

TÖRTÉNELEM: Finom léptékű BGA FPGÁk, nagysebességű SerDes interfészek.

Titkos előny:

Egymásba ágyazott mikrovia-k, amelyeket a padon belüli via-technológiával töltöttek ki és zártak le; lehetővé teszi a 30 Gbps-nál nagyobb sebességű, megbízható szemdiagramokat minimális visszaverődési veszteséggel (VSWR < 1,2:1).

Javított útválasztási rugalmasság, csökkent kereszthatás és lényegesen jobb hőelvezetés.

HDI- és mikrovia-alapú nyomtatott áramkörök rétegszerkezetei.

Ahhoz, hogy elképzeljük, hogyan teszik lehetővé az HDI-rétegszerkezetek és a mikrovia-rendszerek a következő generációs nyomtatott áramkörök formátumait, tekintsük át ezeket a gyakorlatias rétegszerkezeti megoldásokat:

Gyakran ismételt kérdések

Az alábbiakban néhány gyakran ismétlődő kérdés található a mikrovia-k és az HDI nyomtatott áramkörök megbízhatóságával kapcsolatban:

K: Mi okozza leggyakrabban a mikrovia-hibákat a forrasztási ciklus során?  

V: A vezető okok a Z-tengely irányú kiterjedés (CTE-egyenetlenség), a rögzítő/cél pad felületén kialakuló gyenge kötés, valamint a rézfelületek vagy elégtelen kitöltés. A halmozott mikroviák – különösen akkor, ha túl nagy az arányuk vagy rosszul vannak kitöltve – különösen veszélyeztetettek.

K: Javítja-e a megbízhatóságot a tömörített és lezárt mikroviák alkalmazása?  

V: Igen. A kitöltött/lezárt mikroviák elengedhetetlenek a via-in-pad kialakításokhoz, terhelés alatti elrendezésekhez és BGA-kimenetekhez. Megakadályozzák a forrasztóanyag felszívódását (wicking), a pad összeomlását, valamint ellenállnak a hőciklusokból eredő repedéseknek.

K: Mi a megfelelő arány a mikroviák számára az HDI  Nyomtatott áramkörökön?  

V: Tartsuk be az IPC-2226 és az IPC-T-50M szabványokat: ≤ 0,75:1 az optimális megbízhatósághoz, 1:1 csak ≤ 6 mil-es mikroviák esetében. Nagyobb arányoknál növekszik a rések és a feszültségkonzentráció kockázata.

K: Egyszerűen hogyan értékelik a mikrovia megbízhatóságát?

V: A D-kupon ellenállás-nyomon követését használják a szimulált forrasztási ciklusok során (IPC-TM-650 2.6.27), hőmérséklet-ingadozási ciklusok során (-55 ° °C-tól +210 ° °C, az IPC-TM-650 2.6.7.2 szerint), mikroszekciós elemzéssel vagy HATS-sel (valóban gyorsított hőmérséklet-ingadozási teszttel).

K: Pontosan hogyan befolyásolják a mikrovia rétegrend-tervezési irányelvek a hosszú távú hatékonyságot?  

V: A lépcsőzetesen elrendezett rétegek sokkal jobban elosztják a hőt és a feszültséget; a halmozott viák mindig kitöltöttök/kifogózottak legyenek. A távolságok és a pad/via arányok fontosak annak megelőzésére, hogy felhasználói felületi szétválás vagy rejtett hibák keletkezzenek.

K: Mik az IPC előírásai a mikrovia alapú nyomtatott áramkörökhöz?

V: Főként az IPC-2226 (HDI rétegrend/via-stílus), az IPC-2221 (kupon/teszt), az IPC-T-50M (fogalommeghatározás), valamint az IPC-TM-650 2.6.27 és 2.6.7.2 (tesztelés/hőmérséklet-ingadozás).

K: Megfelelők-e a mikroviasok a teljesítmény- és hőkezeléshez?  

V: Igen, a rézzel töltött mikroviasokat általában függőleges hővezető viaként alkalmazzák QFN-ek, BGA-k és teljesítményelemekek alatt a hőelvezetés javítása érdekében.