Kā izmantot virkņveida vai pārvietotos caurumus PCB?

PCB saliktie un pārklājošie slēptie un apglabātie caurumi

Kā izmantot virkņveida vai pārvietotos caurumus PCB?

Ievads

Neapturama tieksme pēc miniaturizācijas un veiktspējas mūsdienu digitālajos ierīcēs ir novietojusi HDI PCB dizainu patiesībā produktu attīstības centrumā. Augtātrumīgie, augstas blīvuma pievienojumi (HDI) nodrošina darbību visam — no mobilajām telefoniem un 5G moduļiem līdz inovatīvām automašīnu sistēmām, IoT rīkiem un valkājamai modernai tehnoloģijai. To metode? Efektīva PCB caurumu izmantošana — īpaši salikto caurumu un pārklājošo caurumu izmantošana, lai atbloķētu nākamās paaudzes pārraides blīvumu, signāla drošību un ražošanas efektivitāti.

Izvēle starp pārklātām un izplestām caurumiem nav vienkārši tehnisks jautājums. Tas ir stratēģisks lēmums, kas ietekmē katru PCB elementu: efektivitāti, integritāti, ražošanas izmaksas un arī laiku līdz tirgum. Uzlabotās shēmas ar mazām komponentu atstarpēm un sarežģītām savienojumu starp slāņiem prasa pareizus caurumus, lai produkts būtu veiksmīgs, nevis neveiksmīgs — visu to sasniedzot, ievērojot minimālos ražošanas budžetus un stingros uzticamības prasības.  

Kas ir caurums PCB? PCB caurumu veidu izpratne

Vija ir elektroplātēta caurume, kas izmantojama PCB (printētās elektriskās shēmas) izkārtojumā, lai savienotu vairākus slāņus daudzslāņu PCB. Viju palīdzībā konstruktōri var novadīt elektriskos signālus ne tikai horizontāli, bet arī vertikāli, tādējādi ievērojami uzlabojot PCB pārnēsājamību un PCB dizaina blīvumu. Efektīva cauruma veidošanas metode ir būtiska gan maziem valkājamiem ierīcēm, gan augtātruma tīklošanai un kosmosa tehnoloģijām.

Parastais PCB viju veids

Kas ir mikrocaurumi, slēptie caurumi un paslēptie caurumi HDI PCB?

Mikrocaurules

Mikrocaurumi ir pamats mūsdienu HDI PCB modernajai tehnoloģijai. Saskaņā ar IPC-2226 standartu tie definēti kā caurumi ar diametru ≤ 0,15 mm (150 μ µm), mikrocaurumi tiek izveidoti ar lāzera urbumu un parasti tiek izmantoti, lai savienotu blakus esošās kārtas (piemēram, 1. līmeni ar 2. līmeni). To mazais izmērs ļauj tos novietot zem smalkas solis BGA komponentiem un ierobežotās maršrutēšanas tīklā, kur tradicionālie urbumi nav pieejami.

Fakti:

Atbalsta maršrutēšanas blīvumu aptuveni 1500+ savienojumi/cm²

Var būt pārklāti (vertikāli) vai pārvietoti (horizontāli) dziļākām kārtām.

Aklas caurules

Slēptie caurumi savieno ārējo kārtu ar vairākām iekšējām kārtām, bet nepāriet cauri visam dēlim:

Tie tiek izmantoti, lai "izbēgtu" signālus no blīvām komponentu piedurknēm uz iekšējām pārnesejas kārtām.

Samazina parazitāro kapacitāti/un induktivitāti salīdzinājumā ar caurumcauruma risinājumiem.

Parasti izmanto kā galveno darbību caur pildīšanu.

Paslēptie vārtiņi

Apglabātās caurumi savieno tikai iekšējās kārtas un nav redzami PCB virsmā:

Ļauj papildus blīvākām dēļa kārtotnēm, neietekmējot ārējās signāla vai zemes kārtas.

Svarīgi daudzkārtu, ļoti kompaktiem vai drošiem PCB risinājumiem.

Uzkrāti caurumi: definīcija, īpašības un pielietojums

Uzkrātie caurumi ir struktūras, kur vairāki mikrocaurumi (un bieži vien akli vai slēpti caurumi) vertikāli sakārtojas PCB kārtotnē. Šāda izkārtojuma dēļ nodrošina vertikālu caurumu slodzi („caurums uz cauruma” dizains) un tas ir būtisks kompaktiem PCB dizainiem ar augstu pārnesešanas blīvumu.  

Uzkrāto caurumu galvenās īpašības

Optimāla telpas izmantošana: uzkrātās struktūras ļauj pārnest lielu skaitu signālu minimālās vertikālās kolonnās, atbrīvojot svarīgu vietu jaudas un zemes plakanēm citur uz dēļa.

Uzturpina augstas ātruma un precīzas izvietojuma aspektus: Īsāki un taisnāki signālu ceļi starp slāņiem, ko nodrošina pārklājošās mikrocaurumi, palīdz samazināt aizkavēšanos (samazinot parazitārās vērtības), kas ir būtiski augstas ātruma PCB maršrutēšanai.  

Ražošanas iespējas — nepieciešama moderna būvniecība: Pārklājošo caurumu izveidei nepieciešama augstas precizitātes secīga laminēšana, lāzera urbumu veidošana un regulāri piepildītas vai vara pārklātās caurumstruktūras. Tas palielina stabilitātes riskus un izmaksas.

Ideāli piemērots moderniem elektroniskajiem ierīcēm: Izmanto gudrajās ierīcēs, planšetdatoros, valkājamajās ierīcēs, DDR atmiņas komponentos un nākamās paaudzes FPGA/procesora plāksnēs.

Bieži sastopams pielietojuma piemērs

"Mums izdevās samazināt 12 slāņu augstas veiktspējas FPGA plāksni līdz 6 slāņu HDI PCB, izmantojot pārklājošo mikrocaurumu moderno tehnoloģiju. Tas uzlaboja signāla stabilitāti un nodrošināja 40% platības ietaupījumu." — Vadošais PCB izstrādātājs, NASDAQ tirgū kotētā telekomunikāciju pakalpojumu sniedzēja

Pārvietotie caurumi: Analīze, funkcijas un pielietojumi

Staggered vias ir izvietojuma veids, kur vairāki vias (parasti mikroviass) tiek novietoti taisnā līnijā, bet ne tieši viens virs otra. Vizuāli tie veido "zigzag" vai pakāpju formu caur PCB slāņiem!

Staggered vias slepenās funkcijas

Paaugstināta uzticamība: To nobīdītā struktūra daudz vienmērīgāk izkliedē mehānisko un termisko spriedzi, būtiski samazinot vias pārtraukšanās, cilindra atdalīšanās vai nepietiekamas pārklāšanas risku PCB ekspluatācijas laikā. Svarīgi misijām ar kritisku nozīmi un automobiļu sistēmās.

Labāka siltuma vadība: Tā kā siltums netiek koncentrēts vienā vertikālā līnijā (kā pie sakārtotiem vias), staggered izvietojums ļauj efektīvāk izkliedēt siltumu – samazinot karstumvietas un uzlabojot ilgmūžību.

Ražošanas vienkāršība: Pakāpeniski izvietotie caurumi samazina vertikālās urbumu precizitātes prasības. Tas nozīmē mazāk defektu, mazāku vajadzību pēc dārgām lāzerpildījuma procedūrām un labāku vispārējo atdevi PCB ražošanas procesā.

Uzlabota maršrutēšanas elastība: Pretvienojumu izmantošana saglabā papildu maršrutēšanas tīklus starp slāņiem, ļaujot modernāku izvadi un ventilācijas (fanout) signālu izvadi daudzslāņu PCB dizainos.

Tipisks pielietojuma piemērs

"Mēs izmantojam pakāpeniski izvietotus mikrocaurumus savā izturīgajā komerciālajā vadības panelī. Rezultātā paaugstināta uzticamība agresīvās temperatūras un vibrāciju vidē, ar ražošanas izmaksām, kas aptuveni par 30 % zemākas nekā piepildīto caurumu variantiem." — Vecākais dizaineris, automašīnu elektronisko ierīču OEM

Tabula: Pakāpenisko caurumu lietojuma kopsavilkums

Pārklāto caurumu priekšrocības un trūkumi

Trūkumi (turpinājums):

Drošības riski: Katrs papildu caurums pārklātajā struktūrā palielina risks par problēmām, piemēram, plaisāšanu, nepilnīgu vara pārklājumu vai cauruma sieniņu izturības samazināšanos — īpaši, ja ražošanas kontrole vai materiālu proporcijas netiek stingri ievērotas. Nepietiekami precīza pārklāšana vai pārklājuma nevienmērīgums var izraisīt vājus punktus, kas apdraud struktūras izturību mehāniskās vai termiskās ciklēšanas apstākļos.

Stingras ražotāju prasības: Ne katrs PCB ražotājs spēj nodrošināt patiesi augstas blīvuma mikrocaurumu tehnoloģiju. HDI dēļu ražotājiem ir jānodrošina moderna lāzera urbumu veidošana, ārkārtīgi precīza pārklāšana un vara aizpildīšanas iespējas; bez šīm iespējām kvalitātes defekti var pieaugt, un tirgū izlaišanas laiks var tikt novilcināts.

Ierobežota pārklāšanās dziļuma robeža: IPC-2226 vispārīgie ierobežojumi paredz pārklātus mikrovijumus, parasti ieteikot tikai 2 vai 3 slodzes slāņus, pirms uzticamība būtiski samazinās. Dziļas pārklāšanas prasības var prasīt pāreju uz apglabātiem vai izbrīnījošiem risinājumiem.

Pārvietoto viju priekšrocības un trūkumi.

Pārvietotās struktūras — optimālais izvēles variants uzticamības centriskām HDI PCB konstrukcijām — piedāvā savu īpašu priekšrocību un trūkumu kopumu.

Priekšrocības

Labāka ilgtermiņa uzticamība: pārvietoto mikroviju taisnā izvietošana samazina mehāniskās un termiskās sprieguma koncentrācijas, praktiski novēršot vertikālu plaisu veidošanos, kas raksturīga nepietiekami kvalitatīviem pārklātiem risinājumiem.

Daudz izturīgākas termiskās ciklēšanas apstākļos: automobiļu un rūpnieciskās lietojumprogrammas parasti saskaras ar lielām temperatūras svārstībām — pārvietotie aklie un apglabātie viji šos ciklus iztur ilgāk, palielinot produkta kalpošanas laiku.

Ražošanas vienkāršība = Finansiālas ietaupījumu iegūšana: Tā kā caurumiem nav nepieciešama ideāla vertikāla novietošana vai vairākas secīgas laminēšanas darbības, pieaug ražošanas efektivitāte un samazinās atlikumu daudzums — tādējādi padarot uzticamu, augsta slāņu skaita HDI dēļu ražošanu vienkāršāku.

Lielāka maršrutēšanas elastība: Caurspīdīgo caurumu zigzagveida novietojums atver papildu maršrutēšanas iespējas, ļaujot sarežģītākiem maršrutēšanas modelim un uzlabot savienojumus starp slāņiem. Šī elastība var būt būtiska diferenciālo pāri pārraides vai kontrolētas neatkarības shēmu izstrādē.

Negatīvie faktori

Neliela papildu PCB virsmas patēriņa palielināšanās: Tā kā caurumi nav salikti viens virs otra, X/Y plaknē tiek izmantota papildu „ietekme“ uz PCB. Tas var būt ierobežojums ļoti kompaktās vai ārkārtīgi augstas blīvuma izkārtojumos, kur katrs milimetrs ir nozīmīgs.

Garāks signāla ceļš un lielāks papildu parazītiskais elements: Tā kā signālam jāpāriet garāks, līkumains vertikāls ceļš, iekļautā induktivitāte un aizture ir mazāka salīdzinājumā ar pārklāto vertikālo savienojumu. Ļoti augstās datu pārraides ātrumā šo jāņem vērā projektējot un jāsamazina.

Iespējams izraisīt izkārtojuma sarežģītību: Lai nodrošinātu pareizo īpašo izvietojumu, attālumu un slāņu izvietojumu, nepieciešama rūpīga projektēšana, kas var padarīt ECAD izkārtojuma darbu sarežģītāku — īpaši augsta slāņu skaita PCB sistēmās.

Signāla uzticamība, stabilitāte un efektivitāte

Signāla stabilitāte ir viena no galvenajām problēmām augsta ātruma PCB izkārtojumā — un jūsu izvēle starp pārklātajām un pārvietotajām caurumiem tieši ietekmē sistēmas efektivitāti, uzticamību un elektromagnētisko saderību.

Kā pārklātie caurumi ietekmē signāla uzticamību

Samazināts elektriskais ceļa garums: Pārklātie caurumi nodrošina ātrāko vertikālo savienojumu starp slāņiem, minimizējot aiztures laiku un ESR (ekvivalento sērijas pretestību). Tas ir priekšrocība augstas frekvences signāliem, piemēram, DDR, PCIe un SerDes kanālos.

Minimizēta parazītiskā induktivitāte un kapacitāte: Droši ierobežots ar stabiņiem palīdz saglabāt optimālo regulēto impedanci, veicinot signāla lieliskas kvalitātes saglabāšanu pārejās.

Krustsaistības un EMI riski: Ļoti biezos apgabalos kolonnās sakārtoti caurumi var izraisīt elektromagnētisko savienojumu (krustsaistības). Paralēlos signālu mainīgos un zemes atgriešanās caurumus jāprojektē rūpīgi.

Izmantot zemes aizsardzību un diferenciālpārus.

Izmantot signāla integritātes rīkus programmatūrā Allegro PCB Designer vai Pace PCB dizaina programmatūrā.

Kā viļņveida caurumi ietekmē signāla stabilitāti

Labāka signāla privātums: Viļņveida izvietojums palielina telpisko atdalījumu, samazinot iespēju kapacitatīvajam un induktīvajam savienojumam starp blakusesošajiem caurumiem.

Mazliet garāks maršruts, mazliet lielākas parazītiskās vērtības: Zigzag maršruts palielina kopējo signāla garumu, taču parasti neievērojami daudzumā praktisku pielietojumu, ja tas tiek ievērots projektēšanas norādījumos.

Samazināta EMI apdraudējuma iespēja: izvietotās vietas izmantošana var atdalīt caurlaidības vietas un samazināt izplūdes.

Uzticamības apsvērumi

Izmaksu ietekme: pārklāti un pārmaiņus izvietoti caurumi.

Pārklāto caurumu izmaksu konts.

Augsta ražošanas sarežģītība: secīgā laminēšana, precīza lāzera urbumu veidošana, caurumu aizpildīšana un specializēta slāņošana būtiski paaugstina ražošanas izmaksas. Parasti pārklāto mikrocaurumu izmaksu pieaugums var svārstīties no 15 līdz 40 % salīdzinājumā ar vienkāršiem slēptajiem vai pārmaiņus izvietotajiem caurumiem.

Izdošanas un pārstrādes riski: lielāks procesu skaits un sarežģītība nozīmē lielāku iespēju zaudēt izdošanu, kas prasa augstākas specifikācijas testēšanu vai pārstrādi, kas atkal palielina kopējās darbības izmaksas.  

Izmaksu tabulas instances.

Studija par praksi

Multislāņu HDI plates stilā pārklājoši aklie caurumi vai caurumi, kas novietoti pārāk tuvu plates malai, rada ekspluatācijas nevienmērīguma risku; tāpēc mēs ieteicam izmantot nobīdītos caurumus vietā stāvvietas caurumiem, lai samazinātu laminēšanas ciklu skaitu un saistītās izmaksas, kā arī uzlabotu termiskās ciklēšanas uzticamību.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kas ir būtiskākā atšķirība starp iekrautajiem caurumiem un nobīdītajiem caurumiem?

Pārklājuma caurumi ir izvietoti atpakaļ un uz priekšu, izmantojot virkni blakus esošu slāņu, veidojot ārkārtīgi taisnu un pārnēsājamu vertikālu signālu vadītāju kolonnu. Salīdzinājumā ar to, pārmaiņus izvietoti caurumi ir izvietoti vienā līmenī no slāņa uz slāni — „zizagveida” vai slīps risinājums, kas uzlabo stabilitāti un termisko efektivitāti.

2. Kādos gadījumos man vajadzētu izmantot pārklājuma caurumus savā HDI PCB?  

Izmantojiet pārklājuma caurumu risinājumus, kad nepieciešama maksimālā vadītāju blīvuma sasniegšana ļoti kompaktos PCB formātos, piemēram, zem BGA komponentiem smartfonos, planšetdatoros vai DDR4 RAM komponentos, kā arī tad, kad augātruma signāliem nepieciešams minimālais iespējamais signāla ceļš.  

3. Kur pārmaiņus izvietoti caurumi sniedz lielāku vērtību?

Pārmaiņus izvietoti caurumi ir īpaši piemēroti uzticamības prasībām automobiļu, rūpniecības vai augstas jaudas lietojumprogrammās — kur mehāniskais trieciens, rezonanse vai termiskās cikliskās slodzes apdraud uzticamību. Tie ir arī noderīgi, ja vēlaties samazināt ražošanas izmaksas, neapdraudot elektrisko veiktspēju.

4. Vai caurumu struktūra ietekmē PCB ražošanas izmaksas?

Noteikti. Virknes caurumi ir daudz dārgāki, jo to izgatavošanai nepieciešamas sarežģītas procedūras (lāzera urbumi, secīga laminēšana, pārklāšana un aizpildīšana). Pārvietotie caurumi ir lētāki, vienkāršāk izgatavojami un labāk darbojas lielākajā daļā ražošanas vides.

5. Kādā veidā caurumu attiecība un izmērs ietekmē uzticamību?

Caurumu attiecība (urbuma dziļums/diametrs) ir būtiska. Ja tā pārsniedz piegādātāja vai IPC standartus, palielinās bojājumu un nepietiekamas pārklāšanas risks. Mikrocaurumiem parasti jābūt attiecībai 1:1 vai mazākai. Viempre darbojieties ietvaros, ko jūsu piegādātājs spēj nodrošināt.