Kas ir mikrocaurumi uz PCB?

Mikrocaurules un HDI: PCB formāta tehniskās metodes uzticamu elektronisko ierīču izveidošanai

Kas ir mikrocaurumi uz PCB?

Meta pārskats:  Atveriet mikrocauruļu uzticamības noslēpumus un Hdi pcb stilu. Uzziniet vairāk par lāzeru urbtajām mikrocaurulēm, saliktajām pretī pārsteidzošajām struktūrām, mikrocauruļu atteices sistēmām, tirgus standartiem (IPC-2226, IPC-TM-650) un ekspertu ražošanas metodēm ilgstošu augstas blīvuma savienojumu dēļu izgatavošanai.

Ievads: PCB formāta pārveide ar mikrocaurulēm un HDI tehnoloģiju attīstību

Printētie shēmu dēli (PCB) ir mierīgās, sarežģītās šosejas modernajām elektroniskajām ierīcēm — savienojot, nodrošinot barošanu un ļaujot darboties visam — sākot no patēriņa mobilajām tālrunīm līdz medicīniskajām ierīcēm un pavadoņiem. Kad pieprasījums pēc mazākām, ātrākām un uzticamākām digitālajām ierīcēm strauji pieaugis, PCB projektēšanas joma ir spiesta ievērojami attīstīties. Parādījās mikrocaurules un augstas blīvuma savienojumi (HDI) PCB mūsdienu inovācija  ir patiešām ievērojis svarīgu pārmaiņu mūsdienu shēmu ražošanā, miniaturizācijā un iegūstot augsts ātruma un augstas uzticamības lietojumprogrammas.

Mikrocaurules — šie mazie, ar lāzeru urbtie vara piepildītie savienojumi — var būt tikai simtdaļas milimetra lieli, tomēr tie ir ļāvuši palielināt jaudu un efektivitāti mūsdienu ļoti kompaktajās elektronikas ierīcēs. Uzturot blīvāku komponentu izvietojumu, mazas solu sfēriskās režģa montāžas (BGA) un ātru, zemu zudumu signālu maršrutēšanu, mikrocaurumi ir patiesi PCB miniaturizācijas varoņi. Vairāk par to — mikrocaurumu izpratne šodien ir būtiska, lai nodrošinātu izturību pret termiskajām ciklēm, pārkarsēšanas izraisītām atteicēm un ilgstošu uzticamību  grūtās vai misijas kritiskās vides apstākļos.

Tomēr šai tehnoloģijai nāk līdzi detalizācija un sarežģītība. Mikrocaurumu uzticamība  ir atkarīga no jaunu materiālu, aizpildīšanas stratēģiju, plākšņošanas un testēšanas kritēriju izpratnes. Problēmas, piemēram, cilindra lūzumi, vara spraugas un kontaktu plāksnītes atdalīšanās -izņemts, ja neievērojat ideālo slāņu uzstādījumu, piemērotos elementu procentus vai neizvēlaties optimālās procedūras un novērtēšanas kuponu kodus saskaņā ar IPC-2226, IPC-T-50M , un IPC-TM-650  kritērijiem.

Kas ir caurumi (vias) печатātajās plāksnēs (PCB)?

PCB projektēšanas pasaulē caurums (via) ir būtisks elements, kas nodrošina elektrisko savienojumu starp mātesplates slāņiem. Lai gan vienkāršs pēc būtības, caurumi var būt dažādu veidu — katrs pielāgots konkrētām prasībām augstas blīvuma vai augstas ātruma shēmās.

Pamata PCB cauruma struktūra

Parasts caurums (via) sastāv no apaļa cauruma  urbtā laminētā PCB slāņu uzstādījumā, kura iekšējā virsma pārklāta ar elektriski vadīgu varu, lai savienotu vadiņus starp dažādiem slāņiem. Tradicionālie caurumā caur visu plāksni (through-hole vias) stiepjas no augšējās līdz apakšējai plāksnes malai, savienojot visus slāņus. Tomēr, kamēr rīku miniaturizācija pieaug, tika izstrādāti jauni caurumu veidi — slēptie (blind), iegrovtie (buried) un mikrocaurumi (microvias) — ciešākai iepakojuma organizācijai un uzlabotai signāla integritātei.

Kāpēc rodas caurumu problēmas?

Mūsdienu digitālās vajadzības — augstākas I/O biezuma prasības, mazākā soļa BGAs un ciešāka slāņu izvietošana — mudina izstrādātājus pāriet no vienkāršiem caurumiem cauri visam materiālam. Mazāku, plānāku un ātrāku ierīču meklēšana izraisīja pāreju uz mikrocaurumiem un HDI slāņojumu, kur katrs kvadrātmilimetrs ir svarīgs un katrs savienojums ietekmē siltuma vadību, signāla stabilitāti un ilgstošu uzticamību.

Mikroviu veidi печатātajās plāksnēs

Aklie печатātās plāksnes vii

Aklas caurules  ir urbtas no ārējā slāņa līdz vairākiem iekšējiem slāņiem, taču ne cauri visai печатātās plāksnes biezumam. Tie ir būtiski HDI PCB  savienojot blīvi izvietotus virsmas komponentus ar iekšējo vadību, neaizņemot vērtīgu dēļa platību.

Aklie vii priekšrocības:

Vietas izmantošana: nodrošina vietu iekšējos slāņos augstas blīvuma vadībai.

RF/signāla drošība: samazina atlikumu garumu, kas nodrošina daudz labāku darbību augstās frekvencēs.

Ražošanas efektivitāte: samazināts risks, ka materiāls liecas vai slāņi nobīdās laminēšanas laikā.

Lietojuma jomas:  Aklie vii tiek plaši izmantoti mobilajos tālruņos, planšetdatoros, klēpjdatoros un jebkurā citā ierīcē, kur izmanto mazas izmēru komponentus un cieši izvietotus elementus.

Paslēptie печатātās plāksnes vii

Pārsteidzošas caurumi  savieno iekšējās PCB kārtas, taču nē  nepietiek līdz ārējām virsmām. Tās ir pilnībā iestrādātas plāksnē.

Priekšrocības un lietošanas situācijas:

Ļauj sarežģītām slāņu starp savienojumiem bez ietekmes uz virsmu.

Ļauj daudz vairāk pārraides kanāliem augsta kontaktu skaita BGA komponentiem.

Konstruēšanas padomi:  Slēptajiem caurumiem nepieciešamas vairākas laminēšanas operācijas, kas palielina ražošanas sarežģītību un izmaksas. Nepieciešama rūpīga reģistrācija, lai novērstu nevienlaicības defektus.

Mikrocaurumi: HDI struktūra

Mikrocaurules  ir mazi, ar lāzeru urbtie caurumi ar tipisku izmēru 80–100 μ mm (0,003–0,006 collas vai ≤ 6 mil). Tās parasti savieno tikai tuvējās kārtas — lieliski piemērots uzkrāšanās apstrādēm HDI dēļos.

Tehnoloģijas fakti:

Aspekta attiecība: ≤ 0,75:1 (dziļums: platums); saskaņā ar IPC-T-50M kritērijiem, ≤ 1:1, ja izmanto ≤ 6 mil.

Lāzera urbumu veidošana: Ļauj mikrourbumiem precīzi novietot, izveidot un sakārtot virknes vai pārklājumos.

Aizpildīti un noslēgti urbumi: Parasti aizpildīti ar varu izturības nodrošināšanai; „noslēgti”, ja tiek izmantoti kā lodēšanas galdiņi (Via-in-Pad).

Virknes mikrourbumi pret pārklājuma mikrourbumiem

Uzkurināti mikrovijas  ir vertikāli izvietoti, savienojoties cauri akumulācijas slāņiem pa labi. Izkliedētas mikrobiozes  katrā slānī ir līdzsvaroti, starp tiem ir īsas pieslēguma joslas.

IPC-2226  definē slāņu struktūru tipus, aizpildīšanas/aizvēršanas standartus un mikroviju ģeometriju abiem veidiem.

Citi ievērojamākie caurumu veidi.

Aizpildīti un noslēgti mikrocaurumi: Priekš caurumu-pad stilu, nodrošiniet stiprumu/vienlīdzību.

Izlaistie caurumi: Savieno nav blakus esošas kārtas, izlaižot vairākas citas kārtas.

Caurspīdīgie caurumi (PTH): Priekš savienotājiem un mehāniskās izturības.

Mikrocaurumu funkcija HDI PCB dizainā

Augsta blīvuma savienojumi (HDI)  tehnoloģija ir uzlabojusi ideju, ka katrs izmantojums un katrs vadītājs ir jānodrošina optimālām īpašībām ļoti mazā telpā. Mikrocaurules  tie ir galvenie šajā sakarā, ļaujot izstrādātājiem pārvarēt parasto caurspīdīgo caurumu robežas un nodrošināt ārkārtīgu shēmu blīvumu.

HDI kārtu veidi (IPC-2226)

Kāpēc mikroviānas ir būtiskas HDI izstrādē

Miniatūrizācija: Ceļa signāli no ļoti smalkas solu komponentiem (solis <0,8 mm) mazos formas faktoros.

Signāla integritāte: Īsākas, ar lāzeru urbtās mikroviānas rāda zemāku induktivitāti un parazītisko kapacitāti, kas ir būtiski DDR, RF un augsta ātruma projektēšanai.

Siltuma vadība:  Mikroviānas vada siltumu vertikāli, ļaujot izstrādāt gudras siltuma izvadīšanas stratēģijas —bieži tiek izmantotas kā termiskās viānas zem siltumu radošām IC.

Samazināta krustsaitīšanās:  Vara piepildīti un precīzi izlīdzināti mikrocaurumi samazina nevēlamu savienojumu starp blakusesošajiem signāliem.

"HDV tehnoloģijā mikrocaurums ir jūsu ķirurģiskais rīks —precīzs, uzticams un būtisks augsta ātruma un augstas blīvuma signālu izvadīšanai," saka HDV dizaina speciālists.

Kā tiek izgatavoti mikrocaurumi? Izgatavošana un ražošana

Izgatavošanas soļi

• Pamatnes sagatavošana: Sagatavot augstas kvalitātes, ar lāzeru urbjamu dielektrisko materiālu (piemēram, Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT vai ABF uzraudzības plēves), izmantojot izklātu/plakanu stikla šķiedru (stili 1035, 1067).
• Lāzera urbumu veidošanas process:

Pirmsurbumu veidošana: Pārbaudīt laminēšanu, atzīmēt mērķa/uztveršanas kontaktus, nodrošināt reģistrāciju.

Lāzera urbumu veidošana: Izmantot UV vai CO2 lāzeru ≤6 mil caurumi; precīza kontrole slīpuma un uzgriežņa atklāšanai.

Pēc urbšanas: Ablācijas tīrīšana, caurumu kvalitātes novērtējums, atlikumu/stikla atkritumu pārbaude.

• Nostrādāšana: Noņem rezinu/stiklu, kas joprojām atrodas cauruma korpusā pēc lāzera ablācijas, nodrošinot piemērotu vara pielipību.
• Metalizācija (vara plākšņošana):

Bezelektrolītisks vars kā sēklu slānis

Elektrolītiska vara plākšņošana (konformāla/pulsējoša) pilnīgai aizpildīšanai —īpaši mikrocaurumiem uz pieslēguma vietas. Piedevas samazina tukšumu veidošanos.

Aizpildītie un noslēgtie mikrocaurumi tiek plākšņoti līdz virsmas līmenim (dažreiz ar vara vāku, lai uzlabotu lodējamību).

• Kvalitātes kontrole:

Šķērsgriezumu izveide, mikroētšanas tests tukšumu, pielipības problēmu un vara biezuma vienmērīguma noteikšanai.

D kupona izgatavošana saskaņā ar IPC-2221 pielikumu B uzticamības testiem.

Galvenie ražošanas mainīgie lielumi

Mikroviās aspekta attiecība:  Kā noteikts IPC-T-50M , aspekta attiecībai (dziļums pret diametru) jābūt ne vairāk kā 0,75:1 —vai 1:1 viām ≤6 mil —lai nodrošinātu uzticamu vara pārklājumu un izvairītos no plānām sienām vai tukšumiem apakšā. Augstas aspekta attiecības palielina nepilnīgas vara aizpildes risku, samazina uzticamību vai rada vara tukšumus, īpaši siltuma ietekmē montāžas laikā.  

Reģistrācijas pieļaujamā novirze:  Pareiza izlīdzināšana ( ±2–4 mils) starpība starp lāzera urbtu caurumu un uzņemšanas/mērķa kontaktplāksnīti ir būtiska. Neprecīza novietošana var izraisīt savienojuma atdalīšanos, vaļējas ķēdes, slēptas defektus vai palielinātu risku, ka atkārtota kausēšana izraisīs bojājumus.  

Uzņemšanas kontaktplāksnītes diametrs: Uzņemšanas kontaktplāksnītei vajadzētu būt ≥80 % no cauruma diametra, kā ieteicams labāko mikrocaurumu projektēšanas norādījumu vadlīnijās. Šis attiecības koeficients nodrošina stabila vara pielīmes veidošanos un samazina stūra plaisu vai kontaktplāksnītes atsvilšanas risku termiskās ciklēšanas vai mehāniskās slodzes laikā.

Lodēšanas maskas atstarpe: nulle lodēšanas maskas paplašinājumam  ir ieteicams ap mikrocaurumiem, īpaši augstas blīvuma integrācijas (HDI) plāksnēs, lai minimizētu risku, ka lodēšanas maska pārklāsies vai tiks neprecīzi novietota, kas var pasliktināt pretestību un ražību.

Secīgā laminēšana : Vairākas laminēšanas ciklu izpilde —ir būtiska iegrovtajiem caurumiem, kā arī virknes vai pārvietotajiem mikrocaurumiem —ievies vairāk riska Z-ass (CTE) izplešanās neatbilstībai un sprieguma koncentrācijai. Dimensiju stabilitāti un lāzera urbumu iespējamību nodrošino priekšimpregnētās plāksnes vai ABF (Ajinomoto Build-up Film), kas ir vēlamākas šīs problēmas risināšanai.  

Vara aizpildījums pret neaizpildītiem mikrocaurumiem

Mikroviālas, kas piepildītas ar varu un noslēgtas  ir būtiskas augstas uzticamības dēļiem, īpaši tad, ja tās tiek izmantotas kā caurumi uz kontaktlaukuma (via-in-pad) BGA vai smalkas atstatuma CSP iepakojumos vai ja mikroviālas tiek virknotas, lai sasniegtu maksimālo vertikālo blīvumu.

Uzticamības mikroviālu projektēšana: norādījumi, defekti un testēšana

Mikroviālu uzticamība  ir galvenais faktors misijas kritiskajai elektronikai. Veiksmes nosaka dizaina, materiālu, ražošanas un pārbaudes savstarpējā saistība. Šeit ir tas, ko katram dizainerim un ražotājam jāzina.

Galvenās mikroviālu atteices mehānismi

Caurulveida plaisas: Parasti sākas asu filētu pāreju vietās vai tur, kur aspektu attiecība ir pārāk augsta.

Stūra plaisas (uztveršanas paliktnis – mērķa paliktnis) : Saistītas ar Z-ass izplešanos (CTE neatbilstību) reflova laikā.

Mērķa paliktnis izvelkās : Notiek, ja paliktnis ir pārāk mazs vai pielīme ir vāja.

Reģistrācijas kļūda : Vai nu cauruma–paliktnis, vai slāņa–slānis; kritiska stāvējošo mikroviu vieta.

Vara tukšumi : Vāja plākšņošana, defektīvi piedevi vai gāze, kas iestrēg piepildīšanas laikā.

Latentie ("atvērtie") mikroviu : Virs Tg temperatūras stikla pārejas var ļaut mikroplaisām pašatdzīvojies, paslēpjot defektus istabas temperatūrā veiktajā testēšanā, bet tie parādās ekspluatācijas apstākļos.

Seši padomi izturīgai mikroviu dizaina veidošanai

• Izvēlieties dielektriķi, kas ir saderīgs ar lāzera urbumu veidošanu: Izklātais stikls/plakanais stikls (piemēram, 1035, 1067, 1086); sveķu sistēmas, piemēram, Isola FR408HR, ABF uzraudzības plēves.
• Ievērojiet IPC-T-50M aspektu attiecību un kontaktplakņu prasības: ≤0,75:1 ir vēlamākais; kontaktplaknes diametrs ≥80 % no vias diametra.
• Pēc iespējas izvēlieties pārvietotās mikrovias vietā kāpuru vias: Samazina spriegumu un tukšumu vai plaisu risku; pārvietojuma nobīde > <0,8 mm) mazos izmēros.
• Izvēlieties piemērotu IPC-2226 slāņojumu: Veids I: aklās + ar. Veids II: aklās, iegrovtās, ar. Veids III: vairāki uzraudzības slāņi + kāpuru/pārvietotās vias.
• Lodēšanas maskas uzlabošana: Mērķis — bez atstarpes (0 mil).
• Saglabājiet paneļa līmeņa D kupona novietojumu/maršrutēšanu: Nepieciešams pēc ražošanas pārbaudēm.

Izturīga forma iekļauj skatu „pārbaude, veidojot“ — uzticamas mikrovias sākas ar piemērotu produkta slāņojumu un beidzas ar izsekojamu D-kupona testēšanu.“ — HDI augstākās kvalitātes vadītājs, Global Circuits.

Mikroviu izvēles tehniskās metodes (IPC-TM-650)

Mikrovias PCB priekšrocības un nepriekšrocības.

Ievērojamas priekšrocības.

Nepārspējama miniaturizācija: Ļauj daudzslāņu HDI kārtojumus ar daudz lielāku I/O skaitu mazās gabarītu vienībās.

Uzlabota signāla uzticamība: Ar lāzeru urbtās mikrovias samazina atstātās signāla galas un parazītiskos efektus, kas ir būtiski augsts ātruma, zema zaudējuma maršrutēšanai (DDR, RF, SerDes).

Siltuma pārvaldība: Uzticamas vertikālas sasilšanas apmācības; būtiskas augstas siltumslodzes stratēģijās (enerģija, CPU, FPGA).

Komponēšanas elastība: Atbalsts pārklājošiem, nobīdītiem un izlaistiem caurumiem un sarežģītiem BGA maršrutiem.

Montāžai piemērots (aizpildīts/aizvērts): Metināšanas uzticamība smalka soli BGA/CSP komponentiem, izmantojot caurumu-pads.

Slēptās negatīvās puses

Cena: Laseru eksplorācija, vara aizpildījums/aizvēršana, secīga laminēšana un pārbaudes cikli. Ražošanas sarežģītība: Vairākas laminēšanas darbības, D kuponu novadīšana, stingras pārbaudes procedūras. Atstarošanas zuduma risks: Plāns varš, nekorekti izvietoti caurumi, neatklātas problēmas, ja procesa kontrole ir nepietiekama. Termomehāniskā uzticamība: Vairāk saskarnes = vairāk riska vietu (CTE neatbilstības izraisītas plaisas).

Piemēru pētījumi: Kur mikrocaurumi ļauj nākamās paaudzes dizainam

Gadījums 1: Mobilās telefonu un planšetdatoru plates

Problēma: Lai programmētu augsta kontaktu skaita SoC komplektus (piemēram, 0,4 mm soli BGA), standarta caurumu caurumi noteikti aizņemtu lielu plates laukumu; tas nav izpildāms mūsdienu plānajās tālrunīšos.

Pakalpojums: Mikrocaurumu HDI PCB metodes  (II/III veida slāņojumi, galvenokārt piepildīti/apsegto un pārklājoši mikrocaurumi) ļāva tieši paslēpt BGA kontaktpunktu apli — uzlabojot elektrisko efektivitāti, samazinot EMI un ļaujot daudzfunkcionālām PCB ar biezumu < 1 mm.

Situācija 2: Automobiļu ECU (elektroniskā vadības ierīce).

Vajadzība: Augsta uzticamība stingrās apstākļos —40 ° °C līdz 125 ° °C temperatūras apstrādē.

Alternatīva:

Piepildīti un apsegti mikrocaurumi HDI struktūrā (III veida) ar pārsteidzošiem divkāršajiem caurumu stabiem.

Izturīgi D-kuponi un termiskās trieciena pārbaudes (saskaņā ar IPC-TM-650).

Gala rezultāts:  < 0,5 % laukuma defekta rādītājs; izturīgi stingrai termiskai ciklēšanai un rezonancei.

Scenārijs 3: Augsts ātrums tīklošanas aprīkojumā.

Vēsture: Mazas attāluma BGA FPGA, augsta ātruma SerDes.

Slēptais priekšrocība:

Pārvietotie mikrovijumi, aizpildīti/aizvērti caurumu-pad risinājumā; ļauj iegūt > 30 Gbps uzticamus acu diagrammas ar minimālu atstarošanu (VSWR < 1,2:1).

Uzlabota maršrutēšanas elastība, zemāka krustsaite un daudz labāka siltuma izkliede.

HDI un mikrovijumu PCB slāņu struktūras piemēri.

Lai saprastu, kā HDI slāņu struktūras un mikrovijumu sistēmas ļauj nākamās paaudzes PCB formātiem, apskatiet šos noderīgos slāņu izkārtojumus:

Bieži uzdotie jautājumi

Zemāk ir daži biežāk uzdotie jautājumi par mikrocaurumu un HDI PCB uzticamību:

J: Kas izraisa visbiežāk mikrocaurumu atteici refluksa procesā?  

A: Vadošās sistēmas ir Z-ass virziena izplešanās (CTE neatbilstība), vāja saite starp uzņemšanas/mērķa kontaktplāksnītes robežvirsmu, kā arī nepietiekami lieli vara apgabali vai nepietiekama aizpildīšana. Kaudzē veidotie mikrocaurumi, ja to aspektu attiecība pārsniedz pieļaujamo vai tie nav pareizi aizpildīti, ir īpaši apdraudēti.

J: Vai blīvēto un noslēgto mikrocaurumu izmantošana uzlabo uzticamību?  

A: Jā. Aizpildītie/noslēgtie mikrocaurumi ir būtiski mikrocaurumu izmantošanai kontaktplāksnītes iekšienē, slodzes pielikšanai un BGA izvadīšanai. Tie novērš lodēšanas masas uzsūkšanos, kontaktplāksnītes sabrukšanu un iztur termiskās ciklēšanas izraisītos plaisas.

J: Kāda ir piemērota aspekta attiecība mikrocaurumiem HDI  PCB?  

A: Ievērot IPC-2226 un IPC-T-50M: ≤ 0,75:1 optimālai godīgumam, 1:1 tikai ≤ 6 mil mikroviām. Lielākas sejas proporcijas rada telpu, sprieguma un satraukuma koncentrācijas risku.

J: Kā tieši tiek novērtēta mikroviās uzticamība?

A: Izmantojiet D-kupona pretestības uzraudzību visā simulētās atkalpavairošanas laikā (IPC-TM-650 2.6.27), termiskās trieciena ciklēšanas (-55 ° °C līdz +210 ° °C, saskaņā ar IPC-TM-650 2.6.7.2), mikrošķēlumu analīzi vai HATS (īpaši paātrināto termisko triecienu).

J: Kā īpaši mikroviās slāņojuma dizaina norādījumi ietekmē ilgstošo efektivitāti?  

A: Pārvietotie slāņojumi sadala siltumu un spriegumu daudz labāk; virknes viām vienmēr jābūt aizpildītām/aizvērtām. Atstatums un kontaktplaknes/viās attiecība ir svarīga, lai novērstu interfeisa atdalīšanos vai slēptās kļūdas.

J: Kādi ir IPC kritēriji mikroviām PCB?

A: Galvenokārt IPC-2226 (HDI slāņojums/viās veids), IPC-2221 (kupons/tests), IPC-T-50M (definīcijas), IPC-TM-650 2.6.27 un 2.6.7.2 (testēšana/termiskais trieciens).

J: Vai mikroviām ir piemērotas jaudas/termiskās pārvaldības vajadzībām?  

A: Jā, vara pildīti mikroviāzi parasti izmanto kā vertikālus termiskos viāzus zem QFN, BGA un enerģijas ierīcēm, lai uzlabotu siltuma izkliedi.