Jak stosować przejścia warstwowe (stacked vias) lub przesunięte przejścia (staggered vias) na płycie PCB?

Wiertła warstwowe i przesunięte, ślepe i zakopywane na płytach pcb

Jak stosować przejścia warstwowe (stacked vias) lub przesunięte przejścia (staggered vias) na płycie PCB?

Wprowadzenie

Nieustanne dążenie do miniaturyzacji i zwiększenia wydajności współczesnych urządzeń cyfrowych umieściło projektowanie pcb hdi w centrum skutecznego rozwoju produktów. Płyty o wysokiej szybkości i dużej gęstości (hdi) napędzają wszystko – od telefonów komórkowych i modułów 5g po innowacyjne systemy samochodowe, narzędzia internetu rzeczy (iot) oraz nowoczesne urządzenia noszone. Ich kluczem jest optymalizacja wierteł pcb – w szczególności stosowanie wierteł warstwowych i przesuniętych w celu osiągnięcia następnej generacji gęstości transmisji, bezpieczeństwa sygnału oraz wydajności produkcji.

Wybór między otworami przelotowymi ułożonymi jedno nad drugim a rozproszonymi nie jest tylko szczegółem technicznym. To decyzja taktyczna, która wpływa na każdy aspekt płytki PCB: wydajność, integralność, koszty produkcji oraz czas wprowadzenia produktu na rynek. W zaawansowanych konstrukcjach z elementami o małej odległości wyprowadzeń i skomplikowanych połączeniach między warstwami odpowiedni typ otworów przelotowych może stanowić różnicę między produktem, który odnosi sukces, a tym, który zostaje wycofany – wszystko przy jednoczesnym spełnieniu minimalnych budżetów produkcyjnych i surowych wymagań dotyczących stabilności.  

Czym jest otwór przelotowy w PCB? Poznaj różne typy otworów przelotowych w PCB

Przejście (via) w kontekście projektowania płytek PCB (Printed Circuit Board) to otwór pokryty warstwą metalu przewodzącego, który łączy wiele warstw w wielowarstwowej płycie PCB. Przejścia umożliwiają projektantom przesyłanie sygnałów elektrycznych nie tylko w płaszczyźnie poziomej, ale także w górę i w dół, znacznie zwiększając elastyczność przesyłania oraz gęstość projektowania płyt PCB. Efektywne zastosowanie przejść jest kluczowe dla całej gamy urządzeń – od małych urządzeń noszonych na ciele po szybkobieżne sieci i elektronikę lotniczo-kosmiczną.

Typowe rodzaje przejść PCB

Czym są mikroprzejścia, przejścia ślepe i ukryte w PCB HDI?

Mikroprzejścia

Mikroprzejścia stanowią podstawę współczesnych technologii PCB HDI. Zgodnie z normą IPC-2226 definiuje się je jako przejścia o średnicy ≤ 0,15 mm (150 μ µm); tworzy się je za pomocą frezowania laserowego i stosuje głównie do łączenia sąsiednich warstw (np. warstwy 1 z warstwą 2). Ich niewielkie wymiary pozwalają umieszczać je pod elementami BGA o małej odległości styków oraz w ograniczonych sieciach trasy, gdzie tradycyjne wiertła nie mogą dotrzeć.

Fakty:

Obsługują gęstość trasy około 1500+ połączeń/cm²

Mogą być stosowane w układzie pionowym („stosowane”) lub przesuniętym („zrównoważonym”) dla głębszych warstw.

Wiasy ślepe

Przejścia ślepe łączą warstwę zewnętrzną z jedną lub kilkoma warstwami wewnętrznymi, ale nie przechodzą przez całą płytę:

Stosowane do „ucieczki” sygnałów z grubej powierzchni kontaktowej elementu do wewnętrznych warstw trasy.

Zmniejszają pojemność i indukcyjność pasożytniczą w porównaniu z przejściami przez całą płytę.

Często wykorzystywane jako główna operacja w procesie nakładania warstw.

Wiasy ukryte

Wiasy zakopane łączą wyłącznie warstwy wewnętrzne i są niewidoczne na powierzchni płytki PCB:

Umożliwiają dodatkowo gęstsze układanie warstw płytki, nie zakłócając zewnętrznych warstw sygnałowych lub uziemiających.

Istotne w przypadku wielowarstwowych, bardzo przenośnych lub zabezpieczonych konfiguracji płytek PCB.

Wiasy ułożone jedna nad drugą: definicja, cechy i zastosowania

Wiasy ułożone jedna nad drugą to struktury, w których kilka mikrowiasów (a często również wiasów ślepych lub ukrytych) jest ustawionych pionowo w stosie warstw płytki PCB. Takie ułożenie umożliwia pionowe ładowanie wiasów (projekt „wias na wiasie”) i stanowi podstawę realizacji kompaktowych projektów płytek PCB o dużej gęstości przesyłania danych.  

Kluczowe cechy wiasów ułożonych jedna nad drugą

Optymalna efektywność wykorzystania przestrzeni: ułożone struktury pozwalają przesyłać wiele sygnałów w minimalnych pionowych kolumnach, zwalniając cenną przestrzeń na płaszczyzny zasilania i uziemienia w innych miejscach płytki.

Utrzymuje aspekty wysokiej prędkości i małego rozstawu: Dzięki znacznie krótszym i bardziej prostym ścieżkom sygnałowym między warstwami, mikroprzejścia ułożone w stosie pomagają zmniejszyć opóźnienia (obniżone efekty pasożytnicze), co jest kluczowe przy projektowaniu płytek PCB przeznaczonych do pracy z wysokimi częstotliwościami.  

Trudności w produkcji – wymagane zaawansowane technologie budowy: Tworzenie przejść ułożonych w stosie wymaga precyzyjnej, wieloetapowej laminacji, wiercenia laserowego oraz regularnie wypełnianych miedzią lub pokrytych miedzią otworów przelotowych. Zwiększa to ryzyko niestabilności i koszty produkcji.

Idealne dla zaawansowanych urządzeń elektronicznych: stosowane w inteligentnych urządzeniach, tabletach, urządzeniach noszeniowych, komponentach pamięci DDR oraz płytach FPGA/procesorowych nowej generacji.

Typowy przykład zastosowania

«Zdołaliśmy zmniejszyć 12-warstwową płytę FPGA o wysokiej wydajności do 6-warstwowej płytki HDI przy użyciu nowoczesnej technologii mikroprzejść ułożonych w stosie. Dzięki temu poprawiliśmy stabilność sygnału i oszczędziliśmy 40% powierzchni.» – Główny projektant płytek PCB, firma telekomunikacyjna notowana na giełdzie NASDAQ

Przejścia przesunięte: analiza, cechy i zastosowania

Przesunięte otwory przelotowe oznaczają układ, w którym wiele otworów przelotowych (zazwyczaj mikrootworów) jest rozmieszczonych w linii prostej, ale przesuniętych względem siebie zamiast być ułożonymi bezpośrednio jeden nad drugim. Wizualnie tworzą one przebieg „zигzagowy” lub stopniowy przez warstwy płytki PCB!

Ukryte funkcje przesuniętych otworów przelotowych

Zwiększona niezawodność: Ich przesunięta struktura rozprasza naprężenia mechaniczne i termiczne znacznie bardziej równomiernie, co znacząco zmniejsza ryzyko pęknięcia otworów przelotowych, odwarstwienia cylindra lub niewystarczającego pokrycia metalizacją w trakcie całego okresu użytkowania płytki PCB. Jest to szczególnie istotne w systemach krytycznych dla misji oraz w systemach motocyklowych i samochodowych.

Lepsze odprowadzanie ciepła: ponieważ ciepło nie jest skupione w pojedynczej linii pionowej (jak w przypadku otworów przelotowych ułożonych jeden nad drugim), przesunięte układy umożliwiają bardziej wydajne odprowadzanie ciepła – zmniejszając gorące punkty i poprawiając trwałość.

Uproszczenie produkcji: Mikrootwory przesunięte pozycyjnie zmniejszają wymagania dotyczące dokładności pionowego wiercenia. Dzięki temu występuje mniej wad, mniejsza potrzeba drogich wypełnień laserem oraz lepszy ogólny współczynnik zwrotu w całym procesie produkcji PCB.

Zwiększona elastyczność trasowania: Przesunięcie mikrootworów pozwala zachować dodatkowe sieci trasowania między warstwami, umożliwiając bardziej zaawansowane wyjście sygnału i rozbudowaną fanout w projektach wielowarstwowych PCB.

Typowy przykład zastosowania

"W naszym solidnym przemysłowym panelu sterowania stosujemy mikrootwory przesunięte. Wynikiem jest zwiększone bezpieczeństwo działania w trudnych warunkach termicznych i wibracyjnych przy kosztach produkcji o około 30% niższych niż w przypadku rozwiązań z otworami wypełnionymi." — Starszy projektant, dostawca OEM systemów elektronicznych dla motocykli

Tabela: Podsumowanie przypadków użycia mikrootworów przesuniętych

Zalety i wady technologii mikroprzelotów warstwowych

Wady (ciąg dalszy):

Ryzyko niezgodności: Każda dodatkowa warstwa mikroprzelotu zwiększa ryzyko problemów takich jak rozwarstwienie, niepełne pokrycie miedzią lub zmęczenie ścianek przelotu – szczególnie w przypadku niewłaściwie kontrolowanego procesu produkcyjnego lub odchylenia proporcji elementów. Niedoskonała kolejna laminacja lub niespójność w procesie pokrywania miedzią mogą prowadzić do miejsc osłabienia, które zagrożą integralnością konstrukcji pod wpływem obciążeń mechanicznych lub cykli termicznych.

Wysokie wymagania wobec producenta: Nie każdy producent płytek obwodów drukowanych obsługuje nowoczesną technologię mikroprzelotów o dużej gęstości. Producenci płytek HDI muszą dysponować zaawansowanymi systemami wiercenia laserowego, precyzyjną laminacją oraz możliwościami wypełniania przelotów miedzią; brak tych kompetencji może skutkować wydłużeniem czasu produkcji i opóźnieniem wprowadzenia produktu na rynek.

Ograniczona głębokość stosowania: Norma IPC-2226 określa wspólne ograniczenia dla stosowanych mikroprzejść, zalecając zwykle tylko 2 lub 3 obciążone warstwy przed znacznym spadkiem niezawodności. Wymagania dotyczące głębokich stosów mogą wymagać przejścia na rozwiązania z przejściami ukrytymi lub zażenowanymi.

Zalety i wady przejść przesuniętych.

Konstrukcje z przesuniętymi przejściami – korzystny wybór dla stylów PCB HDI kładących nacisk na niezawodność – mają swoje własne zestawy zalet i wad.

Korzyści

Wyższa niezawodność w długim okresie użytkowania: Prosta, zrównoważona konfiguracja przesuniętych mikroprzejść minimalizuje skupiska naprężeń mechanicznych i termicznych, praktycznie eliminując ryzyko powstawania pionowych pęknięć obserwowanych w źle wykonanych strukturach stosowanych.

Znacznie wyższa odporność na cykle termiczne: W środowiskach motocyklowych i przemysłowych występują zwykle duże wahania temperatur – przesunięte przejścia ślepe i ukryte lepiej wytrzymują te cykle, zapewniając dłuższą żywotność produktu.

Prostota produkcji = oszczędności finansowe: ponieważ otwory przejściowe nie wymagają idealnego ustawienia pionowego ani wielu kolejnych operacji laminowania, zysk rośnie, a koszty spadają – co ułatwia produkcję niezawodnych płyt HDI o dużej liczbie warstw.

Zwiększone możliwości trasyowania: nieregularny układ otworów przejściowych tworzy dodatkowe sieci trasyowania, umożliwiając bardziej skomplikowane wzory tras i lepsze połączenia międzywarstwowe. Ta elastyczność może być kluczowa przy projektowaniu układów transmisji sygnałów różnicowych lub układów o kontrolowanej odporności zakłóceń.

Wady

Nieco większe zużycie powierzchni płytki PCB: ponieważ otwory przejściowe nie są stosowane w sposób nakładający się, większa „powierzchnia” płytki PCB jest wykorzystywana w płaszczyźnie X/Y. Może to stanowić ograniczenie w przypadku bardzo kompaktowych lub wyjątkowo gęstych układów, gdzie każdy milimetr ma znaczenie.

Dłuższa trasa sygnału i dodatkowe, niepożądane parametry pasożytnicze: ponieważ sygnał musi przebyć dłuższą, zygzakowatą, pionową trasę, powstaje niewielka dodatkowa indukcyjność oraz opóźnienie w porównaniu do pionowego połączenia warstw z użyciem przelotek ułożonych jedna nad drugą. W przypadku bardzo wysokich szybkości transmisji danych wymaga to starannego projektowania i ograniczania tych efektów.

Potencjalne komplikacje w projektowaniu: zapewnienie odpowiedniej specyficznej geometrii, odstępów oraz rozmieszczenia warstw wymaga ostrożnego projektowania i może zwiększać zakres prac w środowisku ECAD – szczególnie przy płytach PCB o dużej liczbie warstw.

Wpływ na wierność, stabilność i wydajność sygnału

Stabilność sygnału stanowi kluczowy czynnik w projektowaniu płytek PCB przeznaczonych do pracy z sygnałami wysokiej częstotliwości – a wybór między przelotkami ułożonymi jedna nad drugą a przelotkami przesuniętymi bezpośrednio wpływa na skuteczność systemu, jego niezawodność oraz zgodność elektromagnetyczną.

Jak dokładnie przelotki ułożone jedna nad drugą wpływają na wierność sygnału

Zmniejszona długość ścieżki elektrycznej: przelotki ułożone jedna nad drugą zapewniają najkrótszą możliwą pionową łączność między warstwami, minimalizując opóźnienie oraz ESR (równoważne opory szczytowe). Jest to korzystne dla sygnałów wysokiej częstotliwości, takich jak te występujące w interfejsach DDR, PCIe oraz kanałach SerDes.

Zminimalizowana indukcyjność i pojemność pasożytnicza: Bezpiecznie zamknięte warstwy ułożone w stosie wspierają optymalne, regulowane impedancje przewodzące, co sprzyja zachowaniu doskonałej jakości sygnału przy przełączaniu.

Ryzyko zakłóceń wzajemnych (crosstalk) i interferencji elektromagnetycznej (EMI): W wyjątkowo grubychn warstwach układanie otworów przez kolumny może powodować sprzężenie elektromagnetyczne (crosstalk). Równoległe ścieżki sygnałowe oraz otwory powrotne do masy wymagają starannego projektowania.

Stosuj ochronę masy oraz pary różnicowe.

Korzystaj z narzędzi zapewniających integralność sygnału w programach Allegro PCB Designer lub Pace PCB.

W jaki sposób otwory przesunięte wpływają na stabilność sygnału

Lepsza prywatność sygnału: Układ przesunięty zwiększa odstęp przestrzenny, zmniejszając możliwość sprzężenia pojemnościowego i indukcyjnego między sąsiednimi otworami.

Nieco dłuższa trasa, nieco większe efekty pasożytnicze: Trasa zygzakowata zwiększa całkowitą długość sygnału, ale w większości praktycznych przypadków wpływ ten jest pomijalny, o ile pozostaje w granicach wytycznych projektowych.

Zmniejszone zagrożenie zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI): Rozproszone wykorzystanie otworów przejściowych może oddzielać miejsca potencjalnych luk i zmniejszać emisję zakłóceń.

Rozważania dotyczące niezawodności

Skutki finansowe: Stosowane i przesunięte otwory przejściowe.

Konto kosztów stosowanych otworów przejściowych.

Wysoka złożoność produkcji: Kolejne laminowanie, precyzyjne wykonywanie otworów laserem, wypełnianie otworów przejściowych oraz specjalizowane warstwowanie znacznie podnoszą koszty produkcji. Typowy wzrost kosztów dla obciążonych mikrootworów przejściowych może wynosić od 15 do 40% w porównaniu do prostych otworów ślepych lub przesuniętych.

Zagrożenia związane z wydajnością i koniecznością przeróbki: Zwiększenie liczby etapów procesu wiąże się z wyższym ryzykiem strat produkcyjnych, co wymaga testów o wyższych specyfikacjach lub ponownej obróbki, co z kolei jeszcze bardziej podnosi całkowite koszty pracy.  

Tabela kosztów – instancja.

Badanie przypadków

W wielowarstwowych płytach HDI ryzyko niestabilności procesu powstaje przy przesłoniętych otworach ślepych ułożonych jeden nad drugim lub otworach umieszczonych zbyt blisko krawędzi płytki; dlatego zalecamy stosowanie otworów przesuniętych zamiast nakładających się, aby zmniejszyć liczbę cykli laminacji i związane z nimi koszty oraz poprawić niezawodność podczas cykli termicznych.

Często zadawane pytania

1. Jaka jest kluczowa różnica między otworami załadowanymi a otworami przesuniętymi?

Przezbrojenia warstwowe są ustawiane w linii w przód i w tył przy użyciu nakładających się warstw sąsiednich, tworząc wyjątkowo prostą i przenośną pionową kolumnę transmisyjną. Przezbrojenia przesunięte są natomiast rozmieszczone płasko od warstwy do warstwy – tworzą „zигзаг” lub nachylony układ, który zwiększa stabilność i wydajność cieplną.

2. W jakich sytuacjach powinienem stosować przezbrojenia warstwowe w mojej płytce HDI?  

Stosuj przezbrojenia warstwowe w przypadku konieczności osiągnięcia maksymalnej gęstości trasy w nadzwyczaj kompaktowych formatach płytek PCB, np. pod elementami BGA w smartfonach, tabletach lub komponentach pamięci DDR4, oraz tam, gdzie wymagana jest najniższa możliwa długość ścieżki sygnałowej dla sygnałów wysokiej częstotliwości.  

3. Gdzie przezbrojenia przesunięte zapewniają większą wartość?

Przezbrojenia przesunięte są szczególnie korzystne pod względem niezawodności w zastosowaniach motocyklowych, przemysłowych lub wysokoprądowych – tam, gdzie wstrząsy mechaniczne, rezonans lub cykliczne zmiany temperatury zagrożone są integralnością połączeń. Są również przydatne, gdy chcesz obniżyć koszty produkcji bez utraty wydajności elektrycznej.

4. Czy struktura otworów przelotowych wpływa na koszt produkcji płytek PCB?

Zdecydowanie tak. Otwory przelotowe ułożone jeden nad drugim są znacznie droższe w produkcji ze względu na złożone procesy (wiercenie laserem, wielokrotne laminowanie, metalizacja i wypełnianie), które wymagają specjalnych technologii. Otwory przelotowe ułożone naprzemienne są tańsze, łatwiejsze w realizacji i dają lepsze wyniki w większości środowisk produkcyjnych.

5. W jaki sposób stosunek wymiarów oraz rozmiar otworów przelotowych wpływają na niezawodność?

Stosunek wymiarów otworu przelotowego (głębokość otworu / średnica) ma kluczowe znaczenie. Przekroczenie standardów określonych przez dostawcę lub IPC zwiększa ryzyko pęknięć i niewystarczającej metalizacji. Mikrootwory powinny zazwyczaj mieć stosunek wymiarów 1:1 lub niższy. Zawsze należy działać w granicach możliwości swojego dostawcy.