Čo sú mikrovia na DPS?

Mikrovia a HDI: Techniky formátu PCB pre spoľahlivé elektronické zariadenia

Čo sú mikrovia na DPS?

Prehľad Meta:  Odhalte tajomstvá spoľahlivosti mikrovii a Hdi pcb štýlu. Dozviete sa o mikroviách vŕtaných laserom, vrstvených vs. prekvapivých architektúrach, systémoch zlyhania mikrovii, trhových štandardoch (IPC-2226, IPC-TM-650) a odborných výrobných technikách pre dlhodobo spoľahlivé dosky s vysokou hustotou prepojení.

Úvod: Transformácia návrhu PCB pomocou mikrovii a vývoja HDI

Tlačené spojovacie dosky (PCB) sú pokojné, zložité diaľnice súčasných elektronických zariadení – spájajú, napájajú a umožňujú fungovanie všetkého od spotrebiteľských mobilných telefónov po lekárske prístroje a satelity. Keďže sa výrazne zvýšil dopyt po menších, rýchlejších a spoľahlivejších digitálnych zariadeniach, oblasť návrhu PCB musela výrazne pokročiť. Vznik mikrovii a vysokohustotných prepojení (HDI) PCB moderná inovácia  si naozaj všimol dôležitý posun v tom, ako sa vyrábajú, miniaturizujú a dosahujú vysokorýchlostné, vysokospôsobilostné aplikácie moderné obvody.

Mikroviery – tieto malé, laserom vŕtané medzipripojenia vyplnené meďou – môžu mať veľkosť len stotiny milimetra, avšak umožnili zvýšenie výkonu a účinnosti v dnešných ultra-kompaktných elektronických zariadeniach. Udržiavaním hustejšieho umiestnenia súčiastok, jemnopichových guľových mriežok (BGA) a rýchleho, nízkopäťového prenosu signálov sa mikrovia stali skutočnými hrdinami miniaturizácie PCB. Navyše pochopenie mikroví je dnes nevyhnutné na zabezpečenie trvanlivosti voči teplotným cyklom, poruchám spôsobeným reflow procesom a dlhodobej spoľahlivosti  v náročných alebo kritických prostrediach.

Avšak s touto technológiou prichádzajú aj podrobnosti a náročnosť. Spoľahlivosť mikroví  závisí od poznania inovatívnych materiálov, stratégií vyplňovania, pokovovania a kritérií testovania. Medzi problémy patria napríklad praskliny v tele (barrel fractures), medené medzery a odpadnutie pádikov (pad pull) -vypnutie, ak sa neprihliada na ideálny usporiadací poradie, nezachová sa vhodný podiel prvkov alebo sa nevyberú optimálne postupy a kódy pre posudzovacie kupóny podľa IPC-2226, IPC-T-50M a IPC-TM-650  kritérií.

Čo sú to vias v DPS?

V oblasti návrhu DPS je via základným prvkom, ktorý umožňuje elektrické prepojenie medzi vrstvami dosky plošných spojov. Hoci je jeho princíp jednoduchý, vias sa vyskytujú v rôznych typoch – každý z nich je optimalizovaný pre špecifické požiadavky v obvodoch s vysokou hustotou alebo vysokou rýchlosťou.

Základná štruktúra via v DPS

Bežný via pozostáva z kruhového otvoru  vŕtaného do laminovanej DPS s určitým usporiadaním vrstiev a vyzdvihnutého vnútorným elektricky vodivým meďovým povlakom, ktorý spája vodivé dráhy medzi rôznymi vrstvami. Tradičné cez-vrstvové vias sa rozprestierajú od vrchu po spodok dosky a prepojujú všetky vrstvy. Avšak s rastúcou miniaturizáciou komponentov boli vyvinuté pokročilejšie typy vias – slepé, zabudované a mikrovias – za účelom kompaktnejšieho zabalenia a zlepšenej integrity signálu.

Prečo vznikajú problémy s viami?

Moderné digitálne požiadavky – vyššia hrúbka vývodov (I/O), BGAs s jemným rozostupom a tesnejšie usporiadanie vrstiev – nútené vývojárov presiahnuť jednoduché priechodné viy. Snaha o menšie, tenšie a rýchlejšie zariadenia spustila prechod na mikroviy a HDI usporiadania, kde každý štvorcový milimeter má význam a každé pripojenie ovplyvňuje tepelné spravovanie, stabilitu signálu a trvalú spoľahlivosť.

Druhy mikrovia na DPS

Slepé via na DPS

Slepé vodiace otvory  sa vŕtajú z vonkajšej vrstvy do niekoľkých vnútorných vrstiev, avšak nie úplne cez celú DPS. Sú kľúčové pre HDI PCB  spojenie husto usporiadaných povrchových súčiastok s vnútorným vedením bez zbytočného využívania cennej plochy dosky.

Výhody slepých via:

Využitie priestoru: Zabezpečujú priestor na vnútorných vrstvách pre vysokohustotné vedenie.

RF/signálová bezpečnosť: Minimalizujú dĺžku „stubov“, čo vedie k výrazne lepšiemu výkonu pri vysokých frekvenciách.

Výrobná návratnosť: Nižšie riziko deformácie a posunu vrstiev počas laminácie.

Aplikácie:  Slepé via sa bežne používajú v mobilných telefónoch, tabletových počítačoch, notebookoch a akomkoľvek zariadení využívajúcich súčiastky s jemným rozostupom a kompaktné konštrukčné prvky.

Skryté via na DPS

Prekvapivé vias  spájajú vnútorné vrstvy PCB, avšak nie  nedosahujú na vonkajšie povrchové oblasti. Úplne sú zabudované do dosky.

Výhody a prípady použitia:

Umožňujú zložité medzivrstvové prepojenia bez vplyvu na povrch.

Umožňujú výrazne viac prenosových kanálov pre BGA s vysokým počtom vývodov.

Rady pre výrobu:  Skryté vias vyžadujú viacero laminácií, čo zvyšuje výrobnú zložitosť a náklady. Je potrebná presná registrácia, aby sa predišlo chybám spôsobeným nesprávnym zarovnaním.

Mikrovias: štruktúra HDI

Mikroviery  sú malé, laserom vŕtané vias so štandardnou veľkosťou 80–100 μ m (0,003–0,006" alebo ≤ 6 mil). Pravidelne spájajú len susedné vrstvy – výborne vhodné pre postupné spracovanie na doskách HDI.

Technické skutočnosti:

Pomer strán: ≤ 0,75:1 (hĺbka : priemer); podľa kritérií IPC-T-50M, ≤ 1:1 pri použití ≤ 6 mil.

Laserové vŕtanie: Umožňuje presné umiestnenie, vytvorenie a zásobníkovanie alebo prekrývanie mikrootvorov.

Vyplnené a uzavreté otvory: Zvyčajne sa plnia meďou za účelom zvýšenia pevnosti; „uzavreté“, ak sa používajú ako pájkové plošky (Via-in-Pad).

Zásobníkovanie vs. prekrývanie mikrootvorov

Nasadené mikrovie  sú zvisle zarovnané a prepojujú sa cez všetky akumulačné vrstvy správne. Stupňovité mikroviery  sú vyvážené v každej vrstve, medzi nimi sú kontaktované krátke spojky.

IPC-2226  definuje typy usporiadania vrstiev, štandardy pre plnenie/uzatváranie a geometriu mikrovie pre oba typy.

Iné významné typy vývodu.

Vyplnené a uzavreté mikrovývody: Pre štýly vývodu v ploche kontaktu sa uistite, že je zaručená pevnosť a rovninnosť.

Preskočené vývody: Spájajú neprilehlé vrstvy a preskakujú niekoľko ďalších vrstiev.

Prechodový vývod (PTH): Pre konektory a mechanickú pevnosť.

Funkcia mikrovývodov v návrhu HDI dosiek plošných spojov.

Vysokohustotné prepojenie (HDI)  technológia zlepšuje myšlienku, že každý vývod a trasovací prúhok musí poskytovať optimálne vlastnosti v čo najmenšom priestore. Mikroviery  mikrovývody sú pre to kľúčové, čo umožňuje vývojárom prekročiť obmedzenia bežných prechodových vývodov a dosiahnuť mimoriadnu hustotu obvodov.

Typy usporiadania HDI vrstiev (IPC-2226).

Prečo sú mikrovia kľúčové pre HDI

Miniaturizácia: Vedenie signálov z komponentov s extrémne jemným rozostupom (rozostup < 0,8 mm) v malých formátoch.

Integrita signálu: Krátky laserom vŕtané mikrovia vykazujú nižšiu indukčnosť a parazitnú kapacitu, čo je kľúčové pre návrhy DDR, RF a vysokorýchlostné systémy.

Tepelná manažment:  Mikrovia vedú teplo vertikálne, čo umožňuje inteligentné stratégie odvádzania tepla. —často sa používajú ako tepelné via pod integrovanými obvodmi generujúcimi teplo.

Znížená krížová interferencia:  Medené a dobre zarovnané mikrovia znižujú nezámerné spätne väzby medzi susednými signálmi.

„V HDI je mikrovia vaším chirurgickým nástrojom —presným, spoľahlivým a nevyhnutným pre vysokorýchlostné a vysokohustotné odvádzanie signálov,“ uvádza špecialista na návrh HDI.

Ako sa vyrábajú mikrovia? Výroba a výrobný proces

Kroky výroby

• Príprava podkladu: Pripravte vysokej kvality dielektrický materiál vhodný na laserové vŕtanie (napr. Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT alebo ABF filmové vrstvy) so šírkou/plochým skleneným vláknom (typy 1035, 1067).
• Laserové vŕtanie:

Predvŕtanie: Overte lamináciu, označte cieľové/zachytávacie plošky a zabezpečte presné zarovnanie.

Laserové vŕtanie: ≤6 mil otvorov; presná kontrola kužeľovitého tvaru a vystavenia zachytávacej plošky.

Po vŕtaní: čistenie abláciou, vyhodnotenie kvality otvorov, kontrola zvyškov / skleneného odpadu.

• Odstránenie smoly: odstraňuje smolu / sklo stále prítomné vo vnútri vývodu po laserovej ablácii, čím sa zabezpečí správne priľnavosť medi.
• Metalizácia (poniklenie medi):

Chemické nanesenie medi ako základná vrstva

Elektrolytické poniklenie medi (konformné / pulzné) na úplné vyplnenie —najmä pre mikrovývody umiestnené v ploške pre pájkovanie. Prísady znížia vznik dutín.

Vyplnené a uzavreté mikrovývody sa pokrývajú medenou vrstvou až do rovnakej úrovne povrchu (niekedy s medenou uzáverovou vrstvou za účelom lepšej pájkovateľnosti).

• Kontrola kvality:

Prierezová analýza, mikrochemické testovanie na výskum dutín, problémov s priľnavosťou a rovnakosti hrúbky medi.

Výroba D-kupónov podľa prílohy B normy IPC-2221 na testovanie spoľahlivosti.

Kľúčové výrobné premenné

Pomer hĺbky ku priemeru mikrovývrtov:  Ako je ustanovené v norme IPC-T-50M , pomer hĺbky ku priemeru by nemal presiahnuť 0,75:1 —alebo 1:1 pre vývrtové otvory ≤6 mil —za účelom zabezpečenia spoľahlivého medeného pokovovania a predchádzania tenkým stenám alebo dutinám na dne. Vysoké pomery hĺbky ku priemeru zvyšujú riziko neúplného vyplnenia meďou, zníženej spoľahlivosti alebo vzniku medených dutín, najmä počas teplotných výkyvov v procese montáže.  

Tolerancia registrácie:  Správne zarovnanie ( ±2–4 mils) medzi laserom vŕtanou dierou a zachytávacou / cieľovou ploškou je kritické. Nesprávna registrácia môže viesť k oddeleniu rozhrania, prerušeným obvodmi, latentným poruchám alebo zvýšenému riziku porúch spôsobených refluom.  

Priemer zachytávacej plošky: Zachytávacia ploška by mala mať priemer ≥80 % priemeru vía, čo vyplýva z najlepších smerníc pre návrh mikrovía . Toto pomerové pomery zaisťujú pevné priľnavosť medi a znížia riziko trhliny v rohoch alebo odtrhnutia plošky počas tepelnej cyklizácie alebo mechanického zaťaženia.

Vzdialenosť od masky pre pájkovanie: Nulové rozšírenie masky pre pájkovanie  sa odporúča okolo mikrovía, najmä na doskách HDI, čím sa minimalizuje riziko prekrytia masky alebo nesprávnej registrácie, ktoré by mohli kompromitovať odpor a výťažok.

Postupné vrstvenie – viacnásobné laminácie —sú kritické pre zabudované vía, pre stohované alebo posunuté mikrovía —predstavujú dodatočné riziko nesúladu rozšírenia v osi Z (CTE) a zosredenia napätia. Preferujú sa dimenzionálne stabilné a laserom vŕtané predimpregnované materiály (prepregy) alebo fólie ABF (Ajinomoto Build-up Film) na riadenie tohto javu.  

Medené vyplnenie vs. nevyplnené mikrovývrtky

Mikrootvory vyplnené a uzavreté meďou  sú nevyhnutné pre dosky s vysokou spoľahlivosťou, najmä ak sa používajú ako mikrootvory v plošnom kontakte (via-in-pad) pre BGA alebo jemnopichové CSP, alebo ak sa mikrootvory prekladajú (stacking) za účelom dosiahnutia maximálnej vertikálnej hustoty.

Návrh spoľahlivých mikrootvorov: pokyny, poruchy a testovanie

Spoľahlivosť mikrootvorov  je rozhodujúca pre elektroniku určenú pre kritické aplikácie. Úspech je daný prienikom návrhu, materiálov, výroby a kontroly. Tu je to, čo musí každý návrhár a výrobca poznať.

Hlavné mechanizmy zlyhania mikrootvorov

Trhliny v stene otvoru: Zvyčajne začínajú na ostrých prechodoch alebo tam, kde je pomer strán príliš vysoký.

Trhliny v rohoch (rozhranie medzi zachytávacou a cieľovou ploškou) : Súvisia s rozšírením v osi Z (nesúlad koeficientov tepelnej rozťažnosti) počas reflu.

Vytiahnutie cieľovej plošky : Vyskytuje sa, ak je ploška príliš malá alebo je zlá adhézia.

Nesprávna registrácia : Buď medzi otvorom a ploškou, alebo medzi vrstvami; kritické pri prekrývajúcich sa mikrovia.

Medené dutiny : Zlá pokovovanie, chybné prísady alebo uväznený plyn počas plnenia.

Skryté („otvorené“) mikrovia : Nad teplotou skla sa sklenové prechody môžu umožniť samoliečenie mikrotrhlín, čo skrýva poruchy počas testovania pri izbovej teplote, avšak tieto sa objavia za prevádzkových podmienok.

Šesť tipov pre robustný návrh mikrovia

• Vyberte dielektrikum kompatibilné s laserovým vŕtaním: Rozptýlené sklo / ploché sklo (napr. 1035, 1067, 1086); pryskyričné systémy ako Isola FR408HR, ABF film na postupné stavačie.
• Dodržiavajte pomer hĺbky k priemeru a požiadavky na pádiky podľa IPC-T-50M: ≤uprednostňovaný pomer je 0,75:1; priemer pádika ≥80 % priemeru via.
• Kde je to možné, používajte striedavé mikrovia namiesto prekrytých: Znižuje sa napätie a riziko dutín alebo trhlin; posun striedania > <0,8 mm) pri veľmi malých rozmeroch.
• Vyberte vhodnú vrstvovú štruktúru podľa IPC-2226: Typ I: slepé + s vonkajšími. Typ II: slepé, zabudované, s vonkajšími. Typ III: viacnásobná postupná stavba + prekryté / striedavé.
• Vývoj spájkovej masky: Cieľová vzdialenosť bez medzery (0 mil).
• Zachovajte umiestnenie / trasovanie D-voucherov na úrovni dosky: Je potrebné pre kontrolu po výrobe.

Trvanlivý formát integruje prístup „kontrola počas vytvárania“ – spoľahlivé mikrovia začínajú vhodnou vrstvovou štruktúrou výrobku a končia sledovateľným testovaním D-kupónov. – Manažér HDI Top Quality, Global Circuits.

Techniky prehliadky mikrovia (IPC-TM-650)

Negatívne aspekty a výhody dosiek s mikrovia.

Významné výhody.

Neprekonateľná miniaturizácia: Umožňuje viacvrstvové HDI usporiadania so značne väčším počtom vstupov/výstupov v malých rozmeroch.

Zlepšená integrita signálu: Laserom vŕtané mikrovia znižujú „stub“-y a parazitné efekty, čo je kritické pre vysokorýchlostné a nízkopäťové smerovanie (DDR, RF, SerDes).

Tepelné správanie: Spoľahlivé zvislé tepelné školenia; dôležité pri tepelne intenzívnych stratégiách (výkon, CPU, FPGA).

Prípadnosť usporiadania: Podpora pre zasunuté, posunuté a preskočené viali a komplexné BGA trasy.

Priateľské pre montáž (keď sú vyplnené/zatvorené): Presná spájkovateľnosť pre jemnopichové BGA/CSP s využitím viali v plošnom spoji.

Skryté negatívne aspekty

Cena: Laserové vŕtanie, medené vyplnenie/zatvorenie, postupné laminovanie a kontrolné cykly sa sčítajú. Zložitosť výroby: Viacero laminácií, riadenie D-kupónov, prísne kontrolné postupy. Riziko straty odrazu: Tenký meď, nesprávne zarovnané viali, nezistené problémy v prípade nedostatočnej kontrola procesu. Termomechanická spoľahlivosť: Viac rozhraní = viac rizikových miest (trhliny spôsobené nesúladom koeficientov teplotnej rozťažnosti – CTE).

Prípadové štúdie: Kde mikroviali umožňujú ďalšiu generáciu konštrukcií

Prípad 1: Dosky mobilných telefónov a tabletov

Problém: Pri programovaní SoC balíkov s vysokým počtom vývodov (napr. BGAs s rozostupom 0,4 mm) by štandardné cezotvory určite spotrebovali veľkú plochu dosky; nie je to realizovateľné pre dnešné tenké telefóny.

Služba: PCB metódy HDI s mikrootvormi  (Stavby typu II/III, predovšetkým vyplnené/zatopené a posunuté mikrootvory) umožnili priame skrytie BGA vývodov – zlepšujú elektrickú účinnosť, zníženie EMI a umožňujú multifunkčné PCB s hrúbkou < 1 mm.

Situácia 2: Automobilový ECU (elektronické riadiace zariadenie).

Potreba: Vysoká spoľahlivosť za prísnych podmienok –40 ° °C až 125 ° °C.

Alternatíva:

Vyplnené a zatopené mikrootvory v štruktúre HDI (typ III) so zvláštnymi dvojitými prekrytými cezotvormi.

Rozsiahle testovanie D-kupónov a tepelného šoku (podľa IPC-TM-650).

Výsledok:  miera straty plochy < 0,5 %; odolné počas prísneho tepelného cyklovania a rezonancie.

Scenár 3: Hardvér pre vysokorýchlostné siete.

História: FPGAs s jemným rozostupom vývodov (BGA) a vysokorýchlostné rozhrania SerDes.

Tajná výhoda:

Striedavé mikrovývody, vyplnené a uzavreté priamo v plošnom kontakte (via-in-pad); umožňujú spoľahlivé očné diagramy s rýchlosťou viac ako 30 Gbps a minimálnymi stratami odrazu (VSWR < 1,2:1).

Zvýšená pružnosť pri trasovaní, znížená vzájomná rušivá interferencia (crosstalk) a výrazne lepšie odvádzanie tepla.

Príklady usporiadania vrstiev HDI a mikrovývodových dosiek plošných spojov.

Ak si chcete predstaviť, ako usporiadania vrstiev HDI a mikrovývodové konštrukcie umožňujú ďalší vývoj formátov dosiek plošných spojov, zvážte tieto užitočné usporiadania vrstiev:

Často kladené otázky

Nižšie s uvedené niektoré často kladené otázky týkajúce sa spoľahlivosti mikroviečok a HDI dosiek plošných spojov:

Otázka: Čo spôsobuje najčastejšie poruchy mikroviečok počas reflu?  

Odpoveď: Najdôležitejšími faktormi sú rozšírenie v osi Z (nerovnosť CTE), slabé zlepenie na rozhraní zachytávacej/cieľovej pásky a neprimerané medené plochy alebo nedostatočné vyplnenie. Zasahujúce mikroviečka sú špecificky ohrozené, ak majú príliš vysoký pomer priemeru ku hĺbke (AR) alebo sú zle vyplnené.

Otázka: Zvyšuje použitie zaplnených a uzavretých mikroviečok spoľahlivosť?  

Odpoveď: Áno. Zaplnené a uzavreté mikroviečka sú nevyhnutné pre technológiu via-in-pad, pre náročné usporiadania a pre odpojenie BGA. Zabraňujú vysávaniu cínu, kolapsu pásky a odolávajú trhlinám spôsobeným tepelným cyklovaním.

Otázka: Aký je vhodný pomer priemeru ku hĺbke pre mikroviečka v HDI  Doskách plošných spojov?  

Odpoveď: Dodržiavať normy IPC-2226 a IPC-T-50M: ≤ 0,75:1 pre optimálnu úprimnosť, 1:1 len pre ≤ 6 miliónov mikrovývrtov. Vyššie pomer strán zvyšuje riziko medzier a napätia a koncentrácie úzkosti.

Q: Ako sa presne hodnotí spoľahlivosť mikrovývrtov?

A: Použite sledovanie odporu D-kupónov počas simulovanej refluovacej páky (IPC-TM-650 2.6.27), cyklického tepelného šoku (–55 ° °C až +210 ° °C, podľa IPC-TM-650 2.6.7.2), mikrosekčnú analýzu alebo HATS (veľmi zrýchlený tepelný šok).

Q: Ako presne ovplyvňujú pokyny pre návrh mikrovývrtových vrstiev trvalú účinnosť?  

A: Striedavé usporiadania lepšie rozdeľujú teplo a napätie; prekladané vývrty sa vždy musia naplniť/uzavrieť. Vzdialenosť a pomer plošiek/padov k vývrtom sú dôležité, aby sa zabránilo deleniu rozhrania alebo skrytým poruchám.

Q: Aké sú kritériá IPC pre dosky s mikrovývrtmi?

A: Predovšetkým IPC-2226 (HDI usporiadanie/vývrtový štýl), IPC-2221 (kupón/test), IPC-T-50M (definície), IPC-TM-650 2.6.27 a 2.6.7.2 (testovanie/tepelný šok).

Q: Sú mikrovývrtové spojenia vhodné pre riadenie výkonu/tepla?  

A: Áno, mikrovývrtky naplnené meďou sa zvyčajne používajú ako zvislé tepelné vývrtky pod QFN, BGAs a výkonovými zariadeniami na zvýšenie odvádzania tepla.