Kaj so mikrovije na tiskanih vezjih?

Mikroviši in tehnike PCB-oblikovanja za visoko zanesljivost elektronskih naprav

Kaj so mikrovije na tiskanih vezjih?

Povzetek:  Odkrijte skrivnosti zanesljivosti mikrovišev in Hdi pcb oblikovanja. Izvedite več o mikroviših, izdelanih z laserskim vrtanjem, o načinih postavitve (nastopajoče nasproti prekrivajočih se struktur), vzrokih odpovedi mikrovišev, tržnih standardih (IPC-2226, IPC-TM-650) ter strokovnih proizvodnih metodah za trajne plošče z visoko gostoto priključkov.

Uvod: Preobrazba oblikovanja PCB z razvojem mikrovišev in HDI

Tiskane vezje plošče (PCB) so tihe, zapletene avtoceste sodobnih elektronskih naprav – povezujejo, oskrbujejo z energijo in omogočajo delovanje vsega, od potrošniških mobilnih telefonov do medicinskih naprav in satelitov. Ker se je povpraševanje po manjših, hitrejših in zanesljivejših digitalnih naprav močno povečalo, se je oblikovanje PCB moralo znatno razviti. Nastop mikrovišev in visokogostotnih priključkov (HDI) PCB sodobna inovacija  je opazil pomemben premik v načinu izdelave sodobnih vezij, njihovega pomanjševanja in doseganja visokih hitrosti ter visoke zanesljivosti v uporabi.

Mikrospojnice – ti majhni, z laserjem izvrtani medsebojni priključki, napolnjeni z bakrom – so lahko le stotinke milimetra veliki, a omogočajo povečanje moči in učinkovitosti v današnji ultra-kompaktni elektroniki. Z ohranjanjem gostejšega razporeda komponent, drobnih sferičnih mrežnih priključkov (BGA) ter hitrega, nizkoizgubnega usmerjanja signalov so mikro-vozlišča resnični junaki pomanjševanja tiskanih vezij (PCB). Še več, razumevanje mikro-vozlišč je danes bistveno za zagotavljanje trajnosti proti termičnim ciklom, napakam zaradi ponovnega taljenja (reflow) in dolgoročni zanesljivosti  v zahtevnih ali kritičnih okoljih.

Vendar pa ta tehnologija prinaša tudi podrobnosti in izzive. Zanesljivost mikro-vozlišč  je odvisna od poznavanja inovativnih materialov ter metod napolnjevanja, prevlečenja in preskusnih meril. Med težavami spadajo tudi razpoke v cevkastih delih, razpoke v bakrenih plasteh in odtrganje kontaktov -izstop, če ne upoštevate idealne sestave plastov, ohranite ustrezno delež elementov ali izberete optimalne postopke in kupon kode za ocenjevanje glede na IPC-2226, IPC-T-50M in IPC-TM-650  merila.

Kaj so vodniki (vias) na tiskanih vezjih?

V svetu načrtovanja tiskanih vezij je vodnik (via) ključna struktura, ki omogoča električno povezavo med plastmi matične plošče. Čeprav je po konceptu preprost, se vodniki pojavljajo v različnih oblikah – vsak posebej prilagojen posebnim zahtevam visokoz gostotnih ali visokohitrostnih vezij.

Osnovna struktura vodnika na tiskanih vezjih

Običajen vodnik vsebuje krožno odprtino  izvrtano v laminirani sestavi tiskanega vezja, notranje obloženo z električno prevodnim bakrom za povezavo sledi med različnimi plastmi. Tradicionalni skozi-vodniki segajo od zgornje do spodnje strani plošče in povezujejo vse plasti. Vendar pa je zaradi povečane miniaturizacije orodij nastalo več naprednejših vrst vodnikov – slepi, zakopani in mikro-vodniki – za bolj gosto pakiranje in izboljšano natančnost signala.

Zakaj nastopajo težave s prehodnimi otvori?

Sodobne digitalne potrebe – višja debelina vhodov/izhodov, drobno razmaknjeni BGA-ji in tesnejša razporeditev plasti – prisiljajo razvijalce, da zapustijo preproste prehodne otvore skozi vse plasti. Iskanje manjših, tanjših in hitrejših naprav je sprožilo prehod na mikroprehodne otvore in HDI-skladne zgradbe, kjer vsak kvadratni milimeter šteje in vsak stik vpliva na toplotno upravljanje, stabilnost signala ter dolgoročno zanesljivost.

Vrste mikrovirov na tiskanih vezjih

Slepi vieri na tiskanih vezjih

Slepe prehodne luknje  so izvrtani z zunanjega sloja do več notranjih slojev, vendar ne skozi celotno tiskano vezje. Ključni so za HDI tiskana vezja  povezavo gostih površinskih komponent z notranjimi vodiči brez izkoriščanja dragocenega površinskega prostora plošče.

Prednosti slepih virov:

Prostorska učinkovitost: zagotavljajo prostor na notranjih slojih za vodnike visoke gostote.

RF/signalna varnost: zmanjšujejo dolžino ostankov (stubs), kar omogoča bistveno boljšo delovanje pri visokih frekvencah.

Izdelovalna učinkovitost: zmanjšujejo tveganje upogibanja in premika slojev med laminacijo.

Uporabne oblasti:  Slepi vieri se pogosto uporabljajo v mobilnih telefonih, tabličnih računalnikih, prenosnih računalnikih ter v kateri koli napravi, ki uporablja komponente z majhnim razmikom in kompaktno obliko.

Skriti vieri na tiskanih vezjih

Presnovi prehodi  povezujejo notranje plastne PCB-plošče, vendar pa ne  ne segajo do zunanjih površin. Popolnoma so vdelani v ploščo.

Prednosti in uporabni primeri:

Omogočajo zapletene medplastne povezave brez vpliva na površino.

Omogočajo več prenosnih kanalov za BGA-je z visokim številom priključkov.

Nasveti za izdelavo:  Skriti prehodi zahtevajo več laminacijskih korakov, kar poveča zapletenost in stroške proizvodnje. Za preprečevanje napak zaradi napačne poravnave je potrebna natančna registracija.

Mikroprehodi: struktura HDI-ja

Mikrospojnice  so majhni, z laserjem izvrtani prehodi s tipičnim premerom 80–100 μ mm (0,003–0,006" oziroma ≤ 6 mil). Redno povezujejo le sosednje plasti – odlično za gradbene postopke na HDI ploščah.

Tehnične dejstva:

Razmerje stranic: ≤ 0,75:1 (globina : premer); po merilih IPC-T-50M, ≤ 1:1, če se uporabi ≤ 6 mil.

Laserjsko vrtanje: Omogoča natančno postavitev, izdelavo ter nakladanje ali prekrivanje mikrovij.

Napolnjene in zaprte vije: Pogosto napolnjene z bakrom za trdnost; »zaprte«, če se vija uporabi kot spajkalna ploščica (Via-in-Pad).

Nakladane nasproti prekrivajočim se mikrovijam

Naslagane mikrovije  so poravnane navpično in povezujejo skozi nakopovalne plasti deske. Stopničaste mikrospojke  so uravnotežene v vsaki plasti, med njimi pa so kratki stiki.

IPC-2226  določa vrste slojev, standarde za zapolnjevanje/zakrivanje ter geometrijo mikrovij za oba tipa.

Druge opomembne vrste vijakov.

Zapolnjeni in zaprti mikroviji: Za slog vijakov na ploščki (via-in-pad) poskrbite za trdnost/ravnost.

Preskočeni viji: Povezujejo ne-sosednje plasti, pri čemer preskočijo več drugih plasti.

Skozi luknjo (PTH): Za povezave in mehansko trdnost.

Funkcija mikrovijev v HDI tiskanih vezjih

Visoko gostota povezav (HDI)  tehnologija izboljšuje zamisel, da mora vsaka uporaba in sled zagotavljati optimalno funkcionalnost na najmanjšem možnem prostoru. Mikrospojnice  ti so ključni za to, kar omogoča razvijalcem, da presežejo omejitve običajnih vijev skozi luknjo in dosežejo izjemno gostoto vezja.

Vrste HDI slojev (IPC-2226)

Zakaj so mikroviali ključni za HDI

Miniaturizacija: Poti signalov iz komponent z izjemno majhnim razmikom (razmik < 0,8 mm) v majhnih oblikah.

Celovita signalna kakovost: Krajši, z laserjem izvrtani mikroviali kažejo nižjo induktivnost in parazitno kapacitivnost, kar je ključno za DDR, RF in visokofrekvenčne načrte.

Upravljanje toploto:  Mikroviali prevajajo toploto navpično, kar omogoča pametne strategije odvajanja toplote. —pogosto se uporabljajo kot toplotni viali pod IC-jem, ki ustvarjajo toploto.

Zmanjšano medsebojno vplivanje:  Mikrovijake, izdelane iz bakra in natančno poravnane, zmanjšujejo neželene sklopitev med sosednjimi signali.

v HDI je mikrovijaka vaš kirurški orodje —natančno, zanesljivo in bistveno za razvejo hitrih in visokogostotnih signalov", pravi specialist za načrtovanje HDI.

Kako se izdelujejo mikrovijake? Izdelava in proizvodnja

Koraki izdelave

• Priprava podlage: Pripravite visokokakovostno dielektrično snov, primerno za lasersko vrtanje (npr. Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT ali ABF gradbene folije), z raztegnjeno/plosko stekleno mrežo (slogi 1035, 1067).
• Postopek laserskega vrtanja:

Pred vrtanjem: Preverite laminacijo, označite ciljne/zajemne ploščice in zagotovite točno usklajevanje.

Lasersko vrtanje: Uporabite UV ali CO2 laser za ≤6 mil luknje; natančna kontrola za stožec in razkritje ploščice za zajem.

Po vrtanju: očiščevanje z ablacijo, ocena kakovosti luknj, preverjanje ostankov/steklenih delcev.

• Odstranjevanje smole: odstrani smolo/steklo, ki še vedno ostane v cevi po laserski ablaciji, kar zagotavlja ustrezno lepljenje bakra.
• Metalizacija (bakrena prevleka):

Breztokovni bakar kot osnovni sloj

Elektrolitska bakrena prevleka (konformalna/impulzna) za popolno izpolnitev —zlasti za mikrocevi v ploščici za zajem. Dodatki zmanjšujejo nastajanje votlin.

Izpolnjene in zaprte mikrocevi so prevlečene do ravnine površine (včasih z bakreno kapico za spremembo možnosti lotanja).

• Kontrola kakovosti:

Prečni rez, mikro-izpiralni test za votline, težave z lepljenjem in enakomernost debeline bakra.

Izdelava D-kupona po dodatku B standarda IPC-2221 za preskus zanesljivosti.

Ključne proizvodne spremenljivke

Razmerje globine do premera mikrovij:  Kot določa IPC-T-50M , razmerje (globina do premera) ne sme presegati 0,75:1 —ali 1:1 za vije ≤6 milov —za zagotavljanje zanesljive bakrene prevleke in izogibanje tankim stenam ali votlinam na dnu. Visoka razmerja povečujejo tveganje nepopolnega napolnjenja z bakrom, zmanjšane zanesljivosti ali bakrenih votlin, še posebej med toplotnimi obremenitvami v procesu sestave.  

Tolerance poravnave:  Pravilna poravnava ( ±2–4 mils) med laserjem izvrtano luknjo in zajemno/tarčno ploščko je ključnega pomena. Napačna poravnava lahko povzroči ločitev med površinami, odprte vezje, skrite napake ali povečano tveganje za odpovedi, ki jih povzroči taljenje.  

Premer zajemne ploščke: Zajemna ploščka naj bo ≥80 % premera vija, kar ustreza najboljšim smernicam za oblikovanje mikrovijev . Ta razmerje zagotavlja trdno lepljenje bakra in zmanjšuje tveganje za razpoke v kotih ali odtrganje ploščke ob termičnem cikliranju ali mehanski obremenitvi.

Očistek za spajkalno masko: ničelni očistek za spajkalno masko  se priporoča okoli mikrovijev, še posebej na ploščah HDI, kar zmanjšuje tveganje prekrivanja ali napačne poravnave maske, ki bi lahko poslabšala upornost in izkoristek.

Zaporedno previjanje : Večkratni cikli laminiranja —so ključni za zakopane vije, nabrane ali zamaknjene mikrovije —predstavljajo dodatno tveganje za razširjanje v smeri osi Z (CTE) in koncentracijo napetosti. Za upravljanje s tem so prednostno uporabljene dimenzionalno stabilne in z laserjem vrtljive predprege ali ABF (Ajinomoto Build-up Film).  

Kovinska polnitev bakra nasproti nepolnjenim mikroviam

Mikrovije s polnjenjem in zapiranjem z bakrom  so bistvene za plošče visoke zanesljivosti, še posebej kadar se uporabljajo kot vija v ploščici (via-in-pad) za BGA ali za fino razmikane CSP, ali kadar se mikrovije prekrivajo za največjo navpično gostoto.

Oblikovanje zanesljivih mikrovij: smernice, napake in preskušanje

Zanesljivost mikrovij  je ključnega pomena za elektroniko za kritične naloge. Uspeh določa presečišče oblikovanja, materialov, proizvodnje in pregleda. Spodaj je vse, kar morajo vedeti vsak oblikovalec in izdelovalec.

Glavni mehanizmi odpovedi mikrovij

Razpoke v obliki sodov: Običajno se začnejo pri ostrih prehodih iz ene oblike v drugo ali tam, kjer je razmerje višine in širine previsoko.

Razpoke v kotih (mejno območje med zajemno ploščico in ciljno ploščico) : Povezane z razširjanjem v smeri osi Z (neskladje koeficientov toplotnega raztezka) med postopkom spajanja.

Izvlečenost ciljne ploščice : Nastopi, če je ploščica premajhna ali je lepilna moč slaba.

Nepravilna registracija : Lahko so med luknjo in ploščico ali med plastmi; ključnega pomena pri nabranih mikroluknjah.

Medpraznine iz bakra : Slabo nanašanje prevleke, napake v dodatkih ali ujeti plin med polnjenjem.

Skrite ("odprte") mikroluknje zgoraj Tg lahko prehodi stekla omogočajo samozdravljenje mikroprask na steklu, kar skrije napake med testiranjem pri sobni temperaturi, vendar se te napake pojavijo v dejanskih obratovalnih razmerah.

Šest nasvetov za zanesljiv načrt mikrovij

• Izberite dielektrik, ki je združljiv z laserskim vrtanjem: Razpršeno steklo / ravno steklo (npr. 1035, 1067, 1086); smolna sistema, kot so Isola FR408HR, ABF gradbena filmska plast.
• Sledite razmerju višine in širine ter zahtevam za ploščice po standardu IPC-T-50M: ≤prednostno razmerje 0,75 : 1; premer ploščice ≥80 % premera vija.
• Kjer je mogoče, uporabite premaknjene mikrovije namesto nabranih: Zmanjša napetost in tveganje nastanka votlin ali razpok; premik mora biti večji od <0,8 mm> (pri zelo majhnih razsežnostih).
• Izberite ustrezno sestavo večplastne ploščice po standardu IPC-2226: Vrsta I: slepi + zunanji. Vrsta II: slepi, zakopani, zunanji. Vrsta III: večkratna gradbena plast + nabrani / premaknjeni.
• Napredek v izdelavi zaščitnega laka: Ciljajte ničelno razdaljo (0 mil).
• Ohranite postavitev / usmeritev D-potrdila na ravni plošče: Potrebno za nadaljnje preskuse po izdelavi.

Trpežna oblika vključuje stališče »preverjanje med izdelavo« – zanesljivi mikroviali se začnejo z ustrezno sestavo večplastne ploščice in končajo z dokazljivim preskusom D-kupona.

Tehnike preverjanja mikrovialov (IPC-TM-650)

Negativne lastnosti in prednosti plošč z mikroviami.

Pomembne prednosti.

Neprekosljiva miniaturizacija: omogoča večplastne HDI sestave z bistveno več vhodi/izhodi na majhnih površinah.

Izboljšana verodostojnost signala: Mikrovijali, izdelani z laserskim vrtanjem, zmanjšujejo izstopajoče dele in parazitske učinke, kar je ključno za visokohitrostno in nizkoizgubno usmerjanje (DDR, RF, SerDes).

Upravljanje toplote: Zanesljivi navpični toplotni tokovi; pomembno pri toplotno obremenjenih sistemih (napajalniki, procesorji CPU, FPGA).

Raznovrstnost načrtovanja: Podpora za nabite, zamaknjene in preskakovane vijale ter za zapletene BGA-povezave.

Prikladnost za sestavo (ko so izpolnjeni/začasno zaprti): Zanesljivo spajkanje pri finih razmikih BGA/CSP z uporabo vijalov znotraj ploščic (via-in-pad).

Skrite negativne strani

Cena: Lasersko vrtanje, polnjenje/zapiranje z bakrom, večkratna laminacija in preverjalni cikli povečujejo stroške. Zapletenost proizvodnje: Več faz laminacije, usmerjanje D-kupona, strog postopek preverjanja. Nevarnost izgube odboja: Tanek bakreni sloj, nepravilno poravnani vijali, neodkriti problemi v primeru slabe nadzorovane proizvodnje. Toplotno-mehanska zanesljivost: Več vmesnih površin pomeni več potencialnih mest okvare (razpoke zaradi neskladja koeficientov toplotnega raztezanja – CTE).

Primeri iz prakse: Kje mikrovijali omogočajo naslednjo generacijo oblik

Okoliščina 1: Sistemske plošče za mobilne telefone in tablične računalnike

Težava: Za programiranje SoC-paketov z velikim številom kontaktov (npr. BGAs z razmikom kontaktov 0,4 mm) bi standardne prebojne vodilne luknje zelo zasedle površino plošče; to ni izvedljivo za današnje tanke telefone.

Storitev: PCB-metode HDI z mikroluknjami  (Nastavitve vrste II/III, predvsem napolnjene/zakritih in razmaknjene mikroluknje) omogočajo neposredno skrivanje BGA-kontaktov – kar izboljša električno učinkovitost, zmanjšuje elektromagnetno motnjo (EMI) in omogoča večfunkcijske PCB-je debeline < 1 mm.

Okoliščina 2: Avtomobilski ECU (elektronska krmilna enota).

Zahteva: Visoka zanesljivost pri izjemno zahtevnih temperaturah od –40 ° °C do 125 ° °C.

Nadomestna možnost:

Napolnjene in zakrite mikroluknje v HDI-strukturi (vrsta III) z nenavadnimi, dvojnimi prekrivajočimi se prebojnimi strukturami.

Obsežno testiranje D-kupona in termični udar (skladno s standardom IPC-TM-650).

Končni rezultat:  < 0,5 % površine z nizkimi stopnjami napak; trajnostno tudi pri intenzivnem toplotnem cikliranju in resonanci.

Scenarij 3: Strojna oprema za omrežje visoke hitrosti.

Zgodovina: FPGA s finim razmikom BGA in visokohitrostni SerDes.

Skrit prednost:

Zamaknjeni mikrovijaki, izpolnjeni in zaprti v ploščici (via-in-pad); omogočajo zanesljive očesne diagrame > 30 Gbps z minimalnimi izgubami odboja (VSWR < 1,2:1).

Izboljšana raznovrstnost usmerjanja, zmanjšano medsebojno vplivanje in bistveno boljše odvajanje toplote.

Primeri HDI in mikrovijakovih PCB sestav.

Če želite razumeti, kako HDI sestave in mikrovijakove strukture omogočajo napredne oblike PCB, si oglejte naslednje uporabne konfiguracije plasti:

Pogosto zastavljena vprašanja

Spodaj so nekatera pogosto zastavljena vprašanja o zanesljivosti mikrovijakov in HDI tiskanih vezjev:

V: Kaj povzroča najpogostejše odpovedi mikrovijakov med reflowom?  

O: Vodilni vzroki so razvoj v smeri osi Z (neravnovesje koeficientov toplotnega raztezka), šibek stik na meji zajemne/ciljne ploščice ter pomanjkljive bakrene površine ali neustrezno izpolnitev. Naloženi mikrovijaki so še posebej ogroženi, če presegajo razmerje globina/premer ali niso ustrezno izpolnjeni.

V: Ali uporaba zapolnjenih in zaprtih mikrovijakov izboljša zanesljivost?  

O: Da. Zapolnjeni in zaprti mikrovijaki so ključni za konfiguracije »via-in-pad«, obremenjene postavitve in odhode BGA. Preprečujejo kapljanje lepila, zrušitev ploščic in zdržijo razpoke, ki jih povzroča toplotno cikliranje.

V: Kakšno je primerno razmerje globine in premera za mikrovijake v HDI  Tiskanih vezjih?  

A: Skladno z IPC-2226 in IPC-T-50M: ≤ 0,75:1 za optimalno zanesljivost, 1:1 le za ≤ mikrovije s premerom 6 mil. Večje razmerja strani povečajo tveganje razpok in koncentracije napetosti ter stresa.

V: Kako se ocenjuje zanesljivost mikrovij?

O: S spremljanjem upornosti D-kupona med simuliranim ponovnim taljenjem (IPC-TM-650 2.6.27), cikliranjem toplotnega šoka (–55 ° °C do +210 ° °C, po IPC-TM-650 2.6.7.2), mikrosekcijsko analizo ali HATS (zelo pospešeno cikliranje toplotnega šoka).

V: Kako posebej vplivajo smernice za načrtovanje mikrovija v večplastnih ploščah na trajno učinkovitost?  

O: Razmaknjene skupine mikrovij bolje porazdelijo toploto in napetost; nabrane mikrovije morajo biti vedno izpolnjene/zakriti. Razdalje in razmerja med ploščicami ter mikrovijami so pomembni za preprečevanje ločitve vmesnika ali skritih napak.

V: Kakšni so standardi IPC za tiskane vezne plošče z mikrovijami?

O: Predvsem IPC-2226 (HDI-načrtovanje večplastnih plošč in vrste vij), IPC-2221 (kupon/test), IPC-T-50M (opredelitve), IPC-TM-650 2.6.27 in 2.6.7.2 (testiranje/termični šok).

V: So mikrovije izvirajo za upravljanje moči/temperature?  

O: Da, mikrovije, napolnjene z bakrom, se običajno uporabljajo kot navpične toplotne vije pod QFN-i, BGA-jem in napravami za moč, da se izboljša odvajanje toplote.