ไมโครเวียส์บนแผงวงจรพิมพ์คืออะไร

ไมโครเวียและเอชดีไอ: เทคนิคการจัดรูปแบบพีซีบีเพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความน่าเชื่อถือ

ไมโครเวียส์บนแผงวงจรพิมพ์คืออะไร

สรุปโดยเมตา:  เปิดเผยความลับของไมโครเวียที่มีความน่าเชื่อถือและ Hdi pcb สไตล์ การเรียนรู้เกี่ยวกับไมโครเวียที่เจาะด้วยเลเซอร์ โครงสร้างแบบซ้อนกันเทียบกับโครงสร้างแบบไม่ต่อเนื่อง ระบบความล้มเหลวของไมโครเวีย มาตรฐานอุตสาหกรรม (IPC-2226, IPC-TM-650) และเทคนิคการผลิตขั้นสูงสำหรับแผงวงจรแบบความหนาแน่นสูงที่มีอายุการใช้งานยาวนาน

บทนำ: การเปลี่ยนผ่านการจัดรูปแบบพีซีบีด้วยเทคโนโลยีไมโครเวียและเอชดีไอ

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) คือโครงข่ายที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อนซึ่งทำหน้าที่เป็นเส้นทางหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่— ทำหน้าที่เชื่อมต่อ จ่ายพลังงาน และสนับสนุนการทำงานของทุกสิ่ง ตั้งแต่โทรศัพท์มือถือสำหรับผู้บริโภคไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์และดาวเทียม เมื่อความต้องการอุปกรณ์ดิจิทัลที่มีขนาดเล็กลง ทำงานเร็วขึ้น และมีความน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้นเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว วงการการออกแบบพีซีบีจึงจำเป็นต้องพัฒนาไปอย่างมาก ซึ่งนำไปสู่การเติบโตของ ไมโครเวียและเอชดีไอ (HDI) PCB นวัตกรรมสมัยใหม่  สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญอย่างแท้จริงในวิธีการผลิตวงจรสมัยใหม่ การทำให้มีขนาดเล็กลง และการนำไปใช้งานในแอปพลิเคชันที่ต้องการความเร็วสูงและความน่าเชื่อถือสูง

ไมโครเวีย -- รอยต่อแบบทองแดงที่เจาะด้วยเลเซอร์ซึ่งมีขนาดเล็กมาก -- อาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงเศษส่วนของมิลลิเมตรเท่านั้น แต่ก็เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดการพัฒนาด้านกำลังไฟฟ้าและประสิทธิภาพในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กมากในปัจจุบัน ด้วยการรองรับการจัดวางองค์ประกอบที่แน่นหนาขึ้น โครงสร้างแบบ Sphere Grid Array (BGA) ที่มีระยะห่างระหว่างขาสั้นมาก และการส่งสัญญาณที่รวดเร็วและสูญเสียพลังงานน้อยลง ไมโครเวียจึงเป็นฮีโร่ที่แท้จริงของการทำให้แผงวงจรพิมพ์มีขนาดเล็กลง ยิ่งไปกว่านั้น การเข้าใจไมโครเวียในปัจจุบันยังจำเป็นอย่างยิ่งต่อการรับประกันความทนทานต่อ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ การล้มเหลวจากกระบวนการรีโฟลว์ และความน่าเชื่อถือในระยะยาว  ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือมีความสำคัญสูงต่อภารกิจ

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มาพร้อมกับรายละเอียดปลีกย่อยและความซับซ้อน ความน่าเชื่อถือของไมโครเวีย  ขึ้นอยู่กับการรับรู้เกี่ยวกับวัสดุและเทคนิคขั้นสูง ตั้งแต่กระบวนการเติมวัสดุ กระบวนการชุบเคลือบ และเกณฑ์การทดสอบ ปัญหาต่าง ๆ เช่น การแตกร้าวของผนังหลอด (barrel fractures), ช่องว่างของทองแดง (copper gaps), และการหลุดลอกของแผ่นเชื่อม (pad pull) - ออกหากคุณไม่ปฏิบัติตามการจัดเรียงชั้นที่เหมาะสม รักษาสัดส่วนขององค์ประกอบที่เหมาะสม หรือเลือกวิธีการและรหัสคูปองสำหรับการประเมินที่ดีที่สุดตาม IPC-2226, IPC-T-50M และ IPC-TM-650  เกณฑ์

ไวอาคืออะไรในแผงวงจรพิมพ์ (PCB)?

ในโลกของการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ไวอาเป็นโครงสร้างสำคัญที่ทำให้เกิดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างชั้นต่าง ๆ ของแผงวงจร แม้แนวคิดจะเรียบง่าย แต่ไวอาก็มีหลายประเภท — แต่ละแบบถูกออกแบบมาเพื่อตอบโจทย์เฉพาะด้าน เช่น ใช้ในวงจรที่มีความหนาแน่นสูงหรือความเร็วสูง

โครงสร้างไวอาพื้นฐานบนแผงวงจรพิมพ์

ไวอาแบบทั่วไปประกอบด้วย รูกลม  ที่เจาะผ่านชั้นของแผงวงจรพิมพ์แบบลามิเนต และเคลือบผิวด้านในด้วยทองแดงที่นำไฟฟ้า เพื่อเชื่อมสายนำสัญญาณระหว่างชั้นต่าง ๆ ไวอาแบบผ่านทั้งแผง (through-hole via) แบบดั้งเดิมจะเชื่อมจากด้านบนสุดถึงด้านล่างสุดของแผง ทำให้เชื่อมทุกชั้นเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม เมื่ออุปกรณ์มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ จึงได้มีการพัฒนาไวอาแบบใหม่ ๆ ขึ้น เช่น ไวอาแบบบลายน์ด (blind via), ไวอาแบบเบอร์รีด (buried via) และไมโครไวอา (microvia) เพื่อให้สามารถบรรจุชิ้นส่วนได้แน่นขึ้น และรักษาคุณภาพของสัญญาณให้ดีขึ้น

เหตุใดช่องผ่านจึงเป็นประเด็น?

ความต้องการดิจิทัลสมัยใหม่—เช่น ความหนาของขั้วต่ออินพุต/เอาต์พุตที่เพิ่มขึ้น บีแกล์เอที่มีระยะห่างระหว่างขาสั้นมาก และจำนวนชั้นที่เรียงแน่นขึ้น—ได้ผลักดันให้นักพัฒนาเลิกใช้ช่องผ่านแบบเจาะทะลุทั่วไป ความต้องการอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลง บางลง และเร็วขึ้น ได้กระตุ้นการเปลี่ยนผ่านสู่ช่องผ่านไมโครและโครงสร้างแผงวงจรแบบเอชดีไอ ซึ่งทุกตารางมิลลิเมตรมีค่า และทุกการเชื่อมต่อมีผลต่อการจัดการความร้อน ความเสถียรของสัญญาณ และความน่าเชื่อถือในระยะยาว

ประเภทของช่องผ่านไมโครบนแผงวงจร

รูเจาะแบบบลายนด์ (Blind PCB Vias)

เวียแบบบอด  เป็นรูที่เจาะจากชั้นภายนอกไปยังชั้นภายในหลายชั้น แต่ไม่ทะลุผ่านแผงวงจรไฟฟ้า (PCB) ทั้งหมด รูแบบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อ HDI PCBs  การเชื่อมต่อส่วนประกอบบนพื้นผิวที่มีความหนาแน่นสูงเข้ากับเส้นทางสัญญาณภายใน โดยไม่ต้องใช้พื้นที่บนแผงวงจรเพิ่มเติม

ข้อได้เปรียบของรูแบบบลายนด์:

ประสิทธิภาพด้านพื้นที่: รักษาพื้นที่บนชั้นภายในไว้สำหรับการวางเส้นทางสัญญาณที่มีความหนาแน่นสูง

ความปลอดภัยด้านสัญญาณ RF/สัญญาณ: ลดความยาวของส่วนปลายที่ไม่ต่อเนื่อง (stubs) ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมดีขึ้นอย่างมากในความถี่สูง

ผลตอบแทนจากการผลิต: ลดความเสี่ยงของการโก่งตัวและการเลื่อนตัวของชั้นต่าง ๆ ระหว่างกระบวนการลามิเนต

การใช้งาน:  รูแบบบลายนด์นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต แล็ปท็อป และอุปกรณ์ประเภทใดก็ตามที่ใช้ชิ้นส่วนแบบ pitch เล็กและองค์ประกอบที่มีขนาดกะทัดรัด

รูเจาะแบบเบอร์รีด (Concealed PCB Vias)

รูแบบเซอร์ไพรส์ (Surprise vias)  เชื่อมต่อชั้นแผงวงจรภายใน (PCB) อย่างไรก็ตาม ไม่  ไปยังพื้นผิวด้านนอกของแผง พวกมันฝังลึกอยู่ทั้งหมดภายในแผง

ข้อดีและสถานการณ์การใช้งาน:

ทำให้สามารถสร้างการเชื่อมต่อระหว่างชั้นได้อย่างซับซ้อนโดยไม่กระทบต่อพื้นผิวด้านนอก

ทำให้มีจำนวนช่องส่งสัญญาณเพิ่มขึ้นสำหรับ BGA ที่มีจำนวนขาสูง

คำแนะนำในการผลิต:  รูเชื่อมแบบซ่อน (hidden vias) ต้องใช้กระบวนการลามิเนตหลายขั้นตอน ซึ่งเพิ่มความซับซ้อนและต้นทุนในการผลิต จึงจำเป็นต้องจัดตำแหน่งอย่างแม่นยำเพื่อป้องกันข้อบกพร่องจากการเลื่อนตำแหน่ง

ไมโครไวแอส (microvias): โครงสร้างของ HDI

ไมโครเวีย  คือรูเชื่อมขนาดเล็กที่เจาะด้วยเลเซอร์ โดยมีขนาดทั่วไปอยู่ที่ 80–100 μ ไมครอน (0.003–0.006 นิ้ว หรือ ≤ 6 มิล) พวกเขาเชื่อมต่อชั้นที่อยู่ใกล้กันเป็นประจำ — เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรักษาแบบสะสมในบอร์ด HDI

ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับเทคนิค:

อัตราส่วนด้านข้าง: ≤ 0.75:1 (ความลึก : ขนาด); ตามเกณฑ์ IPC-T-50M ≤ 1:1 หากใช้ ≤ 6 มิล

การเจาะด้วยเลเซอร์: ทำให้สามารถวางตำแหน่ง สร้าง และซ้อนหรือเรียงไมโครไวอาได้อย่างแม่นยำ

ไมโครไวอาที่เติมและปิดผนึกแล้ว: มักเติมด้วยทองแดงเพื่อความแข็งแรง; คำว่า "ปิดผนึก" ใช้เมื่อไมโครไวอาถูกใช้เป็นแผ่นรองบัดกรี (Via-in-Pad)

ไมโครไวอาแบบซ้อน vs. แบบเรียงขั้นบันได

ไมโครไวอาแบบซ้อน  เรียงตัวแนวตั้ง ต่อเนื่องกันผ่านชั้นสะสมทั้งหมด ไมโครไวอาแบบเรียงซ้อน  สมดุลกันในแต่ละชั้น มีรอยสัมผัสสั้นระหว่างกัน

IPC-2226  กำหนดประเภทโครงสร้างชั้น ข้อกำหนดการเติมหรือปิดฝา และรูปทรงเรขาคณิตของไมโครเวียสำหรับทั้งสองแบบ

ประเภทเวียอื่นๆ ที่น่าสนใจ

ไมโครเวียที่เติมเต็มและปิดผนึกแล้ว: สำหรับรูปแบบเวีย-อิน-แพด ให้ตรวจสอบความแข็งแรงและความเรียบเสมอกัน

เวียข้ามชั้น: เชื่อมต่อระหว่างชั้นที่ไม่ติดกัน โดยข้ามผ่านชั้นอื่นๆ ไป

รูเจาะแบบผ่านทั้งแผ่น (PTH): ใช้สำหรับคอนเนกเตอร์และประสิทธิภาพเชิงกล

หน้าที่ของไมโครเวียในงานออกแบบแผงวงจรพิมพ์แบบ HDI

ไฮเดนซิตี้ อินเตอร์คอนเนกต์ (HDI)  เทคโนโลยีได้พัฒนาแนวคิดนี้ให้ก้าวหน้าขึ้น กล่าวคือ แต่ละส่วนประกอบและเส้นทางสัญญาณต้องให้สมรรถนะสูงสุดในพื้นที่จำกัดที่สุด ไมโครเวีย  ไมโครเวียเป็นองค์ประกอบหลักที่ทำให้บรรลุเป้าหมายนี้ จึงช่วยให้นักพัฒนาสามารถก้าวข้ามข้อจำกัดของเวียแบบผ่านทั้งแผ่นแบบดั้งเดิม และบรรลุความหนาแน่นของวงจรที่โดดเด่นยิ่ง

ประเภทการจัดเรียงชั้น HDI (ตามมาตรฐาน IPC-2226)

เหตุใดรูเชื่อมจุลภาคจึงสำคัญยิ่งต่อแผงวงจร HDI

การทำให้เล็กลง: ส่งสัญญาณจากองค์ประกอบที่มีระยะห่างระหว่างขาแน่นมาก (ระยะห่าง < 0.8 มม.) ในรูปทรงขนาดเล็ก

ความสมบูรณ์ของสัญญาณ: รูเชื่อมจุลภาคลักษณะสั้นและเจาะด้วยเลเซอร์มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำกว่าและค่าความจุรบกวนต่ำกว่า ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบระบบ DDR, RF และความเร็วสูง

การจัดการความร้อน:  รูเชื่อมจุลภาคถ่ายเทความร้อนในแนวตั้ง ทำให้สามารถวางแผนการกระจายความร้อนได้อย่างชาญฉลาด —มักใช้เป็นรูระบายความร้อนใต้ไอซีที่สร้างความร้อน

ลดการรบกวนข้ามสัญญาณ:  ไมโครเวียที่เติมทองแดงอย่างสมบูรณ์และจัดเรียงอย่างแม่นยำช่วยลดการรบกวนสัญญาณระหว่างสัญญาณที่อยู่ติดกันโดยไม่ได้ตั้งใจ

ในเทคโนโลยี HDI ไมโครเวียคือเครื่องมือผ่าตัดของคุณ —แม่นยำ น่าเชื่อถือ และจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการแยกสัญญาณความเร็วสูงและความหนาแน่นสูง” ผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบ HDI กล่าว

ไมโครเวียผลิตขึ้นได้อย่างไร: กระบวนการผลิตและการผลิต

ขั้นตอนการผลิต

• การเตรียมพื้นผิวฐาน: เตรียมวัสดุไดอิเล็กทริกที่สามารถเจาะด้วยเลเซอร์ได้คุณภาพสูง (เช่น Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT หรือฟิล์ม ABF แบบ build-up) พร้อมใช้เส้นใยแก้วแบบแผ่เรียบ (ชนิด 1035 หรือ 1067)
• กระบวนการเจาะด้วยเลเซอร์:

ก่อนเจาะ: ตรวจสอบการเคลือบชั้น (lamination) ทำเครื่องหมายตำแหน่งแผ่นรองรับสัญญาณ (target/capture pads) และยืนยันความเที่ยงตรงของการจัดวาง (registration)

การเจาะด้วยเลเซอร์: ใช้เลเซอร์ UV หรือ CO2 ≤เพื่อเจาะรูขนาด 6 มิล โดยควบคุมความแม่นยำเพื่อให้ได้มุมเอียง (taper) ที่เหมาะสมและเปิดเผยพื้นที่แผ่นรองรับสัญญาณ (capture pad) อย่างถูกต้อง

หลังการเจาะรู: ทำความสะอาดด้วยวิธีแอ็บเลชัน ประเมินคุณภาพของรู และตรวจสอบเศษวัสดุหรือเศษแก้ว

• การกำจัดคราบเรซิน: ขจัดเรซินหรือแก้วที่ยังคงตกค้างอยู่ภายในผนังรูเวียหลังการใช้เลเซอร์แอ็บเลต เพื่อให้แน่ใจว่าทองแดงยึดเกาะได้ดี
• การเคลือบโลหะ (การชุบทองแดง):

การชุบทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้าเป็นชั้นเบื้องต้น

การชุบทองแดงแบบใช้ไฟฟ้า (แบบคอนฟอร์มอลหรือแบบพัลส์) เพื่อเติมรูให้เต็มทั้งหมด —โดยเฉพาะสำหรับไมโครเวียแบบไวอา-อิน-แพด สารเพิ่มประสิทธิภาพช่วยลดการเกิดโพรง

ไมโครเวียที่ถูกเติมและปิดผนึกแล้วจะถูกชุบทองแดงจนเรียบเสมอกับผิวหน้า (บางครั้งอาจมีฝาครอบทองแดงเพื่อเพิ่มความสามารถในการบัดกรี)

• การควบคุมคุณภาพ:

การตัดตัวอย่างเพื่อสังเกตภาคตัดขวาง การทดสอบด้วยไมโครเอตช์เพื่อหาโพรง ปัญหาการยึดเกาะ และความสม่ำเสมอของความหนาทองแดง

การผลิตคูปอง D ตามภาคผนวก บี ของมาตรฐาน IPC-2221 เพื่อการทดสอบความน่าเชื่อถือ

ตัวแปรสำคัญในการผลิต

อัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของไมโครเวีย:  ตามที่กำหนดไว้ใน IPC-T-50M อัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง (ความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง) ไม่ควรเกิน 0.75:1 —หรือ 1:1 สำหรับเวีย ≤6 ล้าน —เพื่อให้มั่นใจว่าการชุบทองแดงมีความน่าเชื่อถือ และหลีกเลี่ยงผนังบางหรือโพรงทองแดงบริเวณก้นรู ความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางที่สูงเกินไปจะเพิ่มความเสี่ยงต่อการเติมทองแดงไม่สมบูรณ์ ความน่าเชื่อถือลดลง หรือเกิดโพรงทองแดง โดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิขณะประกอบ  

ความคลาดเคลื่อนในการจัดตำแหน่ง:  การจัดแนวที่เหมาะสม ( ±2–0.1 มิลลิเมตร) ระหว่างรูที่เจาะด้วยเลเซอร์กับแผ่นรองรับ/แผ่นเป้าหมายมีความสำคัญอย่างยิ่ง การจัดแนวผิดพลาดอาจทำให้เกิดการแยกตัวที่พื้นผิวสัมผัส วงจรเปิด ข้อบกพร่องแฝง หรือความเสี่ยงสูงขึ้นต่อความล้มเหลวที่เกิดจากกระบวนการรีฟโลว์  

เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรองรับ: แผ่นรับสัญญาณควรมีขนาด ≥ร้อยละ 80 ของเส้นผ่านศูนย์กลางรูเจาะแบบไมโครเวีย ตามแนวทางการออกแบบไมโครเวียที่ดีที่สุด อัตราส่วนนี้ช่วยให้การยึดเกาะของทองแดงมีความแข็งแรง และลดความเสี่ยงของการแตกร้าวที่มุมหรือการหลุดออกของแผ่นรับสัญญาณระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหรือภายใต้แรงทางกล

ระยะห่างของสารเคลือบป้องกันการประสาน: ไม่ควรขยายขอบเขตของสารเคลือบป้องกันการประสานเลย  ซึ่งแนะนำเป็นพิเศษรอบไมโครเวีย โดยเฉพาะในแผงวงจรแบบ HDI เพื่อลดความเสี่ยงจากการทับซ้อนหรือการจัดตำแหน่งผิดพลาดของสารเคลือบ ซึ่งอาจส่งผลต่อค่าความต้านทานและอัตราการผลิตสำเร็จ

การเคลือบซ้อน การขึ้นรูปหลายรอบ —มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อไมโครเวียแบบฝัง หรือไมโครเวียแบบซ้อนกันหรือเรียงแบบเยื้องกัน —เนื่องจากเพิ่มความเสี่ยงต่อความไม่สอดคล้องกันของการขยายตัวตามแกน Z (CTE) และการสะสมของแรงเครียด จึงควรใช้วัสดุพรีเพร็กที่มีความคงตัวทางมิติและสามารถเจาะด้วยเลเซอร์ได้ หรือฟิล์ม ABF (Ajinomoto Build-up Film) ซึ่งเหมาะกว่าในการจัดการปัญหานี้  

ไมโครเวียที่เติมทองแดงเทียบกับไมโครเวียที่ไม่เติมทองแดง

ไมโครเวียที่เติมทองแดงและปิดผนึกด้วยฝาครอบ  มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับแผงวงจรที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง โดยเฉพาะเมื่อนำมาใช้เป็นไมโครเวียแบบฝังในพื้นที่จุดเชื่อม (via-in-pad) สำหรับ BGA หรือ CSP ที่มีระยะห่างระหว่างขาต่ำมาก หรือเมื่อซ้อนไมโครเวียเพื่อให้ได้ความหนาแน่นแนวตั้งสูงสุด

การออกแบบไมโครเวียให้มีความน่าเชื่อถือ: แนวทางปฏิบัติ ข้อบกพร่อง และการทดสอบ

ความน่าเชื่อถือของไมโครเวีย  มีความสำคัญสูงสุดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้งานในภารกิจสำคัญยิ่ง ความสำเร็จขึ้นอยู่กับการผสมผสานอย่างลงตัวระหว่างการออกแบบ วัสดุ การผลิต และการตรวจสอบ นี่คือสิ่งที่นักออกแบบและผู้ผลิตแผงวงจรทุกคนจำเป็นต้องรู้

กลไกหลักที่ทำให้ไมโครเวียล้มเหลว

รอยร้าวตามแนวผนังของไมโครเวีย: มักเริ่มต้นที่บริเวณรอยต่อโค้งคม หรือบริเวณที่อัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง (aspect ratio) สูงเกินไป

รอยร้าวที่มุม (บริเวณรอยต่อระหว่างแผ่นรับสัญญาณกับแผ่นรับปลายทาง) : เกี่ยวข้องกับการขยายตัวตามแกน Z (ความไม่สอดคล้องของ CTE) ระหว่างกระบวนการรีฟโลว์

การดึงแผ่นทองแดงออกจากรูปแบบเป้าหมาย : เกิดขึ้นเมื่อขนาดแผ่นทองแดงเล็กเกินไป หรือการยึดเกาะไม่ดี

การจัดตำแหน่งผิดพลาด : ทั้งในกรณีรูต่อแผ่นทองแดง หรือชั้นต่อชั้น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับไมโครเวียที่จัดเรียงซ้อนกัน

โพรงของทองแดง : การชุบเคลือบไม่สม่ำเสมอ สารเติมแต่งผิดพลาด หรือก๊าซติดค้างระหว่างกระบวนการเติม

ไมโครเวียที่แฝงอยู่ ("เปิด") : เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า Tg การเปลี่ยนสถานะของวัสดุชนิดแก้วอาจทำให้รอยร้าวจุลภาคกลับมาเชื่อมต่อกันเองได้ จึงซ่อนข้อบกพร่องไว้ขณะทดสอบที่อุณหภูมิห้อง แต่ข้อบกพร่องจะปรากฏขึ้นภายใต้สภาวะการใช้งานจริง

หกข้อแนะนำสำหรับการออกแบบไมโครเวียที่แข็งแรง

• เลือกวัสดุไดอิเล็กทริกที่เข้ากันได้กับการเจาะด้วยเลเซอร์: วัสดุฐานกระจกแบบกระจายหรือเรียบ (เช่น 1035, 1067, 1086); ระบบเรซิน เช่น Isola FR408HR และฟิล์ม ABF สำหรับการสร้างชั้น
• ปฏิบัติตามอัตราส่วนด้านและข้อกำหนดเกี่ยวกับแผ่นรองตามมาตรฐาน IPC-T-50M: ≤อัตราส่วนที่แนะนำคือ 0.75:1; เส้นผ่านศูนย์กลางของแผ่นรอง ≥80% ของเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเชื่อม
• จัดเรียงไมโครไวอาแบบสลับกันเหนือไมโครไวอาแบบซ้อนกันให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้: ช่วยลดแรงเครียดและความเสี่ยงของการเกิดโพรงหรือรอยแตก; ระยะเลื่อนแบบสลับควรมากกว่า 0.8 มม. (ในองค์ประกอบขนาดเล็กมาก)
• เลือกการจัดเรียงชั้นแบบ IPC-2226 ที่เหมาะสม: ประเภทที่ 1: รูเชื่อมแบบบลายนด์ + รูเชื่อมแบบเปิดด้านเดียว, ประเภทที่ 2: รูเชื่อมแบบบลายนด์ รูเชื่อมแบบเบอรีด และรูเชื่อมแบบเปิดด้านเดียว, ประเภทที่ 3: การสร้างหลายชั้นพร้อมรูเชื่อมแบบซ้อนกัน/สลับกัน
• การพัฒนาหมึกป้องกันการประสาน: เป้าหมายคือไม่มีช่องว่าง (0 มิล)
• รักษาตำแหน่งและการวางเส้นทางของคูปอง D ระดับพาเนล: จำเป็นสำหรับการตรวจสอบหลังการผลิต

รูปแบบที่ทนทานรวมแนวคิด 'การตรวจสอบระหว่างการสร้าง' — ไมโครไวอาคุณภาพสูงเริ่มต้นจากการจัดเรียงชั้นผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสม และสิ้นสุดด้วยการทดสอบคูปอง D ที่สามารถติดตามแหล่งที่มาได้" — ผู้จัดการคุณภาพสูงสุดด้าน HDI, Global Circuits

เทคนิคการตรวจสอบไมโครไวอา (IPC-TM-650)

ข้อด้อยและข้อได้เปรียบของแผงวงจรพิมพ์แบบไมโครเวีย

ประโยชน์อันทรงคุณค่า

การย่อส่วนที่เหนือกว่าใคร: รองรับโครงสร้าง HDI แบบหลายชั้นที่มีจำนวนขาเข้า-ออก (I/O) เพิ่มขึ้นอย่างมากในพื้นที่ขนาดเล็ก

ความแม่นยำของสัญญาณที่สูงขึ้น: ไมโครเวียที่เจาะด้วยเลเซอร์ช่วยลดส่วนปลายสัญญาณ (stubs) และปฏิกิริยาทางไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ (parasitics) ซึ่งสำคัญยิ่งต่อการเดินสายสัญญาณความเร็วสูงและสูญเสียน้อย (DDR, RF, SerDes)

การจัดการความร้อน: ช่องทางถ่ายเทความร้อนในแนวตั้งที่เชื่อถือได้ ซึ่งมีความสำคัญต่อระบบที่ปล่อยความร้อนสูง (เช่น วงจรจ่ายกำลัง หน่วยประมวลผลกลาง CPU หรือ FPGA)

ความยืดหยุ่นในการออกแบบ: รองรับไมโครเวียแบบซ้อนกัน (stacked) แบบสลับตำแหน่ง (staggered) แบบข้ามชั้น (skip) และการวางตำแหน่ง BGA ที่ซับซ้อน

เหมาะสำหรับการประกอบ (เมื่อเติมหรือปิดผนึกแล้ว): การบัดกรีที่แม่นยำสำหรับ BGA/CSP แบบระยะห่างระหว่างขาแคบ โดยใช้รูผ่านแผ่นวงจร (via-in-pad)

ข้อด้อยที่ซ่อนอยู่

ราคา: ต้องใช้เลเซอร์ในการผลิต ต้องเติมหรือปิดผนึกด้วยทองแดง ต้องทำลามิเนตต่อเนื่องกันหลายรอบ และต้องผ่านกระบวนการประเมินคุณภาพหลายขั้นตอน ความซับซ้อนในการผลิต: ต้องลามิเนตหลายครั้ง ต้องจัดแนว D coupon อย่างแม่นยำ ต้องปฏิบัติตามขั้นตอนการประเมินที่เข้มงวดมาก ความเสี่ยงของการสูญเสียสัญญาณสะท้อนกลับ: ทองแดงบางเกินไป รูผ่านแผ่นวงจรไม่เรียงตัวตรง ปัญหาที่ไม่ปรากฏชัดหากควบคุมกระบวนการไม่ดี ความน่าเชื่อถือด้านความร้อนและกลศาสตร์: พื้นที่ผิวสัมผัสมากขึ้น = จุดที่เสี่ยงมากขึ้น (รอยแยกจากความไม่สอดคล้องกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวตามอุณหภูมิ)

กรณีศึกษา: ไมโครเวียช่วยให้เกิดการออกแบบรุ่นถัดไปได้อย่างไร

สถานการณ์ที่ 1: แผงวงจรสำหรับสมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต

ปัญหา: การวางชิป SoC ที่มีจำนวนขาสูง (เช่น BGA ระยะห่างระหว่างขา 0.4 มม.) ด้วยรูผ่านแบบมาตรฐานจะใช้พื้นที่บนแผงวงจรมากเกินไป ซึ่งไม่สามารถทำได้ในสมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ที่มีความบางมาก

วิธีแก้ปัญหา: ใช้เทคโนโลยีแผงวงจร HDI แบบไมโครเวีย  (การจัดเรียงแบบชนิดที่ II/III โดยส่วนใหญ่ใช้ไมโครเวียที่เติมและปิดผนึกแล้ว หรือจัดเรียงแบบขั้นบันได) ทำให้สามารถซ่อนขา BGA ได้โดยตรง — ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าดีขึ้น ลดการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และรองรับแผงวงจรพิมพ์แบบหลายหน้าที่ที่มีความหนาน้อยกว่า 1 มิลลิเมตร

สถานการณ์ที่ 2: หน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับยานยนต์ (ECU)

ความต้องการ: ความทนทานสูงภายใต้สภาวะที่รุนแรง ตั้งแต่ -40 ° °C ถึง 125 ° °C

ทางเลือกอื่น:

ไมโครเวียที่เติมและปิดผนึกแล้วในโครงสร้าง HDI (ชนิดที่ III) พร้อมกรอบการเชื่อมต่อแบบผ่านชั้นซ้อนกันสองชั้นที่มีความแม่นยำสูง

การตรวจสอบอย่างละเอียดด้วย D-coupon และการทดสอบความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (ตามมาตรฐาน IPC-TM-650)

ผลลัพธ์สุดท้าย:  อัตราการเสียหายของพื้นที่น้อยกว่า 0.5% — ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงซ้ำๆ และต่อการสั่นสะเทือน

สถานการณ์ที่ 3: อุปกรณ์เครือข่ายความเร็วสูง

ประวัติศาสตร์: FPGA แบบ BGA ระยะห่างระหว่างขาแคบมาก และ SerDes ความเร็วสูง

ข้อได้เปรียบลับ:

ไมโครเวียแบบเรียงซ้อน ที่ถูกเติมและปิดผนึกในบริเวณพื้นที่ของพาด (via-in-pad) ทำให้สามารถสร้างกราฟตา (eye-diagram) ที่เชื่อถือได้ที่ความเร็วสูงกว่า 30 Gbps โดยมีการสูญเสียสัญญาณสะท้อนต่ำสุด (VSWR < 1.2:1)

เพิ่มความยืดหยุ่นในการจัดวางเส้นทางสัญญาณ ลดการรบกวนระหว่างสัญญาณ (crosstalk) และระบายความร้อนได้ดีขึ้นอย่างมาก

ตัวอย่างการจัดชั้นแผงวงจร HDI และไมโครเวีย

เพื่อเข้าใจว่าการจัดชั้นแบบ HDI และโครงสร้างไมโครเวียสนับสนุนรูปแบบแผงวงจรรุ่นถัดไปได้อย่างไร โปรดพิจารณาการจัดชั้นที่มีประโยชน์เหล่านี้:

คำถามที่พบบ่อย

ด้านล่างนี้คือคำถามที่มักถามกันบ่อยเกี่ยวกับไมโครเวียและประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือของแผงวงจรพิมพ์แบบ HDI

คำถาม: อะไรคือสาเหตุหลักที่ทำให้ไมโครเวียเสียหายระหว่างการรีฟโลว์?  

คำตอบ: ปัจจัยหลักได้แก่ การขยายตัวตามแนวแกน Z (ความไม่เท่าเทียมกันของสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงความร้อน), พื้นผิวการยึดเกาะที่อ่อนแอระหว่างแผ่นรองรับกับแผ่นเป้าหมาย และพื้นที่ทองแดงที่ไม่เพียงพอหรือการเติมวัสดุไม่สมบูรณ์ ไมโครเวียแบบซ้อนกันจะอยู่ในภาวะเสี่ยงสูงโดยเฉพาะเมื่ออัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเกินเกณฑ์หรือการเติมวัสดุไม่ดีพอ

คำถาม: การใช้ไมโครเวียแบบอัดแน่นและปิดผนึกช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือหรือไม่?  

คำตอบ: ใช่ ไมโครเวียที่เติมวัสดุแล้วปิดผนึกมีความสำคัญยิ่งสำหรับการวางเวียไว้ตรงกลางแผ่นวงจร (via-in-pad) การจัดวางแบบหนาแน่น และการเชื่อมต่อ BGA ที่ต้องการความแม่นยำสูง เพราะช่วยป้องกันไม่ให้เนื้อเชื่อมไหลซึมเข้าไปในเวีย ป้องกันแผ่นวงจรยุบตัว และทนต่อรอยแยกที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ

คำถาม: อัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางที่เหมาะสมสำหรับไมโครเวียในแผงวงจรพิมพ์แบบ HDI คือเท่าใด?  แผงวงจรพิมพ์แบบ HDI?  

คำตอบ: ให้ปฏิบัติตามมาตรฐาน IPC-2226 และ IPC-T-50M: ≤ อัตราส่วน 0.75:1 สำหรับความน่าเชื่อถือสูงสุด, อัตราส่วน 1:1 ใช้ได้เฉพาะกับไมโครเวียขนาด 6 มิล ≤ อัตราส่วนที่สูงกว่านั้นเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดช่องว่าง แรงดึง และการสะสมความเค้น

คำถาม: การประเมินความน่าเชื่อถือของไมโครเวียทำได้อย่างง่ายดายเพียงใด

คำตอบ: ใช้การติดตามค่าความต้านทานของดี-คูปองตลอดกระบวนการจำลองการไหลละลาย (IPC-TM-650 2.6.27) และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง (-55 ° °C ถึง +210 ° °C ตามมาตรฐาน IPC-TM-650 2.6.7.2) การวิเคราะห์ภาคตัดขวางจุลทรรศน์ หรือการทดสอบ HATS (การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงแบบเร่งพิเศษ)

คำถาม: แนวทางการออกแบบโครงสร้างไมโครเวียแบบซ้อนกันมีผลต่อประสิทธิภาพที่ยั่งยืนอย่างเฉพาะเจาะจงอย่างไร  

คำตอบ: โครงสร้างแบบสลับตำแหน่งช่วยกระจายความร้อนและแรงดึงได้ดีกว่ามาก ส่วนโครงสร้างแบบซ้อนกันควรเติมวัสดุให้เต็มและปิดผนึกเสมอ ระยะห่างระหว่างส่วนประกอบ และสัดส่วนของแผ่นรองกับไมโครเวีย มีความสำคัญต่อการป้องกันการแยกตัวของพื้นผิวสัมผัสผู้ใช้ หรือข้อบกพร่องที่อาจเกิดขึ้นภายหลัง

คำถาม: เกณฑ์ของ IPC สำหรับแผงวงจรพิมพ์ที่ใช้ไมโครเวียคืออะไร

คำตอบ: โดยหลักคือ IPC-2226 (โครงสร้าง HDI และรูปแบบไมโครเวีย), IPC-2221 (คูปองและการทดสอบ), IPC-T-50M (นิยามศัพท์), IPC-TM-650 2.6.27 และ 2.6.7.2 (วิธีการทดสอบและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรง)

คำถาม: ไมโครเวียเหมาะสมสำหรับการจัดการพลังงานและอุณหภูมิหรือไม่  

คำตอบ: ใช่ ไมโครเวียที่เติมทองแดงมักนำมาใช้เป็นไมโครเวียระบายความร้อนแนวตั้งใต้ชิ้นส่วน QFN, BGA และอุปกรณ์จ่ายกำลัง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการกระจายความร้อน