Що таке мікровії на друкованих платівках?

Мікровії та HDI: методики форматування друкованих плат для надійних електронних пристроїв

Що таке мікровії на друкованих платівках?

Підсумок від Meta:  Розкрийте таємниці надійності мікровій та Hdi pcb стилю. Дізнайтеся про мікровії, пробурені лазером, конструкції з накопиченими та «неочікуваними» (staggered) віями, механізми виходу мікровій з ладу, ринкові стандарти (IPC-2226, IPC-TM-650) та професійні технології виробництва довговічних плат з високою щільністю монтажу.

Вступ: трансформація проектування друкованих плат за допомогою мікровій та технології HDI

Друковані плати (PCB) — це тихі, складні «автомагістралі» сучасних електронних пристроїв: вони з’єднують компоненти, забезпечують їх живленням і роблять можливим функціонування всього — від побутових смартфонів до медичного обладнання й супутників. Оскільки попит на менші, швидші й надійніші цифрові пристрої стрімко зріс, галузь проектування PCB також зазнала значної еволюції. З’явилися мікровії та плати з високою щільністю монтажу (HDI) (HDI) PCB сучасні інновації  справді помітив важливий зсув у тому, як сучасні схеми виробляються, мініатюризуються та застосовуються в швидкодіючих системах із високою надійністю.

Мікровії — ці маленькі міжз’єднання з міддю, пробиті лазером — можуть мати розмір лише соті міліметра, проте саме вони дозволили підвищити потужність і ефективність сьогоднішньої надкомпактної електроніки. Завдяки забезпеченню щільнішого розташування компонентів, тонкопітчових сферичних сітчастих корпусів (BGA) та швидкого, низьковтратного маршрутизації сигналів мікровії справді є героями мініатюризації друкованих плат. Більше того, розуміння мікровій сьогодні є обов’язковим для забезпечення стійкості проти термічних циклів, пошкоджень, спричинених процесом паяння у печах, та тривалої надійності  у складних або критичних за призначенням середовищах.

Тим не менш, разом із цією технологією приходять деталі й складності. Надійність мікровій  залежить від розуміння новітніх матеріалів, методів заповнення, покриття та критеріїв тестування. Проблеми, такі як розломи стінок отворів, розриви мідних шарів та відшарування контактних площадок -вийде помилка, якщо ви не дотримуєтесь ідеальної структури шарів, не підтримуєте потрібний відсоток елементів або не обираєте оптимальні технологічні процеси й коди купонів для оцінки згідно з IPC-2226, IPC-T-50M та IPC-TM-650  критеріями.

Що таке вії в друкованих платках?

У світі проектування друкованих платок (PCB) вія — це ключова структура, що забезпечує електричне з’єднання між шарами материнської плати. Хоча концепція проста, вії бувають різних типів — кожен з них оптимізований під певні вимоги у високощільних або високошвидкісних схемах.

Базова структура вії в друкованій платці

Звичайна вія складається з круглого отвору  просвердленого у ламінованій структурі друкованої платки, внутрішня поверхня якого покрита електропровідною міддю для з’єднання провідників між різними шарами. Традиційні скрізь-отвори проходять від верхнього до нижнього шару платки й з’єднують усі шари. Проте з посиленням мініатюризації інструментів було розроблено просунуті типи вій — сліпі, закриті та мікровії — для щільнішого розміщення компонентів і поліпшення цілісності сигналу.

Чому виникають проблеми з віами?

Сучасні цифрові потреби — більша товщина вводу/виводу, BGA з малим кроком і щільніше розташування шарів — змушують розробників вийти за межі простих скрізних віамів. Прагнення до менших, тонших і швидших пристроїв спричинило перехід до мікровіамів і HDI-структурування, де важливий кожен квадратний міліметр, а кожне з’єднання впливає на теплове управління, стабільність сигналу й тривалу надійність.

Типи мікровій на друкованих платках

Сліпі вії на друкованих платках

Сліпі вивідні отвори  пробиваються з зовнішнього шару до кількох внутрішніх шарів, але не наскрізь через усю друковану плату. Вони є критичними для HDI PCBs  з’єднання щільно розташованих поверхневих компонентів із внутрішніми трасами без займання цінного простору на платі.

Переваги сліпих вій:

Ефективність використання простору: забезпечують вільне місце на внутрішніх шарах для трасування високої щільності.

RF/сигнальна безпека: зменшують довжину «стабів», що сприяє значно кращій продуктивності на високих частотах.

Повернення виробництва: знижують ризик деформації та зміщення шарів під час ламінування.

Застосування:  Сліпі вії широко використовуються в мобільних телефонах, планшетах, ноутбуках та будь-яких інших пристроях із компонентами з малим кроком і компактними конструкціями.

Закриті вії на друкованих платках

Сюрприз-переходні отвори  з’єднують внутрішні шари друкованої плати, але ні  не виходять на зовнішні поверхні. Вони повністю інтегровані всередині плати.

Переваги та сфери застосування:

Дозволяють складні міжшарові з’єднання без впливу на поверхню.

Дозволяють значно збільшити кількість передавальних каналів для BGA з великою кількістю виводів.

Поради щодо виготовлення:  Сховані переходні отвори вимагають кількох операцій ламінування, що підвищує складність виробництва й збільшує вартість. Необхідна точна реєстрація, щоб уникнути помилок неправильного вирівнювання.

Мікроперехідні отвори: структура HDI

Мікровії  — це малі отвори, пробиті лазером, з типовим діаметром 80–100 μ м (0,003–0,006″ або ≤ 6 мил). Вони зазвичай з’єднують лише сусідні шари — ідеально підходять для технологій «build-up» у платах HDI.

Технічні відомості:

Співвідношення сторін: ≤ 0,75:1 (глибина : діаметр); за критеріями IPC-T-50M, ≤ 1:1 при використанні ≤ 6 мил.

Лазерне свердлення: Дозволяє точно розміщувати, створювати та накладати або розташовувати мікровії у шаховому порядку.

Заповнені й закриті вії: Зазвичай заповнюються міддю для підвищення міцності; «закриті», якщо вія використовується як паяльна площадка (Via-in-Pad).

Накладені проти шахових мікровії

Накопичені мікровії  розташовані вертикально, з’єднуючи всі накопичувальні шари. Зацикливі мікровії  збалансовані в кожному шарі, з короткими контактними слідами між ними.

IPC-2226  визначає типи стекапів, стандарти заповнення/закриття та геометрію мікровій для обох типів.

Інші відомі типи мікровій.

Заповнені й загерметизовані мікровії: для стилів «вія в паді» слід забезпечити міцність/копланарність.

Пропущені вії: з’єднують несуміжні шари, пропускаючи кілька інших шарів.

Сквозні отвори (PTH): для з’єднувачів та механічної надійності.

Функція мікровій у стилях HDI-друкованих плат.

Багатошарове монтажне з'єднання (HDI)  технологія покращує концепцію, згідно з якою кожне використання та трасування має забезпечувати оптимальну функціональність у мінімальному просторі. Мікровії  мікровії є основним елементом цього підходу, що дозволяє розробникам подолати обмеження звичайних сквозних вій і досягти надзвичайної щільності схем.

Типи HDI-стекапів (IPC-2226).

Чому мікровії є життєво важливими для HDI

Мініатюризація: Передають сигнали від компонентів з надтонким кроком (крок < 0,8 мм) у компактних корпусах.

Цілісність Сигналу: Коротші мікровії, виготовлені лазерним свердленням, мають нижчу індуктивність та паразитну ємність — це критично важливо для схем DDR, РЧ та високошвидкісних рішень.

Тепловий менеджмент:  Мікровії проводять тепло у вертикальному напрямку, що дозволяє реалізовувати ефективні стратегії відведення тепла. —часто використовуються як теплові вії під ІС, що генерують тепло.

Зменшений кросстолк:  Мікровії, заповнені міддю та чітко вирівняні, зменшують непередбачене зв’язування між сусідніми сигналами.

"У HDI мікровія — це ваш хірургічний інструмент —точний, надійний і обов’язковий для виведення високошвидкісних, високощільних сигналів", — каже спеціаліст з проектування HDI.

Як виготовлюють мікровії? Виробництво та виготовлення

Етапи виготовлення

• Підготовка підкладки: підготувати високоякісний діелектричний матеріал, придатний для лазерного свердлення (наприклад, Isola FR408HR, FR370HR, Nelco N7000-2HT або плівки ABF для накопичення), із розподіленим/рівним склом (типи 1035, 1067).
• Процес лазерного свердлення:

Передсвердлення: перевірити ламінування, позначити цільові/захоплювальні площадки, забезпечити точну реєстрацію.

Лазерне свердлення: використовувати УФ-або CO2-лазер для ≤6 мільйонів отворів; точний контроль конусності та експозиції контактної площадки.

Після свердлення: очищення абляцією, оцінка якості отворів, перевірка на наявність залишків або уламків скловолокна.

• Десмерінг: видалення смоли та скла, що залишилися в стінках мікровіа після лазерної абляції, щоб забезпечити надійне зчеплення міді.
• Металізація (мідне покриття):

Хімічне осадження міді як початкового шару

Електролітичне мідне покриття (конформне або імпульсне) для повного заповнення —зокрема для мікровіа типу via-in-pad. Додатки зменшують утворення порожнин.

Заповнені й закриті мікровіа покривають міддю до рівня поверхні (іноді з мідним ковпачком для забезпечення здатності до паяння).

• Контроль якості:

Виготовлення поперечних перерізів, мікроеталеве випробування на наявність порожнин, проблеми з адгезією та однорідність товщини мідного шару.

Виготовлення зразків D-купонів за додатком B до стандарту IPC-2221 для випробувань на надійність.

Ключові виробничі параметри

Співвідношення глибини до діаметра мікровіа:  Як передбачено IPC-T-50M , співвідношення глибини до діаметра не повинно перевищувати 0,75:1 —або 1:1 для віа ≤6 мил —для забезпечення надійного мідного покриття та запобігання утворенню тонких стінок або порожнин у нижній частині. Високі значення співвідношення глибини до діаметра збільшують ризик неповного заповнення міддю, зниження надійності або утворення мідних порожнин, особливо під час термічних циклів у процесі збирання.  

Допуск регістрації:  Правильне вирівнювання ( ±2–4 милі) між отвором, пробитим лазером, і контактною/цільовою площадкою є критичним. Невідповідність розташування може призвести до відокремлення меж фаз, розімкнених кіл, прихованих дефектів або підвищеного ризику відмов під час паяння.  

Діаметр контактної площадки: Контактна площадка має становити ≥80 % діаметра мікровіа, як передбачено найкращими настановами з проектування мікровіа . Таке співвідношення забезпечує міцне зчеплення міді та зменшує ризик тріщин у кутах або відшарування площадки під час термічного циклювання чи механічних навантажень.

Зазор для паяльної маски: нульове розширення паяльної маски  рекомендовано навколо мікровіа, особливо на платах HDI, щоб мінімізувати ризик перекриття або невідповідності розташування паяльної маски, що може погіршити опір і вихід придатних виробів.

Послідовне ламінування кількість циклів ламінування —є критичною для закладених віа, а також для стекованих або зміщених мікровіа —вводять додатковий ризик неузгодженості розширення за віссю Z (CTE) та концентрації напружень. Для керування цим переважно використовують попередньо пропитані матеріали з високою стабільністю розмірів та придатні до лазерного свердлення або плівку ABF (Ajinomoto Build-up Film).  

Мікроотвори з мідним заповненням проти незаповнених мікроотворів

Мікровії, заповнені й закриті міддю  є обов’язковими для плат з високою надійністю, особливо коли використовуються як вії-у-паді для BGA або CSP з малим кроком виводів, або коли мікровії укладаються один на одного для максимальної вертикальної щільності.

Проектування надійних мікровіїв: рекомендації, дефекти та випробування

Надійність мікровіїв  має першочергове значення для електроніки критичного призначення. Успіх визначається взаємодією проектування, матеріалів, виробництва та контролю. Ось що мають знати кожен проектувальник і виготовлювач:

Основні механізми відмов мікровіїв

Тріщини у бочкоподібних елементах: Зазвичай починаються в гострих переходах філетів або там, де співвідношення сторін надто високе.

Тріщини в кутах (інтерфейс між захоплювальним і цільовим контактними площадками) : Пов’язані з розширенням у напрямку осі Z (розбіжність КТР) під час процесу паяння у пічці.

Витягнення цільової контактної площадки : Виникає, якщо розмір площадки надто малий або адгезія недостатня.

Невідповідність розташування : Або «отвір–до–площадки», або «шар–до–шару»; має критичне значення для накладених мікровій.

Порожнини в міді : Недостатнє металопокриття, несправні добавки або затримка газу під час заповнення.

Латентні («розімкнені») мікровії при температурі вище Tg скло може зазнавати переходу, що дозволяє мікротріщинам самовідновлюватися — це приховує дефекти під час тестування за кімнатної температури, але вони проявляються в умовах експлуатації.

Шість порад щодо стійкого проектування мікровіа

• Оберіть діелектрик, сумісний із лазерним свердленням: розподілене скло / плоске скло (наприклад, 1035, 1067, 1086); смолисті системи, такі як Isola FR408HR, плівки ABF для накопичення.
• Дотримуйтесь співвідношення сторін і вимог до контактних площадок за IPC-T-50M: ≤бажане співвідношення — 0,75:1; діаметр площадки ≥80 % діаметра віа.
• За можливості розташовуйте мікровіа у зміщеному порядку замість укладених: це зменшує напруження та ризик утворення порожнин або тріщин; зміщення має перевищувати 0,8 мм (у випадках з дуже малими розмірами).
• Оберіть відповідну структуру шарів за IPC-2226: Тип I — сліпі + з’єднані. Тип II — сліпі, закладені, з’єднані. Тип III — кілька шарів накопичення + укладені / зміщені.
• Удосконалення маски для паяння: мета — відсутність зазору (0 мил).
• Зберігайте розміщення / трасування D-відомості на рівні панелі: потрібно для контролю після виготовлення.

Стійкий формат інтегрує підхід «перевірка під час створення»: надійні мікровії починаються з відповідного набору шарів продукту й завершуються перевіркою D-купонів із можливістю відстеження». — Керівник відділу високоякісних HDI, Global Circuits.

Методи перевірки мікровій (IPC-TM-650)

Негативні аспекти та переваги друкованих плат із мікровіями.

Значні переваги.

Неперевершена мініатюризація: Дозволяє багатошарові HDI-конструкції з набагато більшою кількістю входів/виходів у компактних габаритах.

Підвищена чесність сигналу: мікровії, виготовлені лазерним свердлом, зменшують «залишки» та паразитні ефекти — це критично важливо для трасування на високих швидкостях із низькими втратами (DDR, RF, SerDes).

Термокерування: надійне вертикальне відведення тепла; має ключове значення у теплонавантажених рішеннях (джерела живлення, CPU, FPGA).

Гнучкість компонування: підтримка насаджених, ступінчастих, пропущених вій та складних BGA-розводок.

Зручність збирання (при заповненні/закритті): чесне паяння для BGA/CSP із малим кроком завдяки використанню вій у межах контактної площадки.

Приховані негативні аспекти

Вартість: лазерне свердлення, заповнення/закриття міддю, багаторазова ламінація та цикли перевірки суттєво збільшують витрати. Складність виробництва: кілька етапів ламінації, точне спрямування D-купонів, жорсткі вимоги до контролю якості. Ризик втрат при відбитті: тонкий мідний шар, невирівняні вії, непомічені дефекти за поганого контролю процесу. Термомеханічна надійність: більше інтерфейсів — більше потенційних зон руйнування (розподіли через неузгодженість коефіцієнтів теплового розширення).

Приклади практичного застосування: де мікровії дозволяють реалізувати технології нового покоління

Ситуація 1: Плати системних плат мобільних телефонів та планшетних комп’ютерів

Проблема: Для програмування SoC-модулів із великою кількістю виводів (наприклад, BGA з кроком 0.4 мм) стандартні скрізні отвори займають надто багато площі друкованої плати; це неприйнятно для сучасних тонких телефонів.

Послуга: Методи HDI-друкованих плат із мікровіями  (Конфігурації шарів типу II/III, переважно заповнені/закриті та розташовані у шаховому порядку мікровії) дозволили безпосереднє приховування контактів BGA — що підвищує електричну ефективність, зменшує ЕМІ та забезпечує багатофункціональні друковані плати товщиною < 1 мм.

Ситуація 2: Автомобільні електронні блоки керування (ECU).

Вимоги: Висока надійність у жорстких умовах експлуатації від −40 ° °C до 125 ° °C.

Альтернатива:

Заповнені й закриті мікровії в HDI-структурі (тип III) із несподіваною подвійною стековою конфігурацією скрізних отворів.

Розширене тестування зразків D-coupon та випробування на термічний удар (за IPC-TM-650).

Результат:  < 0,5 % площі з низькими показниками; стійкий під час інтенсивного термічного циклювання та резонансу.

Сценарій 3: Апаратне забезпечення для мережі високої швидкості.

ІСТОРИЯ: FPGA з дрібним кроком BGA, високошвидкісні SerDes.

Секретна перевага:

Зміщені мікровії, заповнені/закриті у вії-ін-пад; забезпечують надійні діаграми «ока» з пропускною здатністю > 30 Гбіт/с і мінімальними втратами відбиття (VSWR < 1,2:1).

Покращена гнучкість трасування, знижений крос-тalking та значно краще відведення тепла.

Приклади стекапів HDI та мікровійних друкованих плат.

Щоб уявити, як стекапи HDI та архітектури мікровій дозволяють створювати друковані плати нового покоління, розгляньте такі корисні конфігурації шарів:

Поширені запитання

Нижче наведено деякі поширені запитання щодо надійності мікровій та друкованих плат високої щільності (HDI):

П: Що викликає найпоширеніші відмови мікровій під час процесу паяння у пічі?  

В: Основними причинами є розширення у напрямку осі Z (нерівність коефіцієнтів теплового розширення), слабке з’єднання на межі контактної/цільової площадки та недостатній об’єм міді або неповне заповнення. Накопичені мікровії особливо підлягають ризику, якщо їх співвідношення діаметра до глибини перевищує допустиме значення або вони погано заповнені.

П: Чи покращує використання заповнених і закритих мікровій надійність?  

В: Так. Заповнені та закриті мікровії є життєво важливими для конструкцій типу «via-in-pad», щільних розташувань компонентів та виводів BGA. Вони запобігають капілярному втягуванню припою, обвалу площадок і витримують розтріщини, спричинені термічним циклюванням.

П: Яке оптимальне співвідношення діаметра до глибини для мікровій у платах HDI  ? 

A: Дотримуватися IPC-2226 та IPC-T-50M: ≤ 0,75:1 для оптимальної точності, 1:1 лише для ≤ мікровій діаметром 6 міл. Збільшення співвідношення сторін підвищує ризик утворення порожнин та концентрації напружень і деформацій.

П: Як саме оцінюється надійність мікровій?

В: Використовувати вимірювання опору зразків D-coupon під час симульованого процесу паяння (IPC-TM-650 2.6.27), циклічне термічне ударне навантаження (-55 ° °C до +210 ° °C за IPC-TM-650 2.6.7.2), мікропереріз або HATS (дійсно прискорене термічне ударне навантаження).

П: Як саме рекомендації щодо компонування мікровій впливають на тривалу ефективність?  

В: Зміщені стеки краще розподіляють тепло й напруження; накопичені вії завжди мають бути заповненими/закритими. Відстань між елементами та співвідношення площі контактної площадки до діаметра вії мають ключове значення для запобігання розшаруванню міжшарового інтерфейсу чи прихованим дефектам.

П: Які критерії IPC стосуються друкованих плат із мікровіями?

В: Переважно IPC-2226 (компонування HDI / типи вій), IPC-2221 (зразки / випробування), IPC-T-50M (визначення термінів), IPC-TM-650 2.6.27 та 2.6.7.2 (випробування / термічне ударне навантаження).

П: Чи є мікровії підходящими для управління живленням/теплом?  

В: Так, мікровії, заповнені міддю, зазвичай використовують як вертикальні теплові вії під корпусами QFN, BGA та потужними пристроями для покращення теплообміну.