Слепи и скрити преходи в дизайна на PCB: Ръководство за производителите

Въведение към слепи и скрити преходи

В бързо развиващия се свят на електрониката, с нарастващото търсене на високотехнологични хардуерни продукти, нуждата от миниатюризация, по-висока производителност и по-сложни функции на по-малки платки никога не е била по-голяма. Конструкторите и производителите на PCB също са изправени пред нови предизвикателства, докато се стремят да включат максимално възможната функционалност във всеки квадратен милиметър. Това предизвикателство доведе до използването на скрити и вградени преходи в HDI PCB и многослойни PCB конструкции. Тези скрити преходи позволяват безпрецедентна оптимизация на пространството, по-плътни схемни оформления и напреднала цялостност на сигнала. Като опитен производител на платки, LHD TECH е наблюдавала еволюцията на своите обработващи и производствени възможности заедно с обновленията на пазарните продукти през последните 20 години. От оптимизацията на системата до прецизните производствени възможности на оборудването и ефективното управление на производствения екип, всичко върви в крак с изискванията на времето.

Нека се върнем към самата тема технология, но какво точно са тези виаси в дизайна на PCB? Как се създават слепите и скритите виаси? В сравнение с традиционния процес с чрезходни отвори, в кои сфери те са по-силни и за коя аудитория са предназначени? В това изчерпателно ръководство ще се задълбочим в технологията и ще разгадаем тайните на слепите и скритите виаси, ще изследваме начина, по който ги използват опитни производители на PCB, и ще покажем как те предлагат значителни предимства за следващия ви сложен дизайн на PCB.

Ролята на виасите в дизайна на PCB

Нека първо да разгледаме процеса на виаси в PCB. От гледна точка на основните принципи, виасите в PCB са електрическите връзки, които свързват различните слоеве на PCB заедно. Всеки многослойен PCB — от прости 4-слоеви платки до сложни стакове с 30+ слоя — разчита на виаси, за да прехвърля сигнали, захранване и заземяване между външния слой на PCB и вътрешните слоеве на PCB.

Защо се използват виаси?

• Виасите свързват външен слой с вътрешни слоеве за гъвкаво трасиране.
• Виите са металлизирани с мед, създавайки електрически проводим път между слоевете на PCB.
• Виите често се използват за намаляване на дължината на сигнала, подобряване на цялостта на сигнала и оптимизиране на пространството на платката.
• Използването на слепи и скрити вии позволява на инженерите значително да намалят общия размер на PCB и броя на необходимите чрезходови вии.

Въз основа на горното разбиране при съвременните HDI и многослойни PCB вериги, виите се групират заедно в прецизно планирани структури, за да се постигне баланс между производителност, надеждност и възможности за производство.

Основни принципи: Типове вии в PCB

Колко типа вии има, които обикновено се срещат? Разбирането на различните типове вии е от съществено значение за овладяване на дизайна на PCB и постигане на оптимална производителност на платката.

Тази таблица прави ясно разграничение:

Какво са слепите отвори?

Днес ще говорим за слепи и вградени отвори. Каква точно е структурата и принципът на слепите отвори? Слепият отвор е междуслоен преход, който свързва външния слой на PCB с един или повече вътрешни слоеве, без да преминава до противоположния външен слой. Той е „слеп“, защото е видим и достъпен само от една повърхност. Затова слепите отвори често се използват за намаляване на броя слоеве на PCB.

Основни детайли и предимства

• Слепите отвори свързват горния или долния повърхностен слой с избрани вътрешни слоеве, за да се постигне оптимално използване на наличните трасьови слоеве.
• Слепите отвори не проникват през цялата дебелина на PCB, което не само спестява ценное пространство на платката, но и освобождава противоположните повърхности за други трасета или компоненти.
• Тъй като слепите чужди са пробити само частично през платката, те позволяват по-плътно разположение на веригите и обикновено се използват в HDI PCBs и BGA breakout шаблони, което значително подобрява коефициента на използване на проводниците.
• Слепите чужди обикновено са малки (с диаметър по-малко от 0,15 мм) и съществуват изключително високи изисквания към бурилната техника и оборудването, затова е задължително да се използва прецизен лазер или още по-прецизно механично пробиване.
• Използването на слепи чужди може да намали дебелината на PCB и целта му е да осигури висока плътност на компонентите за съвременните продукти.

Как се пробиват и изработват слепите чужди

Слепите чужди се пробиват по време на определени етапи на ламинация и пробиване. Количеството, позицията и дълбочината им трябва да се контролират, за да се избегне пробиване на непредназначени слоеве. След това се покриват с мед, за да се образуват проводящи пътища. Създаването на слепи чужди изисква внимателна подготовка, за да се предотврати улавянето на въздух в PCB или непълно покритие, осигурявайки здрава надеждност.

Какво са скритите чужди?

За разлика от слепите отвори, скритите отвори не проникват през външния слой на платката. Скрито преходно отверстие е такова, което свързва два или повече вътрешни слоя на PCB и не е видимо или достъпно от нито един от външните слоеве. Те се наричат още скрити преходни отвори, тъй като са „погребани“ между повърхностните слоеве на PCB. Нека научим повече за скритите отвори заедно.

Основни детайли и предимства

• По време на производството скритите преходни отвори се пробиват и металлизират по време на изработването на вътрешни подсборки, преди да бъдат ламинирани външните слоеве.
• От гледна точка на структурата на многослойните платки, скритото преходно отверстие свързва два вътрешни слоя — например слоеве 3 и 4 в 8-слойна PCB — осигурявайки възможности за трасиране, без да заемат площ на повърхността.
• Разликата е, че скритите преходни отвори в дизайна на PCB позволяват на проектиращите да изолират пътищата на сигнала, земята или разпределението на захранването, което значително помага при сложни или смесени сигнали.
• Тъй като скритите преходни отвори не са видими след окончателното ламиниране, голямата им предимство е, че могат да максимизират използването на слоевете на PCB и да намалят възможността за кроскуплър.
• Скритите преходни отвори обикновено се използват в напреднали многослоеви PCB за телекомуникации, аерокосмическа промишленост и високоплътни електронни устройства.

Други типове преходни отвори в PCB

Чрезходови вии

В печатните платки чрез-отвор е отвор, който свързва веригите между различните слоеве на PCB. Тези отвори позволяват предаването на електрически сигнали между слоевете на платката и са един от най-основните и разпространени типове отвори в традиционния дизайн на PCB. Имат следните характеристики:

• Свързват цялата структура на PCB отгоре додолу.
• Използват се за стандартни многослоеви PCB, изводи на компоненти и свързващи елементи.
• Заемат повече пространство и могат да ограничат трасирането при висока плътност.

Микро отвори

Микровиите са преходни отвори с много малък диаметър, обикновено 0,1 мм или по-малък, и често се използват в различни конструкционни слоеве на високоплътни свързани (HDI) печатни платки. Те притежават следните характеристики:

• Екстремно малки виас, свързващи само съседни слоеве, образувани чрез лазерно аблатиране за HDI PCB.
• Могат да бъдат струпани или разместени и често се използват в плътни конструкции за смартфони, носими устройства или медицински уреди.
• Изискват напреднало производство и инспекция от страна на опитни производители на печатни платки.

Сравнителна таблица: Слепи, Закрити и Преходни отвори

Защо да използваме скрити и вградени преходни отвори? Предимства и ограничения

В тази глава се фокусираме върху скрити и вградени отвори. При проектирането на продуктовите изисквания, какви предимства и ограничения имат скритите и вградените преходни отвори? Нека заедно направим обобщение и различаване.

Предимства на скритите и вградените преходни отвори

• Оптимизация на пространството: В сравнение с дизайн чрез отвори, това намалява размера и дебелината на платката, позволявайки по-голям брой компоненти и проводници на по-малко пространство.
• Изолация на сигнали: Той не само може да изолира критични сигнали или захранващи площини, но също така да ги екранира от ЕМИ/взаимни смущения.
• Подобрено трасиране: Виасите свързват външни и вътрешни слоеве на PCB за по-гъвкави и ефективни разположения.
• Сложен дизайн на PCB: Прави възможно използването на плътни BGAs, FPGAs и ИС с фин шаг без рязко увеличаване на броя на слоевете на PCB или площта на платката.
• Използване на слоеве на PCB: Погребаните виаси осигуряват връзки вътре във вътрешните слоеве на PCB, без да заемат място на външните слоеве, намалявайки претоварването и позволявайки разделение на сигнали или захранващи площини по слоеве. Това особено допринася за технологични пробиви в авиационната/комуникационната/медицинската апаратура.
• Подобрена цялостност на сигнала: Използването на скрити и вградени преходи в дизайна на PCB намалява образуването на сигнали-дребнове, минимизирайки отраженията, загубите и електромагнитните смущения, което е от съществено значение за високочестотни и RF вериги.
• Топлинна оптимизация: Ефективното разположение на преходи може да помогне за разпределяне и отвеждане на топлината, намалявайки риска от горещи точки и подобрявайки дългосрочната надеждност при сложни PCB сглобки.

Ограничения на слепите и закопаните виас

• Увеличена производствена сложност: Производството на скрити и вградени преходи изисква допълнителни стъпки за пробиване и ламиниране, което е възможно само с опитни производители на PCB и прецизен контрол на качеството, както и проверка на производствения капацитет на производителя.
• По-висока производствена цена: Всеки допълнителен цикъл на ламиниране, стъпка за запълване или допълнителен преход означава по-висока цена за производство на PCB и по-голямо използване на материали — особено при многослойни PCB и HDI PCB продукти. Поради това цената на PCB продуктите също е относително висока.
• Тестване и инспекция: Слепите и скрити виаси понякога са трудни за инспектиране на дефекти, като изискват напреднали техники като Рентген визуализация за осигуряване на качеството.
• Възможни рискове за надеждност: Ако процесното управление не е перфектно, могат да възникнат рискове като затворен въздух в платката, непълно медно галванизиране или разслояване.

Производствен процес: Създаване на скрити и вградени виаси

Преглед

The производство на ПЛС процесът на създаване на скрити и вградени преходни отвори на PCB е сложен и прецизен. Въпреки това, производственият процес на тези преходни отвори има голямо значение за подобряване на производителността на PCB, намаляване на броя слоеве на платката и увеличаване на използването на пространството.

1. Конструкция на слоевете: Ламинираната конструкция е структурната основа на скритите и вградените отвори. Конструирането започва с определяне на слоевете на PCB и местата, където са необходими преходни отвори — скрит преходен отвор свързва външен слой с един или повече вътрешни слоеве; вграден преходен отвор свързва два вътрешни слоя, без да достига до повърхностите.
2. Процеси на пробиване:

• Скритите преходни отвори се пробиват само частично през структурата (от външен към вътрешен), обикновено чрез изключително прецизна механична или лазерна обработка.
• Производството на вградени преходни отвори изисква пробиване на предварително сглобени слоеве, преди пълното ламиниране на цялата структура, за разлика от скритите отвори.

3.Ламиране: Ламинационните обработки на двете също са различни. При скритите преходни отвори слоевете се пресват заедно и след това се добавят още слоеве. Производството на печатни платки със скрити и слепи преходни отвори изисква перфектна регистрация и подравняване.

4.Облагане: Всички преходни отвори, включително чрезотворни, слепи и скрити, се покриват с мед чрез химично и електролитно галванизиране, за да се гарантира проводимостта.

5.Тестване: Напреднали тестове — особено за скрити преходни отвори в печатни платки — като рентгенови или микросекционни анализи, осигуряват правилното формиране и надеждност на преходните отвори.

Приложения и случаи на употреба

Слепите и скрити преходни отвори са станали стандарт в напредналото проектиране на печатни платки. Те могат значително да подобрят степента на използване на пространството, да намалят площта на платката, да понижат броя на слоевете и да направят проекта по-компактен, като се прилагат в почти всяка област на индустрията, където се изисква висока производителност, плътност или намаляване на размера.

Примери за индустрии, използващи слепи и скрити преходни отвори

• HDI PCB за смартфони: Слепи виаси свързват външни контактни площи с вътрешни трасировки, а скритите виаси в платките минимизират ЕМИ и насочват критични сигнали с висока скорост с прецизност; търсенето на пазара за смартфони силно нараства.
• Мрежова екипировка: Скрит виас свързва две изолирани равнини в многослойна PCB за целостта на сигнала в телекомуникационни комутатори и маршрутизатори.
• Медицински носими устройства: Слепи и скрити виаси осигуряват разделение на сигнали в миниатюрни, високонадеждни имплантируеми устройства; те предоставят значително пространство за оптимизация и подпомагане на съществуващата медицинска апаратура.
• Автомобилна електроника: В пазарната среда на всеобхватна модернизация в автомобилната промишленост, ADAS и информационно-забавителни модули използват както слепи, така и скрити виаси, за да намалят размера на платката, осигурявайки висока производителност при сурови условия на околната среда.
• Приложения в авиационното и космическото пространство: Скритите виаси осигуряват надеждна екранирана предавателна среда за сензорни или управляващи сигнали с изключителна надеждност дори при вибрации или екстремни температури.

Разходи Фактори и Надеждност
Фaktori за разходите

Тъй като технологията на скрити и вградени отвори изисква специални процеси като пробиване, покриване с мед и обработка на покритието, тя обикновено увеличава производствените разходи. Особено при продукти от среден и нисък клас може да е трудно прилагането на тази технология. Следователно увеличението на разходите е важен фактор при технологичните изисквания на някои индустрии.

• Напреднали Производствени Етапи: Използването на слепи и скрити виаси изисква повече производствени етапи в сравнение с традиционните чрезходови виаси, което увеличава както разходите за подготвка, така и разходите на плата.
• Избор на Материали и Брой Слоеве: Колкото повече слоеве има една PCB платка, толкова по-често е необходимо производството на слепи и скрити виаси. Високотемпературни предварително пропитани материали (High-Tg pre-pregs) и специализирани фолиа допълнително увеличават разходите.
• Разходи за Тестване и Инспекция: Инспекцията на скрити виаси — особено структурите със скрити отвори — често изисква допълнителни рентгенови/КТ сканирания или унищожаващи микросечения.

Съображения за надеждност

Въпреки нарастващите разходи, някои продукти от технологично оборудване в определени области имат високи изисквания към ефекта на охлаждане и механичната якост на контролни платки. Изборът на изисквания за производство на скрити и вградени преходни отвори също е неизбежен път за итерация на продукта.

• Правилно Галванизиране и Пълнене: Осигуряването на равномерно покритие на проходите с мед и, при необходимост, запълването им, е от съществено значение за електрическата надеждност и за предотвратяване на спойка/термични повреди.
• Термично циклично напрежение: Проходите, особено скритите, са податливи на пукане или разслоение, ако не са изработени с правилния процес и материали.
• Въздух, затворен в платката: Дефекти от въздух или празнини могат да доведат до ранни повреди в експлоатацията.
• Сътрудничество с опитни производители на платки: Ползвайте се от партньори, които разбират как правилно да произвеждат, инспектират и тестват платки със скрити и вградени проходи за дълъг експлоатационен срок.

Съвети за проектиране при използване на скрити и вградени преходни отвори

Изискванията за производство на слепи и скрити отвори са толкова високи, а функциите им толкова значими, че съществуват и високи изисквания към конструкцията на проекта. От разбирането на клиента относно нуждите на продукта, през избора на материали, до разходите и производствените възможности на доставчика, трябва да се направи разумно проектиране, като се вземат предвид всички тези фактори. Следните фактори трябва да бъдат приоритетно разглеждани:

• Ранно консултиране с производители на платки: Използвайте опитни производители на платки и проверете техническите им ограничения относно дълбочина на скритите проходи, съотношение на страни и минимален диаметър на свредлене.
• Планиране на слоевете: При проектиране на многослойна печатна платка ясно посочете кои сигнали или захранване трябва да останат изолирани и къде са добавени скрити преходни отвори за оптимално използване на слоевете.
• Избягвайте прекомерна употреба: Използвайте слепи и скрити преходни отвори само там, където е необходимо. Прекомерната употреба увеличава разходите и намалява добивността.
• Запълване на преходни отвори: За преходни отвори в контакт и микропреходни отвори винаги посочвайте дали отворът трябва да бъде запълнен или затворен.
• Топлинно разтоварване: Свържете захранващите/земни преходни отвори с равнини, като използвате конструкции на падове с „термално разделяне“, осигуряващи по-добра запояемост и намаляващи риска от напрежение.
• Тестови купони: Поискайте купони, които позволяват разрушително сече при производството на скрити преходни отвори, за да се потвърди качеството на производството.
• Разглеждане на наслоени и стъпаловидни преходни отвори: Когато е необходимо, разместете микропреходните отвори или ограничете групирането на слепи и скрити преходни отвори за подобряване на надеждността.

Често задавани въпроси

В: Каква е разликата между слепи и скрити виа и стандартните чрезходови виа?
О: Слепите виа свързват външна към една или повече вътрешни плочи, но не напълно през цялата платка. Скритите виа свързват две вътрешни плочи и след ламиниране остават „скрити“. Чрезходовите виа свързват повърхността с повърхност директно през цялата ППС.
В: Кога трябва да използвам слепи и скрити виа при производството на ППС?
A: Използвайте слепи и скрити виаси за плътни HDI pcb платки, финополюсни BGAs, високочестотни сигнали или когато минимизирането на размера на платката е от съществено значение.
В: Надеждни ли са слепите и скритите виаси?
A: Да, при използване на опитни производители на PCB и правилно контролирани процеси за пробиване, покритие и запълване. Съществуват предизвикателства при гарантирането, че всеки виас е правилно формиран и инспектиран.
В: Мога ли да комбинирам типове виаси в една платка?
A: Разбира се! Повечето съвременни сложни PCB проекти използват комбинация от традиционни чрезходни виаси, слепи виаси, скрити виаси и дори микровиаси, в зависимост от нуждите на веригата.
В: Какво влияние оказва производството на скрити виаси върху времето за доставка?
A: Добавянето на скрити виаси към PCB удължава времето за доставка поради допълнителна ламиниране, допълнително пробиване и по-задълбочена инспекция. Планирайте съответно.

Заключение: Трябва ли да използвате слепи и скрити виаси?

Ако работите върху компактно, сложно или високотехнологично PCB проектиране, тези специални преходни отвори са почти задължителни. Те помагат да намалите размера на платката, поддържат сигналите чисти и правят възможно трасирането на всички тези сложни връзки в днешните устройства. Но ето къде е уловката – те струват повече за производство и ще ви трябва производител, който наистина разбира от работата си. Затова е разумно да включите партньора си по производство още в началото, да използвате скрити и вградени преходни отвори само където наистина ги има нужда и да проверите двойно дали могат да реализират вашия дизайн, преди да изпратите файловете.
Накратко: ако се занимавате с HDI PCB, опитвате се да намалите броя на обикновените чупки или целикате впечатляваща производителност при многослойна PCB, наистина не бива да пренебрегвате какво могат да направят за вас скритите и вградените преходни отвори.