Slijepi i ukopani vijaci u dizajnu PCB-a: Vodič za proizvođača

Uvod u slijepe i zakopane vijeve

U dinamičnom svijetu elektronike, sa tržišnim zahtjevima za visokotehnološkim hardverskim proizvodima, potreba za minijaturizacijom, većom performansom i kompleksnijim funkcijama na manjim štampanim pločama nikada nije bila veća. Dizajneri i proizvođači PCB-ova takođe su suočeni s novim izazovima, jer nastoje uklopiti što više funkcionalnosti u svaki kvadratni milimetar. Ovaj izazov doveo je do korištenja sljepih i ukopanih vijaka u HDI PCB-i i višeslojnim PCB dizajnovima. Ovi skriveni vijci omogućavaju bez presedana optimizaciju prostora, gušće rasporede kola i naprednu integritet signala. Kao iskusni proizvođač ploča, LHD TECH je tokom posljednjih 20 godina razvio svoje procesne i proizvodne kapacitete uz ažuriranja tržišnih proizvoda. Od optimizacije sistema do preciznih proizvodnih mogućnosti opreme, te efikasnog upravljanja proizvodnim timom, sve ide korak po korak sa zahtjevima vremena.

Vratimo se na samu temu tehnologije, ali šta su zapravo ove vije u dizajnu PCB-a? Kako se prave sljepe i zakopane vije, u poređenju sa tradicionalnom tehnikom kroz-rupe, u kojim sektorima su jače i za koju publiku su namijenjene? U ovom sveobuhvatnom vodiču, uronićemo u tehnologiju i otkriti misterije sljepih i zakopanih vija, istražiti kako ih koriste iskusni proizvođači PCB-a i pokazati kako nude značajne prednosti za vaš sledeći kompleksan dizajn PCB-a.

Uloga vija u dizajnu PCB-a

Hajde prvo da pogledamo proces vija u PCB-u, sa aspekta osnovnih principa, viji na ploči su električni spojevi koji povezuju različite slojeve PCB-a. Svaka višeslojna PCB ploča — od jednostavnih 4-slojnih ploča do kompleksnih 30+ slojnih struktura — zavisi od vija za prebacivanje signala, napona i uzemljenja između spoljašnjeg i unutrašnjih slojeva PCB-a.

Zašto se koriste viji?

• Viji povezuju spoljašnji sloj sa unutrašnjim slojevima radi fleksibilnog usmjeravanja.
• Vijci su prevučeni bakrom, stvarajući električno provodni put između slojeva PCB-a.
• Vijci se često koriste za smanjenje dužine puta signala, poboljšanje integriteta signala i optimizaciju prostora na ploči.
• Korištenje sljepih i ukopanih vijaka omogućava inženjerima drastično smanjenje ukupne veličine PCB-a i broja potrebnih prolaznih vijaka.

Na osnovu gore navedenog razumijevanja, u modernim HDI i višeslojnim PCB kolutima, vijci su zbijeni zajedno u pažljivo planirane strukture kako bi se uravnotežili performanse, pouzdanost i mogućnost proizvodnje.

Osnove: Tipovi vijaka u PCB-u

Koliko tipova vijaka postoji koje obično vidimo? Razumijevanje različitih tipova vijaka je osnovno za savladavanje dizajna PCB-a i postizanje optimalnih performansi ploče.

Ova tabela jasno razlikuje:

Šta su slijepi vijevi?

Danas govorimo o slijepim i zakopanim rupama. Dakle, koja je tačno struktura i princip slijepih rupa. Slijepi vije je provodnik koji povezuje vanjski sloj štampane ploče sa jednim ili više unutrašnjih slojeva, a ne prolazi kroz suprotni vanjski sloj. Naziv je 'slijep' jer je vidljiv i dostupan samo sa jedne površine, pa se stoga slijepi vijevi često koriste za smanjenje broja slojeva na štampanoj ploči.

Ključni detalji i prednosti

• Slijepi vijevi povezuju gornju ili donju površinu sa odabranim unutrašnjim slojevima, kako bi se postigla optimalna iskorištenost dostupnih slojeva za usmjeravanje.
• Slijepi vijevi ne prodiru kroz kompletnu debljinu štampane ploče, što ne samo da uštedi dragocjeno mjesto na ploči, već oslobađa i suprotne površine za druge trase ili komponente.
• Budući da se slijepi prelazi buše samo djelomično kroz ploču, omogućavaju gušću raspodjelu kola i obično se koriste u HDI PCB-ovima i BGA izlaznim uzorcima, što je znatno poboljšalo stopu iskorištenja žicanja.
• Slijepi prelazi su obično mali (manji od 0,15 mm u promjeru) i postavljaju izuzetno visoke zahtjeve za bušilicama i opremom, pa se moraju izrađivati pomoću preciznog laserskog ili još preciznijeg mehaničkog bušenja.
• Korištenjem slijepih prelaza može se smanjiti debljina PCB-a, a njihova svrha je postizanje visoke gustine komponenti za moderne proizvode.

Kako se slijepi prelazi buše i izrađuju

Slijepi prelazi se buše tijekom određenih koraka laminacije i bušenja. Njihov broj, pozicija i dubina moraju biti kontrolirani kako bi se izbjeglo probijanje neželjenih slojeva. Zatim se prevlače bakrom kako bi se formirali provodni putevi. Izrada slijepih prelaza uključuje pažljivu pripremu kako bi se spriječilo zarobljivanje zraka u PCB-u ili nepotpuno prevlačenje, osiguravajući time pouzdanost.

Šta su unutrašnji prelazi?

Za razliku od slijepih rupa, zakopane rupe ne prodiru kroz vanjski sloj ploče. Zakopani provodnik je provodnik koji povezuje dva ili više unutrašnjih slojeva PCB-a i nije vidljiv niti dostupan ni sa jednog vanjskog sloja. Ovi se također nazivaju skriveni provodnici, jer su 'zakopani' između površinskih slojeva PCB-a. Hajde da zajedno saznamo više o zakopanim rupama.

Ključni detalji i prednosti

• Tokom procesa proizvodnje, zakopani provodnici se buše i prevlače tokom izrade unutrašnjih podsklopova, prije nego što se vanjski slojevi laminiraju.
• S obzirom na strukturu višeslojnih ploča, zakopani provodnik povezuje dva unutrašnja sloja — na primjer, slojeve 3 i 4 na 8-slojnoj PCB ploči — pružajući mogućnosti usmjeravanja bez korištenja prostora na površini.
• Razlika je u tome što zakopani provodnici u dizajnu PCB-a omogućavaju projektantima da izoluju putanje signala, uzemljenje ili distribuciju napajanja, što znatno koristi kompleksnim ili miješanim dizajnima.
• Budući da ukopani provodnici nisu vidljivi nakon završne laminacije, velika je prednost da oni mogu maksimalno iskoristiti slojeve PCB-a i smanjiti međusobne smetnje.
• Ukopani provodnici se obično koriste u naprednim višeslojnim PCB pločama za telekomunikacije, svemirsku industriju i elektroniku visoke gustine.

Ostali tipovi provodnika na PCB-u

Prolazni vijci

Na štampanim pločama, provrt kroz cijelu ploču je struktura rupe koja povezuje kola između različitih slojeva PCB-a. Provrti omogućavaju prijenos električnih signala između slojeva ploče i jedan su od najosnovnijih i najčešćih tipova rupa u tradicionalnom dizajnu PCB-a. Ima sljedeće karakteristike:

• Povezuje čitav PCB sklop, od vrha do dna.
• Koristi se za standardne višeslojne PCB ploče, izvode komponenti i konektore.
• Zauzimaju više prostora i mogu ograničiti usmjeravanje visoke gustine.

Mikro vijevi

Mikrovia se odnosi na provrt sa vrlo malim prečnikom, obično 0.1 mm ili manje, i često se koristi u različitim slojevima dizajna ploča visoke gustine (HDI) štampanih kola. Ima sljedeće karakteristike:

• Izuzetno mali vijaci koji povezuju samo susjedne slojeve, formirani upotrebom laserske ablacije za HDI PCB.
• Mogu biti složene (stacked) ili pomjerene (staggered), a često se koriste u gustim dizajnima pametnih telefona, nosivih uređaja ili medicinskih uređaja.
• Zahtijevaju naprednu proizvodnju i inspekciju od strane iskusnih proizvođača štampanih ploča.

Tabela poređenja: Slepovi, Zakopani i Provučeni provrti

Zašto koristiti slepe i zakopane vije? Prednosti i ograničenja

U ovom poglavlju fokusiramo se na slipe i zakopane rupe. U dizajn razmatranjima zahtjeva proizvoda, kada koristimo slipe i zakopane vije, koje prednosti i ograničenja one imaju? Hajde zajedno da uradimo sažetak i razlikovanje.

Prednosti slikih i zakopanih vija

• Optimizacija prostora: U poređenju sa dizajnom kroz-rupe, smanjuje veličinu i debljinu PCB-a, omogućavajući više komponenti i trasa na manjem prostoru.
• Izolacija signala: Može ne samo izolovati kritične signale ili ravni napajanja, već ih i zaštititi od EMI/kros-toka.
• Unaprijeđeno rutiranje: Vijci povezuju vanjske i unutrašnje slojeve PCB-a za fleksibilnije i efikasnije rasporede.
• Kompleksan dizajn PCB-a: Omogućava upotrebu gustih BGAs, FPGAs i finih IC-ova sa malim razmakom bez drastičnog povećanja broja slojeva PCB-a ili površine ploče.
• Iskorištenje slojeva PCB-a: Ugrađeni prelazi osiguravaju povezivanje unutrašnjih slojeva PCB-a bez korištenja prostora vanjskog sloja, smanjujući zagušenje i omogućavajući razdvajanje slojeva signala ili napajanja. Posebno je doprinijelo tehnološkim probojima u industrijama avio/komunikacijske/medicinske opreme.
• Poboljšan integritet signala: Korištenje sljepih i ugrađenih prelaza u dizajnu PCB-a smanjuje formiranje signalnih stubova, minimizirajući refleksije, gubitke i elektromagnetske smetnje, što je od vitalnog značaja za visokofrekventne i RF kola.
• Termalna optimizacija: Učinkovit raspored prelaza može pomoći u distribuciji i rasipanju topline, ublažavajući rizik od vrućih tačaka i poboljšavajući dugoročnu pouzdanost u kompleksnim PCB sklopovima.

Ograničenja sljepih i pokopanih vijeva

• Povećana kompleksnost proizvodnje: Proizvodnja sljepih i ugrađenih prelaza uključuje dodatne korake bušenja i laminacije, što je izvodljivo samo kod iskusnih proizvođača PCB-a uz preciznu kontrolu kvalitete i testiranje proizvodne sposobnosti proizvođača.
• Veći trošak proizvodnje: Svaka dodatna laminacija, korak punjenja ili dodatni vijaz znači povećane troškove proizvodnje i potrošnju materijala za PCB — pogotovo kod višeslojnih PCB i HDI PCB proizvoda. Stoga su cijene PCB proizvoda također relativno visoke.
• Testiranje i inspekcija: Slijepi i zakopani vijazovi ponekad je teško provjeriti na prisutnost grešaka, što zahtijeva napredne tehnike poput Rendgenskog snimanja radi osiguranja kvaliteta.
• Potencijalni rizici u pogledu pouzdanosti: Ako kontrola procesa nije savršena, mogu se pojaviti rizici poput zarobljenog zraka unutar PCB-a, nepotpuno nanošenje bakra ili odvajanja slojeva.

Proizvodni proces: Izrada slijepih i ukopanih vijaka

Prikaz

The proizvodnja PCB-a proces slijepih i ukopanih vijaka na štampanim pločama je složen i precizan. Međutim, proizvodni proces ovih vijaka ima veliki značaj za poboljšanje performansi štampanih ploča, smanjenje broja slojeva ploče i povećanje iskorištenja prostora.

1. Projektovanje slojeva: Laminirano projektovanje je strukturna osnova slijepih i ukopanih rupa. Projektovanje počinje mapiranjem slojeva štampane ploče i mjesta gdje trebaju biti spojeni vijci — slijepi vijak spaja vanjski sloj sa jednim ili više unutrašnjih slojeva; ukopani vijak spaja dva unutrašnja sloja, ali se ne proteže do površina.
2. Bušenje:

• Slijepi vijci se buše samo djelomično kroz paket (od vanjskog ka unutrašnjem), obično koristeći visoko precizno mehaničko ili lasersko bušenje.
• Proizvodnja ukopanih vijaka zahtijeva bušenje u podsklopovima slojeva prije potpunog laminiranja paketa, za razliku od slijepih rupa.

3.Laminiranje: Laminirna tretiranja ova dva su također različita. Za ukopane otvore, slojevi se stiskaju zajedno, a zatim se dodaju dodatni slojevi. Proizvodnja PCB ploča sa slijepim i ukopanim vijama zahtijeva savršenu registraciju i poravnanje.

4.Pločanje: Svi otvori, uključujući prolazne, slijepi i ukopani otvor, prevučeni su bakrom korištenjem kemijskog i elektrolitičkog nanošenja kako bi se osigurala provodljivost.

5.Testiranje: Napredno testiranje — posebno za ukopane otvore na PCB-u — poput rendgenskog snimanja ili analize mikropresjeka osigurava da su otvori ispravno formirani i pouzdani.

Primjene i slučajevi upotrebe

Slijepi i ukopani otvori postali su standard u naprednom dizajnu PCB-a. To može značajno poboljšati stopu iskorištenosti prostora, smanjiti površinu ploče, smanjiti broj slojeva i učiniti dizajn kompaktnijim, a koristi se u skoro svakoj oblasti industrije gdje je potrebna visoka performansa, gustina ili smanjenje veličine.

Primjeri industrija koje koriste slijepi i ukopane otvore

• HDI PCB za pametne telefone: Slijepi vijazovi povezuju vanjske kontaktne površine s unutrašnjim trasiranjem, a zakopani vijazovi u PCB-u smanjuju EMI i precizno usmjeravaju kritične signale visoke brzine, dok tržišni zahtjev za pametnim telefonima široko raste.
• Oprema za mreže: Ukopani prelazni kontakti povezuju dvije izolovane ravni u višeslojnoj PCB ploči radi očuvanja integriteta signala u telekomunikacionim preklopnim uređajima i ruterima.
• Medicinski nosivi uređaji: Slijepi i ukopani prelazni kontakti osiguravaju izolaciju signala u malim, visokonaponskim implantabilnim uređajima, pružajući veliki prostor za optimizaciju i podršku postojećoj medicinskoj opremi.
• Automobilska elektronika: U tržišnom okruženju sveobuhvatne nadogradnje industrije proizvodnje automobila, ADAS i infotainment moduli koriste slijepe i ukopane prelazne kontakte kako bi smanjili veličinu ploče, osiguravajući performanse u teškim uvjetima okoline.
• Primjene u aerokosmiku: Ukopljeni prelazni kontakti osiguravaju robusnu zaštićenu transmisiju podataka senzora ili kontrolnih signala, sa izuzetnom pouzdanosti čak i pod vibracijama ili ekstremnim temperaturama.

Cijena Faktori i pouzdanost
Činioci cijene

Zbog činjenice da tehnologija slijepih i ukopanih rupa zahtijeva posebne procese kao što su bušenje, prevlačenje bakrom i premazivanje, obično povećava proizvodne troškove. Posebno kod srednjih i nižih klasa proizvoda, korištenje ove tehnologije može biti teško ostvarivo. Stoga je povećanje troškova važan faktor u zahtjevima procesa u nekim industrijama.

• Napredni proizvodni koraci: Korištenje slijepih i ukopanih prelaznih kontakata zahtijeva više proizvodnih faza nego tradicionalni prolazni kontakti, što povećava troškove postavljanja i po ploči.
• Izbor materijala i broj slojeva: Što je veći broj slojeva PCB-a, češće je potrebno proizvoditi slepe i zakopane vije. Visok-Tg pre-pregovi i specijalne folije dodatno povećavaju troškove.
• Troškovi testiranja i inspekcije: Inspekcija skrivenih vija — posebno struktura zakopanih rupa — često uključuje dodatno rendgensko/CT ili destruktivno mikrosekcionisanje.

Razmatranja pouzdanosti

Unatoš rastućim troškovima, neki proizvodi tehnološke opreme u određenim oblastima imaju visoke zahtjeve za efektom hlađenja i mehaničkom čvrstoćom kontrolnih ploča. Odabir zahtjeva za proizvodnju ploča sa skrivenim i zakopanim viama također je neizbježan put za iteraciju proizvoda.

• Pravilno nanošenje prevlake i punjenje: Osiguravanje da su viji ravnomjerno prevučeni bakrom i, ako je potrebno, ispunjeni, ključno je za električnu pouzdanost i sprečavanje kvarova usljed lemljenja/toplote.
• Naponi usljed termičkog cikliranja: Viji, posebno skriveni viji, podložni su pucanju ili odvajanju slojeva ako nisu izrađeni pravim postupkom i materijalima.
• Zaprti zrak u PCB-u: Pogreške uzrokovane zrakom ili šupljinama mogu dovesti do ranih kvarova u praksi.
• Angažujte iskusne proizvođače PCB-ova: Oslonite se na partnere koji razumiju kako pravilno izraditi, pregledati i testirati ploče s PCB-om sa skrivenim i zakopanim vijama za dug vijek trajanja.

Savjeti za dizajn pri korištenju skrivenih i zakopanih vijeva

Zahtjevi za proizvodnjom slijepih i ukopanih rupa su toliko visoki, a njihove funkcije toliko značajne, da se postavljaju visoki zahtjevi i na konstrukciju dizajna. Počevši od razumijevanja potreba kupca, preko izbora materijala, do cijene i proizvodnih mogućnosti dobavljača, racionalan dizajn treba napraviti komplanim razmatranjem svih ovih faktora. Sljedeći faktori trebaju imati prioritetno razmatranje:

• Rani savjetovanje s proizvođačima PCB-a: Koristite iskusne proizvođače PCB-a i provjerite njihova tehnička ograničenja u vezi dubine skrivenih vija, odnosa dubine i širine te minimalne veličine bušenja.
• Planiranje slojeva: Prilikom dizajniranja višeslojne PCB ploče, jasno odredite koji signali ili napajanje moraju ostati izolovani i gdje se dodaju zakopani vijevi radi najboljeg korištenja slojeva.
• Izbjegavajte prekomjerno korištenje: Koristite skrivene i zakopane vijeve samo tamo gdje su neophodni. Prekomjerna upotreba povećava troškove i smanjuje isplativost.
• Popunjavanje vijaka: Za vijake unutar padova i mikrovijake, uvijek naznačite treba li vijak biti popunjen ili zatvoren.
• Termičko olakšanje: Spojite vijake za napajanje/masu s ravnima koristeći dizajn padova sa 'termalnim olakšanjem', što osigurava bolju zavarljivost i smanjuje rizik od naprezanja.
• Test Kuponi: Zatražite kupone kako biste omogućili destruktivno seccioniranje tokom proizvodnje zakopanih vijaka radi potvrde kvaliteta proizvodnje.
• Rješavanje složenih i pomaknutih vijaka: Kada je potrebno, pomjerite mikro-vijke ili ograničite slaganje skupina slijepih i zakopanih vijaka radi poboljšanja pouzdanosti.

Često postavljana pitanja

P: U čemu se slijepi i skriveni vijevi razlikuju od standardnih provučenih vijeva?
O: Slijepi vijevi povezuju vanjski sloj s jednim ili više unutrašnjih slojeva, ali ne prolaze kroz cijelu ploču. Skriveni vijevi povezuju dva unutrašnja sloja i nakon laminacije su „skriveni“. Provučeni vijevi povezuju površinu s površinom ravno kroz PCB.
P: Kada trebam koristiti slijepi i skrivene vijeve u proizvodnji ploča?
A: Koristite slijepa i ukopana provrtanja za gusto HDI pločice, fine-pitch BGA, visokofrekventne signale ili kada je smanjenje veličine ploče od presudne važnosti.
P: Da li su slijepa i ukopana provrtanja pouzdana?
A: Da, uz iskusne partnere proizvođače PCB-a i ispravnu kontrolu procesa bušenja, prevlačenja i punjenja. Postoje izazovi u osiguranju da je svako provrtanje ispravno formirano i pregledano.
P: Mogu li miješati tipove provrtanja na jednoj ploči?
A: Naravno! Većina savremenih složenih PCB dizajna koristi kombinaciju tradicionalnih provrtanja kroz cijelu ploču, slijepih provrtanja, ukopanih provrtanja i čak mikroprovrtanja, u zavisnosti od potreba kola.
P: Kako proizvodnja ukopanih provrtanja utiče na rok isporuke?
A: Dodavanje ukopanih provrtanja na PCB povećava rok isporuke zbog dodatnog laminiranja, dodatnog bušenja i temeljitijeg pregleda. Planirajte stoga unaprijed.

Zaključak: Trebate li koristiti slijepa i ukopana provrtanja?

Ako radite na kompaktanom, kompleksnom ili visokotehnološkom PCB dizajnu, ovi posebni prelazi su skoro neophodni. Oni pomažu da smanjite veličinu ploče, održavate signale čistim i omogućavate uspostavljanje svih tih komplikovanih veza u današnjim uređajima. Ali evo ključnog problema – skuplji su za izradu, a potreban vam je proizvođač koji se stvarno razumije u posao. Zbog toga je pametno uključiti partnera za izradu na samom početku, koristiti slepe i zakopane prelaze samo ondje gdje su vam stvarno potrebni i dvaput provjeriti da li mogu obraditi vaš dizajn prije slanja datoteka.
Kratak ishod: ako imate posla sa HDI PCB-ovima, pokušavate smanjiti broj standardnih prolaznih rupa ili težite izuzetnom performansama u višeslojnom PCB-u, ne biste trebali zanemariti ono što slepi i zakopani prelazi mogu učiniti za vas.