Slepé a zapuštěné vývody ve vývoji desek plošných spojů: Průvodce pro výrobce

Úvod k slepým a pohřbeným víám

Ve světě elektroniky, který se rychle vyvíjí, a s rostoucí poptávkou trhu po vyspělých hardwarových produktech, nikdy nebyla větší potřeba miniaturizace, vyššího výkonu a komplexnějších funkcí na menších tištěných spojích. Navrhlí i výrobci desek plošných spojů čelí novým výzvám, kdy se snaží umístit co nejvíce funkcí do každého milimetru čtverečního. Tato výzva vedla k použití slepých a zapuštěných přechodových kontaktů (vias) u HDI desek plošných spojů a vícevrstvých konstrukcí DPS. Tyto skryté přechodové kontakty umožňují bezprecedentní optimalizaci prostoru, hustší uspořádání obvodů a pokročilou integritu signálu. Jako zkušený výrobce desek plošných spojů společnost LHD TECH zažila v posledních 20 letech vývoj svých zpracovatelských a výrobních kapacit paralelně s aktualizacemi tržních produktů. Od optimalizace systémů až po přesné výrobní možnosti zařízení a efektivní řízení výrobního týmu – všechno drží krok s požadavky doby.

Vraťme se k samotné technologii. Co přesně jsou tyto vývody (vias) v návrhu desek plošných spojů? Jak jsou vytvářeny slepé a zapuštěné vývody? Ve srovnání s tradičním procesem průchozích kontaktů, v kterých oblastech je tato technologie lepší a pro koho je určena? V tomto komplexním průvodci se podrobně seznámíme s touto technologií, odhalíme tajemství slepých a zapuštěných vývodů, prozkoumáme, jak je používají zkušení výrobci desek plošných spojů, a ukážeme, jak mohou přinést výhody pro váš další složitý návrh desky plošných spojů.

Role vývodů (vias) v návrhu desek plošných spojů

Nejprve se podívejme na proces vývodů na deskách plošných spojů. Z hlediska základních principů jsou vývody na deskách plošných spojů elektrické spoje, které propojují různé vrstvy desky. Každá vícevrstvá deska plošných spojů – od jednoduchých 4vrstvých desek až po složité 30+ vrstvé struktury – spoléhá na vývody k přenosu signálů, napájení a uzemnění mezi vnější a vnitřní vrstvy desky.

Proč se používají vývody?

• Vývody propojují vnější vrstvu s vnitřními vrstvami pro flexibilní směrování.
• Vias jsou plátovány mědí, čímž vzniká elektricky vodivá cesta mezi vrstvami desky plošných spojů.
• Vias se běžně používají ke zkrácení délky signální dráhy, zlepšení integrity signálu a optimalizaci prostoru na desce.
• Použití slepých a zapuštěných vývrtů umožňuje inženýrům výrazně snížit celkovou velikost desky plošných spojů a počet průchozích vývrtů.

Na základě výše uvedeného pochopení se u moderních HDI a vícevrstvých obvodů desek plošných spojů vývrtky pečlivě plánovaným způsobem seskupují do stack-up struktur, aby byla vyvážena výkonnost, spolehlivost a výrobní realizovatelnost.

Základy: Typy vývrtů na deskách plošných spojů

Kolik typů vývrtů existuje, které běžně vidíme? Porozumění různým typům vývrtů je základem pro ovládnutí návrhu desek plošných spojů a dosažení optimálního výkonu desky.

Tato tabulka jasně rozlišuje:

Co jsou slepé viy?

Dnes budeme diskutovat o slepých a zapuštěných dírách. Jaká je tedy přesně struktura a princip slepých děr. Slepé vias je vedení, které spojuje vnější vrstvu desky plošných spojů s jednou nebo více vnitřními vrstvami, aniž by procházelo až k opačné vnější vrstvě. Je „slepé“, protože je viditelné a přístupné pouze z jedné strany. Slepé vias se proto často používají k redukci počtu vrstev na desce plošných spojů.

Klíčové detaily a výhody

• Slepé vias propojují horní nebo spodní povrch s vybranými vnitřními vrstvami, což umožňuje optimální využití dostupných směrovacích vrstev.
• Slepé vias neprocházejí celou tloušťkou desky plošných spojů, což nejen šetří cenný prostor na desce, ale také uvolňuje protilehlé plochy pro jiné spoje nebo součástky.
• Protože slepé desky jsou vyvrtány pouze částečně skrz desku, umožňují hustší uspořádání obvodu a jsou typicky používány v HDI deskách a u BGA breakout vzorů, což výrazně zlepšilo využití zapojení.
• Slepé desky jsou obvykle malé (méně než 0,15 mm v průměru) a kladou extrémně vysoké nároky na vrtačky a zařízení, proto je nutné použít přesný laser nebo přesnější mechanické vrtání.
• Použití slepých desek může snížit tloušťku desky plošných spojů a slouží k dosažení vysoké hustoty součástek u moderních produktů.

Jak jsou slepé desky vyráběny a vrtány

Slepé desky jsou vrtány během konkrétních kroků laminace a vrtání. Jejich počet, poloha a hloubka musí být kontrolovány, aby nedošlo k proražení nezamýšlených vrstev. Poté jsou pokoveny mědí pro vytvoření vodivých cest. Výroba slepých desek vyžaduje pečlivou přípravu, aby se zabránilo uzavření vzduchu uvnitř desky nebo neúplnému pokovení, čímž se zajišťuje spolehlivost.

Co jsou to zapuštěné desky?

Na rozdíl od slepých otvorů nepronikají zahrabané otvory vnější vrstvou desky. Zahrabané vedení je propojení, které spojuje dvě nebo více vnitřních vrstev desky plošných spojů a není viditelné ani přístupné z žádné vnější vrstvy. Tyto otvory se nazývají také skrytá vedení, protože jsou „zahrabána“ mezi povrchové vrstvy desky. Pojďme se dozvědět více o zahabaných otvorech společně.

Klíčové detaily a výhody

• Při výrobě se zahrabaná vedení vrtají a pokovují během výroby vnitřních dílčích sestav, ještě před laminací vnějších vrstev.
• Z hlediska struktury vícevrstvých desek zahrabané vedení spojuje dvě vnitřní vrstvy – například vrstvy 3 a 4 u 8vrstvé desky plošných spojů – a poskytuje tak možnosti trasování, aniž by využívalo plochu na povrchu.
• Rozdíl spočívá v tom, že zahrabaná vedení v návrhu desek plošných spojů umožňují návrhářům izolovat signální cesty, uzemnění nebo rozvody napájení, což velmi prospívá složitým nebo smíšeným návrhům.
• Protože skryté vývody nejsou po konečné laminaci viditelné, je jejich velkou výhodou, že mohou maximalizovat využití vrstev desky a snížit přeslechy.
• Skryté vývody se běžně používají v pokročilých vícevrstvých deskách pro telekomunikace, letecký průmysl a elektroniku s vysokou hustotou.

Další typy vývodů na deskách plošných spojů

Průchozí vývrtky

Ve spojích je vrtaný otvor struktura otvoru, která propojuje obvody mezi různými vrstvami desky. Vrtané otvory umožňují přenos elektrických signálů mezi vrstvami desky a jsou jedním z nejzákladnějších a nejběžnějších typů otvorů v tradičním návrhu desek. Mají následující vlastnosti:

• Propojují celý stack desky, od horního po spodní okraj.
• Používají se u standardních vícevrstvých desek, vývodů součástek a konektorů.
• Zabírají více místa a mohou omezovat vysokohustotní směrování.

Mikroviy

Microvia označuje průchozí otvor s velmi malým průměrem, obvykle 0,1 mm nebo menší, a často se používá v různých návrhových vrstvách tištěných spojů s vysokou hustotou interconnectu (HDI). Má následující vlastnosti:

• Velmi malé vývody propojující pouze sousední vrstvy, vytvořené pomocí laserové ablace pro HDI desky plošných spojů.
• Mohou být uspořádány do sloupce (stacked) nebo posunuté (staggered) a často se používají v hustých návrzích chytrých telefonů, nositelných zařízení nebo lékařských přístrojů.
• Vyžadují pokročilou výrobu a kontrolu ze strany zkušených výrobců desek plošných spojů.

Srovnávací tabulka: slepé, zapuštěné a průchozí přechodové díry

Proč používat slepé a zapuštěné vodivé přechody? Výhody a omezení

V této kapitole se zaměříme na slepé a zapuštěné otvory. Při návrhových úvahách o požadavcích produktu, jaké výhody a omezení mají slepé a zapuštěné vodivé přechody? Pojďme si je společně shrnout a odlišit.

Výhody slepých a zapuštěných vodivých přechodů

• Optimalizace prostoru: Ve srovnání s konstrukcí se skrzného vrtání snižuje velikost a tloušťka desky plošných spojů, což umožňuje umístit více součástek a spojů do menšího prostoru.
• Isolace signálu: Může nejen izolovat kritické signály nebo napájecí roviny, ale také je chránit před EMI/krosstalkem.
• Vylepšené prokládání: Vývody propojují vnější a vnitřní vrstvy desky plošných spojů, čímž umožňují flexibilnější a efektivnější uspořádání.
• Složitý návrh desky plošných spojů: Umožňuje použití hustých BGA, FPGA a jemnopitchových integrovaných obvodů bez výrazného zvyšování počtu vrstev desky plošných spojů nebo její základní plochy.
• Využití vrstev desky plošných spojů: Proniklé vývody poskytují spojení uvnitř vnitřních vrstev desky plošných spojů, aniž by spotřebovávaly místo na vnějších vrstvách, čímž snižují přetížení a umožňují oddělení vrstev signálů nebo napájecích rovin. Zvláště přispěl k technologickým průlomům v leteckém/komunikačním/lékařském zařízení.
• Zlepšená integrita signálu: Použití slepých a vnitřních přechodových kontaktů (vias) v návrhu desek plošných spojů snižuje vznik odboček signálu, čímž minimalizuje odrazy, ztráty a elektromagnetické interference, což je klíčové pro vysokorychlostní a RF obvody.
• Termální optimalizace: Efektivní umístění přechodových kontaktů může pomoci šířit a rozptýlit teplo, snižuje riziko horkých míst a zlepšuje dlouhodobou spolehlivost složitých sestav desek plošných spojů.

Omezení slepých a zabudovaných přechodových děr

• Zvýšená výrobní složitost: Výroba slepých a vnitřních přechodových kontaktů vyžaduje dodatečné kroky vrtání a laminace, což je realizovatelné pouze u zkušených výrobců desek plošných spojů s přesnou kontrolou kvality a testováním výrobní kapacity výrobce.
• Vyšší výrobní náklady: Každý další cyklus laminace, krok zaplňování nebo dodatečný přechodový kontakt znamenají vyšší náklady na výrobu desek plošných spojů a větší spotřebu materiálu – zejména u vícevrstvých desek plošných spojů a HDI desek. Proto jsou také ceny produktů desek plošných spojů relativně vysoké.
• Testování a kontrola: Slepé a zapuštěné vývody jsou někdy obtížné kontrolovat na vady, což vyžaduje pokročilé techniky jako Rentgen vytváření obrazu pro zajištění kvality.
• Potenciální rizika spolehlivosti: Pokud není proces dokonale řízen, mohou nastat rizika, jako je vzduch uvězněný v desce plošných spojů, neúplné měděné povlaky nebo odvrstvení.

Výrobní proces: Vytváření slepých a zahrnutých vodivých přechodů

Přehled

The výroba PCB proces výroby slepých a zapuštěných vodivých přechodů na deskách plošných spojů je složitý a přesný. Výrobní proces těchto přechodů má však velký význam pro zlepšení výkonu desek, snížení počtu vrstev a zvýšení využití prostoru.

1. Návrh vrstvení: Laminátový návrh je konstrukčním základem pro slepé a zapuštěné díry. Návrh začíná určením jednotlivých vrstev desky plošných spojů a míst, kde musí přechody navazovat – slepý přechod spojuje vnější vrstvu s jednou nebo více vnitřními vrstvami; zapuštěný přechod spojuje dvě vnitřní vrstvy, aniž by dosahoval k povrchům.
2. Vrtání:

• Slepé přechody se vrtají pouze částečně skrz celou strukturu (z vnější do vnitřní vrstvy), obvykle pomocí vysoce přesného mechanického nebo laserového vrtání.
• Výroba zapuštěných přechodů vyžaduje vrtání ve dílčích sestavách vrstev ještě před jejich konečným laminováním, na rozdíl od slepých přechodů.

3.Laminace: Laminační procesy obou typů jsou také odlišné. U skrytých přechodových děr jsou vrstvy stlačeny dohromady a následně jsou přidány další vrstvy. Výroba desek plošných spojů s oslepenými a skrytými přechodovými dírami vyžaduje dokonalou registraci a zarovnání.

4.Nakládání: Všechny přechodové díry, včetně průchozích, slepých a skrytých, jsou měděně galvanizovány chemickou a elektrolytickou metodou za účelem zajištění vodivosti.

5.Testování: Pokročilé testování – zejména u skrytých přechodových děr na deskách plošných spojů – jako je rentgenová kontrola nebo analýza mikrořezů, zajišťuje správné vytvoření a spolehlivost přechodových děr.

Aplikace a případy použití

Slepé a skryté přechodové díry se staly standardem v pokročilém návrhu desek plošných spojů. Mohou výrazně zvýšit míru využití prostoru, snížit plochu desky, snížit počet vrstev a umožnit kompaktnější návrh, a to napříč téměř všemi průmyslovými obory, kde je zapotřebí vysoký výkon, hustota nebo redukce rozměrů.

Příklady odvětví využívajících slepé a skryté přechodové díry

• HDI desky plošných spojů pro chytré telefony: Slepé vývody propojují vnější plošky s interním směrováním a zatímco zapuštěné vývody v deskách plošných spojů minimalizují EMI a přesně vedou kritické vysokorychlostní signály, roste poptávka po chytrých telefonech široce.
• Síťové zařízení: Zapuštěný vývod propojuje dvě izolované roviny ve vícevrstvé desce plošných spojů pro integritu signálu v telekomunikačních přepínačích a směrovačích.
• Lékařské nositelné přístroje: Slepé a zapuštěné vývody poskytují izolaci signálů v malých, vysoce spolehlivých implantabilních zařízeních, poskytují velký prostor pro optimalizaci a podporu stávající lékařské techniky.
• Automobilová elektronika: Ve tržním prostředí komplexního vylepšení automobilového průmyslu používají moduly ADAS a infotainment jak slepé, tak zapuštěné vedení (vias) ke zmenšení velikosti desky, čímž zajišťují výkon i za náročných provozních podmínek.
• Aplikace v letecké a vesmírné oblasti: Zapuštěné vedení poskytují robustní stíněný přenos senzorových nebo řídicích dat s vynikající spolehlivostí i za vibrací nebo extrémních teplot.

Náklady Faktory a spolehlivost
Nákladové faktory

Vzhledem k tomu, že technologie slepých a zapuštěných vrtaných otvorů vyžaduje speciální procesy, jako je vrtání, mědění a povrchové úpravy, obvykle zvyšuje výrobní náklady. Zejména u středních až levných produktů může být použití této technologie obtížné. Zvýšení nákladů je proto důležitým faktorem při procesních požadavcích některých odvětví.

• Pokročilé výrobní kroky: Použití slepého a zapuštěného vedení vyžaduje více výrobních etap než tradiční skrz-lehké vedení, což zvyšuje náklady jak na nastavení, tak na jednotlivé desky.
• Volba materiálů a počet vrstev: Čím více vrstev má deska plošných spojů, tím častěji je nutné vyrábět slepá a zapuštěná vedení. Vysokoteplotní pre-pregy (High-Tg) a speciální fólie dále zvyšují náklady.
• Náklady na testování a kontrolu: Kontrola skrytých vedení – zejména struktur zapuštěných děr – často vyžaduje dodatečné rentgenové/CT vyšetření nebo destruktivní mikroprůřezy.

Aspekty spolehlivosti

Navzdory rostoucím nákladům mají některé technologické hardwarové produkty v určitých oblastech vysoké požadavky na účinek odvodu tepla a mechanickou pevnost řídicích desek. Výběr požadavků na výrobu slepých a zapuštěných děr je také nevyhnutelnou cestou pro iteraci produktu.

• Správné povrchové úpravy a zaplňování: Zajištění rovnoměrného nesení mědi do vývrtů a v případě potřeby jejich vyplnění je klíčové pro elektrickou spolehlivost a prevenci selhání spojeného se spájkováním nebo teplem.
• Teplotní cyklování: Vývrtky, zejména skryté vývrtky, jsou náchylné k praskání nebo odvrstvování, pokud nejsou vyrobeny s použitím správného procesu a materiálů.
• Vzduch uvězněný v desce plošného spoje: Vady způsobené vzduchem nebo dutinami mohou vést k předčasnému selhání v provozu.
• Zapojte zkušené výrobce desek plošných spojů: Spoléhejte na partnery, kteří znají správné postupy výroby, kontroly a testování desek s oslepenými a zapuštěnými vývrtky pro dlouhou životnost.

Návrhové tipy pro použití slepých a zapuštěných přechodových děr

Požadavky na výrobu slepých a zapuštěných kontaktů jsou tak vysoké a jejich funkce tak významné, že jsou kladeny vysoké nároky i na konstrukční návrh. Od zákaznického pochopení potřeb produktu, přes výběr materiálů až po náklady a výrobní kapacitu dodavatele by měl být proveden rozumný návrh komplexním zohledněním všech těchto faktorů. Následující faktory by měly být brány v úvahu přednostně:

• Časná konzultace s výrobcem desek plošných spojů: Používejte zkušené výrobce desek plošných spojů a ověřte si jejich technická omezení týkající se hloubky oslepených vývrtků, poměru stran a minimální velikosti vrtání.
• Plánování vrstvení: Při návrhu vícevrstvé desky plošných spojů jasně vymeňte, které signály nebo napájení musí zůstat izolované a kde jsou přidány skryté přechodové dírky pro optimální využití vrstev.
• Vyhněte se nadměrnému používání: Používejte slepé a skryté přechodové dírky pouze tam, kde je to nezbytné. Nadměrné používání zvyšuje náklady a snižuje výtěžnost.
• Vyplnění přechodových dírek: U přechodových dírek v místě plošky (via-in-pad) a mikro-přechodovek vždy uveďte, zda mají být dírky vyplněny nebo uzavřeny.
• Tepelné odvádění: Připojte napájecí/zemní přechodové dírky k rovinám pomocí „tepelného uvolnění“ v návrhu plošek, čímž dosáhnete lepší pájitelnosti a snížíte rizika napětí.
• Zkušební vzorky: Požádejte o vzorky umožňující destruktivní řezání během výroby skrytých přechodovek za účelem ověření kvality výroby.
• Řešte sloučené a posunuté přechodové dírky: V případě potřeby posuňte mikro-přechodové dírky nebo omezte seskupení slepých a skrytých přechodovek pro zlepšení spolehlivosti.

Nejčastější dotazy

Otázka: Jak se slepé a zapuštěné vývody liší od běžných průchozích vývodů?
Odpověď: Slepé vývody spojují vnější vrstvu s jednou nebo více vnitřními vrstvami, ale neprocházejí deskou celou. Zapuštěné vývody spojují dvě vnitřní vrstvy a po laminaci jsou „skryté“. Průchozí vývody spojují povrch s povrchem přímo skrz desku plošných spojů.
Otázka: Kdy bych měl použít slepé a zapuštěné vývody při výrobě desek plošných spojů?
A: Použijte slepé a zapuštěné vývody pro hustá HDI uspořádání desek plošných spojů, jemné rozteče BGAs, vysokorychlostní signály nebo když je minimalizace velikosti desky zásadní.
Q: Jsou slepé a zapuštěné vývody spolehlivé?
A: Ano, pokud máte zkušené partnery výrobce desek plošných spojů a správné procesní kontroly pro vrtání, napařování a plnění. Výzvou je zajistit, aby byl každý vývod správně vyroben a zkontrolován.
Q: Můžu smíchat typy vývodů na jedné desce?
A: Samozřejmě! Většina moderních složitých návrhů desek plošných spojů používá kombinaci tradičních průchozích vývodů, slepých vývodů, zapuštěných vývodů a dokonce i mikrovývodů, v závislosti na požadavcích obvodu.
Q: Jak ovlivňuje výroba zapuštěných vývodů dodací lhůtu?
A: Přidání zapuštěných vývodů na desku plošných spojů prodlužuje dodací lhůtu kvůli dodatečné laminaci, dalšímu vrtání a důkladnější kontrole. Plánujte tedy odpovídajícím způsobem.

Závěr: Měli byste použít slepé a zapuštěné vývody?

Pokud pracujete na náročném, komplexním nebo vysoce technologickém návrhu desky plošných spojů, jsou tyto speciální přechodové díry téměř nepostradatelné. Pomáhají zmenšit velikost desky, udržet signály čisté a umožňují routování všech těch složitých spojení, která jsou dnes běžná ve spotřební elektronice. Ale je tu háček – jejich výroba je nákladnější a budete potřebovat výrobce, který opravdu ví, co dělá. Proto je chytré zapojit svého výrobního partnera co nejdříve, používat slepé a vnitřní přechodové díry pouze tam, kde jsou skutečně potřeba, a pečlivě ověřit, zda váš dodavatel zvládne váš návrh, než odešlete soubory.
Závěr: Pokud pracujete s HDI deskami plošných spojů, snažíte se minimalizovat počet průchozích kontaktů nebo usilujete o vynikající výkon u vícevrstvých desek plošných spojů, neměli byste opomíjet možnosti, které vám slepé a vnitřní přechodové díry mohou nabídnout.