Slijepi i ukopani vijci u dizajnu pločica: Vodič za proizvođače

Uvod u slijepa i ukopana vija

U dinamičnom svijetu elektronike, s potražnjom na tržištu za visokotehnološkim hardverskim proizvodima, potreba za minijaturizacijom, većom performansom i složenijim funkcijama na manjim tiskanim pločama nikada nije bila veća. Dizajneri i proizvođači PCB-a također su suočeni s novim izazovima, jer nastoje uklopiti što više funkcionalnosti u svaki kvadratni milimetar. Taj je izazov doveo do uporabe sljepih i ukopanih vodova (via) u HDI PCB-ovima i višeslojnim dizajnima PCB-a. Ovi skriveni vodovi omogućuju bez presedana optimizaciju prostora, gušće rasporede krugova i naprednu integritet signala. Kao iskusni proizvođač tiskanih ploča, LHD TECH je tijekom posljednjih 20 godina razvio svoje procesne i proizvodne mogućnosti u korak s ažuriranjem proizvoda na tržištu. Od optimizacije sustava do preciznih proizvodnih sposobnosti opreme, te učinkovitog upravljanja proizvodnim timom, sve ide u korak s zahtjevima vremena.

Vratimo se na samu temu tehnologije, ali što su to točno vias u dizajnu PCB-a? Kako se izrađuju sljepi i zakopani vias, u usporedbi s tradicionalnom tehnologijom prolaznih rupa, u kojim se sektorima pokazuje jačim i kome je namijenjen? U ovom sveobuhvatnom vodiču, duboko ćemo proučiti ovu tehnologiju i otkriti tajne sljepih i zakopanih via, istražiti kako ih koriste iskusni proizvođači PCB-a i pokazati kako nude snažne prednosti za vaš sljedeći složeni dizajn PCB-a.

Uloga via u dizajnu PCB-a

Prvo pogledajmo proces via u PCB-ovima. S gledišta osnovnih principa, vias u PCB-u su električne veze koje povezuju različite slojeve PCB-a. Svaki višeslojni PCB — od jednostavnih 4-slojnih ploča do složenih 30+ slojnih struktura — ovisi o viaima za prijenos signala, napajanja i uzemljenja između vanjskog sloja PCB-a i unutarnjih slojeva PCB-a.

Zašto se koriste vias?

• Vias povezuje vanjski sloj s unutarnjim slojevima omogućavajući fleksibilno usmjeravanje.
• Vias se prevlače bakrom, stvarajući električno vodljivi put između slojeva tiskane ploče.
• Vias se uobičajeno koristi za smanjenje duljine signala, poboljšanje integriteta signala i optimizaciju prostora na ploči.
• Korištenje slijepih i ukopanih vias omogućuje inženjerima drastično smanjenje ukupne veličine tiskane ploče i broja potrebnih prolaznih vias.

Temeljem gore navedenog razumijevanja, u modernim HDI i višeslojnim PCB krugovima, viasovi su zbijeni u pažljivo planirane strukture kako bi se postigla ravnoteža između performansi, pouzdanosti i mogućnosti proizvodnje.

Osnove: Vrste viasova na tiskanim pločama

Koliko vrsta viasova postoji koje uobičajeno susrećemo? Razumijevanje različitih vrsta viasova temeljno je za savladavanje dizajna tiskanih ploča i postizanje optimalnih performansi ploče.

Ova tablica donosi jasnu razliku:

Što su slijepi vijai?

Danas govorimo o slijepim i ukopanim rupama. Dakle, kako izgleda struktura i princip slijepih rupa. Slijepi via je provodnik koji povezuje vanjski sloj tiskane pločice s jednim ili više unutarnjih slojeva, bez prolaska do suprotnog vanjskog sloja. Naziv je 'slijep' jer je vidljiv i dostupan samo s jedne površine, stoga se slijepi vijai često koriste za smanjenje broja slojeva na tiskanoj pločici.

Ključni detalji i prednosti

• Slijepi vijai povezuju gornju ili donju površinu s odabranim unutarnjim slojevima, kako bi se postigla optimalna iskorištenost dostupnih slojeva za usmjeravanje.
• Slijepi vijai ne prodiru kroz cijelu debljinu tiskane pločice, što ne samo da štedi dragocjeno mjesto na pločici, već oslobađa i suprotne površine za druge trase ili komponente.
• Budući da se slijepi prolazi buše samo djelomično kroz ploču, omogućuju gušću raspodjelu krugova i obično se koriste u HDI tiskanim pločama i BGA izlaznim uzorcima, što znatno poboljšava stopu iskorištenosti vođenja.
• Slijepi prolazi su obično mali (manji od 0,15 mm u promjeru) i postavljaju izuzetno visoke zahtjeve na bušilice i opremu, stoga je potrebno precizno lasersko bušenje ili još preciznije mehaničko bušenje.
• Korištenje slijepih prolaza može smanjiti debljinu tiskane ploče, a njihova svrha je pomoći u postizanju visoke gustoće komponenti za moderne proizvode.

Kako se slijepi prolazi buše i izrađuju

Slijepi prolazi se buše tijekom određenih koraka laminacije i bušenja. Njihov broj, položaj i dubina moraju se kontrolirati kako bi se izbjeglo probijanje neželjenih slojeva. Zatim se prevlače bakrom kako bi se formirali vodljivi spojevi. Izrada slijepih prolaza uključuje pažljivu pripremu kako bi se spriječilo zarobljivanje zraka u tiskanoj ploči ili nepotpuno prevlačenje, osiguravajući time pouzdanost.

Što su unutarnji prolazi?

Za razliku od slijepih rupa, ukopane rupe ne prodiru kroz vanjski sloj ploče. Ukopani vodič je vodič koji povezuje dva ili više unutarnjih slojeva tiskane pločice i nije vidljiv niti dostupan ni s jednog vanjskog sloja. Ovi se nazivaju i skriveni vodiči, jer su 'ukopani' između površinskih slojeva tiskane pločice. Naučimo više o ukopanim rupama zajedno.

Ključni detalji i prednosti

• Tijekom procesa izrade, ukopani vodiči se buše i prevlače u fazi izrade unutarnjih podsklopova, prije nego što se vanjski slojevi laminiraju.
• S obzirom na strukturu višeslojnih ploča, ukopani vodič povezuje dva unutarnja sloja — na primjer, slojeve 3 i 4 u 8-slojnoj tiskanoj pločici — pružajući mogućnosti usmjeravanja bez korištenja prostora na površini.
• Razlika je u tome da ukopani vodiči u dizajnu tiskanih pločica omogućuju projektantima izolaciju putova signala, uzemljenja ili distribucije napajanja, što znatno koristi složenim ili mješovitim dizajnima.
• Budući da ukopani vijeci nisu vidljivi nakon završne laminacije, velika je prednost da oni mogu maksimalno iskoristiti slojeve PCB-a i smanjiti utjecaj međusobnih smetnji.
• Ukopani vijeci se obično koriste u naprednim višeslojnim PCB pločama za telekomunikacije, zrakoplovnu i svemirsku tehnologiju te visokofrekventnu elektroniku.

Ostali tipovi vijeka na PCB-u

Prolazni viasovi

Na tiskanim pločama, prolazni otvor je struktura rupe koja povezuje sklopove između različitih slojeva PCB-a. Prolazni otvori omogućuju prijenos električnih signala između slojeva ploče i jedan su od najosnovnijih i najčešćih tipova rupa u tradicionalnom dizajnu PCB-a. Ima sljedeće karakteristike:

• Povezuje cijeli PCB paket, od vrha do dna.
• Koristi se za standardne višeslojne PCB ploče, izvode komponenti i spojnice.
• Zauzimaju više prostora i mogu ograničiti usku usmjerenost trasa.

Mikro vijai

Microvia se odnosi na prolaznu rupu s vrlo malim promjerom, obično 0,1 mm ili manje, i često se koristi u različitim slojevima dizajna ploča s visokom gustoćom međuspojeva (HDI). Ima sljedeće karakteristike:

• Izuzetno mali vijevi koji povezuju samo susjedne slojeve, formirani upotrebom laserskog ablativnog postupka za HDI tiskane ploče.
• Mogu biti naslagane ili pomaknute, a često se koriste u gusto pakiranim dizajnima pametnih telefona, nosivih uređaja ili medicinskih uređaja.
• Zahtijevaju naprednu proizvodnju i inspekciju strane iskusnih proizvođača tiskanih pločica.

Usporedna tablica: Slijepa vs. Zakopana vs. Prolazna vija

Zašto koristiti slijepa i ukopana provrtanja? Prednosti i ograničenja

U ovom poglavlju usredotočujemo se na slijepa i ukopana provrtanja. U dizajnerskim razmatranjima zahtjeva proizvoda, kada koristimo slijepa i ukopana provrtanja, koje prednosti i ograničenja ona imaju? Napravimo zajedno sažetak i razlikovanje.

Prednosti slijepih i ukopanih provrtanja

• Optimizacija prostora: U usporedbi s dizajnom kroz-rupe, smanjuje veličinu i debljinu tiskane ploče, omogućujući smještaj više komponenata i trasa na manjem prostoru.
• Izolacija signala: Može ne samo izolirati kritične signale ili ravnine napajanja, već ih i zaštititi od EMI/međusobnih smetnji.
• Unapređeno usmjeravanje: Vijevi povezuju vanjske i unutarnje slojeve tiskane ploče za fleksibilnije i učinkovitije izvedbe.
• Složeni dizajn tiskane ploče: Omogućuje uporabu gusto raspoređenih BGA, FPGA i integriranih krugova s malim razmakom bez drastičnog povećanja broja slojeva tiskane ploče ili površine ploče.
• Iskorištenje slojeva tiskane ploče: Pokopani vijevi osiguravaju povezivanje unutar unutarnjih slojeva tiskane ploče bez zauzimanja prostora na vanjskim slojevima, smanjujući gužvu i omogućujući razdvajanje signalnih ili napajnih ravnina u slojevima. Posebno je doprinio tehnološkim probojima u avio/komunikacijskoj/medicinskoj opremi.
• Unaprijeđena integritet signala: Korištenje slijepih i zakopanih vodova u dizajnu tiskane ploče smanjuje stvaranje signalnih stubova, minimizirajući refleksije, gubitke i elektromagnetske smetnje, što je ključno za visokofrekventne i RF sklopove.
• Termalna optimizacija: Učinkovit raspored vodova može pomoći u distribuciji i rasipanju topline, smanjujući rizik od vrućih točaka i poboljšavajući dugoročnu pouzdanost složenih PCB sklopova.

Ograničenja sljepih i zakopanih vijeva

• Povećana proizvodna složenost: Proizvodnja slijepih i zakopanih vodova uključuje dodatne korake bušenja i laminacije, što je izvedivo samo kod iskusnih proizvođača tiskanih ploča uz preciznu kontrolu kvalitete te testira proizvodne kapacitete proizvođača.
• Veće proizvodne cijene: Svaki dodatni ciklus laminacije, postupak punjenja ili dodatni vod znači povećane troškove proizvodnje tiskanih ploča i veću potrošnju materijala — posebno kod višeslojnih tiskanih ploča i HDI tiskanih ploča. Stoga su i cijene tiskanih ploča relativno visoke.
• Testiranje i inspekcija: Slijepi i ukopani vijci ponekad je teško provjeriti na nedostatke, što zahtijeva napredne tehnike poput Rentgen snimanja kako bi se osigurala kvaliteta.
• Potencijalni rizici u pogledu pouzdanosti: Ako kontrola procesa nije savršena, mogući su rizici poput zatrpanog zraka u tiskanoj ploči, nepotpune bakrene prevlake ili odvajanja slojeva.

Proizvodni proces: Izrada slijepih i ukopanih vijaka

Pregled

The proizvodnja PCB proces izrade slijepih i ukopanih vodova na tiskanim pločama složen je i precizan. Međutim, postupak proizvodnje ovih vodova ima veliki značaj za poboljšanje performansi tiskanih ploča, smanjenje broja slojeva ploče te povećanje iskorištenja prostora.

1. Dizajn slojeva: Laminirani dizajn je strukturna osnova slijepih i ukopanih rupa. Dizajn započinje mapiranjem slojeva tiskane ploče i mjesta na kojima vodovi trebaju biti spojeni — slijepi vod spaja vanjski sloj s jednim ili više unutarnjih slojeva; ukopani vod spaja dva unutarnja sloja, ali se ne proteže do površina.
2. Svaka vrsta:

• Slijepi vodovi buše se samo djelomično kroz paket (od vanjskog do unutarnjeg sloja), obično uz uporabu vrlo preciznog mehaničkog ili laserskog bušenja.
• Proizvodnja ukopanih vodova zahtijeva bušenje u podsklopovima slojeva prije potpunog laminiranja paketa, za razliku od slijepih rupa.

3.Laminiranje: Laminacijski tretmani ova dva su također različiti. Za skrivene vodove, slojevi se stiskaju zajedno, a zatim se dodaju dodatni slojevi. Proizvodnja PCB-a slijepih i skrivenih vodova zahtijeva savršenu registraciju i poravnanje.

4.Obloženje: Svi vodovi, uključujući prolazne, slijepi i skriveni vod, prevučeni su bakrom kemijskim i elektrolučnim postupkom kako bi se osigurala vodljivost.

5.Ispitivanje: Napredno testiranje — posebno za skrivene vodove na tiskanim pločama — poput rendgenskog snimanja ili analize mikro-presjeka osigurava da su vodovi ispravno formirani i pouzdani.

Aplikacije i slučajevi upotrebe

Slijepi i skriveni vodovi postali su standard u naprednom dizajnu tiskanih ploča. Mogu znatno poboljšati stopu iskorištavanja prostora, smanjiti površinu ploče, smanjiti broj slojeva i učiniti dizajn kompaktnijim, te se koriste u gotovo svim industrijskim područjima gdje je potrebna visoka performansa, gustoća ili smanjenje veličine.

Primjeri industrija koje koriste slijepi i skrivene vodove

• HDI tiskana ploča za pametne telefone: Slijepi vijci povezuju vanjske kontaktne površine s unutarnjim usmjeravanjem, a dok ukopani vijci u tiskanim pločama smanjuju EMI i točno usmjeravaju kritične signale visoke brzine, tržišni zahtjev za pametnim telefonima širi se sve više.
• Mrežno opremenje: Ukopani via povezuje dvije izolirane ravnine u višeslojnoj tiskanoj ploči radi integriteta signala u telekomunikacijskim preklopkama i rutera.
• Medicinski nosivi uređaji: Slijepi i ukopani vijci osiguravaju izolaciju signala u malim, izrazito pouzdanim uređajima za implantaciju, pružajući veliki prostor za optimizaciju i poboljšanje postojeće medicinske opreme.
• Automobilska elektronika: U tržišnom okruženju sveobuhvatnog nadogradnje u automobilskoj industriji, ADAS i informacijsko-zabavni moduli koriste slijepa i ukopana vias spojeve kako bi smanjili veličinu ploče, osiguravajući performanse u teškim uvjetima okoline.
• Uvođenje u promet Ukopani vias spojevi pružaju robusnu zaštićenu prijenosnu putanju za senzorske ili kontrolne podatke, s izvrsnom pouzdanosti čak i pod vibracijama ili ekstremnim temperaturama.

Trošak Čimbenici i pouzdanost
Čimbenici cijene

Zbog činjenice da tehnologija slijepih i ukopanih rupa zahtijeva posebne procese poput bušenja, prevlake bakrom i premazivanja, obično povećava proizvodne troškove. Posebno kod srednjih i nižih klasa proizvoda, korištenje ove tehnologije može biti teško. Stoga je povećanje troškova važan faktor u tehničkim zahtjevima nekih industrija.

• Napredni proizvodni koraci: Korištenje slijepih i ukopanih vias spojeva zahtijeva više proizvodnih faza nego tradicionalni prolazni vias spojevi, što povećava troškove postavljanja i po ploči.
• Izbor materijala i broj slojeva: Što je više slojeva na PCB-u, to se češće zahtijeva izrada slijepih i ukopanih vias spojeva. Pre-pregovi s visokim Tg-om i specijalne folije dodatno povećavaju troškove.
• Troškovi testiranja i inspekcije: Inspekcija skrivenih vias spojeva — posebno struktura ukopanih rupa — često uključuje dodatno rendgensko/CT snimanje ili destruktivno mikrosekcioniranje.

Razmatranja pouzdanosti

Unatoč rastućim troškovima, neki proizvodi tehnološke opreme u određenim područjima imaju visoke zahtjeve za učinkom hlađenja i mehaničkom čvrstoćom kontrolnih ploča. Odabir zahtjeva za izradu slijepih i ukopanih rupa također je neizbježan put u iteraciji proizvoda.

• Odgovarajuće metaliziranje i punjenje: Osiguravanje da su vijci ravnomjerno prevučeni bakrom i, ako je potrebno, ispunjeni, ključno je za električnu pouzdanost te za sprečavanje kvarova zbog lemljenja/toplinskih opterećenja.
• Napon zbog termičkog cikliranja: Vijci, posebno skriveni vijci, podložni su pucanju ili odvajanju slojeva ako nisu izrađeni s pravim postupcima i materijalima.
• Zaključani zrak u tiskanoj ploči: Pogreške uzrokovane zrakom ili šupljinama mogu dovesti do ranih kvarova u uporabi.
• Suradnja s iskusnim proizvođačima tiskanih ploča: Oslonite se na partnere koji razumiju kako ispravno izraditi, pregledati i testirati dizajne tiskanih ploča sa skrivenim i ukopanim vijcima za dug vijek trajanja.

Savjeti za dizajn pri korištenju slijepih i ukopanih vodova

Proizvodni zahtjevi za slijepim i ukopanim rupama toliko su visoki, a njihove funkcije toliko značajne da se postavljaju visoki zahtjevi i na konstrukciju dizajna. Počevši od razumijevanja potreba proizvoda kod kupca, odabira materijala, pa sve do troškova i proizvodnih mogućnosti dobavljača, racionalan dizajn treba izraditi komprehensivnim razmatranjem svih ovih čimbenika. Sljedeći čimbenici trebaju imati prioritetno razmatranje:

• Rano konzultiranje s proizvođačima tiskanih ploča: Koristite iskusne proizvođače tiskanih ploča i provjerite njihova tehnička ograničenja u vezi dubine skrivenih vijaka, omjera duljine i promjera te minimalne veličine bušenja.
• Planiranje slojeva: Prilikom projektiranja višeslojne pločice, jasno odvojite signale ili napajanje koje moraju ostati izolirani te naznačite gdje se dodaju skrivene vodove radi optimalnog korištenja slojeva.
• Izbjegavajte pretjeranu uporabu: Koristite slijepa i skrivena vodila samo tamo gdje su nužna. Pretjerana uporaba povećava troškove i smanjuje isplativost.
• Popunjavanje vodova: Za vodove unutar kontaktne površine i mikrovodove, uvijek naznačite treba li vod biti ispunjen ili zatvoren.
• Odvod topline: Spojite vodove za napajanje/tlom na ravnine koristeći dizajn kontaktnih površina s „termalnim olakšanjem“, čime se postiže bolja zavarivost i smanjuju rizici naprezanja.
• Testni uzorci: Zatražite uzorke za mogućnost destruktivnog presjeka tijekom proizvodnje skrivenih vodova kako bi se potvrdila kvaliteta proizvodnje.
• Obrađivanje složenih i razmaknutih vodova: Ako je potrebno, razmaknite mikrovodove ili ograničite slaganje grupa slijepih i skrivenih vodova radi poboljšane pouzdanosti.

Često postavljana pitanja

P: Kako se slijepi i ukopani vodovi razlikuju od standardnih prolaznih vodova?
O: Slijepi vodovi povezuju vanjski sloj s jednim ili više unutarnjih slojeva, ali ne prolaze kroz cijelu ploču. Ukopani vodovi povezuju dva unutarnja sloja i nakon laminacije su „skriveni“. Prolazni vodovi povezuju površinu s površinom ravno kroz tiskanu pločicu.
P: Kada trebam koristiti slijepi i ukopane vodove u proizvodnji tiskanih pločica?
A: Koristite slijepa i ukopana vijaka za gusto HDI pločice, fine-pitch BGA, visokofrekventne signale ili kada je smanjenje veličine ploče od presudne važnosti.
P: Jesu li slijepa i ukopana vijaka pouzdana?
A: Da, uz iskusne partnere proizvođača tiskanih pločica i ispravnu kontrolu procesa bušenja, prevlačenja i punjenja. Postoje izazovi u osiguravanju da je svako vijak ispravno formirano i pregledano.
P: Mogu li miješati tipove vijaka na jednoj pločici?
A: Naravno! Većina modernih složenih dizajna tiskanih pločica koristi kombinaciju tradicionalnih prolaznih vijaka, slijepih vijaka, ukopanih vijaka i čak mikrovijaka, ovisno o potrebi kruga.
P: Kako proizvodnja ukopanih vijaka utječe na rok isporuke?
A: Dodavanje ukopanih vijaka na tiskanu pločicu produžava rok isporuke zbog dodatnog laminiranja, dodatnog bušenja i temeljitijeg pregleda. Planirajte sukladno tome.

Zaključak: Trebate li koristiti slijepa i ukopana vijaka?

Ako radite na kompliciranoj, zahtjevnoj ili visokotehnološkoj PCB dizajnu, ovi posebni vijakovi su gotovo neophodni. Pomažu u smanjenju veličine ploče, održavanju čistih signala i omogućuju usmjeravanje svih tih složenih veza u današnjim uređajima. No evo zamke – skuplji su za izradu, a trebat ćete proizvođača koji se stvarno razumije u posao. Zbog toga je pametno uključiti partnera za izradu na samom početku, koristiti slijepa i ukopana bušenja samo ondje gdje ih stvarno trebate i dvaput provjeriti mogu li obraditi vaš dizajn prije slanja datoteka.
Kratak ishod: ako imate posla s HDI PCB-ovima, pokušavate smanjiti broj standardnih prolaznih bušotina ili težite odličnom učinku u višeslojnom PCB-u, ne biste trebali zanemariti što vam mogu pružiti slijepa i ukopana bušenja.