Vak- és eltemetett átmenőfuratok a NYÁK tervezésében: Gyártói útmutató

A vak- és eltemetett viák bevezetése

Az elektronika gyorsan változó világában, a magas szintű hardvertermékek iránti piaci igény növekedésével egyre nagyobb az igény a miniatürizálásra, magasabb teljesítményre és összetettebb funkciókra kisebb méretű nyomtatott áramkörökön. A tervezők és a PCB-gyártók új kihívásokkal néznek szembe, ahogy törekednek arra, hogy a lehető legtöbb funkciót beépítsék minden négyzetmilliméterre. Ez a kihívás vezetett a rejtett (vak- és eltemetett) átmenőfuratok használatához az HDI és többrétegű PCB-k tervezésében. Ezek a rejtett átmenőfuratok korábban soha nem látott helyoptimalizálást, sűrűbb kapcsolási elrendezést és fejlett jelintegritást tesznek lehetővé. Tapasztalt nyomtatott áramköri lapgyártóként a LHD TECH az elmúlt 20 évben folyamatosan fejlődött a piaci termékek frissítéseivel párhuzamosan. A rendszer optimalizálásától kezdve a berendezések pontos gyártási képességén át a termelőcsapat hatékony menedzsmentjéig minden területen lépést tartunk a kor követelményeivel.

Térjünk vissza a technológia témájához, de pontosan mi is az, amit átvezetéseknek (vias) nevezünk a PCB tervezésben? Hogyan készülnek a vak- és eltemetett átvezetések, és összehasonlítva a hagyományos átfúrt lyukakkal, mely szektorokban nyújtanak előnyt, illetve milyen célközönség számára? Ebben az átfogó útmutatóban részletesen megvizsgáljuk ezt a technológiát, feltárjuk a vak- és eltemetett átvezetések titkait, bemutatjuk, hogyan használják őket a tapasztalt PCB gyártók, és megmutatjuk, miként biztosítanak jelentős előnyöket következő, összetett PCB tervezéséhez.

Az átvezetések szerepe a PCB tervezésben

Nézzük meg először az átvezetések folyamatát a PCB-kben. Az alapelvek szempontjából az átvezetések elektromos kapcsolatok, amelyek különböző rétegeket kötnek össze a nyomtatott áramkörökön. Minden többrétegű PCB – egyszerű 4-rétegű lemeztől a bonyolult 30+ rétegű szerkezetekig – az átvezetésekre támaszkodik ahhoz, hogy jeleket, energiát és földelést továbbítson a PCB külső és belső rétegei között.

Miért használnak átvezetéseket?

• Az átvezetések összekötik a külső réteget a belső rétegekkel, így rugalmasabb útvonaltervezést tesznek lehetővé.
• A vias-kat rézzel vonják be, így elektromosan vezető pályát hozva létre a nyomtatott áramkör (PCB) rétegei között.
• A vias-kat gyakran használják a jelút hosszának csökkentésére, a jelminőség javítására és a nyomtatott áramkör helytakarékosabb kialakítására.
• A vakvias-ok és eltemetett vias-ok használatával a mérnökök jelentősen csökkenthetik a nyomtatott áramkör teljes méretét és a furatos vias-ok szükségességét.

A fenti ismeretek alapján a modern HDI és többrétegű PCB-áramkörökben a vias-okat gondosan megtervezett rétegszerkezetben helyezik el, hogy optimalizálják a teljesítményt, megbízhatóságot és gyártási lehetőségeket.

Az alapok: A vias-típusok a nyomtatott áramkörökben

Hányféle vias-típust ismerünk általában? Annak megértése, hogy milyen különböző vias-típusok vannak, alapvető fontosságú a nyomtatott áramkör-tervezés mesterségének elsajátításához és a maximális teljesítmény eléréséhez.

Ez a táblázat egyértelmű megkülönböztetést tesz:

Mi a vakvia?

Ma a vakfúrásokról és eltemetett fúrásokról beszélünk. De mi is pontosan a vakfúrások szerkezete és elve? A vakvia egy olyan vezetősáv, amely a nyomtatott áramköri lap (PCB) külső rétegét egy vagy több belső réteggel köti össze anélkül, hogy áthatolna az ellenkező oldali külső rétegen. „Vak”, mert csak az egyik felületről látható és hozzáférhető. Így a vakviákat gyakran használják a nyomtatott áramköri lap rétegeinek számának csökkentésére.

Főbb részletek és előnyök

• A vakviák a felső vagy alsó felületet választott belső rétegekkel kötik össze, ezzel érve el az elérhető vezetékesítési rétegek optimális kihasználását.
• A vakviák nem hatolnak át a teljes PCB vastagságon, így nemcsak értékes helyet takarítanak meg a nyomtatott áramkörön, hanem szabadon hagyják az ellenkező oldalakat más nyomok vagy alkatrészek számára.
• Mivel a vakfúrólyukak csak részlegesen mennek át a nyomtatott áramkörön, lehetővé teszik a sűrűbb kapcsolási elrendezést, és általában HDI-nyomtatott áramkörökben és BGA kivezetési mintákban használják őket, jelentősen javítva a vezetékek kihasználtságát.
• A vakfúrólyukak általában kicsik (0,15 mm-nél kisebb átmérőjűek), és rendkívül magas követelményeket támasztanak a fúróberendezésekkel szemben, ezért pontos lézert vagy még pontosabb mechanikai fúrást igényelnek.
• A vakfúrólyukak alkalmazása csökkentheti a NYÁK vastagságát, célja pedig a modern termékekhez szükséges magas alkatrész-sűrűség elérése.

Hogyan készülnek a vakfúrólyukak

A vakfúrólyukakat meghatározott laminálási és fúrási lépések során készítik. Mennyiségüket, helyzetüket és mélységüket szigorúan ellenőrizni kell, hogy ne hatoljanak át a nem kívánt rétegeken. Ezután rézzel vonják be őket, hogy vezető pályákat hozzanak létre. A vakfúrólyukak készítése gondos előkészítést igényel a nyomtatott áramkörbe zárt levegő elkerülése és a hiányos bevonás megelőzése érdekében, így biztosítva a megbízható működést.

Mi azok a belső fúrólyukak?

A vakfuratokkal ellentétben a temetett furatok nem hatolnak át a lemez külső rétegén. A temetett átmenőfurat (via) olyan átmenőfurat, amely két vagy több belső réteget köt össze egy nyomtatott áramkörű lemezen (PCB), és sem a felső, sem az alsó külső rétegről nem látható vagy hozzáférhető. Ezeket rejtett átmenőfuratoknak is nevezik, mivel a PCB felületi rétegei között „el vannak temetve”. Ismerjük meg közelebbről együtt a temetett furatokat.

Főbb részletek és előnyök

• A gyártási folyamat során a temetett átmenőfuratokat a külső rétegek laminálása előtt, a belső alkatrészek gyártása során fúrják meg és hengerlik be.
• A többrétegű lemezek szerkezetének szempontjából a temetett átmenőfurat két belső réteget köt össze – például egy 8 rétegű PCB 3. és 4. rétegét –, így lehetőséget biztosít az útvonalválasztásra anélkül, hogy a felületi területet igénybe venné.
• Az eltérés az, hogy a temetett átmenőfuratok a PCB-tervezésben lehetővé teszik a jelutak, földelés vagy tápellátás elkülönítését, ami különösen előnyös összetett vagy vegyes jelekkel dolgozó terveknél.
• Mivel a beágyazott átmenőfuratok a végső laminálás után nem láthatók, jelentős előnyük, hogy maximalizálhatják az áramkörös lemez rétegkihasználtságát és csökkenthetik a krosstalk-et.
• A beágyazott átmenőfuratokat általában fejlett többrétegű nyomtatott áramkörökben használják távközlési, repülési- és űriptech, valamint nagy sűrűségű elektronikai alkalmazásokban.

Egyéb típusú átmenőfuratok nyomtatott áramkörökben

Átfúrt vias-ok

A nyomtatott áramkörökben a fúrt lyuk egy olyan szerkezet, amely az áramkörök közötti kapcsolatot biztosítja a nyomtatott áramkör különböző rétegei között. Az átmenő furatok lehetővé teszik az elektromos jelek átvitelét a lemez rétegei között, és a hagyományos NYÁK-tervezés egyik legalapvetőbb és leggyakoribb fajtáját képezik. A következő jellemzőkkel rendelkezik:

• Összeköti az egész NYÁK-rétegszerkezetet felülről az aljáig.
• Szabványos többrétegű NYÁK-okhoz, alkatrészcsatlakozókhoz és csatlakozókhoz használatos.
• Több helyet foglalnak el, és korlátozhatják a nagy sűrűségű útvonaltervezést.

Mikro viaszok

A mikrovia egy nagyon kis átmérőjű, általában 0,1 mm vagy annál kisebb furatot jelent, amelyet gyakran használnak a magas sűrűségű összeköttetésű (HDI) nyomtatott áramkörök különböző rétegeinek tervezésében. A következő jellemzőkkel rendelkezik:

• A szomszédos rétegeket kizárólag összekötő rendkívül kis méretű átmenő furatok, amelyeket lézeres abrázióval hoznak létre HDI nyomtatott áramköri lapokhoz.
• Egymásra halmozhatók vagy eltolva helyezhetők el, gyakran sűrűn elhelyezett okostelefonok, hordozható eszközök vagy orvosi berendezések tervezésénél használatosak.
• Haladó gyártási és ellenőrzési eljárásokat igényelnek tapasztalt nyomtatott áramkör-gyártóktól.

Összehasonlító táblázat: vakvia, eltemetett via és átmenőfurat

Miért érdemes vak- és eltemetett átmenőfuratokat használni? Előnyök és korlátozások

Ebben a fejezetben a vakfúrásokra és eltemetett fúrásokra koncentrálunk. A termékigények tervezési szempontjai során vizsgáljuk meg, milyen előnyökkel és korlátozásokkal járnak a vak- és eltemetett átmenőfuratok használata. Tegyünk közös összefoglalót és különbséget.

A vak- és eltemetett átmenőfuratok előnyei

• Tér optimalizálás: A fúrt lyukas megoldással összehasonlítva csökkenti a nyomtatott áramkör méretét és vastagságát, így több alkatrészt és vezetéket helyezhet el kisebb területen.
• Jelválasztás: Nemcsak a kritikus jeleket vagy tápfeszültség síkokat választhatja el, hanem védi azokat az EMI/keresztkapcsolódás hatásaitól is.
• Fejlesztett útválasztás: Az átmenő furatok összekötik a külső és belső rétegeket, így rugalmasabb és hatékonyabb elrendezés érhető el.
• Összetett nyomtatott áramkör tervezés: Lehetővé teszi sűrű BGA-k, FPGA-k és finom pitchejű IC-k használatát anélkül, hogy drasztikusan növelni kellene a rétegek számát vagy a nyák méretét.
• Rétegkihasználás: A beágyazott átmenőfuratok (buried vias) összeköttetéseket biztosítanak a nyomtatott áramkörök (PCB) belső rétegein belül, anélkül hogy a külső réteg területét igénybe vennék, csökkentve ezzel a torlódást, és lehetővé téve a rétegzett jel- vagy tápfeszültség-síkok elkülönítését. Különösen hozzájárult a technológiai áttörésekhez az repülési/kommunikációs/orvosi berendezések iparágában.
• Javult jelminőség: A vak- és beágyazott átmenőfuratok használata a nyomtatott áramkörtervezésben csökkenti a jelstubbek kialakulását, így minimalizálva a visszaverődéseket, veszteségeket és az elektromágneses zavarokat, amelyek kritikus fontosságúak a nagysebességű és rádiófrekvenciás (RF) áramkörök esetében.
• Hőoptimalizálás: Hatékony átmenőfurat-elhelyezés segíthet a hő elosztásában és szétterítésében, csökkentve a túlmelegedés veszélyét, és javítva a bonyolult nyomtatott áramkör-összeállítások hosszú távú megbízhatóságát.

A vak és eltemetett utak korlátai

• Növekedett gyártási összetettség: A vak- és beágyazott átmenőfuratok gyártása további fúrási és laminálási lépéseket igényel, amelyek csak tapasztalt nyomtatott áramkör-gyártókkal és pontos minőségellenőrzéssel valósíthatók meg, és tesztelik a gyártó termelési kapacitását.
• Magasabb gyártási költség: Minden további rétegeltetési ciklus, kitöltési lépés vagy további átmenő furat növeli a nyomtatott áramkörök (PCB) előállítási költségeit és anyagfelhasználását – különösen többrétegű PCB és HDI PCB termékek esetén. Így a PCB termékek ára is viszonylag magas.
• Tesztelés és ellenőrzés: A vak- és eltemetett átmenő furatok hibáinak észlelése néha nehézkes, speciális technikák, például X-RAY képalkotás szükséges a minőség biztosításához.
• Lehetséges megbízhatósági kockázatok: Ha a folyamatirányítás nem tökéletes, akkor olyan kockázatok merülhetnek fel, mint a levegő befogódása a nyomtatott áramkörben, hiányos rézbevonat vagy rétegződés.

Gyártási folyamat: Vak- és eltemetett átmenőfuratok létrehozása

Áttekintés

A pcb gyártás a vakfuratok és eltemetett furatok folyamata a nyomtatott áramkörökön (PCB) összetett és pontos. Ugyanakkor ezek gyártási folyamata nagy jelentőséggel bír a nyomtatott áramkörök teljesítményének javításában, a rétegek számának csökkentésében és a helykihasználás növelésében.

1. Rétegstruktúra tervezése: A laminált tervezés a vak- és eltemetett furatok szerkezeti alapja. A tervezés során meg kell határozni a nyomtatott áramkör rétegeit és azokat a helyeket, ahol a furatoknak összeköttetést kell biztosítaniuk – a vakfurat az egyik külső réteget egy vagy több belső réteggel köti össze; az eltemetett furat két belső réteget köt össze anélkül, hogy a felületekig elérne.
2. Fúrás:

• A vakfuratokat csak részlegesen fúrják át a rétegszerkezeten (külső rétegtől a belső felé), általában rendkívül pontos mechanikus vagy lézeres fúrást alkalmazva.
• Az eltemetett furatok előállítása azt követeli meg, hogy a rétegeket még a teljes laminálás előtt, részegységként meg lehessen fúrni, ellentétben a vakfuratokkal.

3.Laminálás: A két típus rétegelt kezelése is eltérő. A belső átmenő furatoknál a rétegeket összesajtolják, majd később további rétegeket adnak hozzá. A vak- és belső átmenő furatokat tartalmazó nyomtatott áramkörök gyártása tökéletes regisztrációt és igazítást igényel.

4.Fémelés: Az összes átmenő furat, beleértve a teljesen áthatoló, vak- és belső átmenő furatokat is, kémiai és elektroplattal rézbevonatot kap, amely biztosítja a vezetőképességet.

5.Tesztelés: Korszerű tesztelés – különösen a nyomtatott áramkörök belső átmenő furatai esetén –, például röntgenvizsgálat vagy mikrometszet-elemzés garantálja, hogy az átmenő furatok megfelelően kialakultak és megbízhatóak.

Alkalmazások és használati esetek

A vak- és belső átmenő furatok mára szabványossá váltak a fejlett nyomtatott áramkör-tervezésben. Jelentősen javíthatják a helykihasználtságot, csökkenthetik a tábla méretét, csökkenthetik a rétegek számát, és kompaktabbá tehetik a tervezést, és szinte minden iparágban alkalmazzák, ahol magas teljesítményre, sűrűségre vagy méretcsökkentésre van szükség.

Iparágak, amelyek vak- és belső átmenő furatokat használnak

• HDI PCB okostelefonokhoz: A vakfúrások az oldalsó csatlakozókat a belső útvonalazáshoz kötik, míg az eltemetett átmenő furatok csökkentik az elektromágneses zavarokat (EMI) és pontosan vezetik a kritikus nagysebességű jeleket, miközben az okostelefonok iránti piaci kereslet folyamatosan növekszik.
• Hálózati berendezések: Az eltemetett átmenő furat két elkülönített síkot köt össze többrétegű PCB-kben, így biztosítva a jel integritását távközlési kapcsolókban és routerekben.
• Orvosi Hordozható Eszközök: A vak- és eltemetett átmenőfuratok jelzéselválasztást biztosítanak apró, rendkívül megbízható beültethető eszközökben, így nagy teret nyújtanak az optimalizálásnak és a jelenlegi orvosi berendezések támogatásának.
• Autóipari elektronika: Az autóipari gyártóipar átfogó fejlődésének piaci környezetében az ADAS és az infotainment modulok is használnak vak- és eltemetett átmenőfuratokat a nyomtatott áramkörök méretének csökkentésére, így biztosítva a teljesítményt durva környezeti feltételek mellett.
• Aeroszp. alkalmazások: Az eltemetett átmenőfuratok erős, árnyékolt adatátvitelt biztosítanak érzékelők vagy vezérlőjelek számára, kiváló megbízhatósággal még rezgés vagy extrém hőmérséklet hatására is.

Költség Tényezők és Megbízhatóság
Költség tényezők

Mivel a vak- és eltemetett fúrásos technológia speciális eljárásokat igényel, mint például fúrás, réteglerakás és bevonatkezelés, ez általában növeli a gyártási költségeket. Különösen közép- és alacsonyabb kategóriás termékek esetén nehéz lehet e technológia alkalmazása. Ezért a költségnövekedés fontos tényező az egyes iparágak folyamatkövetelményeiben.

• Haladó Gyártási Lépések: A vak- és eltemetett átmenőfuratok alkalmazása több gyártási fázist igényel, mint a hagyományos átmenőfuratok, ami növeli a beállítási és darabonkénti költségeket.
• Anyagválasztás és Rétegszám: Minél több rétege van egy NYÁK-nak, annál gyakrabban szükséges vak- és eltemetett átmenőfuratokat gyártani. A magas Tg-jű prepreg anyagok és speciális fóliák tovább növelik a költségeket.
• Tesztelési és Ellenőrzési Költségek: A rejtett átmenőfuratok – különösen a beágyazott lyukszerkezetek – vizsgálata gyakran további röntgen/CT vagy pusztító mikrometszetkészítési eljárásokat foglal magában.

Megbízhatósági szempontok

A növekvő költségek ellenére egyes technológiai hardvertermékek bizonyos területeken magas elvárásokat támasztanak az irányítókártyák hőelvezetési hatékonyságával és mechanikai szilárdságával szemben. A vak- és eltemetett fúrólyuk-gyártási követelmények kiválasztása is elkerülhetetlen lépés a termékfejlesztés során.

• Megfelelő lemezbevonás és kitöltés: Fontos biztosítani, hogy az átmenőfuratokat egyenletesen hordozzák rézzel, és szükség esetén megfelelően töltsék ki, mivel ez döntő fontosságú az elektromos megbízhatóság és az ón/hőmérsékleti hiba megelőzése szempontjából.
• Termikus ciklusos terhelés: Az átmenőfuratok, különösen a rejtett átmenőfuratok, repedésre vagy rétegződésre hajlamosak, ha nem megfelelő eljárással vagy anyagokkal készülnek.
• Légbefogódás a nyomtatott áramkörön: A levegőből vagy üregből származó hibák korai meghibásodáshoz vezethetnek a gyakorlatban.
• Tapasztalt nyomtatott áramkör-gyártókkal való együttműködés: Bízzon olyan partnerekben, akik értik, hogyan kell helyesen gyártani, ellenőrizni és tesztelni a vak- és beágyazott átmenőfuratú nyomtatott áramkör-terveket hosszú élettartam érdekében.

Tervezési tippek vak- és eltemetett fúrólyukak használatához

A vak- és eltemetett fúrások előállítási követelményei olyan magasak, és funkciójuk olyan lényeges, hogy a tervezési szerkezetre is nagy igények vannak. Az ügyfél termékigényének megértésétől kezdve az anyagválasztáson át a költségekig és a szállító gyártási kapacitásáig minden tényezőt figyelembe véve kell ésszerű tervezést készíteni. Az alábbi tényezőket elsőbbségi szempontként kell figyelembe venni:

• Korai konzultáció nyomtatott áramkör-gyártókkal: Használjon tapasztalt PCB gyártókat, és ellenőrizze technikai korlátjaikat a vakfuratok mélységére, az arányra és a minimális fúróméretre vonatkozóan.
• Rétegrendezés tervezése: Többrétegű PCB tervezésekor egyértelműen határozza meg, mely jelek vagy tápfeszültségek maradjanak elkülönítve, és hol kerüljenek eltemetett átmenő furatok hozzáadásra a legjobb rétegkihasználás érdekében.
• Túlhasználat elkerülése: Csak ott használjon vak- és eltemetett átmenő furatokat, ahol feltétlenül szükséges. A túlhasználat növeli a költségeket és csökkenti a kitermelést.
• Átmenő furat kitöltése: Padon belüli átmenő furatok és mikroátmenő furatok esetén mindig jelezze, hogy az átmenő furatot tölteni vagy fedni kell-e.
• Hőelvezetés: A föld-/tápfeszültség-átmenő furatokat síkokhoz „termikus kifűzős” padtervekkel kell csatlakoztatni, amelyek javítják a forraszthatóságot és csökkentik a feszültségi kockázatokat.
• Tesztminta: Kérjen mintadarabokat eltemetett átmenő furatok gyártása során a termelési minőség ellenőrzéséhez, lehetővé téve a romboló vizsgálatot.
• Egymásra halmozott és eltolva elhelyezett átvezetők: Szükség esetén az átmeneti mikroátvezetőket eltolva helyezze el, vagy korlátozza a vak- és rejtett átvezetőcsoportok egymásra rétegzését a megbízhatóság javítása érdekében.

Gyakran Ismételt Kérdések

K: Miben különböznek a vak- és eltemetett fúrólyukak a szabványos átfúrt fúrólyukaktól?
V: A vakfúrólyukak egy külső réteget egy vagy több belső réteggel kötnek össze, de nem hatolnak át teljesen a nyomtatott áramkörön. Az eltemetett fúrólyukak két belső réteget kötnek össze, amelyek a laminálás után „rejtettek”. Az átfúrt fúrólyukak a felülettől a felülig közvetlenül áthaladnak a PCB-n.
K: Mikor érdemes vak- és eltemetett fúrólyukakat használni a nyomtatott áramkörök gyártásában?
A: Használjon vak- és eltemetett átmenőfuratokat sűrű HDI nyomtatott áramköri lapokhoz, finom rácstávolságú BGA-khoz, nagysebességű jelekhez, vagy ha a lemez méretének csökkentése elengedhetetlen.
K: Megbízhatóak a vak- és eltemetett átmenőfuratok?
V: Igen, tapasztalt NYÁK-gyártó partnerekkel és megfelelő fúrási, galvanizálási és kitöltési folyamatirányítással. Kihívások merülhetnek fel annak biztosításában, hogy minden átmenőfurat helyesen legyen kialakítva és ellenőrizve.
K: Összekeverhetem az átmenőfurat-típusokat egyetlen lemezen belül?
V: Természetesen! A mai modern, összetett NYÁK-tervek többsége a hagyományos átmenőfuratokon, vakátmenőfuratokon, eltemetett átmenőfuratokon és akár mikroátmenőfuratokon is alapul, attól függően, hogy milyen az adott áramkör igénye.
K: Hogyan hat a beépített átmenőfuratok gyártása az előállítási időre?
V: A beépített átmenőfuratok hozzáadása megnöveli a gyártási időt a plusz laminálás, további fúrás és alaposabb ellenőrzés miatt. Ezt érdemes figyelembe venni a tervezés során.

Következtetés: Használjon vak- és eltemetett átmenőfuratokat?

Ha egy szűkös, összetett vagy magas technológiai igényű NYÁK-tervet készít, akkor ezek a speciális átmenő furatok (vias) szinte elengedhetetlenek. Ezek segítenek csökkenteni a nyomtatott áramkör méretét, tisztán tartani a jeleket, és lehetővé teszik az összetett kapcsolatok kialakítását a mai eszközökben. Ám itt jön a buktató – drágábban gyárthatók, és olyan gyártóra van szüksége, aki tényleg érti a dolgát. Ezért okos dolog korán bevonni a gyártási partnert, csak ott alkalmazni vak- és eltemetett átmenő furatokat, ahol tényleg szükség van rájuk, valamint kétszer is ellenőrizni, hogy kezelni tudják-e a tervezett kialakítást, mielőtt elküldené a fájlokat.
A lényeg: ha HDI NYÁK-kal dolgozik, csökkenteni szeretné a hagyományos átfúrt lyukak számát, vagy kiemelkedő teljesítményt szeretne elérni egy többrétegű NYÁK-on, akkor nem szabad figyelmen kívül hagynia, mit tehetnek önért a vak- és eltemetett átmenő furatok.