Blind- en Verborgen Vias in PCB-ontwerp: Een gids voor fabrikanten

Inleiding tot Blind- en Verborgen Vias

In de snel evoluerende wereld van elektronica, met de marktvraag naar high-tech hardwareproducten, is de behoefte aan miniaturisering, hogere prestaties en complexere functies op kleinere printplaten groter dan ooit. Ontwerpers en fabrikanten van PCB's worden geconfronteerd met nieuwe uitdagingen, terwijl zij proberen om zoveel mogelijk functionaliteit in elke vierkante millimeter te integreren. Deze uitdaging heeft geleid tot het gebruik van blinde en ingebedde via’s in HDI-printplaten en meerlagige PCB-ontwerpen. Deze verborgen via’s maken een ongekende optimalisatie van ruimte, dichtere circuitindelingen en geavanceerde signaalsignaliteit mogelijk. Als ervaren fabrikant van printplaten heeft LHD TECH gedurende de afgelopen 20 jaar zijn verwerkings- en productiecapaciteiten zien evolueren samen met de updates van marktproducten. Van systeemoptimalisatie tot de precisie in de fabricagecapaciteit van de apparatuur, en daarna naar het efficiënte beheer van het productieteam, alles blijft in pas met de eisen van deze tijd.

Laten we terugkeren naar het onderwerp technologie zelf. Maar wat zijn deze vias precies in PCB-ontwerp? Hoe worden blinde vias en ingebedde vias gemaakt? In vergelijking met het traditionele doorgeboorde proces, in welke sectoren is het sterker en voor welk publiek is het bedoeld? In deze uitgebreide gids zullen we dieper ingaan op de technologie en de mysteries van blinde en ingebedde vias ontrafelen, onderzoeken hoe ervaren PCB-fabrikanten ze gebruiken, en laten zien hoe ze krachtige voordelen bieden voor uw volgende complexe PCB-ontwerp.

De rol van vias in PCB-ontwerp

Laten we eerst een kijkje nemen op het via-proces in PCB's. Vanuit fundamenteel oogpunt zijn vias in een PCB de elektrische verbindingen die verschillende PCB-lagen met elkaar verbinden. Elke meerdere laag tellende PCB — van eenvoudige 4-laags boards tot complexe stacks van 30+ lagen — is afhankelijk van vias om signalen, stroom en aarde te transporteren tussen de buitenste laag van de PCB en de binnenste lagen van de PCB.

Waarom worden vias gebruikt?

• Vias verbinden een buitenlaag met binnenlagen voor flexibele routing.
• Vias zijn bekleed met koper, waardoor er een elektrisch geleidende verbinding ontstaat tussen de lagen van een printplaat.
• Vias worden vaak gebruikt om de signaalweg te verkorten, de signaalintegriteit te verbeteren en de gebruikte ruimte op de printplaat te optimaliseren.
• Het gebruik van blinde en ingebedde vias stelt ingenieurs in staat om de totale grootte van de printplaat aanzienlijk te verkleinen en het aantal benodigde doorgeboorde vias te verminderen.

Op basis van bovenstaande inzichten worden bij moderne HDI- en meerlagige printplaatcircuitontwerpen vias samengeperst in zorgvuldig geplande opbouwen om prestaties, betrouwbaarheid en fabricagegemak te balanceren.

De basis: Typen vias in printplaten

Hoeveel soorten vias komen we gewoonlijk tegen? Het begrijpen van de verschillende typen vias is fundamenteel voor het beheersen van printplaatontwerp en het bereiken van optimale prestaties van de printplaat.

Deze tabel maakt een duidelijk onderscheid:

Wat zijn blinde via's?

Vandaag bespreken we blinde gaten en inbegrepen gaten. Wat is nu precies de structuur en het principe van blinde gaten? Een blinde via is een via die een buitenlaag van een PCB verbindt met één of meer binnenlagen, zonder door te gaan tot de tegenoverliggende buitenlaag. Het is 'blind' omdat het alleen zichtbaar en toegankelijk is vanaf één oppervlak. Daarom worden blinde via's vaak gebruikt om het aantal lagen op een PCB te verminderen.

Belangrijke details & voordelen

• Blinde via's verbinden het bovenste of onderste oppervlak met geselecteerde binnenlagen, dit om optimale gebruik te maken van de beschikbare routelagen.
• Blinde via's dringen niet door de volledige dikte van de PCB heen, wat niet alleen waardevolle ruimte op de PCB bespaart, maar ook de tegenoverliggende oppervlakken vrijmaakt voor andere banen of componenten.
• Omdat blinde via's slechts gedeeltelijk door de printplaat worden geboord, maken ze een dichtere bedrading mogelijk en worden ze meestal gebruikt in HDI-PCB's en BGA-uitfaseerpatronen; dit heeft het benuttingspercentage van de bedrading sterk verbeterd.
• Blinde via's zijn doorgaans klein (minder dan 0,15 mm in diameter) en stellen extreem hoge eisen aan boormachines en apparatuur, waardoor precisie laserboring of nog nauwkeurigere mechanische boring vereist is.
• Het gebruik van blinde via's kan de dikte van de PCB verminderen en heeft tot doel een hoge componentdichtheid te realiseren voor moderne producten.

Hoe blinde via's worden geboord en gemaakt

Blinde via's worden geboord tijdens specifieke laminatie- en borgangen. Hun aantal, positie en diepte moeten worden gecontroleerd om te voorkomen dat onbedoelde lagen worden doorbroken. Vervolgens worden ze bekleed met koper om geleidende paden te vormen. Het maken van blinde via's vereist zorgvuldige voorbereiding om luchtopsluiting in de PCB of onvolledige plating te voorkomen, wat zorgt voor een robuuste betrouwbaarheid.

Wat zijn ingebedde via's?

In tegenstelling tot blinde gaten dringen ingebedde gaten niet door tot de buitenlaag van de plaat. Een ingebedde via is een via die twee of meer binnenlagen van een printplaat verbindt en niet zichtbaar of toegankelijk is vanaf een van de buitenlagen. Deze worden ook wel verborgen vias genoemd, omdat ze 'ingebedd' zijn tussen de oppervlaktelagen van de printplaat. Laten we samen meer leren over ingebedde gaten.

Belangrijke details & voordelen

• Tijdens het productieproces worden ingebedde vias geboord en gecoat tijdens de fabricage van binnenste subonderdelen, voordat de buitenlagen worden gelamineerd.
• Vanuit structureel oogpunt verbindt een ingebedde via in een meerklaags printplaat twee binnenlagen—bijvoorbeeld laag 3 en 4 in een 8-laags printplaat—en biedt daarmee routemogelijkheden zonder gebruik te maken van oppervlakte aan de buitenkant.
• Het verschil is dat ingebedde vias in printplaatontwerp ontwerpers in staat stellen signaallijnen, aarding of stroomverdeling te isoleren, wat bijzonder voordelig is voor complexe of mixed-signal ontwerpen.
• Omdat verborgen via's na de laatste laminatie niet zichtbaar zijn, is het een groot voordeel dat ze de gebruikte PCB-lagen kunnen maximaliseren en crosstalk kunnen verminderen.
• Verboden via's worden doorgaans gebruikt in geavanceerde meerdere-laags PCB's voor telecommunicatie, lucht- en ruimtevaart, en elektronica met hoge dichtheid.

Andere soorten via's in PCB's

Doorgeboorde vias

In printplaten is een doorverbinding een gatstructuur die circuits tussen verschillende lagen van de PCB verbindt. Doorverbindingen maken het mogelijk dat elektrische signalen tussen laagjes van de printplaat worden overgedragen en vormen een van de meest fundamentele en gangbare soorten gaten in traditioneel PCB-ontwerp. Het heeft de volgende kenmerken:

• Verbindt de gehele PCB-opbouw, van boven naar onder.
• Gebruikt voor standaard meerdere-laags PCB's, componentenpennen en connectoren.
• Neemt meer ruimte in beslag en kan hoogdichtheidsroutering beperken.

Microvia's

Microvia verwijst naar een doorgeboorde gat met een zeer kleine diameter, meestal 0,1 mm of kleiner, en wordt vaak gebruikt in verschillende ontwerplagen van hoogdichtheidsinterconnectie (HDI) printplaten. Het heeft de volgende kenmerken:

• Extreem kleine via's die alleen aangrenzende lagen verbinden, gemaakt met behulp van laserablatie voor HDI-PCB.
• Kunnen gestapeld of verspringend zijn, en worden vaak gebruikt in dichte ontwerpen voor smartphones, draagbare apparaten of medische toestellen.
• Vereisen geavanceerde productie en inspectie door ervaren printplaatfabrikanten.

Vergelijkingstabel: Blinde vs. Ingebedde vs. Doorlopende via's

Waarom blinde en begraven via's gebruiken? Voordelen en beperkingen

In dit hoofdstuk richten we ons op blinde gaten en begraven gaten. Bij de ontwerpnormen voor producteisen, welke voordelen en beperkingen hebben blinde en begraven via's? Laten we samen een overzicht en onderscheid maken.

Voordelen van blinde en begraven via's

• Ruimte-optimalisatie: In vergelijking met het doorgeboorde ontwerp vermindert dit de grootte en dikte van de PCB, waardoor meer componenten en banen op minder ruimte kunnen worden geplaatst.
• Signaalisolatie: Het kan niet alleen kritische signalen of vermogensvlakken isoleren, maar ook afschermen tegen EMI/crosstalk.
• Verbeterd routeren: Via's verbinden buitenste en binnenste PCB-lagen voor flexiblere en efficiëntere lay-outs.
• Complexe PCB-ontwerpen: Maakt het haalbaar om dichte BGAs, FPGAs en fijn-pitch ICs te gebruiken zonder drastisch het aantal PCB-lagen of de footprint van de kaart te vergroten.
• Gebruik van PCB-lagen: Verborgen via's bieden verbindingen binnen de binnenste lagen van een PCB zonder ruimte op de buitenste lagen te bezetten, wat congestie vermindert en gescheiden signaal- of vermogensvlakken op lagen mogelijk maakt. Dit heeft bijzonder bijgedragen aan technologische doorbraken in de luchtvaart/communicatie/medische apparatuurindustrie.
• Verbeterde signaalsignaliteit: Het gebruik van blinde en ingebedde vias in PCB-ontwerp vermindert de vorming van signaalstubs, wat reflecties, verliezen en elektromagnetische interferentie minimaliseert, wat essentieel is voor hoogfrequente en RF-schakelingen.
• Thermische optimalisatie: Effectieve via-plaatsing kan helpen bij het verdelen en afvoeren van warmte, waardoor het risico op hete plekken wordt verkleind en de langetermijnbetrouwbaarheid van complexe PCB-opbouwen wordt verbeterd.

Beperkingen van blinde en ingebedde via's

• Verhoogde productiecomplexiteit: De fabricage van blinde en ingebedde vias vereist extra boren- en laminatiestappen, die alleen haalbaar zijn met ervaren PCB-fabrikanten en nauwkeurige kwaliteitscontrole, en toetst de productiecapaciteit van de fabrikant.
• Hogere productiekosten: Elke extra laminatiecyclus, vulstap of extra via zorgt voor hogere productiekosten en meer materiaalgebruik, met name bij meerdere lagen PCB's en HDI-PCB-producten. Daarom zijn de prijzen van PCB-producten ook relatief hoog.
• Testen en inspecties: Blinde en ingebedde vias zijn soms moeilijk te inspecteren op defecten, wat geavanceerde technieken zoals Röntgenfoto beeldvorming om kwaliteit te waarborgen.
• Mogelijke betrouwbaarheidsrisico's: Als procesbeheersing niet perfect is, kunnen risico's optreden zoals lucht die vastzit in de PCB, onvolledige koperplating of delaminatie.

Fabricageproces: Het maken van blinde en ingebedde vias

Overzicht

De pCB-productie het proces van blinde via's en ingebedde via's op printplaten is complex en nauwkeurig. Het productieproces van deze via's is echter van groot belang voor het verbeteren van de prestaties van printplaten, het verminderen van het aantal lagen en het verhogen van het ruimtegebruik.

1. Opbouwontwerp: Het gelamineerde ontwerp is de structurele basis van blinde en ingebedde gaten. Het ontwerp begint met het in kaart brengen van de lagen van een printplaat en waar via's moeten worden verbonden — een blinde via verbindt een buitenlaag met een of meer binnenlagen; een ingebedde via verbindt twee binnenlagen, maar reikt niet tot de oppervlakken.
2. Boren:

• Blinde via's worden slechts gedeeltelijk door de opbouw geboord (van buiten naar binnen), meestal met behulp van zeer precies mechanisch of laserboren.
• De productie van ingebedde via's vereist boren in subassemblages voordat de volledige laminatie van de opbouw plaatsvindt, in tegenstelling tot blinde gaten.

3.Lamineren: De laminatiebehandelingen van de twee zijn ook verschillend. Bij verborgen via's worden lagen op elkaar geperst en daarna worden er meer lagen toegevoegd. De fabricage van printplaten met blinde en verborgen via's vereist perfecte registratie en uitlijning.

4.Verpakking: Alle via's, inclusief doorgeboorde, blinde en verborgen via's, zijn bekleed met koper middels chemische en elektrolytische plating om geleidbaarheid te garanderen.

5.Testen: Geavanceerde tests — in het bijzonder voor verborgen via's op printplaten — zoals röntgen- of microdoorsnede-analyse, zorgen ervoor dat de via's correct gevormd zijn en betrouwbaar functioneren.

Toepassingen en Gebruikscases

Blinde en verborgen via's zijn standaard geworden in geavanceerd printplaatontwerp. Ze kunnen de ruimtebenuttingsgraad aanzienlijk verbeteren, het oppervlak van de printplaat verkleinen, het aantal lagen verminderen en het ontwerp compacter maken, en worden toegepast in vrijwel elke industrie waar hoge prestaties, dichtheid of verkleining van formaat vereist is.

Voorbeelden van industrieën die gebruikmaken van blinde en verborgen via's

• HDI-PCB voor smartphones: Blindvia’s verbinden buitenste pads met interne routing, en terwijl buried via’s in PCB’s EMI minimaliseren en kritische hoogfrequente signalen nauwkeurig routeren, neemt de marktvraag naar smartphones sterk toe.
• Netwerkapparatuur: Een buried via verbindt twee geïsoleerde vlakken in een meerdere laag PCB voor signaalinhoud bij telecommunicatieschakelaars en routers.
• Medische wearables: Blind- en buried via’s zorgen voor signaalisolatie in kleine, zeer betrouwbare implanteerbare apparaten; het biedt veel ruimte voor optimalisatie en ondersteuning van huidige medische apparatuur.
• Automotive elektronica: In het marktomgeving van een alomvattende verbetering in de automobielindustrie gebruiken ADAS- en infotainmentsystemen zowel blind- als buried via’s om de printplaatgrootte te verkleinen, en zo prestaties te garanderen onder ruwe omstandigheden.
• Aerospace toepassingen: Verborgen via's bieden robuuste afgeschermde transmissie voor sensoren of besturingsgegevens, met uitstekende betrouwbaarheid zelfs onder trillingen of extreme temperaturen.

Kosten Factoren en Betrouwbaarheid
Kostfactoren

Omdat de technologie voor blinde en ingebedde gaten speciale processen vereist, zoals boren, koperplateren en coatingbehandeling, stijgen de productiekosten meestal. Vooral bij producten in het midden- tot lage segment kan het moeilijk zijn om deze technologie toe te passen. De kostenstijging is daarom een belangrijke factor bij de procesvereisten van bepaalde industrieën.

• Geavanceerde productiestappen: Het gebruik van blinde via's en verborgen via's vereist meer productiefasen dan traditionele doorgeboorde via's, wat zowel de instelkosten als de kosten per printplaat verhoogt.
• Materiaalkeuzes en aantal lagen: Hoe meer lagen een PCB heeft, hoe vaker de fabricage van blinde en verborgen via's nodig is. High-Tg pre-pregs en gespecialiseerde folies verhogen de kosten bovendien.
• Kosten voor testen en inspectie: Inspectie van verborgen via's—met name verborgen gatstructuren—gebruikt vaak extra röntgen/CT of destructieve microscopische doorsneden.

Overwegingen betreffende betrouwbaarheid

Ondanks de stijgende kosten hebben sommige technologische hardwareproducten in bepaalde sectoren hoge eisen ten aanzien van het warmteafvoereffect en de mechanische sterkte van besturingsplaten. De keuze voor productie-eisen met betrekking tot blinde en ingebedde gaten is ook een onvermijdelijke stap in de productiteratie.

• Juiste plating en opvulling: Zorgen dat via's gelijkmatig met koper zijn bekleed en indien nodig gevuld, is cruciaal voor elektrische betrouwbaarheid en om soldeer-/thermische storingen te voorkomen.
• Thermische Wisselbelasting: Vias, in het bijzonder verborgen vias, zijn gevoelig voor scheuren of delaminatie als ze niet met het juiste proces en de juiste materialen worden gemaakt.
• Lucht Opgevangen in de PCB: Fouten veroorzaakt door luchtinsluitingen of holtes kunnen leiden tot vroege uitval in het veld.
• Werk Samen met Ervaren PCB-fabrikanten: Vertrouw op partners die begrijpen hoe blind- en verzonken via PCB-ontwerpen correct moeten worden gefabriceerd, geïnspecteerd en getest voor een lange levensduur.

Ontwerptips voor het gebruik van blinde en ingebedde via's

De productie-eisen voor blinde en ingebedde gaten zijn zo hoog en hun functies zijn zo belangrijk dat er ook hoge eisen worden gesteld aan de ontwerpstructuur. Vanuit het begrip van de klant over de productbehoeften, tot de keuze van materialen, en vervolgens de kosten en de productiecapaciteit van de leverancier, dient een redelijk ontwerp te worden gemaakt door al deze factoren in ogenschouw te nemen. De volgende factoren dienen prioriteit te krijgen:

• Vroegtijdige Overleg met PCB-fabrikanten: Gebruik ervaren PCB-fabrikanten en controleer hun technische beperkingen wat betreft diepte van blinde vias, aspectverhouding en minimale boorgrootte.
• Opbouwplanning: Bij het ontwerpen van een meerlagige PCB moet duidelijk worden aangegeven welke signalen of voeding geïsoleerd moeten blijven en waar verzonken vias worden toegevoegd voor optimale gebruikmaking van de lagen.
• Vermijd overmatig gebruik: Gebruik alleen blinde via's en ingebedde via's waar dit essentieel is. Te veel gebruik verhoogt de kosten en verlaagt het rendement.
• Via-vulling: Geef bij via-in-pad en microvia's altijd aan of de via gevuld of afgedekt moet worden.
• Thermische ontlading: Verbind voedings/aardingsvia's met vlakken door gebruik te maken van 'thermal relief'-padontwerpen, wat betere soldeereigenschappen geeft en het risico op spanning vermindert.
• Testcoupons: Vraag om coupons om tijdens de productie van ingebedde via's destructieve doorsnijding mogelijk te maken ter controle van de productiekwaliteit.
• Behandeling van gestapelde en verschoven via's: Verschuif indien nodig microvia's of beperk de stapeling van groepen blinde en ingebedde via's voor verbeterde betrouwbaarheid.

Veelgestelde Vragen

V: Hoe verschillen blinde en ingebedde via's van standaard doorgeboorde via's?
A: Blinde via's verbinden een buitenlaag met één of meer binnenlagen, maar niet volledig door de printplaat heen. Ingebedde via's verbinden twee binnenlagen en zijn na laminatie 'verborgen'. Doorgeboorde via's verbinden het oppervlak met het oppervlak recht door de PCB heen.
V: Wanneer moet ik blinde en ingebedde via's gebruiken bij het produceren van PCB's?
A: Gebruik blinde en ingebedde via's voor dichte HDI-printplaatindelingen, fine-pitch BGAs, hoogfrequente signalen of wanneer het minimaliseren van de printplaatgrootte essentieel is.
V: Zijn blinde en ingebedde via's betrouwbaar?
A: Ja, mits u samenwerkt met ervaren fabrikanten van printplaten en de juiste procescontroles heeft voor boren, bedekken en vullen. Uitdagingen bestaan bij het waarborgen dat elke via correct is gevormd en geïnspecteerd.
V: Kan ik verschillende via-typen in één printplaat combineren?
A: Absoluut! De meeste moderne, complexe printplaatontwerpen gebruiken een combinatie van traditionele doorgeboorde via's, blinde via's, ingebedde via's en zelfs microvia's, afhankelijk van de circuitvereisten.
V: Hoe beïnvloedt de productie van ingebedde via's de levertijd?
A: Het toevoegen van ingebedde via's aan een printplaat verlengt de levertijd vanwege extra laminering, aanvullend boren en grondigere inspectie. Plan dienovereenkomstig.

Conclusie: Moet u blinde en ingebedde via's gebruiken?

Als u werkt aan een compacte, complexe of high-tech PCB-design, zijn deze speciale via's vrijwel onmisbaar. Ze helpen de afmetingen van uw printplaat te verkleinen, zorgen voor schone signalen en maken het mogelijk om al die ingewikkelde verbindingen te routed in moderne apparaten. Maar hier komt het aan – ze zijn duurder in productie, en u hebt een fabricant nodig die echt weet wat hij doet. Daarom is het verstandig om uw fabricagepartner vroegtijdig te betrekken, blind- en begraafde via's alleen te gebruiken waar u ze echt nodig heeft, en grondig te controleren of ze uw ontwerp kunnen realiseren voordat u de bestanden verzendt.
Kort gezegd: als u werkt met HDI-PCB's, minder standaard doorgeboorde gaten wilt hebben of uitzonderlijke prestaties nastreeft in een meerdere lagen tellende PCB, mag u niet voorbijgaan aan wat blind- en begraafde via's voor u kunnen betekenen.