Blind- og graverte vias i PCB-design: En produsents guide

Introduksjon til blinde og graverte viaer

I den raskt bevegelige verden av elektronikk, med markedets etterspørsel etter høyteknologiske maskinvareprodukter, har behovet for miniatyrisering, høyere ytelse og mer komplekse funksjoner på mindre kretskort aldri vært større. Designere og produsenter av kretskort står også overfor nye utfordringer når de prøver å pakke inn så mye funksjonalitet som mulig i hver kvadratmillimeter. Denne utfordringen har ført til bruk av blinde og begravde gjennomganger i HDI-kretskort og flerlagete kretskortdesign. Disse skjulte gjennomgangene tillater en hidertil usett optimalisering av plass, tettere kretsoppsett og avansert signallintegritet. Som en erfarne produsent av kretskort har LHD TECH sett hvordan våre prosesserings- og produksjonskapasiteter har utviklet seg sammen med oppdateringene av markedets produkter de siste 20 årene. Fra systemoptimalisering til nøyaktig produksjonskapasitet hos utstyret, og videre til effektiv ledelse av produksjonsteamet, holder alt tritt med tidens krav.

La oss gå tilbake til temaet teknologi selv. Men hva er egentlig disse viasene i PCB-design? Hvordan lages blinde og begravde viaser, og sammenlignet med den tradisjonelle gjennomgående boreprosessen, i hvilke sektorer er det sterkere og hvem er målgruppen? I denne omfattende guiden vil vi gå dypere inn i teknologien og avdekke mysteriene rundt blinde og begravde viaser, utforske hvordan erfarne PCB-produsenter bruker dem, og vise hvordan de gir kraftige fordeler for ditt neste komplekse PCB-design.

Rollen til viaser i PCB-design

La oss først se på via-prosessen i PCBS. Sett fra et grunnleggende prinsipp er viaser i PCB elektriske forbindelser som binder forskjellige PCB-lag sammen. Hvert flerlags PCB – fra enkle 4-lags kort til komplekse 30+ lag-stabler – er avhengig av viaser for å lede signaler, strøm og jord mellom ytterlaget og innerlagene i PCB-en.

Hvorfor brukes viaser?

• Viaser kobler et ytre lag til indre lag for fleksibel routing.
• Vias er belagt med kobber, noe som skaper en elektrisk ledende bane mellom lagene i en kretskortplate (PCB).
• Vias brukes ofte for å redusere signalkjedens lengde, forbedre signalintegritet og optimalisere plassbruk på kortet.
• Bruken av blinde via og begravde via lar ingeniører redusere størrelsen på PCB-en betraktelig og mengden gjennomgående hull (through-hole vias) som trengs.

Basert på denne forståelsen i moderne HDI- og flerlags PCB-kretser, plasseres via tett sammen i nøye planlagte oppbyggninger for å balansere ytelse, pålitelighet og produksjonsegenskaper.

Grunnleggende: Typer via i PCB

Hvor mange typer via finnes det som vi vanligvis ser? Å forstå de ulike typene via er grunnleggende for å mestre PCB-design og oppnå optimal kretskortytelse.

Denne tabellen gir en klar distinksjon:

Hva er blinde viaer?

I dag diskuterer vi blinde hull og begravde hull. Så hva er egentlig strukturen og prinsippet for blinde hull? En blind via er en via som kobler et ytre lag på et kretskort til ett eller flere indre lag, uten å gå helt igjennom til det motsatte ytre laget. Den er «blind» fordi den kun er synlig og tilgjengelig fra én overflate. Derfor brukes blinde viaer ofte for å redusere antall lag på et kretskort.

Nøkkeldetaljer og fordeler

• Blindevias kobler topp- eller bunnoverflaten til utvalgte indre lag, for å oppnå optimal utnyttelse av tilgjengelige routing-lag.
• Blindevias går ikke gjennom hele tykkelsen på kretskortet, noe som ikke bare sparer verdifull plass på kretskortet, men også frigjør motsatte overflater for andre ledninger eller komponenter.
• Siden blinde gjennomganger bare er borret delvis gjennom kretskortet, tillater de en tettere kretsoppbygging og brukes vanligvis i HDI-PCB-er og BGA-utbruddsmønstre. Dette har betraktelig forbedret utnyttelsesgraden av ledninger.
• Blinde gjennomganger er vanligvis små (mindre enn 0,15 mm i diameter), og det stilles ekstremt høye krav til boringsmaskiner og utstyr, så det må kreves presisjonslaser eller mer nøyaktig mekanisk boring.
• Bruk av blinde gjennomganger kan redusere PCB-tykkelsen, og formålet er å oppnå høy komponenttetthet for moderne produkter.

Hvordan blinde gjennomganger lages og bors

Blinde gjennomganger bors under spesifikke laminering- og boringstrinn. Mengden, posisjonen og dybden må kontrolleres for å unngå at de går gjennom uønskede lag. Deretter belastes de med kobber for å danne ledende baner. Opprettelse av blinde gjennomganger innebærer omhyggelig forberedelse for å hindre luftfangede områder i PCB-en eller ufullstendig belagte flater, og sikrer dermed god pålitelighet.

Hva er skjulte gjennomganger?

I motsetning til blinde hull går begravde hull ikke gjennom ytterlaget av platene. Et begravd gjennomgående hull (via) er et som forbinder to eller flere indre lag i en kretskortplate (PCB), og er ikke synlig eller tilgjengelig fra noe av de ytre lagene. Disse kalles også skjulte viaer, da de er 'begravd' mellom overflatelagene på PCB-en. La oss lære mer om begravde hull sammen.

Nøkkeldetaljer og fordeler

• Under produksjonen av begravde viaer borres og belastes de under fremstillingen av indre delmonteringer, før ytterlagene laminereres.
• Sett fra strukturen i flerlagskort, forbinder begravd via to indre lag – for eksempel lag 3 og 4 i et 8-lags PCB – og gir rutingmuligheter uten å bruke plass på overflaten.
• Forskjellen er at begravde viaer i PCB-design lar konstruktører isolere signalstier, jord eller strømfordeling, noe som sterkt foreløper komplekse eller blandesignal-konstruksjoner.
• Siden skjulte gjennomganger ikke er synlige etter endelig laminering, er det en stor fordel at de kan maksimere utnyttelsen av kretskortlag og redusere krysskopling.
• Skjulte gjennomganger brukes vanligvis i avanserte flerlags kretskort for telekommunikasjon, luftfart og høy tetthet elektronikk.

Andre typer gjennomganger i kretskort

Gjennomgående via

I trykte kretskort er gjennomgående hull en hullstruktur som kobler sammen kretser mellom forskjellige lag på kretskortet. Gjennomgående hull tillater overføring av elektriske signaler mellom kortsjiktene og er en av de mest grunnleggende og vanlige typene hull i tradisjonell kretskortdesign. Den har følgende egenskaper:

• Kobler hele kretskortstakken, fra topp til bunn.
• Brukes til standard flerlags kretskort, komponentben og tilkoblinger.
• Forbruker mer plass og kan begrense routing med høy tetthet.

Mikrovias

Microvia refererer til et gjennomgående hull med en svært liten diameter, typisk 0,1 mm eller mindre, og brukes ofte i forskjellige designlag av høytetthetsinterkonnekterte (HDI) trykte kretskort. Det har følgende egenskaper:

• Ekstremt små vias som kobler kun tilstøtende lag, dannet ved laserablasjon for HDI-PCB.
• Kan være stablet eller forskjøvet, og brukes ofte i kompakte design for smarttelefoner, bærbare enheter eller medisinske apparater.
• Krever avansert produksjon og inspeksjon fra erfarne produsenter av kretskort.

Sammenligningstabell: Blinde viaer vs. Inngraverte viaer vs. Gjennomgående viaer

Hvorfor bruke blinde og begravde platedeler? Fordeler og begrensninger

I dette kapittelet fokuserer vi på blinde hull og begravde hull. I designoverveielser knyttet til produktkrav, hvilke fordeler og begrensninger har vi ved bruk av blinde og begravde platedeler? La oss sammenfatte og skille disse to sammen.

Fordeler med blinde og begravde platedeler

• Plassoptimalisering: Sammenlignet med gjennomgående hull-design reduserer det størrelsen og tykkelsen på PCB-en, noe som tillater flere komponenter og ledere på mindre plass.
• Signalisolasjon: Det kan ikke bare isolere kritiske signaler eller strømplaner, men også skjerme dem mot EMI/krysslyd.
• Forbedret routing: Vias kobler ytre og indre PCB-lag for mer fleksible og effektive oppsett.
• Kompleks PCB-design: Gjør det mulig å bruke tette BGAs, FPGAs og fine-pitch ICs uten å øke antall PCB-lag eller brettets størrelse dramatisk.
• PCB-lagutnyttelse: Innebygde vias gir tilkoblinger innenfor indre lag i en PCB uten å oppta plass på ytterlagene, reduserer kongestjon og muliggjør separasjon av signal- eller strømplaner. Dette har spesielt bidratt til teknologiske gjennombrudd i luftfart-/kommunikasjons-/medisinske utstyrsindustrier.
• Forbedret signalintegritet: Ved bruk av blinde og begravde gjennomganger i PCB-design reduseres dannelse av signalstubb, noe som minimerer refleksjoner, tap og elektromagnetisk interferens, noe som er viktig for høyhastighets- og RF-kretser.
• Termisk optimalisering: Effektiv plassering av gjennomganger kan hjelpe til med å distribuere og sprede varme, redusere risikoen for varmebilder og forbedre langtidsdriftssikkerheten i komplekse PCB-oppbygninger.

Begrensninger ved blinde og innebygde gjennomganger

• Økt produksjonskompleksitet: Fremstilling av blinde og begravde gjennomganger innebærer ekstra boring og lamineringstrinn, noe som bare er mulig med erfarne PCB-produsenter og presis kvalitetskontroll, samt tester produsentens produksjonskapasitet.
• Høyere produksjonskostnader: Hvert ekstra lamineringstrinn, fyllingstrinn eller ekstra gjennomgang fører til økte produksjonskostnader og materialbruk – spesielt i flerlags PCB og HDI-PCB-produkter. Derfor er også prisen på PCB-produkter relativt høy.
• Testing og inspeksjon: Blind- og graverte vias kan noen ganger være vanskelige å inspisere for defekter, og krever avanserte teknikker som Røntgen avbildning for å sikre kvalitet.
• Potensielle pålitelighetsrisikoer: Hvis prosesskontrollen ikke er perfekt, kan risikoer som luftfanget i PCB-en, ufullstendig kobberplatering eller delaminering oppstå.

Produksjonsprosess: Oppretting av blinde og begravde vias

Oversikt

Den produksjon av pcb prosessen med blinde hull og begravde hull på kretskort er kompleks og nøyaktig. Fremstillingsprosessen for disse hullene har imidlertid stor betydning for å forbedre ytelsen til kretskort, redusere antall lag og øke utnyttelsen av plassen.

1. Lagoppbygningsdesign: Laminatdesignet er den strukturelle grunnlaget for blinde og begravde hull. Designet starter med å kartlegge lagene i et kretskort og hvor hull må kobles – et blindhull kobler et ytre lag til ett eller flere indre lag; et begravd hull kobler to indre lag, men strekker seg ikke til overflatene.
2. Bore:

• Blinde hull borres kun delvis gjennom oppbygningen (ytre til indre), vanligvis ved hjelp av svært nøyaktig mekanisk boring eller laserboringer.
• Produksjon av begravde hull krever boring i delmonterte lag før full laminering av hele oppbygningen, i motsetning til blinde hull.

3.Laminering: Lamineringsbehandlingene av de to er også forskjellige. For skjulte gjennomganger presses lag sammen, og flere lag legges til deretter. Produksjon av PCB med blinde og skjulte gjennomganger krever perfekt registrering og justering.

4.Overflatedekking: Alle gjennomganger, inkludert gjennomhull, blinde og skjulte gjennomganger, er belagt med kobber ved hjelp av kjemisk nedslåing og elektroplating for å sikre ledningsevne.

5.Testing: Avansert testing – spesielt for skjulte gjennomganger i PCB – som røntgen eller mikroseksjonsanalyse, sikrer at gjennomgangene er korrekt dannet og pålitelige.

Iverksetningar og brukssituasjonar

Blinde og skjulte gjennomganger har blitt standard i avansert PCB-design. Det kan betydelig forbedre utnyttelsen av plass, redusere kretskortets areal, senke antall lag, og gjøre designet mer kompakt, og det brukes nesten innen alle bransjer der høy ytelse, tetthet eller minsket størrelse er nødvendig.

Eksempler på bransjer som bruker blinde og skjulte gjennomganger

• HDI-PCB for smarttelefoner: Blindvias kobler ytre kontakter til intern routing, og mens graverte vias i PCB reduserer elektromagnetisk interferens (EMI) og ruter kritiske høyhastighetssignaler med presisjon, øker markedsetterspørselen etter smarttelefoner betraktelig.
• Nettverksutstyr: En gravert via kobler to isolerte plan i en flerlags PCB for bedre signallitet i telekommunikasjonsswitcher og rutere.
• Medisinske bærbare enheter: Blind- og graverte vias gir signalisolasjon i små, svært pålitelige innbendte enheter. De gir stor plass til optimalisering og støtte for dagens medisinsk utstyr.
• Bil-Elektronikk: I markedsmiljøet for en omfattende oppgradering av bilindustrien, bruker ADAS- og infotainmentsmoduler både blinde og graverte vias for å redusere kretskortstørrelse, og sikrer ytelse under harde miljøforhold.
• Applikasjonar i luftfarkosmiske industri: Graverte vias gir robust skjermet overføring for sensordata eller kontrollsignaler, med fremragende pålitelighet selv under vibrasjoner eller ekstreme temperaturer.

Kostnad Faktorer og pålitelighet
Kostnadstiltak

Fordi teknologi for blinde og begravde hull krever spesialprosesser som boringer, kobberplatering og overflatebehandling, øker det vanligvis produksjonskostnadene. Spesielt i produkter i middels til lav pris kan det være vanskelig å bruke denne teknologien. Derfor er kostnadsøkningen en viktig faktor i prosesskravene i noen industrier.

• Avanserte produksjonstrinn: Bruk av blinde og graverte vias krever flere produksjonsstadier enn tradisjonelle gjennomgående hull, noe som øker både oppstartskostnader og kostnader per kretskort.
• Valg av materialer og antall lag: Jo flere lag et kretskort har, desto oftere må blinde og graverte vias produseres. Høy-Tg pre-preg og spesialfolier øker ytterligere kostnadene.
• Kostnader for testing og inspeksjon: Inspeksjon av skjulte vias – spesielt graverte hullstrukturer – inkluderer ofte ekstra røntgen/CT eller destruktiv mikroseksjonering.

Pålitelighetsoverveielser

Til tross for stigende kostnader har noen teknologiske maskinvareprodukter innen visse felt høye krav til varmeavgivelse og mekanisk styrke på kontrollbrett. Valg av blinde og begravde hull med tilhørende produksjonskrav er også en uunngåelig vei for produktiterasjon.

• Riktig platering og fylling: Det er avgjørende for elektrisk pålitelighet og for å forhindre lodde-/termisk svikt at gjennomgående hull platelegges jevnt med kobber og fylles ved behov.
• Termisk syklusbelastning: Gjennomgående hull, spesielt skjulte gjennomgående hull, er utsatt for revner eller delaminering hvis de ikke produseres med riktig prosess og materialer.
• Luft fanget i kretskortet: Feil forårsaket av luft eller hulrom kan føre til tidlige feil i felt.
• Engasjer erfarne produsenter av kretskort: Stol på partnere som vet hvordan man riktig produserer, inspiserer og tester kretskort med blinde og begravde gjennomgående hull for lang levetid.

Designtips for bruk av blinde og begravde gjennomganger

Produksjonskravene for blinde og begravde hull er så høye og deres funksjoner så betydelige at det også stilles høye krav til konstruksjonsstrukturen. Fra kundens forståelse av produktbehov, til valg av materialer, og videre til kostnad og leverandørens produksjonskapasitet, bør en rimelig designløsning utarbeides ved å vurdere alle disse faktorene i sin helhet. Følgende faktorer bør vurderes først:

• Tidlig konsultasjon med produsenter av kretskort: Bruk erfarne produsenter av kretskort og sjekk deres tekniske begrensninger når det gjelder dybde på blinde gjennomgående hull, aspektforhold og minimumsborstørrelse.
• Oppbyggingsplanlegging: Når du designer en flerlags PCB, må du tydelig avgrense hvilke signaler eller strøm som må holdes isolert og hvor innekapslede gjennomganger legges til for best mulig lagutnyttelse.
• Unngå overbruk: Bruk kun blinde og innekapslede gjennomganger der det er nødvendig. Overbruk øker kostnadene og reduserer avkastningen.
• Fylling av gjennomganger: For gjennomganger i loddeflater og mikrogjennomganger, må du alltid spesifisere om gjennomgangen skal fylles eller kapses.
• Termisk avlastning: Koble strøm-/jordgjennomganger til planer ved hjelp av «termisk utligning»-plateutforminger, noe som gir bedre loddeegenskaper og reduserer spenningsrisiko.
• Testkuponger: Be om kuponger for å kunne utføre destruktiv sektionering under produksjon av innekapslede gjennomganger for å bekrefte produksjonskvaliteten.
• Håndter stablede og forskjøvede gjennomganger: Stabilitet mikrogjennomganger eller begrens oppstabling av grupper med blinde og innekapslede gjennomganger når det er nødvendig, for bedre pålitelighet.

Ofte stilte spørsmål

S: Hvordan skiller blinde og graverte vias seg fra standard gjennomgående hullvias?
S: Blinde vias kobler en ytterlag til ett eller flere innerlag, men ikke helt gjennom kretskortet. Graverte vias kobler to innerlag og er «skjulte» etter laminering. Gjennomgående hullvias kobler overflate til overflate rett gjennom PCB-en.
S: Når bør jeg bruke blinde og graverte vias i PCB-produksjon?
A: Bruk blinde og begravde vias for tette HDI-kretskortoppsett, fine-pitch BGAs, høyhastighetssignaler eller når det er viktig å minimere kretskortstørrelsen.
S: Er blinde og begravde vias pålitelige?
A: Ja, med erfarne produsenter av kretskort og riktige prosesskontroller for boringer, metallbelegg og fylling. Det finnes utfordringer knyttet til å sikre at hver via er korrekt dannet og inspisert.
S: Kan jeg kombinere ulike via-typer i ett kretskort?
A: Absolutt! De fleste moderne og komplekse kretskortdesigner bruker en kombinasjon av tradisjonelle gjennomgående vias, blinde vias, begravde vias og til og med mikro-vias, avhengig av kretsens behov.
S: Hvordan påvirker produksjonen av begravde vias gjennomføringstiden?
A: Inkludering av begravde vias i et kretskort øker gjennomføringstiden på grunn av ekstra laminering, ytterligere boring og grundigere inspeksjon. Planlegging må derfor tilpasses.

Konklusjon: Bør du bruke blinde og begravde vias?

Hvis du jobber med en kompakt, kompleks eller høyteknologisk PCB-design, er disse spesielle gjennomgjennomføringer i praksis nødvendige. De hjelper til med å minske størrelsen på kretskortet, holder signalene rene og gjør det mulig å rute alle de kompliserte koblingene i dagens elektronikk. Men her kommer utfordringen – de koster mer å produsere, og du trenger en produsent som virkelig vet hva de gjør. Derfor er det lurt å involvere produksjonspartneren tidlig, kun bruke blinde og innelukkede gjennomgjennomføringer der du virkelig trenger dem, og dobbeltsjekke at de klarer designet ditt før du sender filene.
Kort sagt: hvis du arbeider med HDI-PCB, ønsker å redusere bruken av vanlige gjennomgående hull, eller sikter etter topp ytelse i et flerlaget PCB, bør du virkelig ikke overse hva blinde og innelukkede gjennomgjennomføringer kan gjøre for deg.