Слепые и скрытые переходные отверстия в конструкции печатных плат: руководство для производителя

Введение в скрытые и глухие переходные отверстия

В быстро развивающемся мире электроники, с растущим спросом рынка на высокотехнологичные аппаратные продукты, потребность в миниатюризации, повышенной производительности и более сложных функциях на более маленьких печатных платах стала больше, чем когда-либо. Конструкторы и производители печатных плат также столкнулись с новыми вызовами, стремясь разместить как можно больше функций в каждом квадратном миллиметре. Эта задача привела к использованию скрытых переходных отверстий (слепых и внутренних) в HDI-платах и многослойных конструкциях PCB. Эти скрытые переходные отверстия обеспечивают беспрецедентную оптимизацию пространства, более плотную компоновку цепей и улучшенную целостность сигналов. Как опытный производитель печатных плат, компания LHD TECH на протяжении последних 20 лет наблюдала за эволюцией своих производственных и технологических возможностей вместе с обновлениями рыночной продукции. От оптимизации систем и точного производственного потенциала оборудования до эффективного управления производственной командой — всё это развивается в ногу с требованиями времени.

Вернемся к самой теме технологии. Но что именно представляют собой переходные отверстия (vias) в проектировании печатных плат? Как создаются слепые и скрытые переходные отверстия? В каких секторах они превосходят традиционный метод сквозных отверстий и на какую аудиторию рассчитаны? В этом подробном руководстве мы глубоко изучим технологию и раскроем тайны слепых и скрытых переходных отверстий, рассмотрим, как их используют опытные производители печатных плат, и покажем, какие мощные преимущества они предоставляют для вашей следующей сложной конструкции печатной платы.

Роль переходных отверстий (vias) в проектировании печатных плат

Давайте сначала взглянем на процесс создания переходных отверстий в печатных платах. С точки зрения основополагающих принципов, переходные отверстия в печатных платах — это электрические соединения, которые связывают различные слои платы между собой. Каждая многослойная печатная плата — от простых 4-слойных плат до сложных конструкций с 30 и более слоями — зависит от переходных отверстий для передачи сигналов, питания и заземления между внешними и внутренними слоями платы.

Зачем нужны переходные отверстия?

• Переходные отверстия соединяют внешний слой с внутренними слоями для гибкой трассировки.
• Сквозные отверстия металлизируются медью, создавая электрически проводящий путь между слоями печатной платы.
• Сквозные отверстия commonly используются для сокращения длины сигнального пути, улучшения целостности сигнала и оптимизации площади платы.
• Использование слепых и скрытых переходных отверстий позволяет инженерам значительно уменьшить общий размер печатной платы и количество необходимых сквозных отверстий.

На основе указанного понимания в современных высокоплотных (HDI) и многослойных PCB-схемах переходные отверстия объединяются в тщательно спланированные стеки для обеспечения баланса между производительностью, надежностью и технологичностью.

Основы: типы переходных отверстий в печатных платах

Сколько типов переходных отверстий мы обычно встречаем? Понимание различных типов переходных отверстий имеет фундаментальное значение для освоения проектирования печатных плат и достижения оптимальной производительности платы.

Эта таблица делает четкое различие:

Что такое слепые переходные отверстия?

Сегодня мы обсуждаем слепые и скрытые отверстия. Итак, какова же структура и принцип слепых отверстий. Слепое переходное отверстие — это отверстие, соединяющее внешний слой печатной платы с одним или несколькими внутренними слоями, не проходя сквозь противоположный внешний слой. Оно называется «слепым», потому что видно и доступно только с одной поверхности. Таким образом, слепые переходные отверстия часто используются для уменьшения количества слоёв на печатной плате.

Основные детали и преимущества

• Слепые переходные отверстия соединяют верхнюю или нижнюю поверхность с выбранными внутренними слоями, что позволяет достичь оптимального использования доступных трассировочных слоёв.
• Слепые переходные отверстия не проникают через всю толщину печатной платы, что позволяет не только экономить ценное место на плате, но и освобождает противоположные поверхности для других проводников или компонентов.
• Поскольку слепые переходные отверстия просверливаются только частично через плату, они позволяют создавать более плотную разводку цепей и обычно используются в HDI-печатных платах и шаблонах разводки BGA; это значительно повышает коэффициент использования трассировки.
• Слепые переходные отверстия обычно имеют небольшой размер (менее 0,15 мм в диаметре), и к оборудованию для их сверления предъявляются чрезвычайно высокие требования, поэтому необходимо использовать точный лазер или более точное механическое сверление.
• Использование слепых переходных отверстий позволяет уменьшить толщину печатной платы, а также способствует достижению высокой плотности компоновки в современных устройствах.

Как просверливаются и изготавливаются слепые переходные отверстия

Слепые переходные отверстия просверливаются на определённых этапах прессования и сверления. Количество, положение и глубина отверстий должны строго контролироваться, чтобы избежать прорыва в непредназначенные слои. Затем они металлизируются медью для формирования проводящих путей. Процесс создания слепых отверстий требует тщательной подготовки, чтобы предотвратить попадание воздуха внутрь платы или неполную металлизацию, обеспечивая надёжность соединений.

Что такое скрытые переходные отверстия?

В отличие от сквозных отверстий, глухие отверстия не проходят через внешний слой платы. Глухое металлизированное отверстие соединяет два или более внутренних слоя печатной платы и не видно и недоступно с любого из внешних слоев. Их также называют скрытыми переходными отверстиями, поскольку они «закопаны» между поверхностными слоями печатной платы. Давайте вместе узнаем больше о глухих отверстиях.

Основные детали и преимущества

• При изготовлении глухие отверстия сверлятся и металлизируются на этапе производства внутренних сборочных узлов, до того как внешние слои будут ламинированы.
• С точки зрения структуры многослойных плат глухое переходное отверстие соединяет два внутренних слоя — например, слои 3 и 4 в 8-слойной печатной плате — обеспечивая трассировку без использования площади поверхности.
• Разница в том, что использование глухих переходных отверстий в конструкции печатной платы позволяет проектировщикам изолировать сигнальные пути, заземление или распределение питания, что особенно полезно для сложных или смешанных сигналов.
• Поскольку скрытые переходные отверстия не видны после окончательной ламинировки, их основное преимущество заключается в максимальном использовании слоев печатной платы и снижении перекрестных помех.
• Скрытые переходные отверстия обычно используются в многослойных печатных платах повышенной сложности для телекоммуникаций, аэрокосмической промышленности и высокоплотной электроники.

Другие типы переходных отверстий в печатных платах

Сквозные отверстия

В печатных платах сквозное отверстие — это конструкция отверстия, соединяющая цепи между различными слоями платы. Сквозные отверстия позволяют передавать электрические сигналы между слоями платы и являются одним из самых базовых и распространённых типов отверстий в традиционном проектировании печатных плат. Они обладают следующими характеристиками:

• Соединяют всю структуру печатной платы от верха до низа.
• Используются в стандартных многослойных печатных платах, для выводов компонентов и разъёмов.
• Занимают больше места и могут ограничивать трассировку высокой плотности.

Микроскопические переходные отверстия

Микропереходное отверстие — это сквозное отверстие очень малого диаметра, как правило, 0,1 мм или меньше, и часто используется в различных слоях конструкции печатных плат с высокой плотностью монтажа (HDI). Имеет следующие характеристики:

• Очень маленькие переходные отверстия, соединяющие только соседние слои, формируемые с помощью лазерной абляции для HDI PCB.
• Могут быть расположены встык или в шахматном порядке и часто используются в компактных конструкциях смартфонов, носимых устройств или медицинских приборов.
• Требуют передовых методов производства и контроля со стороны опытных производителей печатных плат.

Сравнительная таблица: слепые, закрытые и сквозные переходные отверстия

Зачем использовать скрытые и глухие переходные отверстия? Преимущества и ограничения

В этой главе мы сосредоточимся на сквозных, глухих и скрытых отверстиях. В аспектах проектирования, связанных с требованиями к продукту, рассмотрим преимущества и ограничения использования глухих и скрытых переходных отверстий. Давайте вместе подведём итоги и проведём различие.

Преимущества скрытых и глухих переходных отверстий

• Оптимизация пространства: По сравнению с конструкцией с сквозными отверстиями это уменьшает размер и толщину печатной платы, позволяя размещать больше компонентов и трассировок на меньшей площади.
• Изоляция сигнала: Они могут не только изолировать критические сигналы или силовые плоскости, но и экранировать их от ЭМП/перекрестных наводок.
• Улучшенная трассировка: Переходные отверстия соединяют внешние и внутренние слои печатной платы, обеспечивая более гибкую и эффективную компоновку.
• Сложная конструкция печатной платы: Делает возможным использование плотных BGA, FPGA и микросхем с мелким шагом выводов без значительного увеличения количества слоев печатной платы или занимаемой площади.
• Использование слоев печатной платы: Закрытые переходные отверстия обеспечивают соединения внутри внутренних слоев печатной платы, не занимая место на внешних слоях, уменьшая заторы и позволяя разделять сигнальные или силовые плоскости по слоям. Это особенно способствовало технологическим прорывам в авиационной, телекоммуникационной и медицинской промышленности.
• Улучшенная целостность сигнала: Использование слепых и скрытых переходных отверстий в конструкции печатных плат уменьшает образование шлейфов сигнала, минимизируя отражения, потери и электромагнитные помехи, что имеет важное значение для высокоскоростных и ВЧ-схем.
• Тепловая оптимизация: Эффективное размещение переходных отверстий может способствовать распределению и рассеиванию тепла, снижая риск появления локальных перегревов и повышая долговременную надежность сложных сборок печатных плат.

Ограничения слепых и скрытых переходных отверстий

• Повышенная сложность производства: Производство слепых и скрытых переходных отверстий включает дополнительные этапы сверления и прессования, которые возможны только при работе с опытными производителями печатных плат и точным контролем качества, а также проверкой производственных возможностей изготовителя.
• Более высокая стоимость производства: Каждый дополнительный цикл прессования, этап заполнения или дополнительное переходное отверстие увеличивает стоимость производства печатной платы и расход материалов — особенно в многослойных и HDI-платах. Поэтому цена таких печатных плат также относительно высока.
• Испытания и инспекции: Слепые и скрытые переходные отверстия иногда трудно проверить на наличие дефектов, требуя применения передовых методов, таких как РЕНТГЕН визуализация для обеспечения качества.
• Потенциальные риски надежности: Если процесс контроля не является идеальным, могут возникнуть такие риски, как попадание воздуха в печатную плату, неполное меднение или расслоение.

Производственный процесс: Создание слепых и скрытых переходных отверстий

Обзор

Компания производство ПХБ процесс создания слепых и скрытых переходных отверстий на печатных платах является сложным и точным. Однако технология изготовления этих отверстий имеет большое значение для повышения производительности печатных плат, уменьшения количества слоев платы и увеличения эффективности использования пространства.

1. Конструкция многослойного пакета: Многослойная конструкция является структурной основой для слепых и скрытых отверстий. Дизайн начинается с определения слоев печатной платы и мест, где необходимо выполнить соединения с помощью переходных отверстий: слепое отверстие соединяет внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями; скрытое отверстие соединяет два внутренних слоя, не доходя до поверхностей.
2. Сверление:

• Слепые отверстия просверливаются только частично через пакет (от внешнего к внутреннему), как правило, с использованием высокоточного механического или лазерного сверления.
• Изготовление скрытых отверстий требует сверления в предварительно собранных слоях до полного прессования всего пакета, в отличие от слепых отверстий.

3.Ламинирование: Методы ламинирования у них также различаются. Для скрытых переходных отверстий слои спрессовываются вместе, после чего последовательно добавляются дополнительные слои. При изготовлении печатных плат со скрытыми и слепыми переходными отверстиями требуется идеальная регистрация и точное совмещение.

4.Площадь: Все переходные отверстия, включая сквозные, слепые и скрытые, покрываются медью с использованием химического и электролитического осаждения для обеспечения проводимости.

5.Испытания: Передовые методы тестирования — особенно для скрытых переходных отверстий в печатных платах, такие как рентгеновский контроль или анализ микропоперечных сечений — гарантируют правильную форму и надежность переходных отверстий.

Приложения и случаи использования

Слепые и скрытые переходные отверстия стали стандартом в передовом проектировании печатных плат. Они позволяют значительно повысить коэффициент использования пространства, уменьшить площадь платы, сократить количество слоев и сделать конструкцию более компактной, и применяются практически во всех отраслях, где требуются высокая производительность, плотность монтажа или миниатюризация.

Примеры отраслей, использующих слепые и скрытые переходные отверстия

• HDI-печатные платы для смартфонов: Слепые переходные отверстия соединяют внешние контактные площадки с внутренними трассировками, а скрытые переходные отверстия в печатных платах минимизируют ЭМП и обеспечивают точную передачу критических высокоскоростных сигналов; при этом спрос на смартфоны на рынке значительно растет.
• Сетевое оборудование: Скрытое переходное отверстие соединяет два изолированных слоя в многослойной печатной плате для обеспечения целостности сигнала в телекоммуникационных коммутаторах и маршрутизаторах.
• Медицинские носимые устройства: Слепые и скрытые переходные отверстия обеспечивают изоляцию сигналов в компактных, высоко надежных имплантируемых устройствах; они предоставляют широкие возможности для оптимизации и улучшения существующего медицинского оборудования.
• Автомобильная электроника: В условиях рынка, где происходит комплексная модернизация автомобильной промышленности, модули ADAS и информационно-развлекательные системы используют как слепые, так и скрытые переходные отверстия для уменьшения размеров плат, обеспечивая при этом производительность в жестких эксплуатационных условиях.
• Приложения в аэрокосмической отрасли: Скрытые переходные отверстия обеспечивают надежную экранированную передачу данных датчиков или управляющих сигналов с превосходной надежностью даже при вибрации или экстремальных температурах.

Расходы Факторы и надежность
Факторы стоимости

Поскольку технология слепых и скрытых переходных отверстий требует специальных процессов, таких как сверление, металлизация и нанесение покрытий, это обычно увеличивает производственные затраты. Особенно в средних и недорогих продуктах использование этой технологии может быть затруднено. Следовательно, рост стоимости является важным фактором при определении производственных требований в некоторых отраслях.

• Этапы передового производства: Использование слепых и скрытых переходных отверстий требует большего количества производственных этапов по сравнению с традиционными сквозными отверстиями, что увеличивает как затраты на настройку, так и стоимость на плату.
• Выбор материалов и количество слоев: Чем больше слоев в печатной плате, тем чаще требуется изготовление слепых и скрытых переходных отверстий. Препреги с высокой температурой стеклования (High-Tg) и специальные фольги дополнительно увеличивают стоимость.
• Стоимость испытаний и контроля: Контроль скрытых переходных отверстий — особенно структур с глухими отверстиями — зачастую требует дополнительного рентгеновского анализа/компьютерной томографии или разрушающего микросреза.

Соображения по надежности

Несмотря на рост затрат, некоторые аппаратные продукты в определенных областях предъявляют высокие требования к эффективности теплоотвода и механической прочности плат управления. Выбор требований к производству скрытых и внутренних переходных отверстий также является неизбежным этапом при модернизации продукции.

• Правильное металлизирование и заполнение: Обеспечение равномерного медного покрытия переходных отверстий и, при необходимости, их заполнение имеет решающее значение для электрической надежности и предотвращения отказов из-за пайки или термических нагрузок.
• Термическое циклирование: Сквозные отверстия, особенно скрытые, подвержены растрескиванию или расслоению, если они изготовлены не по правильной технологии или из неподходящих материалов.
• Воздух, захваченный в печатной плате: Дефекты, вызванные воздухом или пустотами, могут привести к ранним отказам в эксплуатации.
• Привлекайте опытных производителей печатных плат: Полагайтесь на партнёров, которые понимают, как правильно изготавливать, проверять и тестировать печатные платы со скрытыми и внутренними переходными отверстиями для длительного срока службы.

Рекомендации по проектированию использования скрытых и внутренних переходных отверстий

Требования к производству слепых и скрытых отверстий настолько высоки, а их функции столь значимы, что к конструкции дизайна также предъявляются высокие требования. Начиная с понимания клиентом потребностей в продукте, выбора материалов, заканчивая стоимостью и производственными возможностями поставщика, разумный дизайн должен быть разработан с комплексным учетом всех этих факторов. Следующие факторы следует рассматривать в первую очередь:

• Раннее консультирование с производителями печатных плат: Используйте опытных производителей печатных плат и уточняйте их технические ограничения по глубине скрытых отверстий, соотношению диаметра к глубине и минимальному размеру сверления.
• Планирование структуры слоёв: При проектировании многослойной печатной платы чётко определите, какие сигналы или питание должны оставаться изолированными, и где необходимо размещать внутренние переходные отверстия для оптимального использования слоёв.
• Избегайте чрезмерного использования: Используйте скрытые и внутренние переходные отверстия только при необходимости. Чрезмерное использование увеличивает стоимость и снижает выход годных изделий.
• Заполнение переходных отверстий: Для переходных отверстий в контактных площадках и микропереходных отверстий всегда указывайте, должны ли они быть заполнены или закупорены.
• Тепловой сброс: Подключайте переходные отверстия питания/земли к плоскостям с использованием конструкции контактных площадок «тепловой рельеф», что обеспечивает лучшую паяемость и снижает риски напряжений.
• Тестовые образцы: Запрашивайте образцы для проведения разрушающего анализа при производстве скрытых переходных отверстий с целью подтверждения качества изготовления.
• Учитывайте многоуровневые и ступенчатые переходные отверстия: При необходимости используйте ступенчатое расположение микропереходных отверстий или ограничьте количество уровней групп скрытых и внутренних отверстий для повышения надежности.

Часто задаваемые вопросы

В: Чем отличаются слепые и скрытые переходные отверстия от стандартных сквозных отверстий?
О: Слепые переходные отверстия соединяют внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями, но не проходят через плату полностью. Скрытые переходные отверстия соединяют два внутренних слоя и оказываются «спрятанными» после ламинирования. Сквозные отверстия проходят прямо через печатную плату от поверхности до поверхности.
В: Когда следует использовать слепые и скрытые переходные отверстия при изготовлении печатных плат?
Используйте слепые и скрытые переходные отверстия для плотных HDI-печатных плат, монтажа BGA с малым шагом, высокоскоростных сигналов или когда минимизация размера платы является важной.
В: Насколько надежны слепые и скрытые переходные отверстия?
О: Да, при наличии опытных партнёров-производителей печатных плат и правильного контроля процессов сверления, металлизации и заполнения. Существуют трудности в обеспечении правильной формы каждого отверстия и его проверки.
В: Можно ли комбинировать различные типы переходных отверстий на одной плате?
О: Конечно! Большинство современных сложных конструкций печатных плат используют сочетание традиционных сквозных отверстий, слепых, скрытых и даже микропереходных отверстий в зависимости от требований схемы.
В: Как производство скрытых переходных отверстий влияет на сроки изготовления?
О: Добавление скрытых переходных отверстий увеличивает срок изготовления печатной платы из-за дополнительной ламинировки, дополнительного сверления и более тщательной инспекции. Планируйте соответственно.

Заключение: следует ли использовать слепые и скрытые переходные отверстия?

Если вы работаете над компактной, сложной или высокотехнологичной конструкцией печатной платы, эти специальные переходные отверстия практически необходимы. Они помогают уменьшить размер платы, сохраняют сигналы чистыми и делают возможной трассировку всех этих сложных соединений в современных устройствах. Но есть нюанс — их изготовление обходится дороже, и вам понадобится производитель, который действительно разбирается в этом деле. Поэтому разумно заранее вовлечь партнёра по производству, использовать скрытые и внутренние переходные отверстия только там, где они действительно нужны, и дважды проверить, может ли он реализовать вашу конструкцию, прежде чем отправлять файлы.
Итог: если вы имеете дело с HDI-платами, пытаетесь сократить количество обычных сквозных отверстий или стремитесь к отличной производительности многослойной печатной платы, не стоит игнорировать возможности, которые дают скрытые и внутренние переходные отверстия.