Slepé a zahrabané vývody vo výrobe dosiek plošných spojov: Príručka pre výrobcu

Úvod k slepým a zahabaným vývodom

Vo svete elektroniky, ktorá sa rýchlo vyvíja, a s rastúcim dopytom trhu po hardvérových výrobkoch vysokých technológií, je potreba miniaturizácie, vyššieho výkonu a zložitejších funkcií na menších doskách plošných spojov väčšia ako kedykoľvek predtým. Návrhári a výrobcovia dosiek plošných spojov čelia novým výzvam, keď sa snažia zabaliť do každého štvorcového milimetra čo najviac funkčnosti. Táto výzva viedla k používaniu slepých a skrytých prechodiek vo vysoko hustotne integrovaných (HDI) doskách plošných spojov a viacvrstvových konštrukciách DPS. Tieto skryté prechodky umožňujú bezprecedentnú optimalizáciu priestoru, hustejšie usporiadanie obvodov a pokročilú celistvosť signálov. Ako skúsený výrobca dosiek plošných spojov spoločnosť LHD TECH sledovala vývoj svojich spracovateľských a výrobných kapacít spolu so aktualizáciami trhových produktov posledných 20 rokov. Od optimalizácie systémov až po presné výrobné schopnosti zariadení a efektívny manažment výrobného tímu – všetko ide de po krok s požiadavkami doby.

Vrátme sa k téme technológie samotnej. Čo presne sú tie vývody (vias) v návrhu doskových spojov? Ako sa vyrábajú slepé a zabudované vývody? V porovnaní s tradičným procesom prechádzajúcich otvorov, v ktorých odvetviach sú lepšie a pre koho sú určené? V tomto komplexnom sprievodcovi sa pozrieme hlbšie do tejto technológie a odhalíme tajomstvá slepých a zabudovaných vývodov, preskúmame, ako ich používajú skúsení výrobcovia doskových spojov, a ukážeme, ako ponúkajú významné výhody pre váš ďalší zložitý návrh doskového spoja.

Úloha vývodov (vias) v návrhu doskových spojov

Poďme najprv pozrieť na proces vývodov v doskových spojoch. Z pohľadu základných princípov sú vývody v doskových spojoch elektrické spojenia, ktoré spájajú rôzne vrstvy doskového spoja. Každý viacvrstvový doskový spoj – od jednoduchých 4-vrstvových dosiek po komplexné 30+ vrstvové štruktúry – závisí od vývodov na prenos signálov, napájania a uzemnenia medzi vonkajšou vrstvou dosky a vnútornými vrstvami dosky.

Na čo sa používajú vývody?

• Vývody spájajú vonkajšiu vrstvu s vnútornými vrstvami, čím umožňujú flexibilné usmerňovanie spojov.
• Vias sú pokovované meďou, čo vytvára elektricky vodivú cestu medzi vrstvami dosky plošných spojov.
• Vias sa bežne používajú na skrátenie dĺžky signálnej cesty, zlepšenie integrity signálu a optimalizáciu priestoru na doske.
• Použitie slepých a skrytých vias umožňuje inžinierom výrazne znížiť celkovú veľkosť dosky plošných spojov a počet prechodových otvorov.

Na základe vyššie uvedeného pochopenia sa vo moderných HDI a viacvrstvových obvodoch dosiek plošných spojov vias umiestňujú spolu v starostlivo naplánovaných štruktúrach, aby sa vyrovnal výkon, spoľahlivosť a výrobnosť.

Základy: Typy vias na doskách plošných spojov

Koľko typov vias existuje, ktoré bežne vidíme? Porozumenie rôznym typom vias je základné pre ovládanie návrhu dosiek plošných spojov a dosiahnutie optimálneho výkonu dosky.

Táto tabuľka jasne rozlišuje:

Čo sú to slepé prechody?

Dnes budeme hovoriť o slepých a zabanovaných otvoroch. Aká je teda presne štruktúra a princíp slepých otvorov. Slepý prechod je prechod, ktorý spája vonkajšiu vrstvu dosky plošných spojov s jednou alebo viacerými vnútornými vrstvami, bez preniknutia na opačnú vonkajšiu vrstvu. Je „slepý“, pretože je viditeľný a prístupný len z jedného povrchu. Preto sa slepé prechody často používajú na zníženie počtu vrstiev na doske plošných spojov.

Kľúčové podrobnosti a výhody

• Slepé prechody spájajú horný alebo dolný povrch s vybranými vnútornými vrstvami, čo umožňuje optimálne využitie dostupných smerovacích vrstiev.
• Slepé prechody neprechádzajú celou hrúbkou dosky plošných spojov, čím nielen ušetrí cenný priestor na doske, ale aj uvoľnia opačné povrchy pre iné spoje alebo komponenty.
• Keďže slepé prechody sú vŕtané len čiastočne cez dosku, umožňujú hustejšie usporiadanie obvodu a bežne sa používajú v HDI doskách plošných spojov a pri rozvádzaní BGA. Výrazne zvyšujú využitie priestoru pre spoje.
• Slepé prechody sú zvyčajne malé (s priemerom menším ako 0,15 mm) a kladené sú na vŕtacie stroje a zariadenia mimoriadne vysoké požiadavky, preto je potrebné použiť presný laser alebo ešte presnejšie mechanické vŕtanie.
• Použitie slepých prechodov môže znížiť hrúbku dosky plošných spojov a slúži na dosiahnutie vysokej hustoty komponentov v moderných výrobkoch.

Ako sa vyrábajú a vŕtajú slepé prechody

Slepé prechody sa vŕtajú počas konkrétnych krokov laminácie a vŕtania. Ich počet, poloha a hĺbka musia byť kontrolované, aby nedošlo k prepichnutiu nezamýšľaných vrstiev. Následne sa pokovujú meďou, čím vzniknú vodivé dráhy. Výroba slepých prechodov si vyžaduje starostlivú prípravu, aby sa predišlo zachytenému vzduchu vo vnútri dosky alebo neúplnému pokovovaniu, čo zabezpečuje vysokú spoľahlivosť.

Čo sú to ukryté prechody?

Na rozdiel od slepých otvorov, zabudované otvory neprechádzajú vonkajšou vrstvou dosky. Zabudované prechodné kontaktové plochy (via) sú také, ktoré spájajú dve alebo viac vnútorných vrstiev DPS a nie sú viditeľné ani prístupné z žiadnej vonkajšej vrstvy. Tieto sa nazývajú tiež skryté prechodné kontaktové plochy, pretože sú „zabudované“ medzi povrchovými vrstvami DPS. Poďme sa spolu dozvedieť viac o zabudovaných otvoroch.

Kľúčové podrobnosti a výhody

• Pri výrobe sa zabudované prechodné kontaktové plochy vŕtajú a pokovujú počas výroby vnútorných podskupín, ešte pred laminovaním vonkajších vrstiev.
• Z hľadiska štruktúry viacvrstvových dosiek zabudované prechodné kontaktové plochy spájajú dve vnútorné vrstvy – napríklad vrstvy 3 a 4 v 8-vrstvovej DPS – a poskytujú možnosti trásovania bez použitia priestoru na povrchu.
• Rozdiel spočíva v tom, že zabudované prechodné kontaktové plochy v návrhu DPS umožňujú navrhovateľom izolovať signálne cesty, uzemnenie alebo distribúciu napájania, čo veľmi pomáha pri zložitých alebo zmiešaných signálových návrhoch.
• Keďže skryté prechody nie sú po konečnej laminácii viditeľné, je to veľkou výhodou, že umožňujú maximálne využitie vrstiev dosky plošných spojov a zníženie križnej modulácie.
• Skryté prechody sa bežne používajú v pokročilých viacvrstvových doskách plošných spojov pre telekomunikácie, letecký priemysel a elektroniku s vysokou hustotou.

Ďalšie typy prechodov v doskách plošných spojov

Prechodové otvory

V tlačených doskách plošných spojov je vrtaný otvor štruktúra otvoru, ktorá spája obvody medzi rôznymi vrstvami DPS. Vrtané otvory umožňujú prenos elektrických signálov medzi vrstvami dosky a patria k najzákladnejším a najbežnejším typom otvorov v tradičnom návrhu DPS. Majú nasledujúce vlastnosti:

• Spájajú celý stoh DPS, od vrchu až po spodok.
• Používajú sa pre štandardné viacvrstvové DPS, vývody súčiastok a konektory.
• Zaberajú viac miesta a môžu obmedzovať smerovanie s vysokou hustotou.

Mikro prechody

Microvia označuje vrták s veľmi malým priemerom, zvyčajne 0,1 mm alebo menší, a často sa používa v rôznych návrhových vrstvách hustotne zapojených (HDI) tlačených dosiek. Má nasledujúce vlastnosti:

• Veľmi malé vývody spájajúce iba susedné vrstvy, vytvorené pomocou laserovej ablácie pre HDI dosky plošných spojov.
• Môžu byť usporiadané do štackov alebo posunuté a často sa používajú v hustých návrhoch smartfónov, nositeľných zariadení alebo lekárskych prístrojov.
• Vyžadujú pokročilú výrobu a kontrolu zo strany skúsených výrobcov tlačených dosiek.

Porovnávacia tabuľka: slepé vs. zahrabané vs. priechodové vrtáky

Prečo používať slepé a zabudované prechody? Výhody a obmedzenia

V tejto kapitole sa zameriavame na slepé a zabaníkované otvory. Pri návrhových úvahách o požiadavkách produktu, aké výhody a obmedzenia majú slepé a zabudované prechody? Urobme si spoločne prehľad a rozlíšenie.

Výhody slepých a zabudovaných prechodov

• Optimalizácia priestoru: V porovnaní s konštrukciou so sklenenými otvormi znižuje veľkosť a hrúbku dosky plošných spojov, čo umožňuje umiestniť viac komponentov a spojov na menší priestor.
• Izolácia signálov: Môže nielen izolovať kritické signály alebo napájacie roviny, ale tiež ich chrániť pred EMI/križnou interferenciou.
• Vylepšené smerovanie: Vývody spájajú vonkajšie a vnútorné vrstvy dosky plošných spojov, čo umožňuje flexibilnejšie a efektívnejšie rozloženie.
• Zložitý návrh dosky plošných spojov: Umožňuje použitie hustých BGAs, FPGAs a integrovaných obvodov s jemným rozostupom bez výrazného zvyšovania počtu vrstiev dosky plošných spojov alebo jej plochy.
• Využitie vrstiev dosky plošných spojov: Zabudované prechody poskytujú spojenia vo vnútorných vrstvách dosky plošných spojov bez využívania priestoru na vonkajších vrstvách, čím znižujú zahltenie a umožňujú oddelenie signálových alebo napájacích plán. Zohrali obzvlášť dôležitú úlohu pri technologických pokrokoch v odvetviach leteckej dopravy, komunikácií a lekárskych prístrojov.
• Zlepšená integrita signálu: Použitie slepých a zabudovaných prechodov v návrhu DPS znižuje vznik signálových koncových úsekov, čo minimalizuje odrazy, straty a elektromagnetické rušenie, čo je nevyhnutné pre vysokorýchlostné a RF obvody.
• Termálna optimalizácia: Efektívne umiestnenie prechodov môže pomôcť rozdeliť a rozptýliť teplo, znížiť riziko horkých miest a zlepšiť dlhodobú spoľahlivosť pri zložitých zostavách DPS.

Obmedzenia slepých a zabudovaných prechodov

• Zvýšená výrobná zložitosť: Výroba slepých a zabudovaných prechodov vyžaduje dodatočné kroky vŕtania a laminácie, čo je realizovateľné len u skúsených výrobcov DPS s presnou kontrolou kvality a testovaním výrobnej kapacity.
• Vyššie výrobné náklady: Každý dodatočný cyklus laminácie, krok plnenia alebo ďalšia prechodová kontaktová plocha znamenajú vyššie náklady na výrobu dosky plošných spojov a väčšie množstvo použitých materiálov – najmä pri viacvrstvových doskách plošných spojov a HDI doskách plošných spojov. Preto sú aj ceny produktov PCB relatívne vysoké.
• Testovanie a kontrola: Slepé a vretenovité prechody niekedy ťažko kontrolovať kvôli chybám, čo si vyžaduje pokročilé techniky ako napríklad RENTGÉN zobrazovanie na zabezpečenie kvality.
• Potenciálne riziká spoľahlivosti: Ak nie je proces riadený dokonale, môžu nastať riziká, ako napríklad vzduch zachytený v doske plošných spojov, neúplné medené pozinkovanie alebo oddeľovanie vrstiev.

Výrobný proces: Vytváranie slepých a zabudovaných vedení

Prehľad

The výroba PCB proces výroby slepých a zahrabaných prechodiek na doskách plošných spojov je zložitý a presný. Výrobný proces týchto prechodiek má však veľký význam pri zvyšovaní výkonu dosiek plošných spojov, znížení počtu vrstiev dosky a zvýšení využitia priestoru.

1. Návrh vrstvenia: Laminátový návrh je štrukturálnym základom slepých a zahrabaných otvorov. Návrh začína mapovaním vrstiev dosky plošných spojov a miest, kde musia prechodky vytvárať spojenie – slepá prechodka spája vonkajšiu vrstvu s jednou alebo viacerými vnútornými vrstvami; zahrananá prechodka spája dve vnútorné vrstvy, ale neprechádza až na povrch.
2. Brusenie:

• Slepé prechodky sa vŕtajú len čiastočne cez celú hrúbku (z vonkajšej do vnútornej vrstvy), zvyčajne pomocou vysokej presnosti mechanického alebo laserového vŕtania.
• Výroba zahrabaných prechodiek vyžaduje vŕtanie vo vrstvách pred ich úplným zalaminovaním, na rozdiel od slepých otvorov.

3.Laminovanie: Laminačné spracovanie oboch typov je tiež odlišné. Pri skrytých prechodoch sa vrstvy lisujú dokopy a následne sa pridávajú ďalšie vrstvy. Výroba dosiek s otvormi so zaslepením a zapustením vyžaduje dokonalé zameranie a zarovnanie.

4.Náplav: Všetky prechody, vrátane priechodných, slepých a skrytých, sú niklované meďou pomocou chemického a galvanického postupu, aby sa zabezpečila vodivosť.

5.Testovanie: Pokročilé testovanie – najmä pre skryté prechody na doskách plošných spojov – ako napríklad röntgenové alebo mikrosekčné analýzy, zaisťuje správne vytvorenie a spoľahlivosť prechodov.

Aplikácie a prípady použitia

Slepé a skryté prechody sa stali štandardom v pokročilom návrhu dosiek s plošnými spojmi. Môžu výrazne zvýšiť využitie priestoru, znížiť plochu dosky, počet vrstiev a urobiť návrh kompaktnejším, a to vo všetkých oblastiach priemyslu, kde je potrebný vysoký výkon, hustota alebo redukcia veľkosti.

Príklady priemyselných odvetví, ktoré používajú slepé a skryté prechody

• HDI doska plošných spojov pre smartfóny: Slepé prechody spájajú vonkajšie plošky s vnútorným vedením, a keďže vretenovité prechody v doske plošných spojov minimalizujú elektromagnetické interferencie a presne vedú kritické signály s vysokou rýchlosťou, dopyt na trhu po smartfónoch sa široko zvyšuje.
• Sieťové zariadenia: Vretenovitý prechod spája dve izolované roviny vo viacvrstvovej doske plošných spojov, čím zabezpečuje integritu signálu v telekomunikačných prepínačoch a smerovačoch.
• Medické nositeľné zariadenia: Slepé a zakopané viasy poskytujú izoláciu signálu v malých, vysoko spoľahlivých implantovateľných zariadeniach, poskytujú obrovský priestor pre optimalizáciu a pomoc pre súčasné lekárske zariadenia.
• Automobilová elektronika: V prostredí trhu komplexnej modernizácie automobilového priemyslu používajú ADAS a infotainmentové moduly slepé aj zakopané víá na zmenšenie veľkosti dosky, čo zabezpečuje výkon v drsných podmienkach prostredia.
• Aerokosmicke Aplikácie: Pohrnuté víá poskytujú robustný chránený prenos dát senzorov alebo riadiacich systémov s vynikajúcou spoľahlivosťou aj pri extrémnych vibraciách alebo teplotách.

Náklady Faktory a spoľahlivosť
Koštovné faktory

Keďže technológia slepých a vretenových prechodiek vyžaduje špeciálne procesy, ako sú vŕtanie, medené pokovovanie a úprava povrchu, zvyčajne zvyšuje výrobné náklady. Obzvlášť u stredných a nižších tried produktov môže byť použitie tejto technológie problematické. Preto je zvýšenie nákladov dôležitým faktorom pri požiadavkách na procesy v niektorých odvetviach.

• Pokročilé výrobné kroky: Použitie slepých a zakopaných drôtov vyžaduje viac výrobných fáz ako tradičné otvorové drôty, čo zvyšuje náklady na inštaláciu a náklady na dosku.
• Výber materiálu a počet vrstiev: Čím viac vrstiev PCB, tým častejšie je potrebná výroba slepých a zakopaných viasov. Výška prepregov a špeciálnych fólií s vysokým Tg ďalej zvyšuje náklady.
• Náklady na skúšky a kontroly: Inšpekcia skrytých vývrtov – najmä struktúr zahrnutých dier – často zahŕňa dodatočné röntgenové/CT alebo deštruktívne mikrorezanie.

Aspekty spoľahlivosti

Napriek stúpajúcim nákladom majú niektoré technologické hardvérové produkty v určitých oblastiach vysoké požiadavky na odvádzanie tepla a mechanickú pevnosť riadiacich dosiek. Výber požiadaviek na výrobu slepých a zabanovaných kontaktov je nevyhnutnou súčasťou iteračného procesu produktu.

• Správne naplášťovanie a plnenie: Zabezpečenie rovnomerného naplášťovania vývrtov meďou a v prípade potreby ich vyplnenie je kľúčové pre elektrickú spoľahlivosť a pre zabránenie poruchám spôsobeným ciekom alebo tepelným namáhaním.
• Tepelné cyklovanie: Vývrtky, najmä skryté vývrtky, sú náchylné na trhliny alebo delamináciu, ak nie sú vyrobené správnym procesom a materiálmi.
• Vzduch zachytený v doske PCB: Chyby spôsobené vzduchom alebo dutinami môžu viesť k predčasným poruchám v prevádzke.
• Spolupracujte s odbornými výrobcami dosiek PCB: Spoľahnite sa na partnerov, ktorí rozumejú správnemu výrobnému postupu, inšpekcií a testovaniu konštrukcií dosiek PCB so slepými a zahrnutými vývrtkami na dlhú životnosť.

Návrhové tipy pre použitie slepých a zabanovaných prechodov

Požiadavky na výrobu slepých a zahrabaných otvorov sú také vysoké a ich funkcie tak významné, že sa kladú aj vysoké nároky na konštrukčné riešenie. Od pochopenia potrieb produktu zo strany zákazníka, cez výber materiálov až po náklady a výrobné kapacity dodávateľa by malo byť vykonané komplexné hodnotenie všetkých týchto faktorov pre účely rozumného navrhovania. Nasledujúce faktory by mali byť zvážené prednostne:

• Včasné konzultácie s výrobcami dosiek PCB: Používajte skúsených výrobcov dosiek plošných spojov a skontrolujte ich technické obmedzenia týkajúce sa hĺbky slepých prechodiek, pomeru strán a minimálnej veľkosti vŕtania.
• Plánovanie vrstiev: Pri návrhu viacvrstvovej DPS jasne určite, ktoré signály alebo napájanie musia zostať izolované a kde sa pridávajú vložené prechodky pre najlepšie využitie vrstiev.
• Vyhnite sa nadmernému používaniu: Používajte slepé a vložené prechodky len tam, kde sú nevyhnutné. Nadmerné používanie zvyšuje náklady a znižuje výnos.
• Vyplnenie prechodiek: Pre prechodky v kontakte a mikroprechodky vždy uveďte, či majú byť prechodky vyplnené alebo uzatvorené.
• Tepelné uvoľnenie: Pripojte napájacie a uzemňovacie prechodky k rovinám pomocou kontaktových plôch s „tepelným uvoľnením“, čo zlepšuje spájkovateľnosť a zníži riziká napätia.
• Testovacie kupóny: Požiadajte o kupóny, ktoré umožnia deštruktívne rezanie počas výroby vložených prechodiek za účelom overenia kvality výroby.
• Adresovanie nasadených a posunutých vývodičov: V prípade potreby posuňte mikrovývody alebo obmedzte zoskupenie slepých a skrytých vývodov za účelom zlepšenia spoľahlivosti.

Často kladené otázky

Q: Ako sa slepé a zabudované vývody líšia od štandardných priechodných vývodov?
A: Slepé vývody spájajú vonkajšiu vrstvu s jednou alebo viacerými vnútornými vrstvami, ale nie celkom cez dosku. Zabudované vývody spájajú dve vnútorné vrstvy a po laminácii sú „skryté“. Priechodné vývody spájajú povrch s povrchom priamo cez dosku plošných spojov.
Q: Kedy by som mal použiť slepé a zabudované vývody pri výrobe dosiek plošných spojov?
A: Použite slepé a vložené prechody pre husté HDI dosky plošných spojov, jemné BGA, vysokorýchlostné signály alebo keď je nevyhnutné minimalizovať veľkosť dosky.
Q: Sú slepé a vložené prechody spoľahlivé?
A: Áno, pokiaľ máte skúseného výrobcu dosiek plošných spojov a správne procesné kontroly pre vŕtanie, pokovovanie a plnenie. Výzvou je zabezpečiť správne vytvorenie a kontrolu každého prechodu.
Q: Môžem vo jednej doske kombinovať rôzne typy prechodov?
A: Samozrejme! Väčšina súčasných komplexných návrhov dosiek plošných spojov využíva kombináciu tradičných priechodných otvorov, slepých prechodov, vložených prechodov a dokonca mikroprechodov, v závislosti od požiadaviek obvodu.
Q: Ako ovplyvní výroba vložených prechodov dodací termín?
A: Pridanie vložených prechodov do dosky plošných spojov predlžuje dodací termín kvôli dodatočnému laminovaniu, ďalšiemu vŕtaniu a dôkladnejšej kontrole. Treba to zohľadniť pri plánovaní.

Záver: Mali by ste použiť slepé a vložené prechody?

Ak pracujete na tesnom, komplexnom alebo vysokotechnologickom návrhu DPS, tieto špeciálne prechody sú takmer nevyhnutné. Pomáhajú zmenšiť veľkosť dosky, udržiavať signály čistými a umožňujú uskutočnenie zložitých pripojení vo dnešných zariadeniach. Ale tu je háčik – ich výroba je nákladnejšia a budete potrebovať výrobcu, ktorý sa v tom skutočne vyzná. Preto je rozumné zapojiť svojho výrobného partnera čo najskôr, používať slepé a zabudované prechody len tam, kde sú skutočne potrebné, a pred odoslaním súborov si dvakrát skontrolovať, či zvládnu váš návrh.
Záver: ak máte do činenia s DPS s vysokou hustotou (HDI), snažíte sa znížiť počet bežných priechodových kontaktov alebo si kladiete za cieľ vynikajúci výkon v viacvrstvovej DPS, nemali by ste prehliadať to, čo pre vás môžu znamenať slepé a zabudované prechody.