Slepe in zakopane prehodne luknje v načrtovanju tiskanih vezij: Priročnik za proizvajalce

Uvod v slepe in zakopane prehodne luknje

V hitro tekočem svetu elektronike, ob naraščajoči povpraševanju trga po visokotehnoloških strojnih napravah, je potreba po miniaturizaciji, višjem učinku in bolj zapletenih funkcijah na manjših tiskanih vezjih neverjetno velika. Oblikovalci in proizvajalci tiskanih vezij so soočeni z novimi izzivi, saj skušajo v vsak kvadratni milimeter spraviti kar največ funkcionalnosti. Ta izziv je pripeljal do uporabe slepih in zakopanih prehodov v HDI tiskanih vezjih in večplastnih konstrukcij tiskanih vezij. Ti skriti prehodi omogočajo nepredvideno optimizacijo prostora, gostejše postavitve vezij ter napredno integriteto signalov. Kot izkušen proizvajalec tiskanih vezij je LHD TECH v zadnjih 20 letih spremljal razvoj tržnih izdelkov in prilagajal svoje procesne in proizvodne zmogljivosti. Od optimizacije sistema prek natančnih izdelovalnih sposobnosti opreme do učinkovitega vodenja proizvodnega tima – vse korak za korakom sledi zahtevam sodobnosti.

Vrnimo se k sami tehnologiji. Kaj so točno prehodi (vias) v načrtovanju tiskanih vezij? Kako se izdelujejo slepi in zakopani prehodi? V primerjavi s tradicionalno tehnologijo skozi-luknje, v katerih sektorjih je ta tehnologija bolj učinkovita in za kogo je namenjena? V tem celostnem priročniku bomo podrobneje raziskali to tehnologijo ter razkrili skrivnosti slepih in zakopanih prehodov, raziskali, kako jih uporabljajo izkušeni proizvajalci tiskanih vezij, in prikazali, kako ponujajo močne prednosti za vaš naslednji zapleteni dizajn tiskanega vezja.

Vloga prehodov (vias) v načrtovanju tiskanih vezij

Najprej oglejmo si proces prehodov na tiskanih vezjih. Z vidika osnovnih načel so prehodi na tiskanih vezjih električne povezave, ki povezujejo različne sloje tiskanega vezja. Vsako večplastno tiskano vezje – od preprostih 4-plastnih plošč do zapletenih 30+ plasti – se zanaša na prehode za prenos signalov, napajanja in ozemljitve med zunanjimi in notranjimi sloji tiskanega vezja.

Zakaj se uporabljajo prehodi?

• Prehodi povežejo zunanji sloj z notranjimi sloji za fleksibilno usmerjanje.
• Vias so prevlečeni s bakrom, kar ustvari električno vodni pot med plastmi tiskanega vezja.
• Vias se pogosto uporabljajo za zmanjšanje dolžine signala, izboljšanje integritete signala in optimizacijo prostora na plošči.
• Uporaba slepih in zakopanih vias omogoča inženirjem dramatično zmanjšanje skupne velikosti tiskanega vezja ter števila potrebnih vseprepusnih vias.

Na podlagi zgornjega razumevanja so pri sodobnih HDI in večplastnih vezjih vias tesno zloženi v previdno načrtovane strukture, da se uravna zmogljivost, zanesljivost in izdelovanje.

Osnove: Vrste vias na tiskanem vezju

Koliko vrst vias običajno poznamo? Razumevanje različnih vrst vias je osnova za obvladovanje načrtovanja tiskanih vezij in doseganje optimalne zmogljivosti plošče.

Ta tabela jasno razlikuje:

Kaj so slepe odprtine?

Danes bomo govorili o slepih in vdelanih odprtinah. Kako je torej zgrajena in kakšen je princip slipe odprtine? Splesa odprtina je prehodna odprtina, ki povezuje zunanjo plast tiskanega vezja z eno ali več notranjimi plastmi, ne pa do nasprotne zunanje plasti. Imenuje se »slepa«, ker je vidna in dostopna le z ene površine. Zato se slepe odprtine pogosto uporabljajo za zmanjšanje števila plast na tiskanem vezju.

Ključne podrobnosti in prednosti

• Slepe odprtine povezujejo zgornjo ali spodnjo površino z izbranimi notranjimi plastmi, kar omogoča optimalno izkoriščenje razpoložljivih slojev za usmerjanje.
• Slepe odprtine ne predirajo skozi celotno debelino tiskanega vezja, s čimer ne le prihranijo dragocenega prostora na vezju, temveč omogočijo tudi uporabo nasprotne površine za druge sledi ali komponente.
• Ker slepe prehodne luknje segajo le delno skozi ploščo, omogočajo gostejšo postavitev vezij in se običajno uporabljajo pri HDI tiskanih vezjih in vzorcih BGA izvoda; s tem se znatno izboljša stopnja izkoriščenosti usmerjanja.
• Slepe prehodne luknje so običajno majhne (manjše od 0,15 mm v premeru) in zahtevajo zelo visoke natančnosti vrtalnih strojev in opreme, zato je potrebno uporabiti natančne laserske ali še točnejše mehanske vrtalne metode.
• Uporaba slepih prehodnih lukenj lahko zmanjša debelino tiskane plošče, kar pomaga doseči visoko gostoto komponent za moderne izdelke.

Kako se vrtajo in izdelujejo slepe prehodne luknje

Slepe prehodne luknje se vrtajo med določenimi fazami laminiranja in vrtanja. Število, položaj in globina morajo biti strogo nadzorovani, da se prepreči prebivanje nepredvidenih slojev. Nato se prevlečejo s kovinskim prevlekom (bakrom), da tvorijo prevodne poti. Izdelava slepih prehodnih lukenj zahteva previdno pripravo, da se prepreči ujetje zraka v tiskani plošči ali nepopolna prevleka, kar zagotavlja trdno zanesljivost.

Kaj so zakopane prehodne luknje?

Za razliko od slepih lukenj, zakopane luknje ne prodrejo skozi zunanji sloj plošče. Zakopana prehodna vrtina (via) je tista, ki povezuje dva ali več notranjih slojev tiskanega vezja in ni vidna ali dostopna iz nobenega zunanjega sloja. Te se imenujejo tudi skrite prehodne vrtine, saj so »zakopane« med površinskimi sloji tiskanega vezja. Poglejmo si zakopane luknje pobliže.

Ključne podrobnosti in prednosti

• Pri izdelavi so zakopane prehodne vrtine izvrtane in prevlečene že med izdelavo notranjih podsklopov, preden se nanesejo zunanji sloji.
• Z vidika strukture večplastnih plošč zakopana prehodna vrtina povezuje dva notranjja sloja – na primer sloja 3 in 4 v osemplastnem tiskanem vezju – in omogoča usmerjanje brez uporabe površine na zunanji strani.
• Razlika je v tem, da zakopane prehodne vrtine v načrtovanju tiskanih vezij omogočajo načrtovalcem ločevanje signalnih poti, ozemljitve ali porazdelitve napajanja, kar zelo koristi pri zapletenih ali mešanih signalnih konstrukcijah.
• Ker zakopane prehodne luknje niso vidne po končni laminaciji, je velika prednost, da maksimalno izkoristijo pladenj PCB in zmanjšajo medsebojne motnje.
• Zakopane prehodne luknje se običajno uporabljajo v naprednih večplastnih tiskanih vezjih za telekomunikacije, letalstvo in visokokoncentrirano elektroniko.

Druge vrste prehodnih lukenj na tiskanem vezju

Vseprepusni vias

Na tiskanih vezjih je skozi-luknja struktura luknje, ki povezuje tokokroge med različnimi plastmi tiskanega vezja. Skozi-luknje omogočajo prenos električnih signalov med plastmi plošče in so eden najosnovnejših ter najpogostejših tipov lukenj v tradicionalnem načrtovanju tiskanih vezij. Ima naslednje značilnosti:

• Povezuje celoten stolpec tiskanega vezja od zgoraj navzdol.
• Uporablja se za standardna večplastna tiskana vezja, izvode komponent in priključke.
• Porabljajo več prostora in lahko omejujejo usmerjanje visoke gostote.

Mikro prehodne odprtine

Microvia se nanaša na prehodno luknjo zelo majhnega premera, ponavadi 0,1 mm ali manj, in se pogosto uporablja v različnih slojih visoko gostotnih povezav (HDI) tiskanih vezij. Ima naslednje značilnosti:

• Zelo majhni prehodni kontakti, ki povezujejo le sosednje plasti, izdelani s pomočjo laserske ablacije za HDI tiskane vezje.
• Lahko so skladirane ali zamaknjene in se pogosto uporabljajo v gostih konstrukcijah pametnih telefonov, nosljivih naprav ali medicinskih naprav.
• Zahtevajo napredno proizvodnjo in pregled pri izkušenih proizvajalcih tiskanih vezij.

Primerjalna tabela: slepe, vdelane in prehodne luknje

Zakaj uporabljati slepe in zakopane prehodne luknje? Prednosti in omejitve

V tem poglavju se osredotočimo na slepe in zakopane luknje. Pri oblikovanju zahtevek za izdelke, kakšne prednosti in omejitve imajo slepe in zakopane prehodne luknje? Naredimo skupaj povzetek in razliko.

Prednosti slepih in zakopanih prehodnih lukenj

• Optimizacija prostora: V primerjavi s konstrukcijo s prebujenimi luknjami zmanjša velikost in debelino tiskanega vezja, kar omogoča več komponent in sledi na manjšem prostoru.
• Ločevanje signalov: Ne le ločuje kritične signale ali ravnine napajanja, temveč jih tudi zaščiti pred EMI/medsebojnimi motnjami.
• Izboljšano usmerjanje: Prehodni kontakti povezujejo zunanje in notranje plasti tiskanega vezja za bolj fleksibilne in učinkovite postavitve.
• Kompleksna konstrukcija tiskanega vezja: Omogoča uporabo gostih BGA-jev, FPGA-jev in integriranih vezij z majhnim razmikom nožic brez drastičnega povečanja števila plasti tiskanega vezja ali površine plošče.
• Izraba plasti tiskanega vezja: Vdelani prehodi omogočajo povezave znotraj notranjih slojev tiskanega vezja, ne da bi porabili prostor na zunanjih slojih, kar zmanjša zamaščenost in omogoča ločevanje signalnih ali napajalnih ravnin. To je še posebej prispevalo k tehnološkim prebojem v letalski, komunikacijski in medicinski opremi.
• Izboljšana integriteta signala: Uporaba slepih in vdelanih prehodov v načrtovanju tiskanih vezij zmanjšuje nastajanje signalnih odsekov, kar minimizira odboje, izgube in elektromagnetne motnje, kar je ključno za visokofrekvenčna in RF vezja.
• Toplotna optimizacija: Učinkovita postavitev prehodov lahko pomaga pri porazdelitvi in razprševanju toplote, zmanjša tveganje za vroče točke in izboljša dolgoročno zanesljivost kompleksnih sestavov tiskanih vezij.

Omejitve slepih in vdelanih prebojev

• Povečana zapletenost proizvodnje: Izdelava slepih in vdelanih prehodov vključuje dodatne korake vrtanja in laminiranja, kar je mogoče le z izkušenimi proizvajalci tiskanih vezij in natančnim nadzorom kakovosti ter preizkušanjem proizvodne zmogljivosti proizvajalca.
• Višji stroški proizvodnje: Vsak dodatni cikel laminiranja, korak polnjenja ali dodatna prehodna luknja povečata stroške proizvodnje tiskanih vezij in porabo materiala – zlasti pri večplastnih tiskanih vezjih in HDI tiskanih vezjih. Zato so tudi cene izdelkov PCB relativno visoke.
• Testiranje in pregled: Slepe in zakopane prehodne luknje je včasih težko pregledati glede na napake, kar zahteva napredne tehnike, kot so Rentgen slikanje za zagotavljanje kakovosti.
• Potencialni tveganji za zanesljivost: Če procesni nadzor ni popoln, lahko pride do tveganj, kot je ujet zrak v tiskanem vezju, nepopolno prevlečenje s bakrom ali odplastitev.

Proizvodni proces: Ustvarjanje slepih in vdelanih prehodov

Pregled

The proizvodnja PCB proces izdelave slepih in vdelanih prehodov na tiskanih vezjih je kompleksen in natančen. Vendar pa ima postopek izdelave teh prehodov velik pomen za izboljšanje zmogljivosti tiskanih vezij, zmanjšanje števila plati in povečanje izkoriščenosti prostora.

1. Načrtovanje slojev: Laminatni dizajn je strukturna osnova slepih in vdelanih lukenj. Načrtovanje se začne s preslikavanjem slojev tiskanega vezja in določitvijo mest, kjer morajo prehodi povezovati – slep prehod povezuje zunanji sloj z enim ali več notranjimi sloji; vdelan prehod povezuje dva notranja sloja, vendar se ne razteza do površin.
2. Vrtljenje:

• Slepe prehode vrtajo le delno skozi paket slojev (od zunanjega do notranjega), običajno s pomočjo zelo natančnega mehanskega ali laserskega vrtanja.
• Izdelava vdelanih prehodov zahteva vrtanje v predhodno sestavljenih slojih, preden se opravi končno laminiranje celotnega paketa, kar je drugače kot pri slepih prehodih.

3.Laminiranje: Laminacijske obdelave obeh sta tudi različni. Pri skritih prehodih se plasti stisnejo skupaj in nato dodajo dodatne plasti. Izdelava tiskanih vezij z vidnimi in skritimi prehodi zahteva popolno registracijo in poravnavo.

4.Nadplakovanje: Vsi prehodi, vključno s skozi-luknjami, slepimi in skritimi prehodi, so prevlečeni s kovino (bakrom) s kemičnim in elektrokemičnim postopkom, da se zagotovi prevodnost.

5.Testiranje: Napredno testiranje – zlasti za skrite prehode na tiskanih vezjih –, kot sta rentgensko ali mikrosekcijsko analizo, zagotavlja pravilno oblikovanje in zanesljivost prehodov.

Uporabe in primeri uporabe

Slepi in skriti prehodi so postali standard v napredni konstrukciji tiskanih vezij. Lahko znatno izboljšajo stopnjo izkoriščenosti prostora, zmanjšajo površino plošče, zmanjšajo število plasti in naredijo konstrukcijo bolj kompaktno ter segajo čez skoraj vsa področja industrije, kjer je potrebna visoka zmogljivost, gostota ali zmanjšanje velikosti.

Primeri industrij, ki uporabljajo slepe in skrite prehode

• HDI tiskano vezje za pametne telefone: Slepe prehodne luknje povezujejo zunanje ploščice z notranjim usmerjanjem, medtem ko zakopane prehodne luknje v tiskanem vezju zmanjšujejo elektromagnetne motnje in natančno usmerjajo kritične signale visoke hitrosti, povpraševanje po pametnih telefonih pa se široko povečuje.
• Oprema za omreženje: Zakopana prehodna luknja povezuje dve izolirani ravnini v večplastnem tiskanem vezju za ohranjanje integritete signala v telekomunikacijskih stikih in usmerjevalnikih.
• Medicinski nosljivi napravi: Slepe in zakopane prehodne luknje omogočajo ločevanje signalov v majhnih, zelo zanesljivih vsadnih napravah, kar ponuja veliko prostora za optimizacijo in podporo obstoječi medicinski opremi.
• Avtomobilska elektronika: V tržnem okolju celostnega nadgradnje avtomobilske industrije proizvodnje, moduli ADAS in informacijsko-razvedrilni sistemi uporabljajo slepe in zakopane prehodne luknje za zmanjšanje velikosti tiskanih vezij, pri čemer zagotavljajo zmogljivost v težkih okoljskih pogojih.
• Uporabe v letalski industriji: Zakopane prehodne luknje omogočajo robustno ekranirano prenos podatkov senzorjev ali krmiljenja z odlično zanesljivostjo tudi pri tresenju ali ekstremnih temperaturah.

Stroški Dejavniki in zanesljivost
Dejavniki stroškov

Ker tehnologija slepih in vdelanih prehodov zahteva posebne postopke, kot so vrtanje, poniklanje bakra in prevlečno obdelavo, praviloma poveča proizvodne stroške. Še posebej pri srednje cenovno in nizko cenovno razrednih izdelkih je uporaba te tehnologije lahko težavna. Zato je povečanje stroškov pomemben dejavnik pri procesnih zahtevah nekaterih industrijskih panog.

• Napredni koraki izdelave: Uporaba slepih in zakopanih prehodnih lukenj zahteva več proizvodnih faz kot tradicionalne skozi-luknje, kar poveča stroške nastavitve in na ploščo.
• Izbira materialov in število slojev: Več slojev ima tiskano vezje, pogosteje je potrebna izdelava slepih in zakopanih prehodnih lukenj. Pre-pregi z visoko Tg in specialne folije dodatno povečujejo stroške.
• Stroški testiranja in pregledovanja: Pregled skritih prehodov – zlasti struktur zakopanih lukenj – pogosto vključuje dodatne rentgenske/CT ali destruktivne mikroprereze.

Zagotavljanje zanesljivosti

Čeprav stroški naraščajo, imajo nekateri tehnološki strojnopisni izdelki na določenih področjih visoke zahteve glede učinka razprševanja toplote in mehanske trdnosti nadzornih plošč. Izbira zahtev za izdelavo slepih in vdelanih lukenj je tudi neizogibna pot pri iteraciji izdelka.

• Pravilno prevlečenje in polnjenje: Za električno zanesljivost ter preprečevanje napak zaradi spajkanja/toplote je ključno, da so prehodi enakomerno prevlečeni s kositrom in po potrebi tudi zapolnjeni.
• Napetost pri toplotnem cikliranju: Prehodi, zlasti skriti prehodi, so ranljivi za razpoke ali odlaminacijo, če niso izdelani z ustreznim postopkom in materiali.
• Zaprta zrak v tiskanem vezju: Napake zaradi zraka ali praznin lahko povzročijo zgodnje okvare v uporabi.
• Sodelujte z izkušenimi proizvajalci tiskanih vezij: Zagotovite si partnerje, ki razumejo, kako pravilno izdelati, pregledati in testirati tiskana vezja s slepimi in zakopanimi prehodi za dolgo življenjsko dobo.

Namigi za oblikovanje pri uporabi slepih in vdelanih prehodov

Proizvodne zahteve za slepe in vdelane luknje so tako visoke in njihove funkcije tako pomembne, da se postavljajo visoke zahteve tudi na konstrukcijsko zasnovo. Od razumevanja strankinih potreb do izbire materialov ter nato do stroškov in proizvodnih zmogljivosti dobavitelja, bi morala biti izvedena smiselna konstrukcija s skupnim upoštevanjem vseh teh dejavnikov. Prednostno je treba upoštevati naslednje dejavnike:

• Zgodnji posvetovanje s proizvajalci tiskanih vezij: Uporabite izkušene proizvajalce tiskanih vezij in preverite njihove tehnične omejitve glede globine slepih prehodov, razmerja stranic in najmanjšega premera vrtanja.
• Načrtovanje slojev: Pri načrtovanju večplastnega tiskanega vezja jasno določite, kateri signali ali napajanje morajo ostati izolirani ter kje se dodajajo zakopani prehodi za najboljšo izkoriščenost plasti.
• Prekomerna uporaba: Slepe in zakopane prehode uporabljajte le tam, kjer so nujno potrebni. Prekomerna uporaba povečuje stroške in zmanjšuje izkoristek.
• Polnjenje prehodov: Za prehode v kontaktu in mikro-prehode vedno navedite, ali naj bodo prehodi napolnjeni ali zapravljeni.
• Toplotno razbremenitev: Povezave prehodov za napajanje/ozemljitev s ploščadmi izvedite s »toplotnimi mostovi«, kar omogoča boljše zalivanje in zmanjša tveganje napetosti.
• Preskusni vzorci: Zahtevajte preskusne vzorce, da je mogoče med proizvodnjo zakopanih prehodov izvesti destruktivno sekcijo za potrditev kakovosti izdelave.
• Naslovirani naslovljeni in zamaknjeni prehodi: Kadar je potrebno, razporedite mikroprehode ali omejite skupine slepih in vdelanih prehodov za izboljšano zanesljivost.

Pogosta vprašanja

V: V čem se slepi in skriti prehodi razlikujejo od standardnih skozi-luknjičastih prehodov?
O: Slep prehod povezuje zunanjo plast z eno ali več notranjimi plasti, vendar ne popolnoma skozi ploščo. Skrit prehod povezuje dve notranji plasti, ki sta »skriti« po laminaciji. Skozi-luknjičasti prehod povezuje površino s površino neposredno skozi tiskano vezno ploščo.
V: Kdaj naj uporabim slepe in skrite prehode pri izdelavi tiskanih veznih plošč?
A: Uporabite slepe in zakopane prehode za goste HDI plošče, fine-pitch BGA, visokofrekvenčne signale ali kadar je zmanjšanje velikosti plošče bistvenega pomena.
V: So slepi in zakopani prehodi zanesljivi?
A: Da, ob uporabi izkušenih proizvajalcev tiskanih vezij in pravilnih kontrol procesov vrtanja, prevlekanja in polnjenja. Težave nastopijo pri zagotavljanju, da je vsak prehod pravilno izdelan in pregledan.
V: Ali lahko na eni plošči kombiniram različne vrste prehodov?
A: Seveda! Večina sodobnih zapletenih dizajnov tiskanih vezij uporablja kombinacijo tradicionalnih skozi-luknjastih prehodov, slepih prehodov, zakopanih prehodov in celo mikro-prehodov, odvisno od potreb vezja.
V: Kako vpliva izdelava zakopanih prehodov na čas dobave?
A: Dodajanje zakopanih prehodov na tiskano vezje podaljša čas dobave zaradi dodatnega laminiranja, dodatnega vrtanja in bolj temeljitega pregleda. Načrtujte ustrezno.

Zaključek: Ali naj uporabim slepe in zakopane prehode?

Če delate na tesnem, zapletenem ali visokotehnološkem dizajnu tiskanega vezja, so te posebne prehodne odprtine skoraj nujne. Pomagajo zmanjšati velikost ploščice, ohranjajo čiste signale in omogočajo usmerjanje vseh teh zapletenih povezav v današnjih napravah. Ampak je tu problem – dražje jih je izdelovati in boste potrebovali proizvajalca, ki res pozna svoje posle. Zato je pametno vključiti partnerja za izdelavo že zgodaj, uporabljati slepe in zakopane prehodne odprtine le tam, kjer jih res potrebujete, ter dvakrat preveriti, ali lahko obvladajo vaš dizajn, preden pošljete datoteke.
Končna točka: če imate opravka s HDI tiskanimi vezji, poskušate zmanjšati število navadnih prehodnih odprtin ali pa želite odlično zmogljivost v večplastnem tiskanem vezju, ne bi smeli podcenjevati tega, kar vam lahko prinesejo slepe in zakopane prehodne odprtine.