PCB Tasarımında Kör ve Gömülü Vias: Bir Üreticinin Rehberi

Kör ve Gömülü Vias'a Giriş

Elektronik dünyasında, yüksek teknolojili donanım ürünlerine olan artan taleple birlikte, daha küçük devre kartlarında küçültme, daha yüksek performans ve daha karmaşık fonksiyonlara olan ihtiyaç her zamankinden daha büyük. Tasarımcılar ve PCB üreticileri de her milimetrekareye olabildiğince çok işlev sığdırmak için yeni zorluklarla karşılaştılar. Bu zorluk, HDI PCB'lerde ve çok katmanlı PCB tasarımlarında gizli (kördeli ve gömülü) geçitlerin kullanılmasına yol açtı. Bu görünmeyen geçitler, daha önce görülmemiş ölçüde alan optimizasyonu, daha yoğun devre düzenlemeleri ve gelişmiş sinyal bütünlüğü sağlar. Deneyimli bir devre kartı üreticisi olarak LHD TECH, son 20 yılda piyasa ürünlerinin güncellenmesiyle birlikte üretim ve imalat kabiliyetlerinin nasıl geliştiğini gözlemledi. Sistem optimizasyonundan ekipmanın hassas üretim kapasitesine ve ardından üretim ekibinin etkili yönetimine kadar her şey, çağın gereksinimleriyle uyum içinde ilerlemektedir.

Şimdi teknoloji konusuna geri dönelim, ancak PCB tasarımında bu vias'lar aslında tam olarak nedir? Kör vias'lar ve gömülü vias'lar nasıl oluşturulur, geleneksel delik içi işlemle karşılaştırıldığında hangi sektörlerde daha güçlüdür ve hedef kitlesi kimdir? Bu kapsamlı kılavuzda, bu teknolojiyi inceleyecek ve kör vias'lar ile gömülü vias'ların gizemini çözecek, deneyimli PCB üreticilerinin bunları nasıl kullandığını inceleyecek ve bir sonraki karmaşık PCB tasarımınız için nasıl güçlü avantajlar sunduğunu göstereceğiz.

PCB Tasarımında Vias'ların Rolü

Önce PCBS'lerdeki via sürecine bir göz atalım. Temel prensipler açısından değerlendirildiğinde, PCB'deki vias'lar farklı PCB katmanlarını birbirine bağlayan elektriksel bağlantılardır. Basit 4 katmanlı panolarından karmaşık 30+ katmanlı yapılarına kadar her çok katmanlı PCB, sinyalleri, gücü ve topraklamayı PCB'nin dış katmanı ile iç katmanları arasında taşımak için vias'lara dayanır.

Vias'lar neden kullanılır?

• Vias'lar, esnek yönlendirme için dış katmanı iç katmanlara bağlar.
• Viyalar, bakır ile kaplanır ve bir PCB'nin katmanları arasında elektriksel olarak iletken bir yol oluşturur.
• Viyalar genellikle sinyal yolu uzunluğunu azaltmak, sinyal bütünlüğünü artırmak ve kart alanını optimize etmek için kullanılır.
• Kör viyaların ve gömülü viyaların kullanımı, mühendislerin PCB'nin toplam boyutunu ve gerekli olan delikli viya sayısını büyük ölçüde azaltmalarına olanak tanır.

Modern HDI ve çok katmanlı PCB devrelerinde yukarıdaki anlayışa dayanarak, performans, güvenilirlik ve üretilebilirliği dengelemek amacıyla viyalar dikkatle planlanmış katmanlamalarda bir araya getirilir.

Temel Bilgiler: PCB'deki Viya Türleri

Genellikle kaç tür viya görürüz? Farklı viya türlerini anlamak, PCB tasarımını ustalaştırmak ve optimal kart performansı elde etmek açısından temeldir.

Bu tablo net bir ayrım yapar:

Kör Vias Nedir?

Bugün, kör delikler ve gömülü delikler hakkında konuşuyoruz. Peki kör deliklerin yapısı ve prensibi tam olarak nedir? Kör via, bir PCB'nin dış katmanını zıt dış katmana geçmeden bir veya daha fazla iç katmana bağlayan bir viadır. Sadece bir yüzeyden görünür ve erişilebilir olduğundan 'kör'dür. Bu yüzden kör vias'lar genellikle PCB üzerindeki katman sayısını azaltmak için kullanılır.

Temel Detaylar ve Avantajlar

• Kör vias'lar üst veya alt yüzeyi seçili iç katmanlara bağlar ve bu şekilde mevcut yönlendirme katmanlarının optimal kullanımını sağlar.
• Kör vias'lar tüm PCB kalınlığına nüfuz etmez; bu yalnızca PCB üzerinde değerli alan kazandırmaz aynı zamanda karşıt yüzeyleri diğer hatlar veya bileşenler için boşaltır.
• Kör viyalar sadece kısmen olarak tabla içine delindiği için daha yoğun devre yerleşimine olanak tanır ve genellikle HDI PCB'lerde ve BGA çıkış desenlerinde kullanılır; bu da kablolama kullanım oranını büyük ölçüde artırmıştır.
• Kör viyalar genellikle küçüktür (çapı 0,15 mm'den az) ve delme makineleri ile ekipmanlar açısından son derece yüksek gereksinimler vardır, bu yüzden hassas lazer veya daha kesin mekanik delme gerektirir.
• Kör viyaların kullanılması PCB kalınlığını azaltabilir ve modern ürünlerde yüksek bileşen yoğunluğuna ulaşmayı amaçlar.

Kör Viyalar Nasıl Delinir ve Üretilir

Kör viyalar belirli laminasyon ve delme adımları sırasında delinir. Miktarları, konumları ve derinlikleri istenmeyen katmanlara geçmemesi için kontrol edilmelidir. Daha sonra iletken yollar oluşturmak üzere bakır kaplama yapılır. Kör viya üretimi, PCB içinde hava kalmasını veya eksik kaplamayı önlemek amacıyla dikkatli hazırlık gerektirir ve böylece sağlam güvenilirlik sağlanır.

Gömülü Viyalar Nedir?

Kör deliklerin aksine gömülü delikler plakanın dış katmanına kadar nüfuz etmez. Gömülü viya, bir PCB'nin iki veya daha fazla iç katmanını birbirine bağlayan ve herhangi bir dış katmandan görünmeyen veya erişilemeyen viyadır. Bunlara ayrıca PCB yüzey katmanları arasında 'gömülü' olduklarından dolayı gizli viyalar da denir. Birlikte gömülü delikler hakkında daha fazla şey öğrenelim.

Temel Detaylar ve Avantajlar

• Gömülü viyaların üretim sürecinde, dış katmanlar preslenmeden önce iç alt montajların üretimi sırasında delinir ve kaplanır.
• Çok katmanlı kart yapıları açısından değerlendirildiğinde gömülü viya, örneğin 8 katmanlı bir PCB'de 3. ve 4. katmanlar gibi iki iç katmanı birleştirerek yüzey alanını kullanmadan yönlendirme imkânı sağlar.
• Fark şudur: PCB tasarımında gömülü viyalar sinyal yollarını, topraklamayı veya güç dağıtımını izole etmeye olanak tanır ve karmaşık veya karışık sinyalli tasarımlarda büyük fayda sağlar.
• Gömülü viyalar son laminasyondan sonra görünmez olduğundan, katman kullanımını maksimize etmeleri ve sinyal karışımını azaltmaları büyük bir avantajdır.
• Gömülü viyalar genellikle telekomünikasyon, havacılık ve yüksek yoğunluklu elektronik uygulamaları için gelişmiş çok katmanlı PCB'lerde kullanılır.

PCB'deki Diğer Via Türleri

Delikli Viyalar

Baskılı devre panolarında, geçit deliği (through-hole), PCB'nin farklı katmanları arasındaki devreleri bağlayan bir delik yapısıdır. Geçit delikleri, panonun katmanları arasında elektrik sinyallerinin iletilmesine olanak tanır ve geleneksel PCB tasarımında en temel ve yaygın delik türlerinden biridir. Aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• En üstten en alta kadar tüm PCB katmanlarını birbirine bağlar.
• Standart çok katmanlı PCB'ler, bileşen uçları ve konektörler için kullanılır.
• Daha fazla alan kaplar ve yüksek yoğunlukta yönlendirmeyi sınırlayabilir.

Mikro Vias

Mikrovia, tipik olarak 0.1 mm veya daha küçük çapta olan çok küçük bir deliği ifade eder ve genellikle yüksek yoğunluklu bağlantı (HDI) baskılı devre kartlarının farklı tasarım katmanlarında kullanılır. Aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• Sadece bitişik katmanları birbirine bağlayan, lazer aşındırma ile oluşturulan çok küçük viyalar HDI PCB.
• İstiflenebilir veya basamaklı olabilir ve yoğun akıllı telefon, giyilebilir cihazlar veya tıbbi cihaz tasarımlarında sıklıkla kullanılır.
• Deneyimli PCB üreticileri tarafından ileri düzey üretim ve inceleme gerektirir.

Karşılaştırma Tablosu: Körlü vs. Gömülmüş vs. Delikten Geçen Viyalar

Neden Kör ve Gömülü Vialar Kullanılır? Avantajlar ve Sınırlamalar

Bu bölümde, kör delikler ve gömülü delikler üzerinde duracağız. Ürün gereksinimlerinin tasarım değerlendirmelerinde, kör viya ve gömülü viya kullandığımızda hangi avantajlara ve sınırlamalara sahip oluruz? Birlikte özetleyelim ve ayrım yapalım.

Kör ve Gömülü Viaların Avantajları

• Alan Optimizasyonu: Delikli tasarım ile karşılaştırıldığında PCB boyutunu ve kalınlığını azaltır, daha az alanda daha fazla bileşen ve hat yerleştirilmesini sağlar.
• Sinyal İzolasyonu: Kritik sinyalleri veya güç düzlemlerini yalnızca izole etmekle kalmaz, aynı zamanda bunları EMI/Gürültüden korur.
• Geliştirilmiş Yönlendirme: Viyalar, dış ve iç PCB katmanlarını birbirine bağlayarak daha esnek ve verimli yerleşimler sağlar.
• Karmaşık PCB Tasarımı: Yoğun BGAs, FPGAs ve ince adım aralıklı IC'lerin, PCB katman sayısını veya kart boyutunu büyük oranda artırmadan kullanılmasını mümkün kılar.
• PCB Katman Kullanımı: Gömülü viyalar, dış katmanlarda alan kapmadan PCB'nin iç katmanları arasında bağlantı sağlar ve bu da yoğunluğu azaltır, katmanlı sinyal veya güç düzleminin ayrılmasını mümkün kılar. Özellikle havacılık/iletişim/tıbbi ekipman endüstrilerinde teknolojik atılımlara katkıda bulunmuştur.
• İyileştirilmiş Sinyal Bütünlüğü: PCB tasarımında kör ve gömülü viyaların kullanılması, sinyal saplamalarının oluşumunu azaltarak yansımayı, kaybı ve elektromanyetik gürültüyü en aza indirir; bu özellikle yüksek hızlı ve RF devreleri için hayati öneme sahiptir.
• Termal Optimizasyon: Etkili via yerleşimi, ısıyı dağıtmaya ve yaymaya yardımcı olarak sıcak noktaların oluşma riskini azaltır ve karmaşık PCB montajlarında uzun vadeli güvenilirliği artırır.

Kör ve Gömülü Vias'ların Sınırlamaları

• Artan Üretim Karmaşıklığı: Kör ve gömülü viyaların üretimi, ek delme ve lamine etme adımlarını içerir ve yalnızca deneyimli PCB üreticileriyle, hassas kalite kontrolüyle mümkündür ve üreticinin üretim kapasitesini sınar.
• Daha Yüksek Üretim Maliyeti: Her ekstra laminasyon döngüsü, dolum aşaması veya ek via, çok katmanlı PCB ve HDI PCB ürünlerinde özellikle üretim maliyetini ve malzeme kullanımını artırır. Bu nedenle PCB ürünlerinin fiyatı da görece yüksek olur.
• Test ve denetim: Kör ve gömülü viyalar bazen kusurlar açısından kontrol etmek zor olabilir ve kaliteyi sağlamak için Röntgen görüntüleme gibi gelişmiş teknikler gerekebilir.
• Olası Güvenilirlik Riskleri: Süreç kontrolü mükemmel değilse, PCB içinde hava kalması, eksik bakır kaplama veya katmanlar arasında soyulma gibi riskler ortaya çıkabilir.

İmalat Süreci: Köprü ve Gömülü Vias'ların Oluşturulması

Genel Bakış

The pCB üretimi pCB'lerde blind vias ve buried vias süreçleri karmaşık ve hassastır. Ancak bu vias'ların üretim süreci, PCB performansını artırmak, katman sayısını azaltmak ve alan kullanımını artırmak açısından büyük önem taşır.

1. Katman Yapısı Tasarımı: Lamine tasarım, blind buried deliklerin yapısal temelidir. Tasarım, bir PCB'nin katmanlarını ve vias'ların nerede bağlantı kurması gerektiğini belirleyerek başlar—blind via, dış katmanı bir veya daha fazla iç katmana bağlar; buried via ise iki iç katmanı birbirine bağlar ancak yüzeylere kadar uzanmaz.
2. Borma:

• Blind vias'lar, genellikle yüksek hassasiyetli mekanik veya lazer delme kullanılarak, sadece istifin kısmen (dıştan içe) delinmesiyle oluşturulur.
• Buried vias'ların üretimi, tam istif laminasyonundan önce alt montajlı katmanlarda delinerek yapılır ve bu, blind deliklerden farklıdır.

3.Laminasyon: İkisinin de laminasyon işlemleri farklıdır. Gömülü vias için katmanlar birbirine preslenir ve daha sonra ek katmanlar eklenir. Körlü ve gömülü via'lı PCB üretim süreci, mükemmel kayıt ve hizalama gerektirir.

4.Kaplama: Delikli, kör ve gömülü vias dahil olmak üzere tüm vias'lar, iletkenliği garanti etmek amacıyla kimyasal ve elektrolizle kaplanmış bakır ile kaplanır.

5.Test: PCB'deki gömülü vias'lar için özellikle X-ışını veya mikro kesit analizi gibi gelişmiş testler, vias'ların doğru şekilde oluşturulduğunu ve güvenilir olduğunu sağlar.

Uygulamalar ve Kullanım Senaryoları

Kör ve gömülü vias'lar gelişmiş PCB tasarımında standart hale gelmiştir. Bu yapılar, kullanım alanının neredeyse tamamında yüksek performans, yoğunluk veya boyut küçültme gereksinimi olan sektörlerde önemli ölçüde alan kullanım oranını artırabilir, kart boyutunu küçültebilir, katman sayısını azaltabilir ve tasarımı daha kompakt hâle getirebilir.

Kör ve Gömülü Vias Kullanan Sektörlerin Örnekleri

• Akıllı Telefonlar İçin HDI PCB: Kör viyalar dıştaki pad'leri iç yönlendirmelere bağlar ve gömülü viyalar EMI'yi azaltır ve kritik yüksek hızlı sinyalleri hassas bir şekilde yönlendirirken akıllı telefonlara olan talep geniş çapta artmaktadır.
• Ağ Ekipmanları: Gömülü via, telekomünikasyon anahtarlarında ve yönlendiricilerde sinyal bütünlüğü için çok katmanlı bir PCB'de iki izole düzlemi birbirine bağlar.
• Tıbbi Taşınabilir Cihazlar: Kör ve gömülü viyalar, küçük, yüksek oranda güvenilir implant cihazlarda sinyal izolasyonu sağlar ve mevcut tıbbi ekipmanlar için optimizasyon ve destek açısından geniş bir alan sunar.
• Otomotiv Elektronik: Otomotiv imalat endüstrisinde kapsamlı bir yükseltme piyasa ortamında, ADAS ve bilgi-işlem modülleri, zorlu çevre koşullarında performansı garanti altına almak için hem kör hem de gömülü viyaları kullanır.
• Havacılık ve Uzay Uygulamaları: Gömülü viyalar, sensör veya kontrol verileri için güçlü korumalı iletim sağlar ve titreşim veya aşırı sıcaklıklarda bile üstün güvenilirlik sunar.

Maliyet Faktörler ve Güvenilirlik
Maliyet faktörleri

Kör ve gömülü delik teknolojisinin delme, bakır kaplama ve kaplama işlemleri gibi özel süreçler gerektirmesi nedeniyle genellikle üretim maliyetleri artar. Özellikle orta ve düşük seviye ürünlerde bu teknolojinin kullanılması zor olabilir. Bu nedenle, maliyet artışının bazı sektörlerin süreç gereksinimleri açısından önemli bir faktör olduğu görülür.

• İleri İmalat Aşamaları: Kör via ve gömülü via kullanımı, geleneksel geçiş delikli viyalara göre daha fazla üretim aşaması gerektirir ve bu da kurulum maliyetlerini ve adet başı maliyetleri artırır.
• Malzeme Seçimleri ve Katman Sayısı: Bir PCB'nin katman sayısı ne kadar fazla olursa, kör ve gömülü viya üretimi o kadar sık gereklidir. Yüksek-Tg prepreg'ler ve özel folyolar maliyetleri daha da artırır.
• Test ve Muayene Maliyetleri: Gizli viyaların — özellikle gömülü delik yapılarının — muayenesi genellikle ekstra X-ışını/CT veya yıkıcı mikro kesit analizini içerir.

Güvenilirlik Hususları

Maliyetler artmasına rağmen, bazı alanlarda teknolojik donanım ürünlerinin kontrol kartlarının ısı dağılımı etkisi ve mekanik dayanıklılığı için yüksek gereksinimler vardır. Köreltme gömme delik üretim gereksinimlerinin seçilmesi, ürün yinelemesi için kaçınılmaz bir yoldur.

• Uygun Kaplanma ve Doldurma: Viyaların, elektriksel güvenilirlik ve lehim/termal arıza önlenmesi açısından, bakır ile eşit şekilde kaplanması ve gerekirse doldurulması çok önemlidir.
• Termal Siklus Gerilimi: Viyalar, özellikle gizli viyalar, doğru süreç ve malzemelerle üretilmezse çatlama veya katmanlar arası ayrılmalara karşı savunmasızdır.
• PCB İçinde Hava Kalması: Hava veya boşluklardan kaynaklanan hatalar erken saha arızalarına yol açabilir.
• Deneyimli PCB Üreticileriyle Çalışın: Kör ve gömülü via'lı PCB tasarımlarının uzun ömürlü olabilmesi için doğru şekilde üretilebilmesi, kontrol edilebilmesi ve test edilebilmesini bilen ortaklara güvenin.

Kör ve Gömülü Vias Kullanımı İçin Tasarım İpuçları

Kör gömülü deliklerin üretim gereksinimleri çok yüksek ve fonksiyonları o kadar önemli olmakla birlikte tasarım yapısına da yüksek talepler getirilmektedir. Ürün ihtiyaçlarına ilişkin müşterinin anlayışından, malzeme seçimine, ardından maliyete ve tedarikçinin üretim kapasitesine kadar tüm bu faktörler kapsamlı şekilde değerlendirilerek makul bir tasarım yapılmalıdır. Aşağıdaki faktörler öncelikli olarak dikkate alınmalıdır:

• PCB Üreticileriyle Erken Dönemde Görüşme: Kör via derinliği, boyut oranı ve minimum matkap boyutu gibi teknik sınırlamaları kontrol etmek için deneyimli PCB üreticilerini kullanın.
• Katman Düzeni Planlaması: Çok katmanlı bir PCB tasarımı yaparken, hangi sinyallerin veya güç hatlarının izole edilmesi gerektiğini ve gömülü viyaların en iyi katman kullanımını sağlamak için nereye ekleneceğini açıkça belirleyin.
• Aşırı Kullanımdan Kaçının: Kör viya ve gömülü viyaları yalnızca gerekli olduğunda kullanın. Aşırı kullanım maliyetleri artırır ve verimi düşürür.
• Via Doldurma: Pad içinde via ve mikroviyalar için, viyanın doldurulup doldurulmayacağı ya da kapatılıp kapatılmayacağı her zaman belirtilmelidir.
• Isıl relief (ısısal boşaltım): Güç/toprak viyalarını 'ısıl relief' (ısısal boşaltma) pad tasarımları kullanarak düzlemlere bağlayın; bu, daha iyi lehimlenebilirlik sağlar ve stres riskini azaltır.
• Test Kuponları: Gömülü viyaların üretim sırasında kalite kontrolü için yıkıcı kesit analizi yapabilmek amacıyla kupon talep edin.
• Birikimli ve Birbirinden Kaydırılmış Vias Adresi: Güvenilirliği artırmak için mikro-vias'ları kaydırmak veya kör ve gömülü via gruplarının yığınlarını sınırlamak gerekli olduğunda uygulanır.

Sıkça Sorulan Sorular

S: Kör ve gömülü viyalar standart geçiş deliği viyalarından nasıl farklıdır?
C: Kör viyalar bir dış katmanı bir veya daha fazla iç katmana bağlar ancak kartın tamamına kadar uzanmaz. Gömülü viyalar iki iç katmanı birbirine bağlar ve laminasyon sonrasında 'gizlenmiş' durumda kalır. Geçiş deliği viyalar ise yüzeyden yüzege doğru PCB'nin tamamından geçer.
S: PCB üretiminde ne zaman kör ve gömülü viya kullanmalıyım?
A: Yoğun HDI pcb yerleşimleri, ince hat aralıklı BGAs'lar, yüksek hızlı sinyaller veya kart boyutunu en aza indirmek gerekli olduğunda kör ve gömülü viyalar kullanın.
S: Kör ve gömülü viyalar güvenilir mi?
A: Evet, deneyimli PCB üretici ortakları ve delme, kaplama ve doldurma için doğru süreç kontrolleri ile birlikte. Her bir viyanın doğru şekilde oluşturulduğundan ve kontrol edildiğinden emin olmak için zorluklar mevcuttur.
S: Bir kartta farklı viya türlerini birleştirebilir miyim?
A: Kesinlikle! Günümüzün çoğu karmaşık PCB tasarımı, devre ihtiyacına bağlı olarak geleneksel geçiş deliği viyaları, kör viyalar, gömülü viyalar ve hatta mikroviyaların kombinasyonunu kullanır.
S: Gömülü viyaların üretimi teslim süresini nasıl etkiler?
A: Gömülü viyaların eklenmesi, ek laminasyon, ek delme ve daha kapsamlı muayene nedeniyle PCB üretim süresini uzatır. Buna göre planlayın.

Sonuç: Kör ve Gömülü Viyalar Kullanmalı Mısınız?

Dar, karmaşık veya yüksek teknolojili bir PCB tasarımı üzerinde çalışıyorsanız, bu özel geçitler neredeyse vazgeçilmezdir. Günümüz cihazlarında bu karmaşık bağlantıların yönlendirilmesini mümkün kılmanın yanı sıra, kart boyutunuzu küçültmenize ve sinyallerinizin temiz kalmasına yardımcı olurlar. Ancak dikkat edilmesi gereken nokta şudur: üretim maliyetleri daha yüksektir ve gerçekten konusunda uzman bir üreticiye ihtiyacınız vardır. Bu yüzden üretim ortağınıza erken dahil olmak, sadece gerçekten ihtiyaç duyduğunuz yerlerde gizli ve gömülü geçitleri kullanmak ve dosyalarınızı göndermeden önce tasarımınızın işlenebilirliğini teyit etmek akıllıca olacaktır.
Sonuç olarak: Eğer HDI PCB'lerle uğraşıyorsanız, standart delik geçitleri azaltmaya çalışıyorsanız ya da çok katmanlı bir PCB'de üstün performans hedefliyorsanız, gizli ve gömülü geçitlerin size neler sunabileceğini görmezden gelmemelisiniz.