Сліпі та приховані вії у проектуванні друкованих плат: Посібник для виробника

Вступ до сліпих і заглиблених виводів

У швидкозмінному світі електроніки, з ростом попиту на високотехнологічні апаратні продукти, потреба в мініатюризації, підвищенні продуктивності та складніших функціях на менших друкованих платах стала більшою, ніж будь-коли. Конструктори та виробники друкованих плат також стикаються з новими викликами, коли намагаються розмістити якомога більше функцій у кожному квадратному міліметрі. Ця задача призвела до використання сліпих і прихованих переходів у HDI-платах та багатошарових конструкціях PCB. Ці приховані переходи дозволяють досягти безпрецедентної оптимізації простору, щільнішого розташування ланцюгів і підвищеної цілісності сигналу. Як досвідчений виробник друкованих плат, LHD TECH протягом останніх 20 років спостерігав за еволюцією своїх технологічних та виробничих можливостей разом із оновленням продуктів на ринку. Від оптимізації систем до точних виробничих можливостей обладнання та ефективного управління робочою командою — усе це йде в ногу з вимогами часу.

Повернемося до теми технології, але що таке отвори у проектуванні друкованих плат? Як створюються сліпі та приховані переходи, порівняно з традиційним процесом наскрізних отворів, у яких галузях вони кращі та для якої аудиторії призначені? У цьому всебічному посібнику ми детально розглянемо технологію та розкриємо таємниці сліпиx і прихованих переходів, дослідимо, як їх використовують досвідчені виробники друкованих плат, і покажемо, які потужні переваги вони пропонують для вашого наступного складного проекту друкованої плати.

Роль переходів у проектуванні друкованих плат

Спочатку розглянемо процес створення переходів у друкованих платах. З точки зору фундаментальних принципів, переходи в друкованих платах — це електричні з'єднання, які з'єднують різні шари плат разом. Кожна багатошарова друкована плата — від простих 4-шарових плат до складних конструкцій з 30 і більше шарами — залежить від переходів для передачі сигналів, живлення та заземлення між зовнішнім шаром плати та внутрішніми шарами.

Навіщо використовуються переходи?

• Переходи з'єднують зовнішній шар із внутрішніми шарами для гнучкого трасування.
• Вії покриті міддю, що створює електрично провідний шлях між шарами друкованої плати.
• Вії зазвичай використовуються для скорочення довжини сигнального шляху, покращення цілісності сигналу та оптимізації місця на платі.
• Використання сліпих і прихованих вій дозволяє інженерам значно зменшити загальні розміри друкованої плати та кількість необхідних крізних вій.

На підставі наведеного вище, у сучасних HDI та багатошарових схемах друкованих плат вії об'єднуються в ретельно сплановані стек-апи для забезпечення балансу між продуктивністю, надійністю та технологічністю.

Основи: типи вій у друкованих платах

Скільки типів вій існує, які ми зазвичай бачимо? Розуміння різних типів вій є основоположним для оволодіння проектуванням друкованих плат і досягнення оптимальної роботи плати.

Ця таблиця чітко їх розрізняє:

Що таке сліпі отвори?

Сьогодні ми розглядаємо сліпі та закапані отвори. Отже, яка саме структура і принцип сліпих отворів? Сліпий отвір — це отвір, який з'єднує зовнішній шар друкованої плати з одним або кількома внутрішніми шарами, не проходячи до протилежного зовнішнього шару. Він називається «сліпим», оскільки доступний лише з однієї поверхні. Тому сліпі отвори часто використовують для зменшення кількості шарів на друкованій платі.

Основні деталі та переваги

• Сліпі отвори з'єднують верхній або нижній шар із певними внутрішніми шарами, щоб забезпечити оптимальне використання наявних трасувальних шарів.
• Сліпі отвори не проникають через усю товщину друкованої плати, що не тільки економить цінне місце на платі, але й звільняє протилежні поверхні для інших трас або компонентів.
• Оскільки сліпі отвори просвердлюються лише частково крізь плату, вони дозволяють створювати більш щільну компоновку схем і зазвичай використовуються в HDI-друкованих платах та шаблонах роз'ємів BGA; це значно підвищило коефіцієнт використання трасування.
• Зазвичай сліпі отвори мають невеликий розмір (менше 0,15 мм у діаметрі), і до обладнання для свердління ставляться надзвичайно високі вимоги, тому необхідно використовувати прецизійний лазер або ще точніше механічне свердління.
• Використання сліпиx отворів може зменшити товщину друкованої плати, а їх призначення — допомогти досягти високої щільності компонентів у сучасних продуктах.

Як виготовляють і свердлять сліпі отвори

Сліпі отвори свердлять на певних етапах ламінування та свердління. Їхню кількість, положення та глибину необхідно контролювати, щоб уникнути прориву через непередбачені шари. Потім їх покривають міддю для утворення провідних шляхів. Створення сліпиx отворів потребує ретельної підготовки, щоб запобігти затраплюванню повітря всередині друкованої плати або неповному металевому покриттю, забезпечуючи надійну роботу.

Що таке приховані отвори?

На відміну від сліпих отворів, закапані отвори не проникають крізь зовнішній шар плати. Закапаний міжшаровий перехід — це перехід, який з'єднує два або більше внутрішніх шари друкованої плати і не є видимим чи доступним із жодного зовнішнього шару. Їх також називають прихованими переходами, оскільки вони «закопані» між поверхневими шарами друкованої плати. Давайте разом дізнаємося більше про закапані отвори.

Основні деталі та переваги

• Під час виготовлення закапані переходи свердлять і металізують на етапі виробництва внутрішніх підзбірок до того, як зовнішні шари будуть ламіновані.
• З точки зору структури багатошарових плат закапаний перехід з'єднує два внутрішніх шари — наприклад, шари 3 і 4 у 8-шаровій друкованій платі — забезпечуючи можливості трасування без використання площі поверхні.
• Різниця полягає в тому, що закапані переходи в проектуванні друкованих плат дозволяють конструкторам ізолювати сигнальні шляхи, заземлення або розподіл живлення, що значно полегшує складне або комбіноване схемотехнічне проектування.
• Оскільки приховані переходи не видно після остаточної ламінації, їхньою головною перевагою є можливість максимально ефективно використовувати шари друкованої плати та зменшувати перехідні завади.
• Приховані переходи зазвичай використовуються в складних багатошарових друкованих платах для телекомунікацій, авіаційно-космічної промисловості та електроніки з високою густотою монтажу.

Інші типи переходів у друкованих платах

Крізні вії

У друкованих платах металізований отвір — це конструкція отвору, яка з'єднує електричні ланцюги між різними шарами плати. Металізовані отвори дозволяють передавати електричні сигнали між шарами плати і є одним із найбазовіших та найпоширеніших типів отворів у традиційному проектуванні друкованих плат. Мають такі характеристики:

• З'єднують весь пакет друкованої плати від верхнього до нижнього шару.
• Використовуються у стандартних багатошарових друкованих платах, для виводів компонентів і з’єднувачів.
• Займають більше місця і можуть обмежувати трасування у високощільній компоновці.

Мікроотвори

Мікровія — це отвір з дуже малим діаметром, зазвичай 0,1 мм або менше, і часто використовується в різних шарах конструкції друкованих плат з високою щільністю монтажу (HDI). Має такі характеристики:

• Надзвичайно малі отвори, що з'єднують лише суміжні шари, утворені за допомогою лазерного аблатування для HDI PCB.
• Можуть бути у вигляді стека або розташовані ступінчасто, часто використовуються в компактних конструкціях смартфонів, носимих пристроїв або медичних приладів.
• Вимагають передових технологій виробництва та контролю з боку досвідчених виробників друкованих плат.

Порівняльна таблиця: сліпі, приховані та крізьходові вії

Навіщо використовувати сліпі та приховані переходи? Переваги та обмеження

У цьому розділі ми зосереджуємося на сліпих і прихованих отворах. У проектних міркуваннях щодо вимог до продукту, які переваги та обмеження мають сліпі та приховані переходи? Давайте разом узагальнимо та проведемо розмежування.

Переваги сліпиїх та прихованих переходів

• Оптимізація простору: У порівнянні з конструкцією з наскрізними отворами це зменшує розмір і товщину друкованої плати, дозволяючи розміщувати більше компонентів і трасування на меншому просторі.
• Ізоляція сигналу: Це може не тільки ізолювати критичні сигнали або площини живлення, але й екранувати їх від ЕМІ/перехідних завад.
• Покращене трасування: Отвори з'єднують зовнішні та внутрішні шари друкованої плати для більш гнучких і ефективних компонувань.
• Складне проектування друкованих плат: Робить можливим використання щільних BGA, FPGA та мікросхем з дрібним кроком без значного збільшення кількості шарів друкованої плати або загального розміру плати.
• Використання шарів друкованої плати: Закриті отвори забезпечують з'єднання всередині внутрішніх шарів друкованої плати, не займаючи місце на зовнішніх шарах, зменшують затори та дозволяють окреме розділення сигнальних шарів або площин живлення. Це особливо сприяло технологічним проривам у галузях авіації/зв'язку/медичного обладнання.
• Покращена цілісність сигналу: Використання сліпих і прихованих монтажних отворів у проектуванні друкованих плат зменшує утворення сигнальних штирків, мінімізуючи відбиття, втрати та електромагнітні перешкоди, що має важливе значення для високошвидкісних та ВЧ-схем.
• Термальна оптимізація: Ефективне розташування монтажних отворів може допомогти розподілити та розсіяти тепло, зменшуючи ризик виникнення гарячих точок і підвищуючи довгострокову надійність складних збірок друкованих плат.

Обмеження сліпих і прихованих переходів

• Збільшена складність виробництва: Виготовлення сліпих і прихованих монтажних отворів передбачає додаткові операції свердління та ламінування, які можливі лише за наявності досвідченого виробника друкованих плат, точного контролю якості та перевірки виробничих потужностей виробника.
• Збільшена вартість виробництва: Кожний додатковий цикл ламінування, етап заповнення або додатковий монтажний отвір призводить до зростання вартості виробництва друкованих плат і витрат матеріалів — особливо у багатошарових та HDI-платах. Тому ціна продуктів PCB також відносно висока.
• Тестування та перевірка: Сліпі та приховані переходи іноді важко перевіряти на наявність дефектів, тому потрібні передові методи, такі як РЕНГЕН візуалізація для забезпечення якості.
• Потенційні ризики надійності: Якщо процес не є досконалим, можуть виникнути ризики, пов’язані з повітрям, що залишився у друкованій платі, неповним мідним гальванопокриттям або розшаруванням.

Виробничий процес: Створення сліпих і прихованих монтажних отворів

Огляд

The виробництво ПКБ процес створення сліпих та прихованих монтажних отворів на друкованих платах є складним і точним. Однак процес виготовлення цих отворів має велике значення для підвищення продуктивності друкованих плат, зменшення кількості шарів плати та збільшення ефективності використання простору.

1. Конструкція багатошарової структури: Багатошарова конструкція є структурною основою сліпих і прихованих отворів. Проектування починається з визначення шарів друкованої плати та місць, де потрібно встановити монтажні отвори: сліпий отвір з'єднує зовнішній шар з одним або кількома внутрішніми шарами; прихований отвір з'єднує два внутрішні шари, не доходячи до поверхонь.
2. Вибуріння:

• Сліпі отвори просвердлюють лише частково крізь багатошарову структуру (від зовнішнього до внутрішнього шару), зазвичай за допомогою високоточного механічного або лазерного свердління.
• Виготовлення прихованих отворів вимагає свердління у попередньо зібраних шарах перед остаточним пресуванням всієї багатошарової структури, на відміну від сліпих отворів.

3.Ламінування: Також різняться процеси ламінування. Для прихованих отворів шари пресуються разом, після чого послідовно додаються нові шари. Виготовлення друкованих плат із прихованими та сліпими отворами вимагає ідеальної реєстрації та вирівнювання.

4.Наплавлення: Усі отвори, включаючи наскрізні, сліпі та приховані, покриті міддю за допомогою хімічного та електролітичного покриття для забезпечення провідності.

5.Тестування: Складне тестування — особливо для прихованих отворів у друкованих платах, наприклад, аналіз за допомогою рентгенівського випромінювання або мікроперетину — гарантує правильну формування та надійність отворів.

Застосування та випадки використання

Сліпі та приховані отвори стали стандартом у сучасному проектуванні друкованих плат. Це значно підвищує коефіцієнт використання простору, зменшує площу плати, знижує кількість шарів і робить конструкцію більш компактною, і це охоплює практично всі галузі, де потрібна висока продуктивність, щільність або зменшення розмірів.

Приклади галузей, що використовують сліпі та приховані отвори

• HDI PCB для смартфонів: Сліпі переходи з’єднують зовнішні контактні площадки з внутрішніми трасуваннями, а приховані переходи в друкованих платах мінімізують ЕМІ та точно передають критичні високошвидкісні сигнали; попит на смартфони на ринку значно зростає.
• Мережеве обладнання: Прихований перехід з'єднує дві ізольовані площини в багатошаровій друкованій платі для забезпечення цілісності сигналу в телекомунікаційних комутаторах та маршрутизаторах.
• Медичні носимі пристрої: Сліпі та приховані переходи забезпечують ізоляцію сигналів у мініатюрних, високонадійних імплантуючих пристроях; вони створюють значний простір для оптимізації та підтримки сучасного медичного обладнання.
• Автомобільна електроніка: У ринковому середовищі комплексного оновлення автомобільної промисловості модулі ADAS і мультимедійні системи використовують сліпі та приховані переходи для зменшення розміру друкованих плат, забезпечуючи високу продуктивність у жорстких експлуатаційних умовах.
• Авіакосмосні застосування: Приховані переходи забезпечують надійну екрановану передачу даних від сенсорів або керуючих пристроїв із винятковою стійкістю навіть за умов вібрації або екстремальних температур.

Вартість Фактори та Надійність
Фактори вартості

Оскільки технологія сліпих і прихованих отворів вимагає спеціальних процесів, таких як свердління, металізація та покриття, це зазвичай збільшує витрати на виробництво. Особливо у середньому та нижчому сегментах продуктів може бути важко використовувати цю технологію. Тому зростання вартості є важливим чинником у вимогах до процесів у деяких галузях.

• Сучасні етапи виробництва: Використання сліпих і прихованих переходів потребує більшої кількості виробничих етапів порівняно з традиційними крізними переходами, що збільшує як початкові витрати, так і вартість кожної плати.
• Вибір матеріалів та кількість шарів: Чим більше шарів у друкованій платі, тим частіше потрібно виготовляти сліпі та приховані переходи. Матеріали попереднього пропитування з високим Tg та спеціальні фольги додатково збільшують вартість.
• Витрати на тестування та перевірку: Перевірка прихованих переходів — особливо структур прихованих отворів — часто вимагає додаткового рентгенівського знімання/КТ або руйнівного мікрозрізу.

Міркування щодо надійності

Незважаючи на зростання витрат, деякі продукти технологічного обладнання в певних галузях мають високі вимоги до ефекту розсіювання тепла та механічної міцності контрольних плат. Вибір вимог до виготовлення сліпих та прихованих отворів також є неминучим шляхом для ітерації продукту.

• Якісне металізування та заповнення: Забезпечення рівномірного нанесення міді на отвори та, за необхідності, їх заповнення має вирішальне значення для електричної надійності та запобігання виходу з ладу через паяння/теплове навантаження.
• Термічне циклування: Отвори, особливо приховані, схильні до утворення тріщин або розшарування, якщо вони виготовлені не за правильним процесом або з неправильних матеріалів.
• Повітря, що залишилося в друкованій платі: Дефекти через повітря або порожнини можуть призводити до передчасного виходу з ладу в експлуатації.
• Залучайте досвідчених виробників друкованих плат: Розраховуйте на партнерів, які знають, як правильно виготовляти, перевіряти та тестувати конструкції друкованих плат із прихованими та внутрішніми переходами для довгого терміну служби.

Рекомендації з проектування використання сліпих та прихованих отворів

Вимоги до виробництва сліпих та прихованих отворів настільки високі, а їх функції такі значущі, що й до конструкції схеми ставляться високі вимоги. Від розуміння клієнтом потреб у продукті, вибору матеріалів, до вартості та виробничих можливостей постачальника — раціональний дизайн має бути розроблений з урахуванням усіх цих факторів. Першочергову увагу слід приділити таким чинникам:

• Раннє консультування з виробниками друкованих плат: Використовуйте досвідчених виробників друкованих плат і перевіряйте їхні технічні обмеження щодо глибини прихованих отворів, співвідношення діаметра до глибини та мінімального розміру свердління.
• Планування структури шарів: Під час проектування багатошарової друкованої плати чітко визначте, які сигнали або живлення мають залишатися ізольованими, і де додано приховані переходи для найефективнішого використання шарів.
• Уникайте надмірного використання: Використовуйте сліпі та приховані переходи лише там, де це необхідно. Надмірне використання збільшує вартість і знижує вихід придатної продукції.
• Заповнення переходів: Для переходів у контактних майданчиках та мікропереходів завжди вказуйте, чи має перехід бути заповнений або закритий.
• Тепловий звільнення: Під'єднуйте переходи живлення/землі до площин, використовуючи конструкцію контактних майданчиків з «термовідведенням», що забезпечує кращу паяність і зменшує ризик напружень.
• Тестові зразки: Вимагайте зразки для проведення руйнівного дослідження перерізів під час виробництва прихованих переходів, щоб підтвердити якість виготовлення.
• Враховуйте стековані та ступінчасті переходи: За необхідності розташовуйте мікроперходи ступінчасто або обмежуйте стекування груп сліпих і прихованих переходів для підвищення надійності.

Поширені запитання

Питання: Чим сліпі та приховані вії відрізняються від звичайних наскрізних вій?
Відповідь: Сліпі вії з'єднують зовнішній шар з одним або кількома внутрішніми шарами, але не проходять крізь всю плату. Приховані вії з'єднують два внутрішні шари і після ламінування стають «прихованими». Наскрізні вії з'єднують поверхню з поверхнею прямо крізь друковану плату.
Питання: Коли слід використовувати сліпі та приховані вії у виробництві друкованих плат?
Використовуйте сліпі та приховані монтажні отвори для щільних HDI-друкованих плат, BGA з дрібним кроком, високошвидкісних сигналів або коли мінімізація розміру плати є обов'язковою.
Чи надійні сліпі та приховані монтажні отвори?
Так, за умови співпраці з досвідченими виробниками друкованих плат та наявності правильного контролю процесів свердління, металізації та заповнення. Існують певні труднощі у забезпеченні правильного формування кожного отвору та його інспектування.
Чи можна поєднувати різні типи монтажних отворів на одній платі?
Безумовно! Більшість сучасних складних конструкцій друкованих плат використовують поєднання традиційних крізних, сліпиx, прихованих та навіть мікровій в залежності від потреб схеми.
Як виготовлення прихованих монтажних отворів впливає на термін виготовлення?
Додавання прихованих монтажних отворів до друкованої плати збільшує термін виготовлення через додаткове ламінування, додаткове свердління та більш ретельний контроль. Плануйте відповідно.

Висновок: Чи варто використовувати сліпі та приховані монтажні отвори?

Якщо ви працюєте над компактним, складним або високотехнологічним проектом друкованої плати, ці спеціальні переходи є практично обов'язковими. Вони допомагають зменшити розмір вашої плати, забезпечують чистий сигнал і дають змогу трасувати всі ті складні з'єднання, необхідні сучасним пристроям. Але ось загвоздка — виготовлення таких переходів коштує дорожче, і вам знадобиться виробник, який справді розуміється на своїй справі. Саме тому розумно залучити свого партнера з виготовлення на ранній стадії, використовувати сліпі та приховані переходи лише там, де вони дійсно потрібні, і двічі перевірити, чи може він виконати ваш проект, перш ніж надсилати файли.
Підсумовуючи: якщо ви маєте справу з HDI-друкованими платами, намагаєтеся зменшити кількість звичайних крізних отворів або прагнете до вражаючих показників у багатошаровій друкованій платі, ви просто не можете ігнорувати те, що можуть зробити для вас сліпі та приховані переходи.