Технология межсоединений высокой плотности (HDI) преобразила электронику, но она вносит значительную сложность в производственный процесс. В основе этой сложности лежит планирование глухих и скрытых переходных отверстий, критически важный этап проектирования, который определяет, может ли многослойная плата быть изготовлена надежно и экономически эффективно. Для инженеров и команд по закупкам в APTPCB (APTPCB PCB Factory) понимание физических и логических ограничений этих межсоединений имеет решающее значение для сокращения циклов доработок.
Это руководство служит всеобъемлющим центром для планирования глухих и скрытых переходных отверстий, от базовых определений до продвинутых метрик валидации.
Ключевые выводы
- Определение: Глухие переходные отверстия соединяют внешние слои с внутренними, не проходя через всю плату; скрытые переходные отверстия соединяют только внутренние слои.
- Критический показатель: Соотношение сторон (глубина к диаметру) является основным ограничением для надежности металлизации.
- Драйвер стоимости: Последовательные циклы ламинирования, необходимые для этих переходных отверстий, значительно увеличивают время и стоимость производства.
- Целостность сигнала: Правильное планирование уменьшает сигнальные "хвосты", улучшая высокоскоростные характеристики по сравнению со стандартными сквозными отверстиями.
- Валидация: Рентгеновский контроль и анализ поперечного сечения являются обязательными для проверки внутренней регистрации.
- Заблуждение: Не все производители могут работать со стекированными микропереходными отверстиями; ступенчатые конструкции часто безопаснее для выхода годных изделий.
- Совет: Всегда четко определяйте "начальный" и "конечный" слои в ваших Gerber-файлах, чтобы избежать задержек в производстве.
Что на самом деле означает планирование глухих и скрытых переходных отверстий (область применения и границы)
Чтобы в полной мере оценить технические требования, мы должны сначала установить границы того, что составляет эффективное планирование для несквозных межсоединений.
Планирование глухих и скрытых переходных отверстий — это инженерный процесс определения вертикальной структуры межсоединений печатной платы для оптимизации плотности, целостности сигнала и технологичности. В отличие от стандартных сквозных переходных отверстий, которые сверлятся после окончательного ламинирования, глухие и скрытые переходные отверстия требуют сверления и металлизации на определенных промежуточных этапах проектирования стека печатной платы.
- Глухие переходные отверстия: начинаются на внешнем слое (верхнем или нижнем) и заканчиваются на внутреннем слое. Они видны только с одной стороны платы.
- Скрытые переходные отверстия: соединяют два или более внутренних слоя и не достигают внешних поверхностей. Они полностью невидимы на готовой плате. Эффективное планирование включает сопоставление этих соединений с циклами ламинирования. Например, структура 1+N+1 подразумевает один слой микропереходных отверстий (глухих) с каждой стороны центрального сердечника. Если сердечник содержит скрытые переходные отверстия, планирование должно учитывать заполнение и выравнивание этих скрытых переходных отверстий до того, как будут спрессованы внешние слои. Этот процесс напрямую влияет на механическую стабильность и электрические характеристики конечного изделия.
Важные метрики планирования глухих и скрытых переходных отверстий (как оценить качество)
После определения области применения межсоединений инженеры должны оценить конкретные метрики, чтобы убедиться, что конструкция достаточно надежна для массового производства.
В следующей таблице приведены критические параметры, которые APTPCB оценивает на этапе инженерного запроса (EQ).
| Метрика | Почему это важно | Типичный диапазон / Факторы | Как измерить |
|---|---|---|---|
| Соотношение сторон | Определяет способность химического состава покрытия проникать в отверстие. Высокие соотношения приводят к пустотам. | Глухие: 0.75:1 до 1:1 Скрытые: 8:1 до 10:1 |
Анализ поперечного сечения (Микрошлиф). |
| Точность совмещения | Несоосность вызывает прорыв, когда сверло попадает в диэлектрик вместо контактной площадки. | +/- 3 мил (механический) +/- 0.5 мил (лазерный) |
Рентгеновский контроль или AOI на внутренних слоях. |
| Толщина покрытия | Обеспечивает электрическую непрерывность и выдерживает тепловое расширение (ось Z). | Класс 2: >20µм в среднем Класс 3: >25µм в среднем |
CMI (Измеритель толщины меди) или Поперечное сечение. |
| Толщина диэлектрика | Влияет на соотношение сторон и контроль импеданса. | Зависит от препрега (например, типы стеклоткани 106, 1080). | Микрометрический контроль материалов или поперечного сечения. |
| Кольцевая площадка | Площадь медной площадки, оставшаяся вокруг просверленного отверстия. | Мин. 4-6 мил (механический) Мин. 3-4 мил (лазерный) |
АОИ (Автоматический Оптический Контроль). |
Как выбрать планирование глухих и скрытых переходных отверстий: руководство по выбору по сценариям (компромиссы)
Метрики предоставляют данные, но конкретный контекст применения определяет, какая стратегия переходных отверстий обеспечивает наилучший возврат инвестиций.
Выбор правильной структуры переходных отверстий — это компромисс между плотностью, производительностью сигнала и стоимостью производства.
Сценарий 1: Разводка BGA с большим количеством выводов
Задача: BGA с шагом 0,4 мм или 0,5 мм не оставляет места для сквозных разводок типа "собачья кость". Выбор: Используйте глухие микропереходные отверстия (лазерное сверление). Компромисс: Более высокая стоимость из-за лазерной обработки, но это необходимо для вывода сигналов из области BGA.
Сценарий 2: Целостность высокоскоростного сигнала (>10 Гбит/с)
Задача: Сквозные переходные отверстия создают "шлейфы", которые отражают сигналы и вызывают затухание. Выбор: Используйте глухие переходные отверстия или стек, готовый к обратному сверлению. Компромисс: Глухие переходные отверстия полностью устраняют шлейф. Обратное сверление удаляет неиспользуемую часть сквозного отверстия, но требует точного контроля глубины. Глухие переходные отверстия обеспечивают лучшую электрическую производительность, но более высокую сложность изготовления.
Сценарий 3: Портативная бытовая электроника (смартфоны/носимые устройства)
Задача: Экстремальные ограничения по пространству, требующие компонентов с обеих сторон и трассировки высокой плотности. Выбор: Стековые микропереходы (ELIC - Every Layer Interconnect). Компромисс: Максимально возможная плотность. Однако стековые микропереходы более подвержены проблемам надежности во время термоциклирования по сравнению со смещенными микропереходами.
Сценарий 4: Приложения ВЧ и СВЧ
Задача: Требуется строгий контроль импеданса и экранирование заземления. Выбор: Скрытые переходы (Buried Vias) для заземления в сочетании с копланарным волноводным стеком. Компромисс: Скрытые переходы позволяют размещать сплошные заземляющие плоскости ближе к сигналу, улучшая экранирование. Стоимость увеличивается из-за дополнительного цикла ламинирования, необходимого для ядра.
Сценарий 5: Экономически чувствительное промышленное управление
Задача: Требуется умеренная плотность, но бюджет ограничен. Выбор: Минимизировать использование глухих/скрытых переходов. По возможности придерживаться сквозных переходов. Компромисс: Если плотность вынуждает, используйте простую структуру 1-N-1 (одно ламинирование плюс один наращиваемый слой). Избегайте сложных структур 2-N-2 или 3-N-3, чтобы поддерживать высокую производительность и низкие затраты.
Сценарий 6: Высоконадежные автомобильные приложения
Задача: Плата должна выдерживать сильные вибрации и термический шок. Выбор: Смещенные глухие переходы (Staggered Blind Vias) вместо стековых. Компромисс: Смещенные переходные отверстия лучше распределяют напряжение, чем уложенные друг на друга. Хотя они занимают немного больше места по осям XY, прирост надежности необходим для систем, критически важных для безопасности.
Контрольные точки реализации планирования глухих и скрытых переходных отверстий (от проектирования до производства)
После выбора правильной стратегии для вашего сценария, акцент смещается на тактическое выполнение проектных данных.
Используйте этот контрольный список, чтобы убедиться, что ваше планирование глухих и скрытых переходных отверстий правильно переносится из программного обеспечения САПР на завод APTPCB.
- Определение стека слоев: Четко определите тип материала (основа против препрега) и толщину для каждого слоя. Убедитесь, что толщина диэлектрика поддерживает целевое соотношение сторон.
- Разделение файлов сверления: Создавайте отдельные файлы сверления с ЧПУ для каждого диапазона переходных отверстий (например, L1-L2, L2-L3, L1-L4). Никогда не объединяйте их в один файл.
- Соглашение об именовании: Используйте четкое именование файлов (например,
Drill_L1-L2_Blind.drl) для предотвращения ошибок CAM-инжиниринга. - Проверка соотношения сторон: Выполните проверку DFM, чтобы убедиться, что ни одно глухое переходное отверстие не превышает возможности производителя (обычно 0,8:1 или 1:1 для серийного производства).
- Определение контактной площадки: Убедитесь, что переходные отверстия имеют контактную площадку как на начальном, так и на конечном слоях. Не полагайтесь на определения переходных отверстий "без контактных площадок".
- Заполнение смолой: При использовании Via-in-Pad укажите IPC-4761 Тип VII (заполненный и закрытый), чтобы обеспечить плоскую поверхность для пайки компонентов.
- Согласование импеданса: Пересчитайте импеданс для трасс, проходящих через разные слои, так как опорные плоскости изменятся.
- Циклы ламинирования: Убедитесь, что количество циклов ламинирования соответствует структуре переходных отверстий. (например, Скрытые переходные отверстия в ядре = 1 цикл; добавление глухих слоев = 2+ цикла).
- Минимальный размер сверла: Убедитесь, что размер сверла соответствует технологии (Механические сверла редко надежно опускаются ниже 0,15 мм; для меньших размеров требуется лазер).
- Стабильность материала: Для нескольких циклов ламинирования выбирайте материалы с высоким Tg, чтобы предотвратить расслоение во время последовательного прессования.
Распространенные ошибки при планировании глухих и скрытых переходных отверстий (и правильный подход)
Даже при наличии четкого плана и контрольного списка, специфические ошибки проектирования часто нарушают производственный процесс.
Избегание этих распространенных ошибок сэкономит дни инженерных вопросов и потенциального брака.
- Ошибка 1: Несбалансированные стеки. Проектирование стека с глухими переходными отверстиями на верхней стороне, но без них на нижней (или неравномерное распределение меди).
- Коррекция: Поддерживайте симметрию в стеке, чтобы предотвратить коробление (изгиб и скручивание) во время высокотемпературных циклов ламинирования.
- Ошибка 2: Игнорирование соотношения сторон. Проектирование глухого переходного отверстия диаметром 0,1 мм, которое должно проходить через 0,2 мм диэлектрика (соотношение 2:1).
- Коррекция: Держите диэлектрик достаточно тонким или отверстие достаточно большим, чтобы поддерживать соотношение 0,8:1 или 1:1 для глухих переходных отверстий.
- Ошибка 3: Неоднозначные диапазоны сверления. Отправка файла сверления, который не указывает, какие слои он соединяет.
- Коррекция: Включите таблицу сверления в производственный чертеж, которая явно сопоставляет каждый код инструмента с определенным диапазоном слоев.
- Ошибка 4: Размещение переходных отверстий слишком близко к контактным площадкам SMD. Без использования технологии Via-in-Pad размещение открытых переходных отверстий рядом с контактными площадками вызывает эффект фитиля при пайке.
- Коррекция: Используйте перемычки паяльной маски или укажите заполненные и закрытые переходные отверстия (Via-in-Pad), если плотность требует плотного размещения.
- Ошибка 5: Игнорирование термического напряжения. Укладка нескольких микропереходных отверстий (например, L1-L2, L2-L3, L3-L4) непосредственно друг на друга.
- Коррекция: Используйте ступенчатый подход ("лестница"), где это возможно, чтобы снизить риски отказа из-за термического напряжения по оси Z.
- Ошибка 6: Предположение стандартных допусков. Применение стандартных допусков для сквозных отверстий к возможностям HDI печатных плат.
- Коррекция: HDI требует более жесткого совмещения и контроля кольцевых площадок. Заранее ознакомьтесь с матрицей возможностей завода.
FAQ по планированию глухих и скрытых переходных отверстий (стоимость, сроки изготовления, материалы, тестирование, критерии приемки)
Чтобы устранить оставшиеся неопределенности, здесь представлены ответы на наиболее частые вопросы, касающиеся расширенного планирования переходных отверстий.
В: Как планирование глухих и скрытых переходных отверстий влияет на общую стоимость печатной платы? A: Это значительно увеличивает стоимость — часто на 30%–50% выше, чем у стандартных плат. Основными причинами являются дополнительные циклы ламинирования, время работы лазерного сверлильного станка и дополнительные процессы металлизации, необходимые для каждой пары слоев.
Q: Каково типичное влияние на сроки изготовления для плат со скрытыми/глухими переходными отверстиями? A: Ожидайте дополнительные 2–4 дня к стандартному сроку изготовления для каждого последовательного цикла ламинирования. Стандартная плата HDI 1+N+1 занимает больше времени, чем плата со сквозными отверстиями, поскольку внутренний слой должен быть изготовлен, просверлен и металлизирован до добавления внешних слоев.
Q: Какие материалы лучше всего подходят для проектирования скрытых/глухих переходных отверстий? A: Рекомендуются материалы FR4 с высокой Tg (температурой стеклования), чтобы выдерживать многократные циклы термического прессования. Для высокоскоростных применений используются материалы с низкими потерями, такие как Megtron 6 или Rogers, но они могут требовать специфических параметров лазерного сверления.
Q: Какие методы тестирования используются для проверки соединения глухих переходных отверстий? A: Электрическое тестирование (летающий зонд) проверяет наличие обрывов/коротких замыканий. Однако надежность проверяется с помощью стресс-тестирования межсоединений (IST) или путем создания микрошлифов (поперечных срезов) для визуального контроля качества металлизации и целостности интерфейса.
Q: Каковы критерии приемки глухих переходных отверстий согласно стандартам IPC? О: Согласно IPC-6012 (Класс 2 или 3), критерии включают минимальную толщину покрытия (обычно в среднем 20-25 мкм), требования к обволакивающему покрытию (для заполненных переходных отверстий) и ограничения по пустотам. Глубина "ямки" (dimple) для заполненных переходных отверстий также строго регулируется для обеспечения плоскостности компонентов.
В: Могу ли я использовать механические сверла для глухих переходных отверстий? О: Да, "сверление с контролируемой глубиной" возможно для более крупных глухих переходных отверстий. Однако оно менее точное, чем лазерное сверление, и требует большего допуска для стоп-слоя, чтобы предотвратить просверливание до следующего слоя.
В: В чем разница между микропереходным отверстием и стандартным глухим переходным отверстием? О: Микропереходное отверстие определяется IPC как отверстие диаметром примерно 0,15 мм (6 мил) или менее и соотношением сторон 1:1, обычно формируемое лазерами. Стандартное глухое переходное отверстие может быть больше и просверливаться механически.
В: Как мне указать стекап, готовый к обратному сверлению, в моем планировании? О: Вы должны определить высокоскоростные цепи, требующие обратного сверления, и рассчитать слой "не подлежащий обрезке". Производитель просверлит сквозное отверстие, покроет его, а затем использует сверло немного большего диаметра, чтобы удалить медный цилиндр с неиспользуемой стороны, оставляя определенную длину шлейфа (обычно <10 мил).
Ресурсы для планирования глухих скрытых переходных отверстий (связанные страницы и инструменты)
- Возможности HDI PCB: Подробные характеристики лазерного сверления и ограничения микропереходных отверстий.
- Проектирование стека слоев печатной платы: Как расположить слои для последовательного ламинирования.
- Рекомендации DFM: Правила проектирования для обеспечения технологичности ваших переходных отверстий.
Глоссарий по планированию глухих и скрытых переходных отверстий (ключевые термины)
Технические обсуждения требуют точной терминологии для предотвращения производственных ошибок.
| Термин | Определение |
|---|---|
| Глухое переходное отверстие | Проводящее отверстие, соединяющее внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями, не проходящее через всю плату. |
| Скрытое переходное отверстие | Проводящее отверстие, соединяющее только внутренние слои, невидимое снаружи. |
| Соотношение сторон | Отношение глубины отверстия к его диаметру. Критично для металлизации. |
| Последовательное ламинирование | Процесс ламинирования платы в несколько этапов для создания внутренних соединений. |
| Микропереходное отверстие | Малое переходное отверстие (обычно <0,15 мм), обычно формируемое лазерной абляцией. |
| Захватная площадка | Площадка на слое, где начинается сверление. |
| Целевая площадка | Площадка на слое, где сверление останавливается. |
| Десмир | Химический процесс удаления смоляного налета со стенок отверстия перед металлизацией. |
| Химическое меднение | Начальный тонкий слой меди, осажденный химически для придания отверстию проводимости. |
| Via-в-площадке | Размещение переходного отверстия непосредственно под контактной площадкой компонента, требующее заполнения и закрытия. |
| Кольцевая площадка | Кольцо меди вокруг металлизированного отверстия. |
| Рентгеновский контроль | Неразрушающий контроль, используемый для просмотра внутреннего выравнивания скрытых переходных отверстий. |
Заключение: планирование глухих и скрытых переходных отверстий – следующие шаги
Освоение терминологии и метрик завершает теоретическую основу, но успешное выполнение зависит от четкой связи с вашим производственным партнером. Планирование глухих и скрытых переходных отверстий — это не просто размещение отверстий в САПР; это проектирование 3D-структуры, которая может быть построена слой за слоем.
Независимо от того, проектируете ли вы сложный стек копланарных волноводов для ВЧ-приложений или потребительское устройство высокой плотности, ключ к успеху — это раннее взаимодействие.
Готовы к производству? При отправке данных в APTPCB для получения коммерческого предложения или DFM-анализа, пожалуйста, убедитесь, что вы предоставили:
- Файлы Gerber (RS-274X) с отдельными файлами сверления для каждого диапазона переходных отверстий.
- Диаграмму стека, указывающую порядок слоев, типы материалов и определения глухих/скрытых переходных отверстий.
- Производственный чертеж, определяющий класс IPC (2 или 3) и требования к заполнению переходных отверстий (например, IPC-4761 Тип VII).
- Списковую схему (IPC-356) для проверки логики подключения по сравнению с графическими данными.
Предоставляя полные данные, вы гарантируете, что ваше планирование глухих и скрытых переходных отверстий приведет к созданию надежной, высокопроизводительной печатной платы.