Типы переходов

В электронике и вычислительных устройствах схема управляется крошечной зеленой платой, которая передает различные сигналы от управляющих подсказок и на экран. В каждом смартфоне, например, внутри находится печатная плата (PCB) с различными микросхемами и компонентами, которые передают сигналы для тысяч различных функций и команд. Каждый раз, когда вы нажимаете одну из подсказок на сенсорном экране, вы активируете один из сигналов на внутренней плате. Большинство этих сигналов проходят через переходные отверстия на печатной плате.

Перейти к: Что такое Виа? | Основные типы переходов | Как определить правильность с помощью требований к вашей печатной плате

Что такое переход?

В печатной плате переходные отверстия — это отверстия, которые проходят через слои платы для обеспечения проводимости. Каждое отверстие функционирует как токопроводящий путь, по которому электрические сигналы передаются между слоями схемы. Переходные отверстия проходят через различные уровни на печатной плате. В зависимости от конструкции печатной платы на плате может потребоваться отверстие, которое проходит через все слои сверху вниз. С другой стороны, некоторые переходные отверстия проходят только через верхний или нижний слой, а некоторые размещаются через внутренний слой. Существуют различные варианты переходных отверстий на печатной плате.

Переходные отверстия являются одними из наиболее важных элементов печатной платы. Следовательно, на них приходится значительная доля затрат, связанных с производством платы.

Несмотря на то, что эти различные типы переходных отверстий служат одной и той же основной цели, один конкретный тип переходных отверстий будет более подходящим, чем другие, для определенных конструкций печатных плат. В этой статье рассматриваются различные типы переходных отверстий в конструкции печатных плат и то, как каждый из них может облегчить электрическое соединение на печатной плате.

Основные типы переходов

Существует две основные категории переходных отверстий, в зависимости от того, где они находятся в слоях печатной платы — глухое отверстие и скрытое отверстие.

В глухом отверстии отверстие проходит через верхний или нижний слой доски, но останавливается перед любым из внутренних слоев. Глухие отверстия называются так потому, что вы не можете видеть сквозь них, когда подносите доску к свету. Процесс, связанный с созданием глухих отверстий, может быть трудным, потому что вы должны знать, когда прекратить сверление платы. Таким образом, многие производители печатных плат избегают покрытия отверстий такого типа.

Другим типом сквозных отверстий являются заглубленные отверстия, которые могут появляться через один или несколько внутренних слоев. Поскольку зарытая дыра зажата между слоями, ее нельзя увидеть невооруженным глазом. Чтобы многослойная плата имела глухой слой, металлизация отверстий во внутреннем слое должна быть завершена на ранней стадии сборки печатной платы, до того, как на плату будут нанесены верхний и нижний слои.

Где бы ни располагался переход, он, скорее всего, будет одного из трех основных типов:

• Сквозное отверстие
• Через панель
• Микровия.

1. Сквозное отверстие

Наиболее очевидным типом переходных отверстий является сквозное отверстие в металлизации, которое проходит через все слои многослойной платы. Сквозные отверстия обычно больше, чем глухие и заглубленные отверстия, а также их намного легче идентифицировать невооруженным глазом. Когда вы держите доску перед светом, свет проходит сквозь сквозное отверстие в металлическом покрытии. Сквозные отверстия также легче сделать, потому что вы можете просто просверлить все слои, в отличие от глухих отверстий, где вы должны быть осторожны, насколько глубоким вы делаете отверстие.

Технология сквозных отверстий существует с середины 20-го века, когда она заменила конструкцию «точка-точка». Сквозные отверстия были наиболее распространены в период с 1950-х по 1980-е годы, когда почти все элементы печатной платы были присоединены к сквозным отверстиям.

На заре технологии сквозных отверстий дорожки печатных плат печатались только на верхней стороне. По мере развития технологий печать появилась с обеих сторон. Со временем стали использоваться многослойные доски. На этом этапе сквозные отверстия были обновлены до сквозных отверстий с покрытием, чтобы обеспечить контакты между проводящими слоями. Сегодня сквозные отверстия с покрытием используются для соединения различных слоев печатной платы. Сквозные отверстия обычно используются для облегчения компонентов с проволочными выводами. Компоненты с осевыми выводами размещаются через эти отверстия и используются для соединения через короткие промежутки.

Сквозные отверстия часто можно увидеть на больших материнских платах, которые использовались в компьютерных башнях в 1990-х и 2000-х годах. Печатные платы со сквозными компонентами также можно было увидеть в старых картах межсоединений периферийных компонентов (PCI), которые подключались к этим старым материнским платам. Например, звуковые карты, которые подключаются к слотам PCI внутри башни, обычно имеют компоненты, прикрепленные к плате через сквозные отверстия. Подобные функции можно было найти на видеокартах старых компьютеров, которые предшествовали современным моноблокам с плоским экраном.

С ростом популярности небольших, компактных, мобильных вычислительных устройств и электронных гаджетов печатные платы разрабатываются с небольшим количеством сквозных компонентов, если они вообще есть. Таким образом, у разработчиков печатных плат остается мало причин продолжать использовать платы с большими сквозными отверстиями, поскольку они занимают много места на плате, которое можно было бы более эффективно использовать с помощью микроотверстий. На самом деле, чтобы дизайнеры сохраняли размер своих плат, необходимо как можно больше использовать микроотверстия и поверхностные крепления. Поскольку эта тенденция сохранится, в ближайшие годы сквозные отверстия, скорее всего, будут полностью упразднены.

2. Через планшет

Один из наиболее популярных на сегодняшний день дизайнов печатных плат включает в себя применение переходных отверстий на контактных площадках с шариковой решеткой (BGA), также известных как переходные отверстия в контактных площадках. В конструкции с переходными отверстиями переходные отверстия размещаются на контактных площадках BGA печатной платы. Этот дизайн стал популярным, потому что он позволяет производителям минимизировать пространство, необходимое для переходных отверстий. Таким образом, технология via-in-pad позволяет производителям изготавливать печатные платы меньшего размера, которым требуется меньше места для маршрутизации сигналов. Via-in-pad — это оптимальная технология для современных компактных электронных и вычислительных устройств, которые производители разработали так, чтобы они помещались в карманах, а иногда и на запястьях.

Конструкция via-in-pad особенно удобна для трассировки, поскольку отверстия соединяются прямо со слоем, лежащим в основе компонента, что позволяет направлять сигналы без риска выхода за пределы периметра устройства.

Конечно, не все производители используют практику размещения переходных отверстий на контактных площадках BGA. Одним из основных недостатков некоторых производителей печатных плат является то, что контактную площадку приходится заполнять чистой медью или каким-либо непроводящим материалом, покрытым медью. В противном случае припой будет стекать с контактной площадки, что приведет к потере соединения с печатной платой.

Еще одним сдерживающим фактором для некоторых производителей является тот факт, что переходные отверстия требуют дополнительного шага, который часто может быть дорогостоящим и трудоемким. Некоторые разработчики просто не хотят увеличивать стоимость создания печатной платы. Кроме того, когда вы размещаете переходные отверстия в подушке, меняется требуемый диаметр сверла.

Несмотря на эти проблемы, размещение переходных отверстий на контактных площадках BGA имеет различные преимущества. Помимо затрат, вы можете делать меньшие платы с переходной площадкой и, в конечном итоге, делать устройства меньшего размера. Для некоторых современных гаджетов и мобильных устройств дизайн через панель может быть единственным вариантом.

В стандартной компоновке переходных отверстий можно применить паяльную маску, чтобы остановить поток припоя в переходное отверстие. С конструкцией via-in-pad вы не можете оставить цилиндр незаполненным, потому что воздух может попасть в ловушку, что приведет к выделению газа во время производства печатной платы. Следовательно, переходные отверстия должны быть заполнены при размещении на контактных площадках BGA. Чтобы конструкция работала, у вас также должна быть плоская плоская поверхность, так как это позволит подключать BGA с малым шагом с минимальными сложностями, если таковые имеются.

Переходные отверстия в контактных площадках могут быть заполнены эпоксидной смолой. Это должно быть сделано после этапов сверления и покрытия. Другой вариант — заполнить переходные отверстия медью. Это будет работать, если переходные отверстия будут удалены лазером. Какой бы метод вы ни выбрали, вам необходимо убедиться, что колодка достаточно велика для диаметра отверстия, а также имеет достаточные допуски. Кроме того, конструкция должна соответствовать стандартам IPC Class 2 и 3.

Если вы все еще сомневаетесь в том, будет ли переходное отверстие лучше, чем стандартное сквозное отверстие, вам следует поговорить с производителем печатных плат, чтобы узнать, как новая технология изменила их платы.

3. Микроотверстия

В дизайне печатных плат переходные отверстия размером менее 150 микрон называются микропереходными отверстиями и используются на многих платах межсоединений высокой плотности (HDI). Дизайнеры предпочитают микропереходы из-за небольшого размера отверстия, которое занимает гораздо меньше места на плате, чем отверстия, требующие большего количества сверления. В микроотверстии слои соединены друг с другом медным покрытием.

Микропереходные отверстия выполнены в форме конусов, что позволяет легко омеднить стороны переходных отверстий. Микроотверстие может проходить через два соседних слоя, но не дальше. Если в конструкции платы требуется сквозное отверстие, проходящее через несколько слоев, несколько микроотверстий должны быть размещены соответствующим образом.

С производственной точки зрения создание многослойных микроотверстий может быть дорогостоящим и трудоемким процессом. На платах, для которых требуется одно микроотверстие над другим, в наиболее распространенной конструкции будет два микроперехода. Что касается укладки, максимальный предел составляет четыре микроотверстия. Однако четыре микроотверстия редко применяются в производстве печатных плат из-за высокой стоимости.

Альтернативой многоуровневому микроотверстию является ступенчатое микроотверстие, которое устроено как лестница, где второе или третье микроотверстие размещается на ступеньку ниже предыдущего. Как и в случае многослойных микропереходов, их создание в шахматном порядке на многослойной печатной плате может быть трудным и дорогостоящим.

Если микроотверстие проходит через внешний слой платы и врезается во внутренний слой перед остановкой, это можно квалифицировать как глухое микроотверстие. С помощью глухого микроперехода можно увеличить плотность разводки на печатной плате. Слепые микропереходы особенно выгодны, если сигнал на внешнем слое должен быть направлен на нижележащий слой, поскольку слепые микроотверстия обеспечивают кратчайшее расстояние. На плате HDI глухие микропереходы позволяют оптимизировать пространство на многослойной плате, например, на печатной плате с четырьмя слоями, где микропереходы можно разместить либо на двух верхних, либо на двух нижних слоях.

В некоторых случаях микропереход проходит через два целых слоя. Слепые переходные отверстия, соответствующие этому описанию, известны как пропускные переходные отверстия. Однако производители не рекомендуют сквозные отверстия, поскольку характер отверстия может привести к осложнениям при металлизации.

Микроотверстие, соединяющее два внутренних слоя печатной платы, известно как скрытое микроотверстие. Для включения скрытого микроотверстия в конструкцию печатной платы слои, содержащие отверстия, должны быть сначала просверлены, прежде чем наноситься внешние слои. Со скрытым микропереходом вы можете соединить два внутренних слоя на печатной плате. Сверление может быть выполнено с помощью механического инструмента или, как вариант, с помощью лазера.

Когда вы размещаете микроотверстие на печатной плате, очень важно обращать внимание на соотношение сторон размера отверстия, иначе может быть невозможно правильно покрыть плату.

Как определить правильность с помощью требований к вашей печатной плате

Тип переходных отверстий, которые вы выбираете для дизайна печатной платы, должен основываться на размере и назначении платы. Если плата предназначена для использования в более старом, более крупном вычислительном устройстве, вам, вероятно, потребуется дизайн печатной платы, соответствующий старым стандартам, поскольку все новое, вероятно, будет несовместимо с рассматриваемым устройством. Для некоторых из этих старых устройств единственным вариантом, скорее всего, будет печатная плата большего размера со сквозными компонентами.

Если вы проектируете печатную плату для устройства меньшего размера, на самом деле нет причин использовать сквозные компоненты, поскольку вам нужно будет максимально использовать небольшое пространство на крошечной плате, которое поместится под устройство. Например, если размер вашей печатной платы составляет всего один квадратный дюйм, у вас не будет необходимого места для большого сквозного отверстия, так как будет слишком много сигналов для проведения в небольшом разрешенном пространстве. Плата такого размера была бы лучше оснащена глухими микроотверстиями, которые могли бы передавать мощные сигналы между короткими расстояниями на плате размером с большой палец.

Конечно, процесс изготовления печатной платы меньшего размера с микроотверстиями, вероятно, потребует больших инвестиций из-за трудозатрат, связанных с такими платами. Однако преимущества этих небольших плат могут легко окупить вложения, особенно если вы продаете новое революционное устройство, которое в конечном итоге может стать крупным продавцом.

Продукты и услуги для печатных плат от Millennium Circuits

Когда дело доходит до дизайна печатных плат, существует множество вариантов переходных отверстий, таких как глухие и скрытые микроотверстия. На современных печатных платах меньшего размера микроотверстия позволяют оснастить устройство многочисленными функциями, а также обеспечивают скорость и вычислительную мощность, которые превышают возможности производительности более громоздких сквозных компонентов, которые были обычным явлением 20 лет назад. Для создания наиболее компактных и оптимальных конструкций печатных плат крайне важно иметь команду, которая может собрать эти части воедино. Свяжитесь с Millennium Circuits, чтобы узнать стоимость продуктов и услуг для печатных плат.