Типы виа: подробное руководство по межслойным соединениям печатных плат

В электронных и вычислительных устройствах схемотехника проводится крошечной зеленой платой, передающей различные сигналы от управляющих команд к экрану. В каждом смартфоне, например, внутри можно найти печатную плату (ПП) с различными чипами и компонентами, проводящими 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 проводятся через виа печатной платы.

Быстрая навигация: Что такое виа? | Основные типы виа | Как определить правильные требования к виа для вашей ПП

Что такое виа?

В печатной плате виа — это отверстия, проходящие через слои платы для целей проводимости. Каждое отверстие функционирует как проводящий путь, через который электрические сигналы передаются между слоями цепи. Виа проходят через разные уровни на печатной плате. В зависимости от дизайна ПП, плате может потребоваться отверстие, идущее через все слои сверху вниз. Альтернативно, некоторые виа проникают только в верхний или нижний слой, а некоторые размещены через внутренний слой. Существует множество вариантов когда речь идет о виа на печатной плате.

Виа — среди самых критически важных особенностей на печатной плате. Следовательно, они составляют значительную долю затрат, связанных с производством платы.

Несмотря на то, что эти разные типы виа служат одной и той же базовой цели, один конкретный тип виа будет более подходящим, чем другие, для определенных дизайнов ПП. Эта статья охватывает различные типы виа в дизайне ПП и как каждый может обеспечить электрическое соединение на печатной плате.

Основные типы виа

Существует две основные категории виа в зависимости от того, где они находятся в слоях ПП — слепое отверстие (blind hole) и зарытое отверстие (buried hole).

В слепом отверстии отверстие проникает в верхний или нижний слой платы, но останавливается перед любыми внутренними слоями. Слепые отверстия названы так, потому что вы не можете увидеть сквозь них, когда держите плату против света. Процесс создания слепых отверстий может быть сложным, потому что вы должны знать, когда остановить сверление в плату. Как таковые, многие производители ПП избегают металлизации отверстий этого типа.

Другой тип виа — зарытое отверстие, которое может появляться через один или несколько внутренних слоев. Поскольку зарытое отверстие зажато между слоями, его нельзя увидеть невооруженным глазом. Для многослойной платы, чтобы иметь слепой слой, металлизация отверстия на внутреннем слое должна быть завершена на ранней стадии сборки ПП, перед нанесением верхнего и нижнего слоев на плату.

Где бы ни было размещено виа, оно, вероятно, будет одним из трех основных типов:

• Сквозное отверстие (Through-hole)
• Виа в контактной площадке (Via-in-pad)
• Микровиа (Microvia).

1. Сквозное отверстие (Through-Hole)

Самый очевидный тип виа — металлизированное сквозное отверстие, которое проникает через все слои в многослойной плате. Сквозные отверстия обычно больше слепых и зарытых отверстий и также намного легче идентифицировать невооруженным глазом. Когда вы держите плату перед светом, свет пройдет прямо через металлизированное сквозное отверстие. Сквозные отверстия также легче изготовить, потому что вы можете просто просверлить все слои, в отличие от слепых отверстий, где вы должны быть осторожны с глубиной отверстия.

Технология сквозных отверстий существует с середины XX века, когда она заменила точечную конструкцию. Сквозные отверстия были наиболее распространены между 1950-х и 1980-х годов, когда почти все особенности, найденные на печатной плате, были присоединены к сквозному отверстию.

В ранние дни технологии сквозных отверстий ПП имели свои дорожки, напечатанные только на верхней стороне. По мере развития технологий печать появилась на обеих сторонах. В конечном счете в употребление пришли многослойные платы. В этот момент сквозные отверстия были обновлены до металлизированных сквозных отверстий для обеспечения контактов между проводящими слоями. Сегодня металлизированные сквозные отверстия используются для соединения разных слоев в ПП. Сквозные отверстия обычно используются для компонентов с проводными выводами. Аксиальные компоненты размещаются через эти отверстия и используются для соединения на коротких расстояниях.

Сквозные отверстия часто можно увидеть на больших материнских платах, использовавшихся в компьютерных башнях в 1990-х и 2000-х. ПП с компонентами сквозного монтажа также можно было увидеть в старых картах расширения PCI (Peripheral Component Interconnect), которые вставлялись в эти старые материнские платы. Например, звуковые карты, подключавшиеся к PCI-слотам внутри башни, обычно имели компоненты, присоединенные к плате через сквозные отверстия. Подобные особенности можно было найти на видеокартах в более старых компьютерах, предшествующих современным все-в-одном плоским экранам.

С растущей популярностью малых, компактных мобильных вычислительных устройств и электронных гаджетов ПП проектируются с небольшим количеством, если вообще, компонентов сквозного монтажа. Как таковые, остается мало причин для проектировщиков ПП продолжать использовать платы, содержащие большие сквозные отверстия, так как они потребляют много места на плате, которое могло бы использоваться эффективнее с микровиа. Фактически, для того чтобы дизайнеры держали свои платы маленькими, микровиа и поверхностный монтаж должны использоваться как можно больше. По мере продолжения тренда сквозные отверстия, вероятно, будут полностью вытеснены в ближайшие годы.

2. Виа в контактной площадке (Via-in-Pad)

Один из сегодняшних более популярных дизайнов для печатных плат включает применение виа на контактных площадках шарово-решетчной матрицы (BGA), альтернативно известных как via-in-pad. В дизайне via-in-pad виа размещаются на контактных площадках BGA ПП. Дизайн стал популярен, потому что он позволяет производителям минимизировать количество пространства, требуемого для виа. Как таковые, via-in-pad позволяет производителям делать более мелкие печатные платы, требующие меньше пространства для маршрутизации сигналов. Via-in-pad — оптимальная технология для сегодняшних компактных электронных и вычислительных устройств, которые производители разработали, чтобы помещаться в карманы и иногда на запястья.

Дизайн via-in-pad особенно удобен для маршрутизации, потому что отверстия соединяются прямо со слоем, лежащим под компонентом, делая возможной маршрутизацию сигналов без риска выхода за периметр отпечатка устройства.

Однако не все производители приняли практику размещения виа на площадках BGA. Одним из главных недостатков для некоторых производителей ПП является то, что вы должны заполнить площадку чистой медью или каким-то непроводящим материалом, покрытым медью. Иначе припой сольется с площадки и приведет к потере связности ПП.

Еще один запретительный фактор для некоторых производителей — тот факт, что виа требуют дополнительного шага, который часто может быть затратным и трудоемким. Некоторые дизайнеры просто не хотят увеличивать стоимость создания ПП. Более того, когда вы размещаете виа в площадке, это изменяет требуемый диаметр сверла.

Несмотря на эти проблемы, существует множество преимуществ размещения виа на площадках BGA. Стоимости в стороне, вы можете делать более мелкие платы с via-in-pad и в конечном счете делать более мелкие устройства. Для определенных современных гаджетов и мобильных устройств дизайн via-in-pad может быть вашим единственным вариантом.

В стандартной компоновке виа паяльная маска может быть нанесена для остановки потока припоя в виа. С дизайном via-in-pad вы не можете оставлять бочку незаполненной, потому что воздух может попасть внутрь, вызывая выгазирование пока ПП в производстве. Поэтому виа должны быть заполнены при размещении на площадках BGA. Для работы дизайна вы также должны иметь плоскую планарную поверхность, так как это сделает возможным подключение мелкошаговых BGA с малыми, если вообще, сложностями.

In-pad виа могут быть заполнены эпоксидной смолой. Это должно делаться после стадий сверления и металлизации. Другой вариант — заполнить виа медью. Это сработает, если виа лазерно аблатированы. Какой бы метод вы ни выбрали, вам нужно будет убедиться, что площадка достаточно велика для диаметра отверстия и также имеет достаточные допуски. Кроме того, дизайн должен удовлетворять стандартам IPC класса 2 и 3.

Если вы все еще сомневаетесь, было ли via-in-pad лучшим вариантом, чем стандартная компоновка виа, вы должны поговорить с производителем ПП, чтобы увидеть, как новая технология трансформировала их платы.

3. Микровиа

В дизайне ПП виа, размер которых менее 150 микрон, известны как микровиа, которые используются на многих платах с высокой плотностью взаимосвязей (HDI). Дизайнеры предпочитают микровиа из-за малого размера отверстия, которое потребляет гораздо меньше места на плате, чем отверстия, требующие большего сверления. В микровиа слои соединяются друг с другом с помощью медной металлизации.

Микровиа создаются в форме конусов, что делает легко медной металлизации сторон виа. Микровиа может пройти через два смежных слоя, но не дальше. Если дизайн платы требует виа через несколько слоев, несколько микровиа должны быть наложены соответствующим образом.

С производственной точки зрения создание наложенных микровиа может быть затратным и трудоемким процессом. На платах, требующих одну микровиа над другой, наиболее распространенный дизайн будет содержать две микровиа. Что касается наложения, предел — четыре микровиа. Однако четыре микровиа редко применяются в производстве ПП из-за высоких затрат.

Альтернативный вариант к наложенной микровиа — ступенчатая микровиа (staggered microvia), которая настроена как лестница, где вторая или третья микровиа размещена на шаг вперед ниже той, что выше. Как и с наложенными микровиа, ступенчатые микровиа могут быть сложными и затратными для производства на многослойной ПП.

Если микровиа входит через внешний слой платы и прорезает до внутреннего слоя перед остановкой, это квалифицируется как слепая микровиа (blind microvia). Со слепой микровиа вы можете увеличить плотность проводки на печатной плате. Слепые микровиа особенно выгодны, если сигнал на внешнем слое должен быть направлен к нижележащему слою, так как слепая микровиа предложит кратчайшее расстояние. На плате HDI слепые микровиа делают возможной оптимизацию пространства в многослойной плате, такой как в ПП с четырьмя слоями, где микровиа может быть размещена либо на верхних двух, либо на нижних двух слоях.

В некоторых случаях микровиа проникнет через два целых слоя. Слепые виа, соответствующие этому описанию, известны как skip vias. Однако skip vias не рекомендуются производителями, потому что природа отверстия может привести к сложностям с металлизацией.

Микровиа, соединяющая два внутренних слоя в ПП, известна как зарытая микровиа (buried microvia). Для включения зарытой микровиа в дизайн ПП слои, содержащие отверстия, должны быть просверлены первыми, прежде чем внешние слои будут нанесены. С зарытой микровиа вы можете соединить два внутренних слоя на печатной плате. Сверление может быть выполнено механическим инструментом или, альтернативно, лазером.

Когда вы размещаете микровиа на ПП, критически важно обращать внимание на соотношение сторон размера отверстия, иначе может быть невозможно правильно металлизировать плату.

Как определить правильные требования к виа для вашей ПП

Тип виа, который вы выбираете для дизайна ПП, должен базироваться на размере и назначении платы. Если плата сделана для использования в старом, большом вычислительном устройстве, вам, вероятно, понадобится дизайн ПП, соответствующий старым стандартам, так как что-то более новое, вероятно, будет несовместимо с устройством. Для некоторых из этих старых устройств вашим единственным вариантом, вероятно, будет более крупная ПП с компонентами сквозного монтажа.

Если вы проектируете ПП для более мелкого устройства, действительно нет причин использовать компоненты сквозного монтажа, так как вам нужно будет максимизировать небольшое количество пространства на крошечной плате, которая поместится в устройство. Например, если ваш дизайн ПП составляет всего квадратный дюйм, у вас не будет необходимого пространства для большого сквозного отверстия, так как будет слишком много сигналов для проведения в малом допущенном пространстве. Плату такого размера гораздо лучше обслуживали бы слепые микровиа, которые могли бы передавать мощные сигналы на коротких расстояниях на плате размером с большой палец.

Признается, процесс изготовления более мелкой ПП с микровиа, вероятно, потребует больших вложений из-за труда, который такие платы влекут за собой. Однако преимущества этих более мелких плат могут легко окупить инвестиции, особенно если вы продаете новое и прорывное устройство, которое в конечном счете может стать хитом продаж.

Продукты и услуги ПП от Millennium Circuits

Когда речь идет о дизайне печатных плат, существует множество виа для выбора, таких как слепые и зарытые микровиа. На сегодняшних более мелких ПП микровиа делают возможным оснащение устройства многочисленными функциями, а также предлагают скорости и вычислительную мощность, превышающие возможности более громоздких компонентов сквозного монтажа, которые были обыденны 20 лет назад. Для производства самых компактных и оптимальных дизайнов ПП критически важно иметь команду, способную собрать эти части вместе. Свяжитесь с Millennium Circuits для расчета стоимости продуктов и услуг ПП.