Оптимизация слепых микровых отверстий с медной заливкой для повышения производительности печатных плат

Быстрая навигация: Медная заливка слепых микровых отверстий | Что такое микровые отверстия? | Что такое слепые и зарытые отверстия? | Преимущества медных слепых микровых отверстий | Что такое отверстия с медной заливкой? | Связанные проблемы | Тепловая и электрическая проводимость | Процесс медной заливки | Медные отверстия

Отверстия (vias) — это отверстия, через которые укладки контактных площадок электрически соединяются, и они являются важнейшими элементами печатных плат (ПП). Поскольку электронные устройства, а именно смартфоны и аналогичные продукты, становятся все более популярными и уменьшаются в размерах, возможность размещения на плате более мелких отверстий становится все более полезной.

Также необходимо надежно передавать сигналы через слои печатной платы — этого можно добиться добавлением медного слоя на подложку платы, но заполнение отверстий медью обеспечивает дополнительную емкость.

Медные слепые микровые отверстия позволяют создавать платы с высокой плотностью соединений (HDI) и обеспечивают надежную передачу сигналов. Хотя с этим типом отверстий связаны определенные проблемы, они также имеют множество преимуществ. Продолжите чтение, чтобы узнать больше об этом процессе и о том, почему он может быть полезен для вас.

Что такое микровые отверстия?

IPC определяет микровое отверстие как «слепую структуру (как металлизированная) с максимальным соотношением сторон 1:1... заканчивающуюся на целевой площадке или проникающую в нее, с общей глубиной (X) не более 0,25 мм [0,00984 дюйма], измеренной от фольги захвата структуры до целевой площадки».

До изменения определения в 2013 году термин определялся как отверстие диаметром менее 0,15 мм или 0,006 дюймов. Со временем этот размер стал более распространенным, и IPC понял, что придется продолжать обновлять определение по мере уменьшения отверстий, если они продолжат определять их по диаметру.

Для сверления микровых отверстий используются лазеры, и недавние достижения в лазерном сверлении позволили создавать микровые отверстия размером всего 15 мкм. Хотя используемые лазеры могут сверлить только один слой за раз, производители печатных плат могут создавать сквозные микровые отверстия, сверля несколько слоев отдельно, а затем накладывая их друг на друга.

При работе с микровыми отверстиями вероятность возникновения производственных дефектов ниже, чем при обычных отверстиях, поскольку лазерное сверление не приводит к оставлению материала в сверленных отверстиях. Однако микровые отверстия так же подвержены проблемам с металлизацией и переплавом припоя.

Благодаря своим малым размерам микровые отверстия могут использоваться для печатных плат с высокой плотностью соединений (HDI), что важно сегодня, поскольку электроника — особенно телекоммуникационные и вычислительные устройства — становится более совершенной, но при этом меньше по размеру.

Что такое слепые и зарытые отверстия?

Микровые отверстия могут быть слепыми или зарытыми. Слепые микровые отверстия соединяют внешний слой печатной платы с одним или несколькими внутренними слоями и не проходят через всю плату. Они соединяют верхний внешний слой и внутренние слои, которые они достигают. Слепые отверстия полезны для увеличения плотности трассировки. Если вам нужно провести сигнальные дорожки от внешнего слоя к внутреннему, слепые отверстия часто являются самым коротким путем для этого.

Зарытые микровые отверстия соединяют два или более внутренних слоя и не выходят на внешний слой. Их нельзя увидеть с внешних слоев. Производители обычно создают их с помощью последовательной ламинации.

Что такое отверстия с медной заливкой?

Отверстия с медной заливкой — это отверстия, заполненные либо чистой медью, либо эпоксидной смолой с медью. Эта медная заливка повышает проводимость отверстия, помогая ему эффективнее передавать сигналы с одной стороны платы на другую. Различные виды отверстий могут быть заполнены медью, включая стандартные отверстия, микровые отверстия, слепые и зарытые отверстия.

Отверстия также можно заполнять другими материалами, такими как золото, серебро, проводимая эпоксидная смола, непроводимая эпоксидная смола и гальваническое покрытие. Наиболее распространенным типом заливки является непроводимая эпоксидная смола. Однако медная заливка обеспечивает преимущества, делающие ее идеальной для определенных применений.

Преимущества медных слепых микровых отверстий

Использование микровых отверстий, будь то слепые или зарытые, полезно по разным причинам, включая следующие.

Экономия пространства

Одним из главных преимуществ использования микровых отверстий является экономия пространства, что в конечном итоге приводит к снижению затрат. Чем больше места занимают ваши отверстия, тем больше плата вам нужна, и тем дороже будет ваш проект.

Микровые отверстия являются важнейшим компонентом HDI печатных плат, которые часто содержат сквозные отверстия, зарытые отверстия, слепые отверстия, бескаркасную конструкцию, пассивную подложку и альтернативные конструкции бескаркасных сборок с парными слоями. Помимо меньшего размера и веса, эти платы также обеспечивают улучшенную электрическую производительность за счет уменьшенного расстояния между компонентами и большего количества транзисторов.

Микровые отверстия также помогают эффективнее использовать отверстия в контактных площадках (VIP). VIP экономят пространство, создавая соединения в площадках поверхностного монтажа (SMT). Благодаря своим малым размерам микровые отверстия отлично подходят для использования с VIP. Обычные отверстия иногда слишком велики, чтобы поместиться внутри площадок для SMT. Однако микровые отверстия могут помещаться внутри площадок без производственных проблем.

Слепые и зарытые микровые отверстия также легче изготавливать, чем обычные слепые и зарытые отверстия, которые могут быть сложны в изготовлении. Микровые отверстия уже изготавливаются слой за слоем, что означает, что сделать их слепыми или зарытыми — процесс, требующий работы слой за слоем — проще.

Микровые отверстия также полезны для разводки шаро-сеточных корпусов (BGA). VIP с микровыми отверстиями легко помещаются внутри площадок мелкошаговых BGA. Они еще более полезны в каналах разводки. VIP экономят поверхностное пространство, но также требуют большого количества слоев для вывода сигналов в другие части платы. Микровые отверстия могут помочь увеличить ширину путей разводки, что может позволить использовать меньше слоев для разводки BGA.

Снижение ЭМИ

Микровые отверстия также помогают снизить электромагнитные интерференции (EMI), которые возникают, когда электромагнитное поле влияет на электрическую цепь и нарушает работу электронного устройства. Поскольку они несут сниженный риск EMI, микровые отверстия особенно полезны для цепей, склонных к EMI, таких как используемые в высокочастотных или высокоскоростных приложениях.

Высокоскоростные цепи часто сталкиваются с проблемами излучения и отражения сигналов в отверстиях. Уменьшение размера отверстий, однако, снижает потенциал излучения, что приводит к меньшему EMI. Для высокоскоростных цепей заглушки — линии передачи или волноводы, подключенные только с одного конца — являются другой причиной проблем с EMI. Заглушки могут отражать сигналы обратно в проводники и ослаблять или даже подавлять исходный сигнал. Поскольку микровые отверстия изготавливаются слой за слоем, заглушек не будет.

Высокочастотные линии передачи, такие как микроволновые и毫米волновые полосовые проводники, требуют отверстий для вывода сигналов. Стандартные отверстия, однако, создают слишком много EMI для использования в высокочастотных полосовых линиях. Микровые отверстия, с другой стороны, генерируют очень мало EMI и не ухудшают целостность сигнала. Высокочастотные цепи используются все чаще, делая EMI более распространенной проблемой.

Заполнение отверстий медью также дает несколько преимуществ, а именно в области тепловой и электрической проводимости.

Тепловая и электрическая проводимость

Использование меди для заполнения отверстия повысит его теплопроводность, что отведет тепло от платы, обеспечивая более долгий срок службы и снижая риск дефектов. Вместо того чтобы распространяться по разным частям платы, тепло будет проходить через медь на другую сторону платы, защищая ее компоненты. Медь обладает более высокой теплопроводностью, чем золото, которое также используется для заполнения отверстий.

Медь также обладает более высокой электрической проводимостью, чем золото. Проводимость меди в отверстии позволит токам переходить в более глубокие слои без перегрузки печатной платы. Эта характеристика делает микровые отверстия с медной заливкой идеальными для высоковольтных применений и тех, которые требуют прохождения сильных токов между сторонами платы.

Проблемы, связанные с медными слепыми микровыми отверстиями

С изготовлением микровых отверстий связаны определенные проблемы. Эти проблемы иногда приводят к дефектам межслойных соединений (ICD), неисправностям, возникающим рядом с металлизацией и внутренним медным слоем. Эти ICD могут вызывать проблемы с надежностью, разомкнутые цепи, прерывистые проблемы при высоких температурах и сбои цепей. Обнаружить ICD может быть сложно, так как они могут работать корректно при тестировании после этапа изготовления, но затем проявлять проблемы при сборке или эксплуатации. Важно следить за этими дефектами и тщательно изготавливать платы, чтобы избежать их возникновения.

ICD на основе загрязнений

Один из распространенных типов ICD возникает, когда загрязнения попадают в межслойное отверстие соединения и затем встраиваются в внутренний медный слой. Эти загрязнения часто являются результатом процесса сверления отверстий. Лазеры, используемые для сверления микровых отверстий, не создают почти никаких загрязнений по сравнению с другими процессами сверления, поэтому микровые отверстия имеют более низкий риск ICD на основе загрязнений. Все равно важно, чтобы производитель проверял, что все отверстия чисты от всех загрязнений, остатков, размазанных при сверлении материалов, стекловолокна, неорганических наполнителей и других материалов перед их заполнением медью.

По различным типам отверстий ICD на основе загрязнений становятся более распространенными, возможно, потому что больше производителей используют материалы с низким DK/низким DF. Эти материалы наиболее эффективны во многих отношениях, но они часто создают больше загрязнений и более химически устойчивы к очистке, чем другие материалы, такие как стандартные эпоксидные материалы FR-4.

ICD из-за отказа медного соединения

Другой распространенный тип ICD — это отказ медного соединения. Этот тип может возникнуть из-за высокого напряжения при сборке или эксплуатации, слабого медного пояса или комбинации этих двух условий. Когда происходит ICD отказа медного соединения, медное соединение физически отламывается. Чем слабее медное соединение, тем меньше напряжения нужно для его разрыва.

Распространенность ICD отказа медного соединения, кажется, растет, возможно, потому что больше производителей используют более толстые печатные платы и более высокие температуры безоловянной пайки. Более крупные размеры отверстий и волновая пайка также могут увеличить вероятность отказа медных соединений. Отказы медных соединений происходят как на микровых отверстиях, так и на стандартных отверстиях.

Пустоты и надежность

Распространенные проблемы, возникающие в процессе медной металлизации микровых отверстий, включают неполное заполнение, вмятины и пустоты. Эти дефекты могут вызывать проблемы с надежностью. Согласно исследованию исследователей Университета штата Мэриленд, неполное медное заполнение повышает уровень напряжений в микровых отверстиях, уменьшая их усталостную жизнь, то есть количество циклов нагрузки (напряжения), которые образец может выдержать до отказа.

Влияние пустоты на надежность микровых отверстий зависит от характеристик пустоты, таких как ее размер, форма и расположение. Небольшие сферические пустоты, например, слегка увеличивают усталостную жизнь микровых отверстий, в то время как экстремальные условия пустотирования значительно ее сокращают.

Процесс медной заливки для слепых микровых отверстий

После сверления микровых отверстий производитель помещает в них либо чистую медь, либо эпоксидную смолу с медью, чтобы соединить внутренние цепи с поверхностью печатной платы. Эта медь позволяет размещать компоненты или разъемы на поверхности платы и обеспечивает соединение цепи между слоями.

При работе со слепыми микровыми отверстиями заполнение отверстий без добавок обычно приводит к образованию пустот. Производитель всегда наносит медь до закрытия отверстия, но если добавки не используются, внутри отверстия оседает меньше меди, чем на поверхности, и могут образовываться пустоты.

Определенные органические добавки препятствуют осадке на поверхности и помогают увеличить металлизацию внутри слепого микрового отверстия, что приводит к конформному оседанию. Конформная металлизация также увеличивает соотношение сторон слепого микрового отверстия, что ограничивает транспорт раствора и массы в него. Этот процесс иногда приводит к появлению шва в центре микрового отверстия.

Слепой микровой отверстие также можно заполнить медью методом «снизу вверх», который предполагает предпочтительное осаждение меди на контактную площадку. Этот процесс в идеале создаст небольшую вмятину в сочетании с минимальным количеством металлизованной поверхностной меди.

Когда вы заполняете отверстие медью, важно обеспечить ровный слой меди внутри отверстия и не делать внешний слой слишком толстым. Наличие избыточной меди добавляет ненужный вес печатной плате и может привести к избытку меди на дорожках. Эта проблема может затем привести к дефектам, несоответствию спецификациям или увеличению затрат, что еще важнее для микровых отверстий, чем для обычных отверстий, поскольку требования к проектированию жестче.

Важным соображением при заполнении слепых микровых отверстий является выбор между чистой медью или эпоксидной смолой и медью. Использование чистой меди — более традиционный метод, но этот подход может вызывать образование пустот. Загрязнения также могут застрять в меди. Оставление углубления в верхней части заполнения может помочь предотвратить эти проблемы.

Один из подходов к заполнению сквозных отверстий по сути создает два слепых микровых отверстия. Этот процесс включает сначала использование конформной металлизации, а затем переключение на агрессивную импульсную металлизацию, что приводит к созданию X-образной формы в отверстии, образованной двумя медными треугольниками на каждой стенке отверстия. Эта форма образует, по сути, два слепых микровых отверстия, по одному на каждой стороне печатной платы. На следующем этапе вы полностью заполните эти BMV.

Недавние достижения, такие как разработка новых медных электролитов, помогли облегчить заполнение слепых микровых отверстий без дефектов и избыточной меди. Электролиты для заполнения слепых микровых отверстий часто имеют высокую концентрацию меди, низкую концентрацию серной кислоты и ионы хлора. Органические добавки электролита, используемые для управления характеристиками покрытия, обычно включают стартер, уточнитель зерна и выравниватель.

Медные слепые микровые отверстия от Millennium Circuits Limited

Вам нужны печатные платы с медными микровыми отверстиями? Мы можем координировать создание этих печатных плат и гарантировать, что вы получите платы, изготовленные в соответствии с вашими требованиями. Мы также можем поставлять печатные платы с рядом других специализированных характеристик, поверхностных покрытий и базовых материалов. Мы выполним как мелкие, так и крупные заказы с быстрым временем выполнения.

Чтобы узнать больше о слепых отверстиях с медной заливкой и наших возможностях, посетите наш веб-сайт, свяжитесь с нами или запросите коммерческое предложение сегодня.