Stablede kontra forskudte mikroviaer: Designregler og pålidelighed i HDI-printkort (High-Density Interconnect)

I takt med at elektroniske enheder fortsætter deres ubarmhjertige udvikling mod miniaturisering og højere ydeevne, er layoutet på printkort (PCB) blevet stadig mere komplekst. High-Density Interconnect (HDI)-teknologien er grundlaget for moderne elektronik og muliggør placering af komponenter med tæt placering, såsom Ball Grid Arrays (BGA'er) og højt integrerede system-on-chips (SoC'er). Kernen i fremstillingen af HDI-printkort er mikroviaer – laserborede huller med en diameter på typisk 6 mil (150 mikrometer) eller mindre, der forbinder tilstødende eller tætliggende lag. Få mere at vide om M-SAP-teknologi: Opnåelse af linje- og mellemrumsstørrelser på under 25 mikron til næste generations elektronik.

Når der skal laves ledningsføring i flerlags HDI-strukturer, skal ingeniørerne passere gennem flere dielektriske lag for at nå frem til de indre ledningsføringskanaler. Dette kræver, at der anvendes flere mikroviaer i træk. Den strukturelle opbygning af disse på hinanden følgende mikroviaer kan inddeles i to hovedkategorier: stablede mikroviaer og forskudte mikroviaer. Få mere at vide om Keramiske printkort: Keramiske printkort af aluminiumoxid kontra aluminiumnitrid (AlN) til ekstreme temperaturer.

Valget mellem en arkitektur med stablede og forskudte mikroviaer handler ikke blot om, hvad der er nemmest at rute; det er en afgørende teknisk beslutning, der har afgørende betydning for det færdige produkts fremstillbarhed, signalintegritet og termomekaniske pålidelighed på lang sigt. Denne artikel går i dybden med de tekniske forskelle mellem stablede og forskudte mikroviaer og skitserer de designregler, pålidelighedsproblemer og produktionsmæssige overvejelser, der er afgørende for B2B-ingeniørteams, der udvikler missionskritisk hardware. Få mere at vide om Sekventiel laminering: Sådan mestrer du fremstillingsprocessen for HDI-printkort med vilkårligt antal lag.

Forståelse af microvia-arkitekturer i HDI

For at kunne forstå de designmæssige afvejninger er det nødvendigt først at definere de fysiske konfigurationer for begge via-typer i forbindelse med sekventiel laminering, dvs. den proces, hvorved HDI-printkort opbygges lag for lag. Få mere at vide om Indbyggede komponenter: Miniaturisering af IoT-enheder med indbyggede PCB-komponenter.

Stablede mikroviaer

En stablet mikrovia-struktur opstår, når flere laserborede mikroviaer er nøjagtigt placeret oven på hinanden langs Z-aksen og forbinder tre eller flere lag i en lige, lodret linje. For eksempel er en mikrovia, der forbinder lag 1 med lag 2, placeret direkte over en mikrovia, der forbinder lag 2 med lag 3.

Den største fordel ved stablede mikroviaer er pladsbesparelsen. Da de indtager nøjagtig de samme X-Y-koordinater på tværs af flere lag, optager de et absolut minimum af plads på printkortet. Dette gør dem særdeles attraktive til ledningsføring omkring utroligt tætpakkede komponenter, såsom BGA’er med 0,4 mm pitch, hvor der er meget begrænsede muligheder for at føre ledninger uden om. Desuden minimerer en perfekt lodret, stakket struktur, set ud fra et signalintegritetsperspektiv, kapacitive stubbe og giver en direkte vej med lav induktans for højhastighedssignaler.

For at skabe en lagdelt struktur skal den underliggende mikrovia imidlertid være fuldstændigt fyldt med galvaniseret kobber, så der opnås en flad, solid overflade, hvorpå den efterfølgende via kan bores og galvaniseres. Det er netop dette design med solide kobbersøjler, der er kilden til udfordringerne med pålideligheden.

Forskudte mikroviaer

I en forskudt microvia-arkitektur er de microviaer, der forbinder på hinanden følgende lag, fysisk forskudt i forhold til hinanden i X-Y-planet. For eksempel vil mikroviaen fra lag 1 til 2 ende på en capture-pad, og mikroviaen fra lag 2 til 3 vil udgå fra et andet sted på den samme pad i lag 2 (eller et tilknyttet spor) og gå ned til det næste lag.

Denne konfiguration kræver lidt mere plads på printkortet, da kontaktfladerne for de sekventielle viaer ikke overlapper hinanden perfekt. Denne geometriske forskydning ændrer imidlertid i sig selv spændingsfordelingen i printkortet under termiske cyklusser. Da gennemgangshullerne ikke er placeret i en enkelt lodret kolonne, behøver det underliggende gennemgangshul ikke nødvendigvis at være fuldstændigt fyldt med massivt kobber (selvom det ofte er tilfældet af andre procesmæssige årsager), og spændingsvektorerne fordeles sideværts på tværs af grænsefladerne mellem det dielektriske materiale og kobberet i stedet for at være koncentreret på et enkelt punkt på Z-aksen i flerlags-printkortet.

Termomekanisk pålidelighed: Det afgørende konkurrencefortrinselement

Den afgørende forskel mellem stablede og forskudte mikroviaer ligger i deres termomekaniske pålidelighed, især under reflow-loddning med blyfri lodde (hvor temperaturen kan overstige 250 °C) og ved langvarige termiske cyklusser i miljøet.

Printkort er sammensatte strukturer, der består af kobber og dielektriske materialer (som FR4, polyimid eller avancerede højhastighedslaminater). Disse materialer har meget forskellige termiske udvidelseskoefficienter (CTE). Kobber udvider sig med ca. 16–18 ppm/°C, mens standard FR4-dielektrikum udvider sig med 50–70 ppm/°C i Z-aksen (over glasovergangstemperaturen, Tg, udvider det sig endnu mere markant).

Når et HDI-kort udsættes for temperaturudsving, udvider det dielektriske materiale sig betydeligt mere i Z-aksen end kobbergennemgangshullerne. Dette medfører en kraftig belastning i Z-aksen.

I stablede mikroviaer er denne belastning udelukkende koncentreret langs kobbersøjlens eneste lodrette akse. Det svageste led i denne struktur er typisk grænsefladen mellem målpladen og bunden af den pletterede via, ofte benævnt målplade-separationsgrænsefladen. Hvis spændingen overstiger trækstyrken i denne grænseflade mellem det elektropletterede og det kemisk afsatte kobber, vil der dannes en mikrorevne, hvilket fører til en åben kredsløb. IPC (Association Connecting Electronics Industries) har udsendt adskillige advarsler og tillæg, især i IPC-6012E, hvor man fremhæver de iboende pålidelighedsrisici ved stablede mikroviaer, især når der stables tre eller flere lag (f.eks. 3-N-3 HDI-strukturer).

Omvendt afkobler forskudte mikroviaer denne spænding i Z-aksen. Da viaerne er forskudt, kan det dielektriske materiales udvidelse i Z-aksen ikke virke på en enkelt, sammenhængende kobbersøjle. Spændingen ledes væk gennem de mellemliggende opfangningsflader og det omgivende dielektriske materiale. Empiriske data og HATS-test (Highly Accelerated Thermal Shock) viser konsekvent, at konfigurationer med forskudte mikroviaer overlever betydeligt flere termiske cyklusser, før de svigter, sammenlignet med deres stablede modstykker. Til applikationer, der kræver høj pålidelighed – såsom luftfart, ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) i bilindustrien og medicinsk udstyr – foretrækkes forskudte mikroviaer i overvældende grad.

Designregler for stablede mikroviaer

Hvis routingtætheden kræver brug af stablede mikroviaer, skal der overholdes strenge designregler for at mindske risikoen for pålidelighedsproblemer.

• Via fyld: Ved stablede viaer er det absolut nødvendigt at anvende kobberbelægning fra bunden og op for at sikre en hulrumsfri, massiv kobberstruktur. Eventuelle hulrum eller fordybninger i den underliggende via vil medføre belægningsfejl og spændingskoncentrationer i den efterfølgende stablede via.
• Billedformat: Forholdet (mellem den dielektriske tykkelse og diameteren på det borede hul) for hver enkelt mikrovia bør ideelt set holdes under 0,8:1 og helst tættere på 0,5:1. Mindre dybe vias er nemmere at belægge pålideligt og udviser lavere spændingskoncentrationer.
• Begræns stakken: Undgå at stable mere end to mikroviaer (f.eks. L1-L2, L2-L3). Stabling af tre eller flere mikroviaer øger sandsynligheden for, at målpladerne adskilles, eksponentielt.
• Dimensionering af puder og ringformede ringe: Sørg for, at capture- og målpads er robuste. Selvom HDI indebærer små pads, vil en for kraftig formindskelse af målpaden reducere det tilgængelige overfladeareal til den metallurgiske binding og dermed svække via-strukturen.
• Valg af materiale: Anvend dielektriske materialer med høj Tg og lav CTE. At reducere den volumetriske udvidelse i det omgivende harpikssystem er den mest effektive måde at mindske den påførte belastning på kobber-via-strukturen på.

Designregler for forskudte mikroviaer

Ved design med forskudte mikroviaer er det nødvendigt at styre forskydningsgeometrien for at sikre fremstillbarhed og elektrisk ydeevne.

• Mindste forskydning: Den kritiske dimension er afstanden mellem midtpunktet af den øverste via og midtpunktet af den nederste via. En almindelig regel i branchen er, at afstanden skal være mindst lig med mikroviaens diameter plus en sikkerhedsmargen for at forhindre brud.
• Tangent mod adskilt forskydning: Vias kan placeres forskudt, således at deres borede huller er tangentielle (berører hinanden i kanten) eller helt adskilte. Helt adskilte vias (hvor borekanterne ikke overlapper hinanden i Z-aksen) foretrækkes generelt af hensyn til pålideligheden, da tangentielle vias stadig kan medføre lokale spændingskoncentrationer.
• Indvirkning på rutekanaler: Designere skal tage højde for det større samlede fodaftryk, som en forskudt struktur medfører. Dette kræver omhyggelig planlægning af fan-out under tætpakkede BGA’er for at sikre, at de forskudte pads ikke blokerer tilstødende ledningsføringskanaler på de indre lag.
• Parring af lagpar: Ved sekventiel laminering skal bestemte lagpar behandles sammen. Når du designer forskudte gennemføringer, skal du sikre dig, at forskydningsmønsteret stemmer overens med fabrikantens planlagte lamineringscyklusser.

Sådan vælger du den rigtige microvia-struktur (trin-for-trin-vejledning)

Valget mellem stablede og forskudte konfigurationer kræver en systematisk tilgang, hvor man afvejer de elektriske behov i forhold til fremstillbarhed og pålidelighed på lang sigt.

Udfordringer i produktionen og konsekvenser for omkostningerne

Fremstillingsprocesserne for HDI-kort er i sagens natur mere komplekse og dyre end standard flerlags-printkort på grund af den sekventielle laminering. Hver delcyklus omfatter eksponering af de indre lag, ætsning, laminering, laserboring, fjernelse af smuds og galvanisering.

Stablede mikroviaer medfører højere omkostninger, primært på grund af den specialiserede galvaniseringskemikalie og den længere tid, der kræves for at opnå en hulrumsfri kobberfyldning. Bottom-up-galvanisering er en langsommere proces end standard konform galvanisering. Desuden kan laserboret, hvis den øverste via i en stak er let forskudt i forhold til den nederste via, beskadige kanten af den underliggende kobbersøjle, hvilket kan føre til umiddelbare galvaniseringsfejl eller skjulte pålidelighedsfejl.

Forskudte mikroviaer mindsker det strenge krav om en perfekt flad, fuldstændig kobberfyldning (selvom det stadig er standardpraksis i mange avancerede produktionsanlæg). De lempede registreringstolerancer på Z-aksen forbedrer produktionsudbyttet. Da de er mindre tilbøjelige til katastrofale fejl under den termiske belastning ved samling (reflow), er det samlede udbytte for det bestykkede printkort ofte højere, hvilket opvejer den mindre forringelse af pladsudnyttelsen.

Sammenfattende kan det siges, at selvom stablede mikroviaer udgør den ultimative løsning til ekstrem miniaturisering, kræver de nøje overholdelse af designkravene, materialer af højeste kvalitet og fremragende produktionskapaciteter for at kunne modstå termisk belastning. Forskudte mikroviaer udgør en mere robust og fleksibel arkitektur, som bør være det foretrukne valg til B2B-tekniske designs, hvor pålidelighed på lang sigt er af afgørende betydning.

Ofte stillede spørgsmål (FAQ)