Pino- ja porrastetut mikroliitännät: Suunnittelusäännöt ja luotettavuus korkeatiheyksisissä liitäntäpiirilevyissä (HDI)

Sähkölaitteiden kehittyessä vääjäämättä kohti yhä pienempiä kokoja ja parempaa suorituskykyä piirilevyjen (PCB) rakenteet ovat muuttuneet yhä monimutkaisemmiksi. High-Density Interconnect (HDI) -tekniikka on modernin elektroniikan perusta, joka mahdollistaa tiheästi sijoitettujen komponenttien, kuten Ball Grid Array (BGA) -piirien ja erittäin integroitujen järjestelmäpiirien (SoC), reitityksen. HDI-piirilevyjen valmistuksen ytimessä ovat mikroviat – laserilla poratut reiät, joiden halkaisija on tyypillisesti 6 milia (150 mikrometriä) tai vähemmän ja jotka yhdistävät vierekkäisiä tai lähekkäin sijaitsevia kerroksia. Lisätietoja M-SAP-tekniikka: Alle 25 mikronin viiva- ja väli-etäisyyden saavuttaminen seuraavan sukupolven elektroniikassa.

Monikerroksisia HDI-rakenteita reititettäessä insinöörien on läpäistävä useita dielektrisiä kerroksia päästäkseen sisäisiin reitityskanaviin. Tämä edellyttää useiden peräkkäisten mikroliitäntöjen käyttöä. Näiden peräkkäisten mikroliitäntöjen rakenteellinen järjestely voidaan jakaa kahteen pääryhmään: pinotut mikroliitännät ja porrastetut mikroliitännät. Lisätietoja Keraamiset piirilevyt: alumiinioksidi vs. alumiinitridi (AlN) – keraamiset piirilevyt äärimmäisiin lämpötiloihin.

Valinta pinotun ja porrastetun mikrovia-arkkitehtuurin välillä ei ole pelkästään reitityksen helppouden kysymys, vaan se on kriittinen tekninen päätös, joka määrää lopputuotteen valmistettavuuden, signaalin eheyden ja pitkän aikavälin termomekaanisen luotettavuuden. Tässä artikkelissa syvennytään pinottujen ja porrastettujen mikroreikien teknisiin eroihin ja esitetään suunnittelusäännöt, luotettavuusnäkökohdat sekä valmistukseen liittyvät seikat, jotka ovat olennaisia kriittistä laitteistoa kehittäville B2B-suunnittelutiimeille. Lisätietoja Peräkkäinen laminointi: minkä tahansa kerroksisen HDI-piirilevyn valmistusprosessin hallinta.

HDI-piirilevyjen mikrovia-rakenteiden ymmärtäminen

Jotta suunnittelussa tehtyjä kompromisseja voidaan ymmärtää, on ensin määriteltävä molempien via-tyyppien fyysiset kokoonpanot peräkkäisen laminoinnin yhteydessä – eli prosessissa, jossa HDI-piirilevyt rakennetaan kerros kerrokselta. Lisätietoja Sulautetut komponentit: IoT-laitteiden miniatyrisointi sulautettujen piirilevykomponenttien avulla.

Pinoitetut mikroliitännät

Pino-mikrovia-rakenne syntyy, kun useita laserilla porattuja mikrovioita on kohdistettu tarkasti päällekkäin Z-akselin suuntaisesti, jolloin ne yhdistävät kolme tai useampia kerroksia suoralla pystysuuntaisella reitillä. Esimerkiksi kerroksen 1 ja kerroksen 2 välinen mikrovia on sijoitettu suoraan kerroksen 2 ja kerroksen 3 välisen mikrovian yläpuolelle.

Pinoitettujen mikroliitäntöjen suurin etu on tilankäytön tehokkuus. Koska ne sijaitsevat täsmälleen samoilla X-Y-koordinaateilla useiden kerrosten läpi, ne vievät piirilevystä mahdollisimman vähän tilaa. Tämä tekee niistä erittäin houkuttelevia reitityksessä erittäin tiheästi sijoitettujen komponenttien, kuten 0,4 mm:n välin BGA-komponenttien, yhteydessä, joissa reitityksen poistokanavat ovat erittäin rajoitettuja. Lisäksi signaalin eheyden kannalta täysin pystysuora, pinottu rakenne minimoi kapasitiiviset haaroitukset ja tarjoaa suoran, matalan induktanssin reitin nopeille signaaleille.

Pino-rakenteen luomiseksi alla oleva mikrovia on kuitenkin täytettävä kokonaan galvanoidulla kuparilla, jotta saadaan tasainen ja kiinteä pinta, johon seuraava via voidaan porata ja galvanoida. Juuri tämä kiinteän kuparipilarin rakenne aiheuttaa luotettavuusongelmia.

Porrastetut mikroreiät

Porrastetussa mikrovia-arkkitehtuurissa peräkkäisiä kerroksia yhdistävät mikroviat ovat fyysisesti siirtyneet toisistaan X-Y-tasossa. Esimerkiksi kerroksesta 1 kerrokseen 2 johtava mikrovia päätyy kiinnitysalustalle, ja kerroksesta 2 kerrokseen 3 johtava mikrovia lähtee samalta kerroksen 2 alustalta (tai siihen liitetystä johtimesta) eri kohdasta ja laskeutuu seuraavalle kerrokselle.

Tämä kokoonpano vaatii hieman enemmän piirilevyä, koska peräkkäisten läpivientien kiinnityspisteet eivät ole täydellisesti päällekkäin. Tämä geometrinen siirtymä kuitenkin muuttaa luonnostaan jännitysjakaumaa piirilevyssä lämpösyklien aikana. Koska läpiviennit eivät sijaitse yhdessä pystysuorassa sarakkeessa, alla olevan läpiviennin ei välttämättä tarvitse olla kokonaan kiinteästi kuparilla täytetty (vaikka se usein onkin muista prosessisyistä), ja jännitysvektorit jakautuvat sivusuunnassa dielektrisen materiaalin ja kuparin rajapintojen yli sen sijaan, että ne keskittyisivät yhteen monikerroksiseen Z-akselin pisteeseen.

Termomekaaninen luotettavuus: Keskeinen erottava tekijä

Pinoitettujen ja porrastettujen mikroreikien ratkaiseva ero liittyy niiden termomekaaniseen luotettavuuteen, erityisesti lyijyttömän juotoksen uudelleenjuotosprosessien aikana (joissa lämpötila voi nousta yli 250 °C:een) sekä pitkäkestoisissa ympäristön lämpösykleistä.

Piirilevyt ovat komposiittirakenteita, jotka koostuvat kuparista ja dielektrisistä materiaaleista (kuten FR4, polyimidi tai edistykselliset suurinopeuslaminaatit). Näillä materiaaleilla on huomattavasti erilaiset lämpölaajenemiskertoimet (CTE). Kupari laajenee noin 16–18 ppm/°C, kun taas tavallinen FR4-dielektrinen materiaali laajenee 50–70 ppm/°C Z-akselilla (lasittumislämpötilan, Tg, yläpuolella laajeneminen on vielä voimakkaampaa).

Kun HDI-levy altistuu lämpötilan vaihtelulle, dielektrinen materiaali laajenee Z-akselilla huomattavasti enemmän kuin kupariset läpiviennit. Tämä aiheuttaa voimakasta Z-akselin suuntaista venymää.

Pinoissa olevissa mikroliitoksissa tämä jännitys keskittyy kokonaan kuparipilarin ainoalle pystysuoralle akselille. Tämän rakenteen heikoin lenkki on tyypillisesti kohdepadin ja galvanoidun läpiviennin pohjan välinen rajapinta, jota kutsutaan usein kohdepadin erotusrajapinnaksi. Jos jännitys ylittää tämän galvanoidun/kemiallisesti pinnoitetun kuparirajapinnan vetolujuuden, muodostuu mikrohalkeama, joka johtaa avoimeen piiriin. IPC (Association Connecting Electronics Industries) on julkaissut lukuisia varoituksia ja lisäyksiä, erityisesti standardissa IPC-6012E, joissa korostetaan pinottujen mikroaukkojen luontaisia luotettavuusriskejä, etenkin kun pinotaan kolme tai useampia kerroksia (esim. 3-N-3 HDI-rakenteet).

Sitä vastoin porrastetut mikroliitännät eristävät tämän Z-akselin jännityksen. Koska liitännät ovat porrastettuja, dielektrisen materiaalin Z-akselin suuntainen laajeneminen ei voi kohdistua yhteen ainoaan, yhtenäiseen kuparipylvääseen. Jännitys hajoaa välissä olevien kiinnityspisteiden ja ympäröivän dielektrisen materiaalin kautta. Kokemukselliset tiedot ja erittäin kiihdytetyt lämpöshokkitestit (HATS) osoittavat johdonmukaisesti, että porrastetut mikroliitäntäkonfiguraatiot kestävät huomattavasti enemmän lämpösyklejä ennen vikaantumista verrattuna päällekkäisiin vastineisiinsa. Erittäin luotettavuutta vaativissa sovelluksissa – kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, autoteollisuuden ADAS-järjestelmissä (Advanced Driver Assistance Systems) sekä lääkinnällisissä laitteissa – porrastetut mikroliitännät ovat ylivoimaisesti suosituimpia.

Pinoitettujen mikroliitäntöjen suunnittelusäännöt

Jos reititystiheys edellyttää pinottujen mikroliitäntöjen käyttöä, on noudatettava tiukkoja suunnittelusääntöjä luotettavuusriskien minimoimiseksi.

• Täytteen kautta: Pinoissa olevissa läpivienneissä on ehdottomasti käytettävä alhaalta ylöspäin suuntautuvaa kuparipinnoitusta, jotta varmistetaan, että kuparirakenne on tiivis ja ilman onteloita. Alla olevassa läpiviennissä olevat ontelot tai kuopat aiheuttavat pinnoitusvirheitä ja jännityskeskittymiä seuraavassa pino-läpiviennissä.
• Kuvasuhde: Kunkin yksittäisen mikroliitännän kuvasuhde (dielektrisen kerroksen paksuus suhteessa poratun reiän halkaisijaan) tulisi ihannetapauksessa pitää alle 0,8:1 ja mieluiten lähempänä 0,5:1. Matalammat liitännät on helpompi pinnoittaa luotettavasti, ja niissä esiintyy vähemmän jännityskeskittymiä.
• Pinojen rajoittaminen: Vältä pinoamasta yli kahta mikroviaa päällekkäin (esim. L1–L2, L2–L3). Kolmen tai useamman mikrovian pinoaminen lisää kohdepisteiden irtoamisen todennäköisyyttä eksponentiaalisesti.
• Tyynyn ja rengasmaisen renkaan mitoitus: Pidä kiinnitys- ja kohdepinnat riittävän suurina. Vaikka HDI edellyttää pieniä pintoja, kohdepinnan liian voimakas pienentäminen vähentää metallisidoksen muodostumiseen käytettävissä olevaa pinta-alaa ja heikentää läpivientirakennetta.
• Materiaalin valinta: Käytä dielektrisiä materiaaleja, joilla on korkea Tg-arvo ja alhainen CTE-arvo. Ympäröivän hartsijärjestelmän tilavuuslaajenemisen vähentäminen on tehokkain tapa pienentää kuparisen läpivientirakenteeseen kohdistuvaa rasitusta.

Porrastettujen mikroliitäntöjen suunnittelusäännöt

Porrastettujen mikroliitäntöjen suunnittelussa on otettava huomioon siirtymägeometria, jotta valmistettavuus ja sähköinen suorituskyky voidaan varmistaa.

• Pienin porrastusväli: Ratkaiseva mitta on ylemmän läpiviennin keskipisteen ja alemman läpiviennin keskipisteen välinen etäisyys. Alan vakiintuneen säännön mukaan etäisyyden tulisi olla vähintään yhtä suuri kuin mikroläpiviennin halkaisija, johon lisätään varmuusmarginaali murtumisen estämiseksi.
• Tangentti vs. erillinen porrastus: Viat voidaan sijoittaa limittäin siten, että niiden poratut reiät ovat tangentiaalisia (koskettavat toisiaan reunasta) tai täysin erillisiä. Luotettavuuden vuoksi suositaan yleensä täysin erillisiä viat (joissa porausreunat eivät mene päällekkäin Z-akselilla), sillä tangentiaalisissa viatissa voi silti esiintyä paikallisia jännityskeskittymiä.
• Reitity kanavan vaikutus: Suunnittelijoiden on otettava huomioon porrastetun rakenteen suurempi kokonaispinta-ala. Tämä edellyttää huolellista fan-out-suunnittelua tiheiden BGA-piirien alla, jotta porrastetut liitosalustat eivät tukkisi viereisiä reitityskäytäviä sisäkerroksissa.
• Kerrosten paritus: Peräkkäisessä laminoinnissa tietyt kerrosparit on käsiteltävä yhdessä. Suunnitellessasi porrastettuja läpivientejä varmista, että porrastuskuvio on yhdenmukainen valmistajan suunnittelemien laminointisyklien kanssa.

Kuinka valita oikea mikrovia-rakenne (vaiheittainen opas)

Pino- ja porrastetun kokoonpanon välillä valitseminen edellyttää järjestelmällistä lähestymistapaa, jossa sähköiset vaatimukset tasapainotetaan valmistettavuuden ja pitkän aikavälin luotettavuuden kanssa.

Valmistukseen liittyvät haasteet ja kustannusvaikutukset

HDI-levyjen valmistusprosessit ovat luonteeltaan monimutkaisempia ja kalliimpia kuin tavallisten monikerroksisten piirilevyjen, mikä johtuu peräkkäisestä laminoinnista. Jokainen osakokoonpanovaihe edellyttää sisäkerrosten valotusta, syövytystä, laminointia, laserporaus, desmear-käsittelyä ja pinnoitusta.

Pino-mikroliitännät nostavat kustannuksia pääasiassa erityisten pinnoituskemikaalien ja tyhjyydettömän kuparitäytön vaatiman pidemmän ajan vuoksi. Alhaalta ylöspäin tapahtuva pinnoitus on hitaampi prosessi kuin tavanomainen konformaalinen pinnoitus. Lisäksi, jos pinon ylin läpivienti on hieman väärässä kohdassa alemman läpiviennin suhteen, laserporaus voi vahingoittaa alla olevan kuparipilarin reunaa, mikä johtaa välittömiin pinnoitusvirheisiin tai piileviin luotettavuusvirheisiin.

Porrastetut mikroreiät lieventävät tiukkaa vaatimusta täysin tasaisesta ja yhtenäisestä kuparitäytöstä (vaikka se onkin edelleen vakiintunut käytäntö monissa huipputason tuotantolaitoksissa). Z-akselin rekisteröintitoleranssien lieventäminen parantaa valmistustuottoa. Koska ne ovat vähemmän alttiita katastrofaalisille vikoille kokoonpanon lämpörasituksen (reflow) aikana, asennetun piirilevyn kokonaistuotto on usein korkeampi, mikä kompensoi pienen jalanjäljen kasvun.

Yhteenvetona voidaan todeta, että vaikka päällekkäiset mikroreiät tarjoavat parhaan mahdollisen ratkaisun äärimmäiseen miniatyrisointiin, ne vaativat suunnittelun tarkkaa noudattamista, korkealaatuisia materiaaleja ja huipputason valmistusosaamista, jotta ne kestävät lämpörasitusta. Porrastetut mikroreiät muodostavat vankemman ja virheitä paremmin sietävän rakenteen, jonka tulisi olla ensisijainen valinta B2B-tekniikan suunnittelussa, jossa pitkäaikainen luotettavuus on ensiarvoisen tärkeää.

Usein kysytyt kysymykset (FAQ)