Kun elektroniset laitteet pienenevät jatkuvasti ja niiden laskentakapasiteetti kasvaa, piirilevyjen (PCB) suunnittelijat joutuvat jatkuvasti haasteen eteen reitittää erittäin monimutkaisia piirejä yhä ahtaammille alustoille. Yksi merkittävimmistä pullonkauloista nykyaikaisessa tiheäliitäntäisten (HDI) piirilevyjen suunnittelussa on hienovälinen Ball Grid Array (BGA) -liittimien haaroitus ja reititys. Kun BGA-liittimien väli pienenee alle 0,5 mm:n, perinteisillä reititystekniikoilla, kuten tavallisella dog-bone-fanout-menetelmällä, ei yksinkertaisesti ole enää riittävästi fyysistä tilaa.
Tämän tilallisen rajoituksen ratkaisemiseksi ja signaalin eheyden säilyttämiseksi piirilevyinsinöörit turvautuvat edistyneisiin läpivientitekniikoihin. Näistä ratkaisuista tärkein on Via-in-Pad Plated Over (VIPPO). Sijoittamalla läpiviennin suoraan pintaliitosalustan sisään ja pinnoittamalla sen päälle tasaisen, juotettavan pinnan luomiseksi VIPPO mahdollistaa suoran pystysuuntaisen reitityksen. Tässä kattavassa oppaassa tarkastellaan VIPPO-tekniikan rakenteellista toimintaa, verrataan sitä perinteisiin menetelmiin ja annetaan yksityiskohtaisia suunnitteluohjeita VIPPO-tekniikan onnistuneeseen käyttöönottoon tiheäpisteisissä BGA-liitännöissä.
Sisällysluettelo
Tiheäpisteisen BGA-liitännän haasteet
Nykyaikaisissa mikroprosessoreissa, FPGA-piireissä ja nopeissa ASIC-piireissä käytetään usein BGA-koteloita, jotta liitinmäärä voidaan maksimoida mahdollisimman pienellä pinta-alalla. Vaikka 1,0 mm:n ja 0,8 mm:n välin BGA-pakkaukset tarjoavat riittävästi tilaa johtojen reitittämiselle liitoskohtien välillä perinteisiä läpivientireikiä käyttäen, tiheäväliniset BGA-pakkaukset – joiden väli on tyypillisesti 0,5 mm, 0,4 mm tai jopa pienempi – asettavat reititykselle valtavan haasteen. Lisätietoja Kova kullatus: Reunaliittimien ja kytkinkoskettimien suunnittelu äärimmäistä kulutuskestävyyttä varten.
Suurin ongelma liittyy geometrisiin rajoitteisiin. Perinteisessä dog-bone-fanout-ratkaisussa lyhyt johtoreitti yhdistää BGA-liitäntäpisteen viereiseen läpivientiin. Kun liitäntäpisteiden välinen etäisyys pienenee, myös BGA-liitäntäpisteiden välinen välys kutistuu. Lopulta tilaa ei riitä enää läpiviennin sijoittamiseen liitäntäalustojen väliin tai johtimen reitittämiseen niiden välillä ilman, että rikotaan valmistajan suunnittelusääntöjen tarkistuksissa (DRC) määriteltyjä johtimien välisiä tai johtimen ja liitäntäalustan välisiä vähimmäisvälysvaatimuksia.
Lisäksi nopeat digitaaliset suunnittelut vaativat signaalin eheyden tiukkaa hallintaa. Dog-bone-fanout-rakenteen lyhyt johtoreitti aiheuttaa parasiittista induktanssia ja kapasitanssia, jotka voivat heikentää korkeataajuisia signaaleja ja aiheuttaa impedanssin epäjatkuvuuksia. Siksi edistyneissä sovelluksissa tarvitaan ehdottomasti ratkaisu, joka poistaa tämän haaroituksen, minimoi reitityksen tilantarpeen ja tukee tiheästi pakattuja liitäntäarkkitehtuureja. Lisätietoja Konformaalipinnoitus: PCBA:n suojaaminen kosteudelta, pölyltä ja syövyttäviltä ympäristöiltä.
Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) -tekniikan ymmärtäminen
Via-in-Pad Plated Over (VIPPO), jota kutsutaan toisinaan myös nimellä Plated Over Filled Via (POFV), on erikoistunut läpivientireiän valmistusprosessi, jossa läpivientireikä porataan suoraan pintaliitoskomponentille, tyypillisesti BGA:lle, tarkoitetun kuparipadan sisään.
Tavallisessa via-in-pad-prosessissa läpivientireikä jätetään yksinkertaisesti avoimeksi piirilevylevyn sisällä. Vaikka tämä säästää tilaa, se aiheuttaa kriittisen valmistusvirheen kokoonpanovaiheessa: juotteen imeytymisen. Uudelleensulatusjuottamisen aikana avoimen läpivientireiän kapillaarivoima vetää nestemäisen juotteen pois komponenttipadista alas läpivientireiän sisään. Tämä johtaa juotteen puutteeseen liitoksissa, heikkoon mekaaniseen tarttuvuuteen sekä suureen todennäköisyyteen sähköisten katkosten tai epäluotettavien liitäntöjen syntymiselle.
VIPPO ratkaisee tämän ongelman kokonaan monivaiheisen valmistusprosessin avulla:
1. Poraus ja pinnoitus: Via porataan mekaanisesti tai laserilla ja pinnoitetaan kerrosten välisen sähköisen yhteyden muodostamiseksi.
2. Epoksi-täyte: Via-kanava täytetään kokonaan erityisellä epoksihartsilla. Tämä hartsi voi olla joko johtava tai ei-johtava, riippuen suunnittelun lämpö- ja sähkövaatimuksista.
3. Tasoitus: Kun läpivientireikä on täytetty ja kovettunut, pinta tasoitetaan (hiotaan tasaiseksi) ylimääräisen hartsin poistamiseksi.
4. Pinnoitus: Lopuksi täytetyn läpiviennin päälle pinnoitetaan suoraan kuparikerros, jolloin muodostuu täysin tasainen, yhtenäinen ja erittäin hyvin juotettava liitospinta.
Lopputuloksena on liitoskohta, joka näyttää ja toimii kokoonpanoprosessin aikana täsmälleen kuten tavallinen pintaliitoskohta, mutta jossa on suora, pystysuora liitäntä piirilevyn sisäkerroksiin.
VIPPO vs. perinteinen dog-bone-fanout
Vaikka perinteinen ”dog-bone”-tyyppinen haaroitus on kustannustehokas ja sopii komponentteihin, joiden väli on suurempi, sen käyttökelpoisuus heikkenee nopeasti HDI-suunnittelussa. ”Dog-bone”-rakenne vie arvokasta pinta-alaa, mikä rajoittaa niiden ohituskondensaattoreiden tai muiden passiivikomponenttien määrää, jotka voidaan sijoittaa piirilevyn vastakkaiselle puolelle suoraan BGA:n alle.
Sitä vastoin VIPPO yhdistää liitosalustan ja läpiviennin yhdeksi fyysiseksi kokonaisuudeksi. Tämä poistaa tarpeen pintakerroksen haaroitusjohdoille, vapauttaa reitityskapasiteettia ja yksinkertaistaa huomattavasti BGA:n fanout-rakennetta. Lisäksi, koska VIPPO tarjoaa suoran pystysuuntaisen reitin komponenttiliittimestä sisäiseen reitityskerrokseen, se vähentää merkittävästi parasiittista induktanssia. Tämä suora reitti on erittäin edullinen nopeiden signaalien eheyden kannalta ja virranjakeluverkkojen (PDN) impedanssin minimoimiseksi, sillä se mahdollistaa irrotuskondensaattoreiden sijoittamisen suoraan BGA-läpiviennin alle maksimaalisen tehokkuuden saavuttamiseksi.
VIPPO-toteutuksen suunnitteluohjeet
VIPPO:n onnistunut integrointi piirilevysuunnitteluun edellyttää tiettyjen suunnitteluparametrien tarkkaa noudattamista sekä tiivistä yhteistyötä valmistajan kanssa. Seuraavissa ohjeissa esitetään VIPPO:n käyttöönoton kannalta keskeiset vaatimukset.
Kuvasuhde ja porakoot
Kuvasuhde – piirilevyn paksuuden ja poratun reiän halkaisijan suhde – on ratkaiseva tekijä luotettavan läpivientireiän pinnoituksen ja täytön kannalta. Tavallisessa mekaanisessa porauksessa suositellaan yleensä enintään 10:1:n kuvasuhdetta, vaikka 8:1 on turvallisempi vaihtoehto tasaisen kuparipinnoituksen varmistamiseksi läpivientikanavassa. Kun HDI-rakenteissa käytetään laserporattuja mikroliitäntöjä VIPPO-menetelmään, kuvasuhde rajoitetaan tyypillisesti arvoon 1:1 tai 0,8:1.
Tavallisessa 1,6 mm:n (63 mil) paksuisessa piirilevyssä porausreiän vähimmäiskoko ei yleensä saisi olla alle 0,15 mm (6 mil) tai 0,2 mm (8 mil), jotta luotettava kuvasuhde säilyy ja epoksitäyttö onnistuu asianmukaisesti.
Tyynyn koko ja rengasmaisen renkaan vaatimukset
BGA-liitosalustan koko määräytyy komponenttivalmistajan suositusten mukaan, ja se vaihtelee yleensä BGA-pallon halkaisijan 80%–100% välillä. VIPPO-menetelmää käytettäessä on varmistettava, että liitosalusta on riittävän suuri poratun läpiviennin sijoittamiseksi ja että sen ympärille jää riittävän suuri rengasmainen alue. Vähintään 0,1 mm:n (4 milin) suuruinen rengasmainen reuna on alan standardi, jolla otetaan huomioon porauksen poikkeamat ja rekisteröintitoleranssit valmistuksen aikana. Esimerkiksi, jos BGA-liitosalustan koko on 0,4 mm (16 milia), läpivientireiän enimmäiskoko tulisi olla 0,2 mm (8 milia).
Epoksi-täyteaine: johtava vs. johtamaton
Valinta johtavan ja johtamattoman epoksitäytteen välillä aiheuttaa usein sekaannusta. Valtaosassa sovelluksista johtamaton epoksi on suositeltava vaihtoehto. Ei-johtavan epoksin lämpölaajenemiskerroin (CTE) vastaa hyvin ympäröivän FR4-substraatin lämpölaajenemiskerrointa, mikä vähentää läpivientikanavan halkeilun riskiä lämpösyklien aikana. Ei-johtavassa täytetyssä läpivientikanavassa sähkön- ja lämmönjohtavuus perustuu kokonaan läpivientikanavan seinämiin pinnoitettuun kupariin.
Johtavaa epoksia käytetään yleensä vain erityissovelluksissa, joissa tarvitaan äärimmäistä lämmönpoistoa suoraan läpivientikohdan kautta, sillä sen lämpölaajenemiskertoimen ero voi aiheuttaa luotettavuusongelmia ajan mittaan. Lisätietoja Flying Probe vs. ICT: Oikean PCBA-testausstrategian valinta tuotantomäärän mukaan.
VIPPO:n käyttöönotto (vaiheittainen opas)
Noudata näitä suunnittelusääntöjä.
- BGA-pitchin ja reititystiheyden arviointi
Aloita analysoimalla valitsemasi BGA-piirikotelon nastojen väli. Jos väli on 0,5 mm tai alle, VIPPO-tekniikkaa suositellaan vahvasti, ellei sitä jopa vaadita. Arvioi kerrosten lukumäärä ja selvitä, riittääkö tavallinen läpivientirei’illä toteutettu VIPPO vai tarvitaanko VIPPO-tekniikkaa yhdistettyjä pinostettuja mikrorei’iä (HDI) vaaditun reititystiheyden saavuttamiseksi.
- Määritä Via- ja Pad-mitat
Tarkista komponenttien tuoteselosteesta optimaalinen liitosalustan koko. Laske suurin sallittu porauskoko vähentämällä liitosalustan halkaisijasta tarvittava rengasmaisen välyksen leveys (tyypillisesti 0,1 mm kummaltakin puolelta). Varmista, että tämä porauskoko täyttää valmistajan asettamat kuvasuhderajat piirilevyn paksuuden perusteella.
- Valitse sopiva täytemateriaali
Määritä, että läpivientien täytteenä käytetään ei-johtavaa epoksia, ellei ole olemassa äärimmäisiä lämpövaatimuksia, jotka edellyttävät johtavaa täytettä. Kirjaa tämä selkeästi valmistusohjeisiisi, jotta valmistaja ei tee oletuksia.
- Määritä pinnoitus ja pintakäsittely
Ilmoita, että läpiviennit on tasoitettava ja päällystettävä kuparilla. Kuparipinnoituksen jälkeen on määritettävä luotettava pintakäsittely. ENIG-pinnoitetta (Electroless Nickel Immersion Gold) tai ENEPIG-pinnoitetta (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) suositellaan erityisesti tiheäpisteisille BGA-piirilevyille niiden erinomaisen tasaisuuden ja hapettumiskestävyyden vuoksi.
- Suunnittelun tarkistaminen DRC:n ja valmistajan avulla
Päivitä EDA-ohjelmistosi Design Rule Check (DRC) -parametrit siten, että läpiviennit voivat leikkautua pintaliitosalustojen kanssa ilman, että järjestelmä ilmoittaa virheestä. Ennen Gerber-tiedostojen luovuttamista lähetä alustava kerrostusmalli ja läpivientien määritelmät piirilevyn valmistajalle, jotta tämä voi varmistaa, että sen laitteistolla voidaan luotettavasti tuottaa määritellyt VIPPO-mitat IPC-4761 Type VII -standardien mukaisesti.
Siirtyminen VIPPO-reititysstrategiaan edellyttää järjestelmällistä lähestymistapaa, jolla varmistetaan valmistettavuus ja luotettavuus. Lisätietoja Burn-in-levyt (BIB): Korkean lämpötilan burn-in-levyjen suunnittelu puolijohdetestausta varten.
Luotettavuus ja valmistukseen liittyvät seikat
Vaikka VIPPO ratkaisee monimutkaisia reititysongelmia, se tuo valmistusprosessiin uusia muuttujia. Suurin huolenaihe on lämpöluotettavuus. Koska läpivientikohdassa on materiaaleja, joiden lämpölaajenemiskertoimet (CTE) ovat erilaiset (kupari, epoksitäyte ja FR4-substraatti), toistuvat lämpösyklit käytön tai uudelleenjuottamisen aikana voivat aiheuttaa jännitystä läpivientikohdan runkoon ja pinnoitettuun korkkiin. Ajan myötä tämä rasitus voi aiheuttaa mikrohalkeamia kuparipinnoitteessa tai kuparipinnoitteen irtoamisen läpiviennistä, mikä johtaa ajoittaisiin vikoihin.
Näiden riskien minimoimiseksi valmistajien on hallittava tasoitusprosessia tarkasti. Jos epoksi ei ole täysin tasassa kuparilevyn kanssa ennen lopullista pinnoitusta, levyn pinnalle muodostuu ”kuoppa” tai ”kohouma”. Kuoppa voi kerätä juotosainetta ja kaasunpoistoa reflow-prosessin aikana, mikä aiheuttaa juotosonteloita BGA-liitoksessa. Kohouma voi aiheuttaa BGA:n epätasaisen istuvuuden, mikä johtaa vierekkäisten nastojen oikosulkuun. IPC-4761-standardi määrittelee läpivientisuojauksen suunnittelun ja luokittelun. Todellisen VIPPO-suojauksen saavuttamiseksi valmistusohjeissa on ehdottomasti määritettävä IPC-4761-tyyppi VII (täytetty ja peitetty).
Päätelmä
Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) on välttämätön tekniikka nykyaikaisille piirilevyinsinööreille, jotka työskentelevät suuripinisten, tiheäpiikkisten BGA-komponenttien parissa. Poistamalla tilaa vievien dog-bone-fanout-ratkaisujen tarpeen VIPPO maksimoi reitityskanavien määrän, parantaa signaalin eheyttä ja optimoi virranjakeluverkostoja. Vaikka tekniikka edellyttää tiukkojen suunnittelusääntöjen noudattamista ja lisää valmistuksen monimutkaisuutta ja kustannuksia, sen tuomat edut miniatyrisoinnissa ja suorituskyvyssä tekevät siitä välttämättömän tekniikan tiheästi kytketyissä piirilevyissä.
Usein kysytyt kysymykset (FAQ)
Kyllä. VIPPO-prosessiin kuuluu useita ylimääräisiä valmistusvaiheita verrattuna tavallisiin läpivienteihin, kuten täyttö, kovettaminen, tasoitus ja toinen pinnoitusvaihe. Tämä nostaa tyypillisesti paljaan piirilevyn valmistuskustannuksia 15%–30%, valmistajasta ja piirilevyn monimutkaisuudesta riippuen.
BGA-liitosalueiden osalta tätä ei suositella lainkaan. Jos läpivientireikä jätetään auki liitosalueen sisällä, seurauksena on juotteen imeytyminen kokoonpanon aikana, jolloin BGA-liitokselle tarkoitettu juote valuu alas läpivientireikään. Tämä johtaa poikkeuksetta heikkoihin, epäluotettaviin tai kokonaan katkenneisiin liitoksiin. Tämän ilmiön estämiseksi tarvitaan VIPPO-tekniikkaa.
Useimmissa vakio- ja HDI-suunnitteluissa suositellaan ehdottomasti käyttämään ei-johtavaa epoksia. Se sopii paremmin piirilevyn substraatin lämpölaajenemisominaisuuksiin kuin johtava epoksi, mikä vähentää läpivientien halkeilun riskiä lämpösykleiden aikana. Läpivientien seinämien kuparipinnoitus takaa riittävän sähkön- ja lämmönjohtavuuden.
ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ja ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) ovat suositeltavia pintakäsittelymenetelmiä. Ne tuottavat poikkeuksellisen tasaisen ja yhtenäisen pinnan, mikä on ratkaisevan tärkeää tiheäasenteisten BGA-komponenttien luotettavalle kiinnittymiselle ja juottamiselle.
Ei, vaikka niitä käytetäänkin usein yhdessä HDI-suunnittelussa. Mikrovia määritellään sen pienen koon (tyypillisesti halkaisija <= 0,15 mm) ja pienen pituus-leveys-suhteen perusteella, ja se ulottuu yleensä vain yhden dielektrisen kerroksen läpi. VIPPO on prosessi, jota sovelletaan läpivientiin (joka voi olla mikrovia tai tavallinen läpivienti), jossa se täytetään ja pinnoitetaan tasaisen liitospinnan muodostamiseksi.