Микропроходные отверстия с вертикальным и шахматным расположением: правила проектирования и надежность печатных плат с высокой плотностью соединений (HDI)

По мере того как электронные устройства неуклонно развиваются в направлении миниатюризации и повышения производительности, схемы печатных плат (PCB) становятся всё более сложными. Технология высокоплотных соединений (HDI) является основой современной электроники, позволяя размещать компоненты с мелким шагом, такие как матрицы с шариковыми контактами (BGA), и высокоинтегрированные системы на кристалле (SoC). Основой изготовления печатных плат HDI являются микросквозные отверстия — просверленные лазером отверстия диаметром, как правило, 6 мил (150 микрометров) или менее, которые соединяют соседние или расположенные на небольшом расстоянии друг от друга слои. Узнайте больше о Технология M-SAP: достижение размера линии/промежутка менее 25 микрон для электроники следующего поколения.

При прокладке трасс в многослойных HDI-структурах инженерам приходится проходить через несколько диэлектрических слоев, чтобы добраться до внутренних каналов трассировки. Это требует последовательного использования нескольких микропереходов. Структурное расположение этих последовательных микропереходов подразделяется на две основные категории: многослойные микропереходы и микропереходы со смещением. Узнайте больше о Керамические печатные платы: керамические печатные платы из оксида алюминия и нитрида алюминия (AlN) для работы в условиях экстремальной температуры.

Выбор между архитектурой микропроходов с вертикальным расположением и с чередующимся расположением — это не просто вопрос удобства трассировки; это критически важное инженерное решение, от которого зависят технологичность производства, целостность сигнала и долгосрочная термомеханическая надежность конечного продукта. В данной статье подробно рассматриваются технические различия между микроотверстиями в слоистой и ступенчатой архитектуре, а также излагаются правила проектирования, вопросы надежности и производственные аспекты, имеющие важное значение для инженерных команд в сфере B2B, занимающихся разработкой критически важного оборудования. Узнайте больше о Последовательное ламинирование: освоение технологического процесса изготовления печатных плат HDI с произвольным расположением слоев.

Понимание архитектуры микропроходов в HDI

Чтобы понять компромиссы, связанные с проектированием, необходимо сначала определить физические конфигурации обоих типов переходных отверстий в контексте последовательного ламинирования — процесса, при котором печатные платы HDI создаются слой за слоем. Узнайте больше о Встроенные компоненты: миниатюризация устройств Интернета вещей с помощью встроенных компонентов печатных плат.

Многоуровневые микровиа

Многослойная структура микропроходов возникает, когда несколько микропроходов, просверленных лазером, точно совмещаются друг над другом вдоль оси Z, соединяя три или более слоев по прямой вертикальной линии. Например, микропроход, соединяющий слой 1 со слоем 2, располагается непосредственно над микропроходом, соединяющим слой 2 со слоем 3.

Основным преимуществом многослойных микропроходов является экономия места. Поскольку они занимают точно одинаковые координаты X-Y на нескольких слоях, они занимают минимально возможную площадь печатной платы. Это делает их чрезвычайно привлекательными для прокладки трасс в условиях невероятно плотного размещения компонентов, таких как BGA с шагом 0,4 мм, где пространство для прокладки обходных трасс строго ограничено. Кроме того, с точки зрения целостности сигнала идеально вертикальная многослойная структура сводит к минимуму емкостные отводы и обеспечивает прямой путь с низкой индуктивностью для высокоскоростных сигналов.

Однако для создания многослойной структуры нижняя микропереходная отверстие должно быть полностью заполнено гальванической медью, чтобы обеспечить ровную и прочную плоскую поверхность, на которой будет просверлено и покрыто гальваническим способом последующее переходное отверстие. Именно в конструкции с использованием таких сплошных медных столбиков и кроются проблемы, связанные с надежностью.

Смещенные микропроходные отверстия

В архитектуре со смещенными микроотверстиями микроотверстия, соединяющие последовательные слои, физически смещены друг относительно друга в плоскости X-Y. Например, микропроход из слоя 1 в слой 2 будет заканчиваться на контактной площадке, а микропроход из слоя 2 в слой 3 будет начинаться в другом месте на той же площадке слоя 2 (или на соединенной трассе) и спускаться на следующий слой.

Такая конфигурация требует немного большего пространства на плате, поскольку контактные площадки для последовательных переходных отверстий не перекрываются идеально. Однако такое геометрическое смещение само по себе изменяет распределение напряжений внутри печатной платы во время термоциклирования. Поскольку переходные отверстия не расположены в одной вертикальной колонке, нижнее переходное отверстие не обязательно должно быть полностью заполнено сплошной медью (хотя часто это делается по другим технологическим причинам), и векторы напряжений распределяются в поперечном направлении по границам раздела диэлектрика и меди, а не концентрируются в одной точке на оси Z, проходящей через несколько слоев.

Термомеханическая надежность: ключевой фактор конкурентного преимущества

Основное отличие между микропроходами, расположенными в стопке и в шахматном порядке, заключается в их термомеханической надежности, особенно при применении профилей рефлоу-пайки бессвинцовым припоем (температура которых может превышать 250 °C) и при длительных термоциклических испытаниях в условиях окружающей среды.

Печатные платы представляют собой композитные конструкции, состоящие из меди и диэлектрических материалов (таких как FR4, полиимид или современные высокоскоростные ламинаты). Эти материалы обладают значительно различающимися коэффициентами теплового расширения (CTE). Медь расширяется со скоростью примерно 16–18 ppm/°C, тогда как стандартный диэлектрик FR4 расширяется со скоростью 50–70 ppm/°C по оси Z (при температуре выше температуры стеклования, Tg, его расширение происходит ещё более интенсивно).

Когда печатная плата HDI подвергается перепадам температуры, диэлектрический материал расширяется по оси Z значительно сильнее, чем медные переходные отверстия. Это приводит к сильной деформации по оси Z.

В многоярусных микропереходных отверстиях эта деформация полностью сосредоточена вдоль единственной вертикальной оси медного столбика. Самым слабым звеном в этой конструкции, как правило, является граница раздела между контактной площадкой и дном гальванического перехода, которую часто называют границей раздела с контактной площадкой. Если напряжение превышает предел прочности на растяжение этой границы раздела между гальванической и безгальванической медью, образуется микротрещина, приводящая к разрыву цепи. IPC (Ассоциация предприятий электронной промышленности) выпустила множество предупреждений и дополнений, в частности в стандарте IPC-6012E, в которых подчеркиваются риски для надежности, присущие многослойным микропереходным отверстиям, особенно при наслоении трех и более слоев (например, в структурах 3-N-3 HDI).

Напротив, микропроходные отверстия со смещением позволяют разгрузить это напряжение по оси Z. Поскольку отверстия смещены, расширение диэлектрического материала по оси Z не может воздействовать на единый непрерывный медный столбик. Напряжение рассеивается через промежуточные контактные площадки и окружающий диэлектрик. Эмпирические данные и испытания на высокоускоренный термический шок (HATS) последовательно демонстрируют, что конфигурации с микропереходными отверстиями, расположенными в шахматном порядке, выдерживают значительно большее количество термических циклов до выхода из строя по сравнению с их аналогами, расположенными в стопке. Для применений, требующих высокой надёжности, — таких как аэрокосмическая отрасль, автомобильные системы помощи водителю (ADAS) и медицинское оборудование — микропереходные отверстия, расположенные в шахматном порядке, пользуются подавляющим предпочтением.

Правила проектирования многоуровневых микропереходов

Если плотность трассировки требует использования многоуровневых микропереходов, необходимо соблюдать строгие правила проектирования для снижения рисков, связанных с надежностью.

• Через заполнение: При изготовлении многослойных переходных отверстий необходимо обязательно использовать метод гальванического омеднения «снизу вверх», чтобы обеспечить создание сплошной медной структуры без пустот. Любые пустоты или вмятины в нижнем переходном отверстии приведут к дефектам гальванического покрытия и концентрации напряжений в последующем многослойном переходном отверстии.
• Соотношение сторон: Соотношение сторон (отношение толщины диэлектрика к диаметру просверленного отверстия) для каждой отдельной микропереходной отверстия в идеале должно быть не выше 0,8:1, а лучше — ближе к 0,5:1. В отверстиях меньшей глубины легче обеспечить надежное нанесение покрытия, кроме того, в них наблюдаются меньшие концентрации напряжений.
• Ограничить стек: Следует избегать наложения более двух микропроходов (например, L1-L2, L2-L3). Наложение трёх или более микропроходов экспоненциально увеличивает вероятность отрыва контактной площадки.
• Определение размеров прокладки и кольцевого уплотнителя: Следует обеспечивать достаточный размер контактных площадок и целевых площадок. Хотя технология HDI предполагает использование небольших площадок, слишком резкое уменьшение размера целевой площадки приводит к сокращению площади поверхности, доступной для металлургической связи, что ослабляет конструкцию переходного отверстия.
• Выбор материала: Используйте диэлектрические материалы с высокой температурой стеклования (Tg) и низким коэффициентом теплового расширения (CTE). Снижение объёмного расширения окружающей смоляной системы является наиболее эффективным способом уменьшения напряжений, действующих на межконтактную структуру из меди.

Правила проектирования микропереходов с чередующимся расположением

При проектировании с использованием микропереходов со смещением необходимо учитывать геометрию смещения, чтобы обеспечить технологичность изготовления и электрические характеристики.

• Минимальное смещение шага: Критическим размером является расстояние между центральной точкой верхней переходной отверстия и центральной точкой нижней переходной отверстия. Согласно стандартному отраслевому правилу, смещение должно быть не меньше диаметра микроотверстия плюс запас прочности, необходимый для предотвращения разрыва.
• Тангенциальное расположение против разнесенного шахматного расположения: Переходные отверстия могут располагаться в шахматном порядке таким образом, что их просверленные отверстия касаются друг друга (соприкасаются по краю) или полностью разделены. По соображениям надежности обычно предпочтительны полностью разделенные переходные отверстия (когда края просверленных отверстий не пересекаются по оси Z), поскольку у касающихся друг друга переходных отверстий все же может возникать локальная концентрация напряжений.
• Влияние маршрутизационного канала: Разработчики должны учитывать увеличенную суммарную площадь размещения в конструкции со смещенными контактными площадками. Это требует тщательного планирования распределения выводов под плотно расположенными BGA, чтобы смещенные контактные площадки не перекрывали соседние каналы трассировки на внутренних слоях.
• Сопоставление пар слоев: Последовательное ламинирование предполагает совместную обработку определенных пар слоев. При проектировании перекрывающихся переходных отверстий необходимо убедиться, что схема их расположения соответствует запланированным циклам ламинирования, предусмотренным производителем.

Как выбрать подходящую структуру микропроходов (пошаговое руководство)

Выбор между конфигурациями «в стопку» и «в шахматном порядке» требует системного подхода, позволяющего сбалансировать электрические требования с технологичностью производства и долгосрочной надежностью.

Проблемы производства и их влияние на затраты

Технологические процессы изготовления плат HDI по своей сути являются более сложными и дорогостоящими, чем в случае стандартных многослойных печатных плат, что обусловлено последовательным ламинированием. Каждый цикл сборки подкомпонентов включает в себя экспонирование внутренних слоев, травление, ламинирование, лазерное сверление, удаление остатков фоторезиста и гальваническое покрытие.

Многоуровневые микропереходные отверстия приводят к увеличению стоимости в первую очередь из-за необходимости использования специальных химических составов для гальванического покрытия и увеличения времени, требуемого для заполнения медью без образования пустот. Гальваническое покрытие по принципу «снизу вверх» — это более медленный процесс по сравнению со стандартным конформным гальваническим покрытием. Кроме того, если верхняя переходная отверстие в стопке слегка смещено по отношению к нижней, лазерное сверло может повредить край расположенного ниже медного столбика, что приведет к немедленным сбоям в процессе гальванического покрытия или к скрытым дефектам надежности.

Смещенные микропереходные отверстия позволяют ослабить строгие требования к идеально ровному и сплошному заполнению медью (хотя на многих высокотехнологичных производственных предприятиях это по-прежнему является стандартной практикой). Более мягкие допуски по регистрации по оси Z повышают выход готовой продукции. Поскольку такие микропроходные отверстия менее подвержены катастрофическим отказам при термических нагрузках в процессе сборки (рефлоу), общий выход готовой укомплектованной платы зачастую оказывается выше, что компенсирует незначительное увеличение занимаемой площади.

В заключение следует отметить, что, хотя многослойные микропроходные отверстия представляют собой оптимальное решение для экстремальной миниатюризации, они требуют строгого соблюдения проектных требований, использования материалов высшего качества и передовых технологий производства, чтобы выдерживать термические нагрузки. Ступенчатые микропроходные отверстия представляют собой более надежную и устойчивую к отклонениям архитектуру, которая должна стать предпочтительным выбором для инженерных проектов в сфере B2B, где первостепенное значение имеет долгосрочная надежность.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)