Staplade kontra förskjutna mikrovias: Konstruktionsregler och tillförlitlighet i kretskort med högdensitetsförbindelser (HDI)

I takt med att elektroniska enheter fortsätter sin obevekliga utveckling mot miniatyrisering och högre prestanda har kretskortslayouterna (PCB) blivit allt mer komplexa. HDI-tekniken (High-Density Interconnect) utgör grunden för modern elektronik och möjliggör placering av komponenter med fin delning, såsom BGA:er (Ball Grid Arrays) och högintegrerade SoC:er (System-on-Chip). Kärnan i tillverkningen av HDI-kretskort är mikrovias – laserborrade hål med en diameter på vanligtvis 6 mil (150 mikrometer) eller mindre som förbinder intilliggande eller tätt placerade lager. Lär dig mer om M-SAP-teknik: Att uppnå linje- och mellanrum på under 25 mikron för nästa generations elektronik.

Vid ledningsdragning i flerskiktade HDI-strukturer måste ingenjörerna passera genom flera dielektriska skikt för att nå de inre ledningskanalerna. Detta kräver att flera mikrovias används i följd. Den strukturella placeringen av dessa på varandra följande mikrovias kan delas in i två huvudkategorier: staplade mikrovias och förskjutna mikrovias. Lär dig mer om Keramiska kretskort: Keramiska kretskort av aluminiumoxid jämfört med aluminiumnitrid (AlN) för extrema temperaturer.

Valet mellan en staplad och en förskjuten mikrovia-arkitektur handlar inte enbart om bekvämlighet vid ledningsdragning; det är ett avgörande tekniskt beslut som avgör tillverkningsbarheten, signalintegriteten och den långsiktiga termomekaniska tillförlitligheten hos slutprodukten. Denna artikel fördjupar sig i de tekniska skillnaderna mellan staplade och förskjutna mikrovia och redogör för de designregler, tillförlitlighetsaspekter och tillverkningsaspekter som är väsentliga för B2B-teknikteam som utvecklar verksamhetskritisk hårdvara. Lär dig mer om Sekventiell laminering: Att bemästra tillverkningsprocessen för HDI-kretskort med valfritt antal lager.

Att förstå mikrovia-arkitekturer i HDI

För att kunna förstå de olika designavvägningarna måste man först definiera de fysiska konfigurationerna för båda via-typerna i samband med sekventiell laminering, det vill säga den process genom vilken HDI-kretskort byggs upp lager för lager. Lär dig mer om Inbyggda komponenter: Miniatyrisering av IoT-enheter med inbyggda kretskortskomponenter.

Staplade mikrovias

En staplad mikroviastruktur uppstår när flera laserborrade mikrovias är exakt inriktade ovanpå varandra längs Z-axeln och förbinder tre eller fler skikt i en rak vertikal linje. Till exempel placeras en mikrovia som förbinder skikt 1 med skikt 2 direkt ovanför en mikrovia som förbinder skikt 2 med skikt 3.

Den främsta fördelen med staplade mikrovias är utrymmeseffektiviteten. Eftersom de upptar exakt samma X-Y-koordinater över flera lager tar de upp ett absolut minimum av utrymme på kretskortet. Detta gör dem mycket attraktiva för ledningsdragning bland extremt tätt placerade komponenter, såsom BGA-komponenter med 0,4 mm avstånd, där utrymmet för ledningsdragning är mycket begränsat. Ur ett signalintegritetsperspektiv minimerar dessutom en perfekt vertikal, staplad struktur kapacitiva stubbar och ger en direkt väg med låg induktans för höghastighetssignaler.

För att skapa en staplad struktur måste dock den underliggande mikroviaen fyllas helt med elektropläterad koppar, så att en plan och solid yta skapas där den efterföljande viaen kan borras och pläteras på. Det är just denna konstruktion med solida kopparpelare som ligger till grund för tillförlitlighetsproblemen.

Förskjutna mikrovias

I en förskjuten mikrovia-arkitektur är mikrovia-hålen som förbinder på varandra följande skikt fysiskt förskjutna i förhållande till varandra i X-Y-planet. Till exempel kommer mikrovia från lager 1 till 2 att landa på en anslutningsplatta, och mikrovia från lager 2 till 3 kommer att utgå från en annan plats på samma platta i lager 2 (eller en ansluten ledning) och gå ner till nästa lager.

Denna konfiguration kräver något mer utrymme på kretskortet eftersom anslutningspunkterna för de sekventiella genomföringarna inte överlappar varandra perfekt. Denna geometriska förskjutning förändrar dock i sig spänningsfördelningen i kretskortet under termisk cykling. Eftersom genomföringarna inte ligger i en enda vertikal kolumn behöver den underliggande genomföringen inte nödvändigtvis vara helt fylld med koppar (även om den ofta är det av andra processmässiga skäl), och spänningsvektorerna fördelas i sidled över gränssnitten mellan dielektrikumet och kopparn istället för att koncentreras till en enda punkt på Z-axeln i det flerskiktade kretskortet.

Termomekanisk tillförlitlighet: Den avgörande konkurrensfaktorn

Den avgörande skillnaden mellan staplade och förskjutna mikrovias ligger i deras termomekaniska tillförlitlighet, särskilt vid reflow-lödning med blyfritt lod (där temperaturen kan överstiga 250 °C) och vid långvariga termiska cykler i omgivningen.

Kretskort är sammansatta strukturer som består av koppar och dielektriska material (som FR4, polyimid eller avancerade höghastighetslaminat). Dessa material har mycket olika termiska utvidgningskoefficienter (CTE). Koppar expanderar med cirka 16–18 ppm/°C, medan standarddielektrikumet FR4 expanderar med 50–70 ppm/°C i Z-axeln (över glasövergångstemperaturen, Tg, expanderar detta ännu mer kraftigt).

När ett HDI-kort utsätts för temperaturvariationer expanderar det dielektriska materialet betydligt mer i Z-axeln än koppargenomföringarna. Detta leder till kraftig töjning i Z-axeln.

I staplade mikrovias koncentreras denna töjning helt och hållet längs kopparpelarens enda vertikala axel. Den svagaste länken i denna struktur är vanligtvis gränssnittet mellan målplattan och botten av den pläterade viaen, ofta kallat målplattans separationsgränssnitt. Om spänningen överskrider draghållfastheten hos detta gränssnitt mellan elektropläterad och kemisk koppar bildas en mikrospricka, vilket leder till en öppen krets. IPC (Association Connecting Electronics Industries) har utfärdat ett flertal varningar och tillägg, särskilt i IPC-6012E, där man lyfter fram de inneboende tillförlitlighetsriskerna med staplade mikrovias, särskilt vid stapling av tre eller fler lager (t.ex. 3-N-3 HDI-strukturer).

Däremot avlastar förskjutna mikrovias denna spänning längs Z-axeln. Eftersom genomgångarna är förskjutna kan det dielektriska materialets expansion längs Z-axeln inte verka på en enda, sammanhängande kopparkolonn. Spänningen avleds genom de mellanliggande upptagningsplattorna och det omgivande dielektriska materialet. Empiriska data och HATS-tester (Highly Accelerated Thermal Shock) visar genomgående att konfigurationer med förskjutna mikrovias klarar betydligt fler termiska cykler innan de går sönder jämfört med sina staplade motsvarigheter. För tillämpningar som kräver hög tillförlitlighet – såsom flyg- och rymdindustrin, ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) inom fordonsindustrin och medicintekniska produkter – föredras förskjutna mikrovias överväldigande.

Konstruktionsregler för staplade mikrovias

Om ledningsdensiteten kräver användning av staplade mikrovias måste strikta konstruktionsregler tillämpas för att minska tillförlitlighetsriskerna.

• Via fyllning: Vid tillverkning av staplade genomgångshål måste man absolut använda kopparplätering enligt metoden ”bottom-up” för att säkerställa en hållfri, solid kopparstruktur. Eventuella hålrum eller fördjupningar i det underliggande genomgångshålet kommer att orsaka pläteringsfel och spänningskoncentrationer i det efterföljande staplade genomgångshålet.
• Bildformat: Bildförhållandet (det dielektriska materialets tjocklek i förhållande till det borrade hålets diameter) för varje enskild mikrovia bör helst hållas under 0,8:1, och helst ligga närmare 0,5:1. Ytligare vias är lättare att plätera på ett tillförlitligt sätt och uppvisar lägre spänningskoncentrationer.
• Begränsa stapeln: Undvik att stapla fler än två mikrovias (t.ex. L1–L2, L2–L3). Om man staplar tre eller fler mikrovias ökar sannolikheten för att målplattorna lossnar exponentiellt.
• Dimensionering av kuddar och ringformade ringar: Se till att capture- och målplattorna är tillräckligt stora. Även om HDI innebär små plattor, leder en alltför kraftig minskning av målplattans storlek till att den tillgängliga ytan för den metallurgiska bindningen minskar, vilket försvagar via-strukturen.
• Materialval: Använd dielektriska material med hög Tg och låg CTE. Att minska volymutvidgningen hos det omgivande hartssystemet är det mest effektiva sättet att minska den pålagda spänningen på kopparviastrukturen.

Konstruktionsregler för förskjutna mikrovias

Vid konstruktion med förskjutna mikrovias måste man hantera förskjutningsgeometrin för att säkerställa tillverkningsbarhet och elektrisk prestanda.

• Minsta förskjutning: Det avgörande måttet är avståndet mellan mittpunkten på den övre via-hålen och mittpunkten på den undre via-hålen. En vedertagen branschregel är att avståndet ska vara minst lika stort som mikrovia-hålets diameter plus en säkerhetsmarginal för att förhindra att kretsen går sönder.
• Tangent kontra separerad förskjutning: Vias kan placeras så att deras borrhål är tangentiella (berör varandra vid kanten) eller helt åtskilda. Helt åtskilda vias (där borrkanterna inte överlappar varandra längs Z-axeln) föredras i allmänhet av tillförlitlighetsskäl, eftersom tangentiella vias fortfarande kan ge upphov till lokala spänningskoncentrationer.
• Effekter på routningskanalen: Konstruktörerna måste ta hänsyn till det större sammanlagda fotavtrycket hos en förskjuten struktur. Detta kräver noggrann planering av utgångarna under tätt placerade BGA:er för att säkerställa att de förskjutna anslutningspunkterna inte blockerar intilliggande ledningskanaler på de inre skikten.
• Lagerparning: Vid sekventiell laminering måste vissa skiktpar bearbetas tillsammans. När du utformar förskjutna genomgångshål ska du se till att förskjutningsmönstret stämmer överens med tillverkarens planerade lamineringscykler.

Så här väljer du rätt microvia-struktur (steg-för-steg-guide)

Valet mellan staplade och förskjutna konfigurationer kräver ett systematiskt tillvägagångssätt där man avväger de elektriska behoven mot tillverkningsbarheten och den långsiktiga tillförlitligheten.

Utmaningar inom tillverkningen och kostnadskonsekvenser

Tillverkningsprocesserna för HDI-kretskort är i sig mer komplexa och kostsamma än för vanliga flerskiktskretskort på grund av den stegvisa lamineringen. Varje delcykel i tillverkningen kräver beläggning av inre skikt, etsning, laminering, laserborrning, avsmörjning och plätering.

Staplade mikrovias driver upp kostnaderna, främst på grund av den specialiserade pläteringskemin och den längre tid som krävs för att fylla kopparen utan hålrum. Botten-upp-plätering är en långsammare process än standardkonform plätering. Om den översta viaen i en stapel dessutom är något felregistrerad i förhållande till den undre viaen kan laserborren skada kanten på den underliggande kopparkolonnen, vilket leder till omedelbara pläteringsfel eller dolda tillförlitlighetsfel.

Förskjutna mikrovias mildrar det strikta kravet på en perfekt plan och heltäckande kopparfyllning (även om detta fortfarande är standardpraxis i många högteknologiska tillverkningsanläggningar). De mindre strikta registreringstoleranserna längs Z-axeln förbättrar tillverkningsutbytet. Eftersom de är mindre benägna att drabbas av katastrofala fel under den termiska påfrestningen vid montering (reflow) blir det totala utbytet för det bestyckade kretskortet ofta högre, vilket kompenserar för den mindre förlusten i fotavtryck.

Sammanfattningsvis kan man säga att staplade mikrovias visserligen utgör den ultimata lösningen för extrem miniatyrisering, men att de kräver strikt efterlevnad av konstruktionskraven, material av högsta kvalitet och förstklassig tillverkningskapacitet för att klara termisk påfrestning. Förskjutna mikrovias erbjuder en mer robust och tålig arkitektur som bör vara det föredragna valet för B2B-konstruktioner där långsiktig tillförlitlighet är avgörande.

Ofta ställda frågor (FAQ)