Печатных плат с микропереходами — это печатная плата с высокоплотной схемой соединений (HDI), в которой используется технология микропереходов. Микропереходы являются ключевым элементом современного проектирования печатных плат, особенно в приложениях HDI. Эти миниатюрные отверстия, просверленные лазером, соединяют медные дорожки между слоями печатные платы, что позволяет создавать компактные и высокоскоростные конструкции.
Согласно отраслевым стандартам, таким как IPC‑2226A, печатных плат с микросквозными отверстиями в основном подразделяются на шесть категорий:
1. Тип I (1-ступенчатая HDI: 1+N+1)
Конструктивные особенности: только самые наружные слои содержат однослойные слепые микровиа, без многослойных виа или дополнительных наложений внутренних погруженных виа.
Характеристики процесса: один цикл наслоения и одна операция лазерного сверления. Обеспечивает самый простой процесс, наивысший выход и наименьшую стоимость.
Области применения: смарт-терминалы начального уровня и универсальные коммуникационные модули.
2. Тип II (двухэтапное одностороннее наслоение: 2+N+1)
Конструктивные особенности: два наслоения с одной стороны, обеспечивающие вертикальное наслоение микропереходных отверстий, в то время как на противоположной стороне используются однослойные глухие переходные отверстия.
Характеристики технологического процесса: частичное многослойное соединение, обеспечивающее более высокую плотность трассировки, чем одноступенчатая HDI, при умеренной сложности процесса.
Области применения: Подходит для BGA с минимальным шагом ≥0,35 мм; широко используется в обычных смартфонах и планшетах.
3. Тип III (двухступенчатое двустороннее наслоение: 2+N+2)
Конструктивные особенности: Два наслоения как на верхней, так и на нижней стороне, что позволяет создавать двухуровневое вертикальное наслоение микропереходов на обеих внешних поверхностях.
Характеристики процесса: Значительно повышенная плотность трассировки для удовлетворения требований корпусов микросхем с высокой плотностью и мелким шагом выводов.
Области применения: Подходит для BGA с минимальным шагом ≥0,30 мм; применяется в флагманских смартфонах, носимых устройствах премиум-класса и автомобильных платах управления.
4. Тип IV (3-ступенчатая HDI: 3+N+3)
Конструктивные особенности: три наслоенительных слоя с обеих сторон с трёхуровневыми вертикально расположенными микропереходными соединениями.
Характеристики процесса: Сверхвысокая плотность трассировки, сопряжённая с высокой сложностью производства. Предъявляются строгие требования к базовым материалам, толщине медного слоя и точности сверления.
Области применения: Подходит для BGA с минимальным шагом ≥0,25 мм, предназначено для высокотехнологичных продуктов, требующих чрезвычайно высокой плотности трассировки.
5. Тип V (взаимосвязь между слоями с микросквозными отверстиями, расположенными в шахматном порядке)
Конструктивные особенности: Отсутствует вертикальное наслоение сквозных отверстий. Все микросквозные отверстия располагаются в шахматном порядке для обеспечения произвольной межслойной связности.
Характеристики технологического процесса: устраняет типичные риски, связанные с многоуровневыми переходными отверстиями, включая пустоты, несовпадение позиций и расслоение, обеспечивая превосходную надёжность.
Области применения: Высоконадежные изделия, такие как автомобильная электроника и медицинское оборудование.
6. Тип VI (полностью многослойная межслойная связь)
Конструктивные особенности: Вертикальные соединения с многослойными микропереходными отверстиями доступны на всех слоях; отсутствие традиционных механических сквозных отверстий для максимальной плотности проводки.
Характеристики процесса: Совместимость с BGA с минимальным шагом ≤0,20 мм. Применяется в радиочастотных платах 5G, серверах высокого класса и подложках для чипов искусственного интеллекта.
Примечание: Символ «N» обозначает количество слоёв в центральном ядре печатной платы, а числовые значения — количество наслоений, содержащих микропроходные отверстия.
Как изготавливаются микропроходные отверстия
Изготовление микропереходных отверстий происходит в рамках цикла последовательного наслоения (SBU), повторяющегося для каждой пары слоёв: ламинирование, формирование переходных отверстий, металлизация переходных отверстий, заполнение переходных отверстий.
1. Лазерное сверление. CO₂-лазеры удаляют диэлектрик до целевого слоя меди; УФ-лазеры позволяют обрабатывать более тонкие геометрические формы и обеспечивают более высокую точность резки по глубине. Современные системы просверливают более 100 000 переходных отверстий в час и сразу после обработки проверяют каждое отверстие на диаметр, округлость, обнажение меди на дне и наличие остатков материала.
2. Удаление остатков и очистка. В результате лазерной абляции на стенках отверстия остаются остатки смолы. Их удаляют с помощью обработки перманганатом или плазмой — загрязнённые стенки отверстия являются наиболее распространённой причиной нарушений адгезии при гальваническом покрытии.
3. Металлизация. Безелектродный зародышевый слой меди (толщиной примерно 0,3–0,5 мкм) придаёт стенкам отверстия проводимость, после чего следует электролитическое медьопокрытие, которое формирует ствол до заданной толщины.
4. Заполнение и планаризация. Если это требуется по конструкции, сквозное отверстие заполняется (см. следующий раздел), а поверхность выравнивается — химико-механическим способом или методом нанесения дополнительного слоя с последующей полировкой — чтобы последующие слои или контактные площадки компонентов располагались на ровной поверхности.
Заполнение микроотверстий: четыре варианта и когда каждый из них применяется
Заполнение — это не просто украшение; это конструктивное и электрическое решение, и варианты не являются взаимозаменяемыми:
| Метод заполнения | Типичное применение |
|---|---|
| Эпоксидная смола (стадия b) | Заполнение происходит побочно во время следующего цикла ламинирования |
| Непроводящая / проводящая паста | Отдельный этап обработки; непроводящая — для чистого выравнивания |
| Гальваническая медь | Многослойные структуры, требующие электрической непрерывности и токопроводимости |
| Медь, нанесенная методом трафаретной печати | Структурное заполнение в местах с ограниченным доступом для гальванического покрытия |
Решение определяется двумя правилами. Во-первых, погружённые микропроходные отверстия должны быть заполнены — на последующих этапах процесса невозможно устранить пустоту внутри погружённой структуры. Во-вторых, слепые микропроходные отверстия на внешних слоях зачастую не требуют заполнения вообще, если только на них не устанавливается что-либо или над ними не располагается контактная площадка компонента. Заполненные медью микропроходные отверстия, кроме того, отводят тепло и проводят более высокий ток, чем незаполненные, что имеет значение при размещении силовых компонентов.
Почему микросквозные отверстия выходят из строя: физика надежности
Большинство проблем с надежностью микропереходных отверстий связано с одним механизмом: несоответствием коэффициентов теплового расширения (CTE) по оси Z между медной металлизацией в отверстии и окружающим его диэлектриком. По мере нагрева и охлаждения платы — при каждом цикле рефлоу, при каждом цикле включения-выключения питания — диэлектрик расширяется в несколько раз больше, чем медь, и в структуре переходного отверстия накапливается деформация. Энергия концентрируется в местах геометрических разрывов, и почти все отказы в эксплуатационных условиях обусловлены четырьмя типами разрушений:
- Межфазное отслоение — основание переходного отверстия отрывается от контактной площадки, расположенной под ним
- Трещины в корпусе — усталостный излом через стенку гальванизированной переходной отверстия
- Угловые (коленные) трещины — разрушение в месте соединения цилиндра с поверхностной медью
- Трещины в контактной площадке — вырывание меди, на которую опускается переход
Порядок появления этих дефектов не является случайным; он зависит от концентрации деформации в самом слабом геометрическом элементе. Статистический анализ (ANOVA) моделей усталости, построенных по методу конечных элементов, определяет приоритет контрольных конструктивных переменных: главную роль играет коэффициент концентрации деформации, за ним следуют пластичность проводника, толщина металлизации и угол наклона стенок переходного отверстия. Практические выводы: более толстое и пластичное медное покрытие увеличивает срок службы; конический профиль стенок снижает концентрацию напряжений у основания; а геометрия, сглаживающая переход от меди к диэлектрику в области «колена», окупается при термических циклах.
Те же физические законы объясняют разницу в надежности между шахматным и штабелированным расположением: при штабелировании все деформации перехода между слоями концентрируются в одной точке координатной системы x-y, тогда как при шахматном расположении они распределяются по всей площади.
Основные принципы проектирования печатных плат с микровиами
1. Принцип контроля соотношения сторон
Принцип: Соотношение сторон (отношение глубины переходного отверстия к диаметру отверстия) микропереходных отверстий должно находиться в пределах 1:1, при этом оптимальное значение составляет 0,75:1 или ниже.
Обоснование: Учитывая миниатюрные размеры микросквозных отверстий, чрезмерное соотношение сторон затрудняет очистку дна отверстия во время лазерного сверления и препятствует равномерному осаждению меди при гальваническом покрытии. Это приводит к образованию пустот или слабых соединений и снижает долгосрочную надежность.
2. Принципы определения размеров и проектирования контактных площадок
Соответствие отверстия и контактной площадки: диаметр микроотверстий обычно составляет от 50 мкм до 150 мкм. Размеры контактных площадок должны быть как минимум на 0,2 мм больше диаметра микроотверстия (например, переход диаметром 0,1 мм в паре с контактной площадкой диаметром 0,3 мм), чтобы гарантировать точность совмещения слоев и надёжное кольцевое соединение.
Оптимизация размера контактных площадок: контактные площадки микропроходов могут быть уменьшены для освобождения дополнительных каналов трассировки, однако они должны соответствовать минимальным требованиям производителя к размеру кольцевого соединения, как правило, ≥0,15 мм.
3. Принципы размещения и проектирования многослойных структур
Выбор между штабелированием и шахматным расположением: микровиа можно штабелировать для экономии места и обеспечения сверхвысокой плотности межсоединений, однако обязательна тщательная оценка совмещения слоев и процессов ламинирования.
В качестве альтернативы, микропроходные отверстия со смещением по горизонтали обеспечивают более высокую надёжность за счёт большего потребления площади. Компромиссные решения должны приниматься с учётом плотности трассировки и технологических возможностей производителя. Для конфигураций со смещением рекомендуется минимальное смещение 0,2 мм.
Конструкция «via-in-pad»: размещение микропереходных отверстий непосредственно внутри контактных площадок компонентов позволяет сэкономить место и сократить пути прохождения сигнала. Тем не менее необходимо тщательно оценивать риски, связанные с расплавлением припоя, чтобы предотвратить образование холодных соединений или припойных мостов. При необходимости следует применять процессы заполнения или заглушки переходных отверстий.
4. Принципы обеспечения целостности сигнала и контроля импеданса
Минимизация длины межсоединений: Микропереходные отверстия должны быть максимально короткими; предпочтительны глухие переходные отверстия или одноступенчатые микропереходные отверстия. Это снижает паразитную индуктивность и ёмкость, уменьшает отражение и потери сигнала, а также сохраняет целостность высокоскоростных сигналов, таких как интерфейсы миллиметрового диапазона.
Согласование импеданса: Толщина диэлектрика и размеры контактных площадок, окружающих микропроходные отверстия, должны подбираться с учётом конфигурации слоёв для контроля импеданса, обеспечивая согласованный импеданс для высокоскоростных сигналов (например, 50 Ом).
5. Принципы теплового управления и распределения тока
Проектирование тепловых переходных отверстий: отдельные микропереходные отверстия имеют ограниченную токонесущую способность. Для приложений с высокой мощностью рекомендуется использовать несколько параллельных микропереходных отверстий для распределения тока в сочетании с схемами теплового разгружения.
Это предотвращает локальный перегрев, который может вызвать растрескивание стенок микропроходов или их отслоение.
Снижение тепловых напряжений: при проектировании микропроходов необходимо учитывать несовпадение коэффициентов теплового расширения (CTE) по оси Z, чтобы избежать расслоения между микропроходами и диэлектрическими материалами, вызванного термоциклическими нагрузками.
6. Проектирование с учётом технологичности (DFM) и принцип совместимости с технологическим процессом
Совместимость с технологическим процессом: Микропроходные отверстия в основном формируются методом лазерного сверления. Конструкции должны учитывать пределы точности лазерного сверления (например, ±25 мкм) и обеспечивать технологический запас для минимальной ширины и шага дорожек (например, 30 мкм). Ни один размер не должен быть меньше проверенных технологических возможностей производителя.
Совместимость с ламинированием: Печатные платы с микропереходными отверстиями изготавливаются методом последовательного ламинирования. При проектировании необходимо учитывать симметрию ламинирования и толщину диэлектрика, чтобы избежать коробления панели или смещения микропереходных отверстий, вызванных неравномерным давлением пресса.
Часто задаваемые вопросы
Что такое печатная плата с микроотверстиями?
Печатная плата, соединенная с помощью просверленных лазером микроотверстий — отверстий с соотношением сторон 1:1 или меньше и глубиной менее 0,25 мм, которые соединяют только соседние слои. Микровиа обеспечивают плотность трассировки, необходимую для BGA с мелким шагом и современных многослойная печатная плата HDI.
В чём разница между микровиа и обычной виа?
Обычная переходная отверстие просверливается механическим способом, проходит через всю печатную плату (или большой слой) и, как правило, имеет соотношение сторон 6–8:1. Микроотверстие просверливается лазером, проходит через один или два слоя и имеет соотношение сторон 1:1 — занимая пространство для трассировки только на тех слоях, которые оно соединяет.
Когда микровиа необходимо заполнять?
Заглублённые микровии всегда требуют заполнения; слепые микровии на внешних слоях нуждаются в заполнении только в том случае, если над ними что-то установлено или над ними расположена контактная площадка компонента (via-in-pad). Многослойные микровии заполняются медью для обеспечения электрической проводимости через весь слой.
Почему микровиа растрескиваются?
Циклическое тепловое расширение окружающего диэлектрика превышает расширение медного ствола микровиа, и накопленное напряжение концентрируется в местах геометрических разрывов — у основания микровиа, изгиба и контактной площадки — до тех пор, пока не образуются усталостные трещины. Заполнение, достаточная толщина гальванического покрытия и конические стенки — всё это увеличивает срок службы.
Что лучше: микропереходные отверстия, расположенные в стопке, или в шахматном порядке?
Микропереходные отверстия, расположенные в шахматном порядке, распределяют термомеханические напряжения и выдерживают большее количество термоциклов; микропереходные отверстия, расположенные в стопке, обеспечивают максимальную плотность и минимальную длину тракта, но при этом концентрируют напряжения и требуют заполнения медью. В большинстве конструкций, ориентированных на надежность, микропереходные отверстия располагаются в шахматном порядке там, где это позволяет плотность.
Строгое соблюдение стандартизированных производственных процессов и научных правил проектирования эффективно предотвращает типичные конструктивные отказы и повышает общую стабильность. Качественно изготовленная печатных плат с микроотверстиями обеспечивает выдающуюся плотность трассировки, целостность сигнала и термическую надёжность, полностью отвечая требованиям высокоскоростных и высокоточных электронных приложений.