Microvia kretskort avser kretskort med hög densitet (HDI) som utnyttjar microvia-teknik. Microvias är avgörande inslag i modern kretskortskonstruktion, särskilt för HDI-tillämpningar. Dessa miniatyrhål, som borras med laser, förbinder kopparbanor mellan kretskortets lager för att möjliggöra kompakta och snabba konstruktioner.
Enligt branschstandarder såsom IPC-2226A, mikrovia kretskort strukturer klassificeras huvudsakligen i sex kategorier:
1. Typ I (1-stegs HDI: 1+N+1)
Strukturella egenskaper: Endast de yttersta skikten innehåller enkelskiktade blinda mikrovia, utan staplade via eller ytterligare inre överlagringar av begravda via.
Processegenskaper: En enda uppbyggnadscykel och en enda laserborrningsoperation. Det ger den enklaste processen, högst utbyte och lägsta kostnad.
Användningsområden: Smartterminaler i instegsklassen och allmänna kommunikationsmoduler.
2. Typ II (2-stegs ensidig stapling: 2+N+1)
Strukturella egenskaper: Två uppbyggnadslager på ena sidan som stödjer vertikal stapling av mikrovias, medan den motsatta sidan använder enkelskiktade blindvias.
Processegenskaper: Partiellt staplad sammankoppling som ger högre ledningsdensitet än enstegs-HDI med måttlig processkomplexitet.
Användningsområden: Lämpligt för BGA-komponenter med minsta avstånd ≥0,35 mm; används vanligtvis i konventionella smartphones och surfplattor.
3. Typ III (tvåstegs dubbelsidig stapling: 2+N+2)
Strukturella egenskaper: Två uppbyggnadslager på både ovansidan och undersidan, vilket möjliggör tvåstegs vertikal stapling av mikrovia på båda ytorna.
Processegenskaper: Avsevärt förbättrad ledningsdensitet för att uppfylla kraven för chip-paket med hög densitet och fina stift.
Användningsområden: Lämplig för BGA:er med minsta avstånd ≥0,30 mm; används i flaggskeppssmartphones, premium-wearables och styrkort för fordonsindustrin.
4. Typ IV (3-stegs HDI: 3+N+3)
Strukturella egenskaper: Tre uppbyggnadslager på båda sidor med tre nivåer av vertikalt staplade microvia-förbindelser.
Processegenskaper: Extremt hög ledningsdensitet med hög tillverkningssvårighet. Stränga krav ställs på basmaterial, koppartjocklek och borrnoggrannhet.
Användningsområden: Lämpligt för BGA:er med minsta avstånd ≥0,25 mm, avsett för högklassiga produkter som kräver extrem ledningsdensitet.
5. Typ V (förskjutna mikrovias för koppling mellan valfria skikt)
Strukturella egenskaper: Inga vertikalt staplade vias. Alla mikrovias är anordnade i ett förskjutet mönster för att uppnå valfri koppling mellan skikten.
Processegenskaper: Eliminerar typiska risker med staplade viaer, inklusive hålrum, felregistrering och delaminering, vilket ger överlägsen tillförlitlighet.
Användningsområden: Produkter som kräver hög tillförlitlighet, såsom fordonselektronik och medicintekniska produkter.
6. Typ VI (fullt staplad sammankoppling mellan valfria skikt)
Strukturella egenskaper: Vertikala, staplade mikrovia-anslutningar tillgängliga över alla skikt; inga konventionella mekaniska genomgående hål för maximal ledningsdensitet.
Processegenskaper: Kompatibel med BGA:er med minsta avstånd ≤0,20 mm. Används för 5G-RF-kort, avancerade servrar och substrat för AI-chip.
Anmärkning: Symbolen ”N” anger antalet lager i kretskortets centrala kärna, medan siffervärdena representerar antalet uppbyggnadslager som innehåller mikrovia.
Hur mikrovias kretskort tillverkas
Tillverkningen av mikrovia sker inom ramen för den sekventiella uppbyggnadscykeln (SBU), som upprepas för varje skiktpar: laminering, via-bildning, via-metallisering, via-fyllning.
1. Laserborrning. CO₂-lasrar avlägsnar det dielektriska materialet ner till det avsedda kopparskiktet; UV-lasrar hanterar finare geometrier och kan skära till rätt djup med högre precision. Moderna system borrar över 100 000 via-hål per timme och inspekterar varje hål med avseende på diameter, rundhet, kopparens exponering vid botten och rester omedelbart efter bearbetningen.
2. Avsmutsning och rengöring. Laseravskalning lämnar kvar hartsrester på hålväggen. Dessa avlägsnas genom ett avsmutsningssteg med permanganat eller plasma – en smutsig hålvägg är den vanligaste orsaken till bristande vidhäftning vid plätering.
3. Metallisering. Ett kemiskt kopparfröskikt (cirka 0,3–0,5 μm) gör hålväggen ledande, följt av elektrolytisk kopparplätering som bygger upp skiktet till den angivna tjockleken.
4. Fyllning och planering. Där konstruktionen kräver det fylls via-hålet (se nästa avsnitt) och ytan planas ut – kemisk-mekaniskt eller genom överplätering och polering – så att efterföljande skikt eller komponentkontakter vilar på en plan yta.
Microvia-fyllning: fyra alternativ och när de ska användas
Fyllning är inte en dekorativ detalj; det är ett strukturellt och elektriskt val, och alternativen är inte utbytbara:
| Fyllningsmetod | Typisk användning |
|---|---|
| Epoxiharts (b-steg) | Fylls automatiskt under nästa lamineringscykel |
| Icke-ledande / ledande pasta | Separat bearbetningssteg; icke-ledande för ren planering |
| Elektropläterad koppar | Staplade strukturer som kräver elektrisk kontinuitet och strömkapacitet |
| Screentryckt kopparpasta | Strukturell fyllning där åtkomst för plätering är begränsad |
Två regler styr beslutet. För det första måste nedgrävda mikrovias fyllas — det finns inget senare processteg som kan reparera ett hålrum inuti en nedgrävd struktur. För det andra behöver blinda mikrovias på yttre lager ofta ingen fyllning alls, såvida inte något byggs ovanpå dem eller en komponentplatta ligger över dem. Kopparfyllda mikrovias leder dessutom värme och klarar högre ström än ofyllda, vilket är viktigt under effektkomponenter.
Varför mikrovias går sönder: Fysiken bakom tillförlitligheten
De flesta tillförlitlighetsproblem med mikrovias kan härledas till en enda mekanism: skillnaden i värmeutvidgningskoefficient (CTE) längs z-axeln mellan kopparmetalliseringen i via-hålet och det dielektriska materialet runtomkring. När kretskortet värms upp och kyls ner – vid varje reflow-cykel, varje strömavbrott – expanderar det dielektriska materialet flera gånger mer än kopparn, och via-strukturen utsätts för spänning. Energin koncentreras vid geometriska diskontinuiteter, och fyra felmekanismer står för nästan alla fel i fält:
- Gränsskiktsseparation — via-basen lossnar från målplattan under den
- Cylindriska sprickor — utmattningsbrott genom den pläterade via-väggen
- Hörnsprickor (knäsprickor) — brott där via-cylindern möter ytkopparn
- Sprickor i anslutningsplattan — utdragning av kopparn som via-hålet vilar på
Vilken av dessa som uppträder först är inte slumpmässigt; det följer töjningskoncentrationen vid den svagaste geometriska egenskapen. Statistisk analys (ANOVA) av utmattningsmodeller med finita element rangordnar de styrande konstruktionsvariablerna: töjningskoncentrationsfaktorn dominerar, följd av ledarens duktilitet, metalliseringstjocklek och via-väggvinkel. Praktiska slutsatser: tjockare, mer duktil kopparplätering förbättrar livslängden; en avsmalnande väggprofil minskar spänningskoncentrationen vid basen; och en geometri som jämnar ut övergången mellan koppar och dielektrikum vid knäet lönar sig i termiska cykler.
Samma fysik förklarar skillnaden i tillförlitlighet mellan förskjutna och staplade konstruktioner: stapling koncentrerar all töjningsspänning vid skiktövergången till en enda x-y-punkt, medan förskjutning fördelar den över ett större område.
Grundläggande designprinciper för Microvia kretskort
1.Princip för kontroll av bildförhållande
Princip: Bildförhållandet (förhållandet mellan via-djupet och håldiametern) för mikrovias ska hållas inom 1:1, med ett optimalt värde på 0,75:1 eller lägre.
Motivering: Med tanke på mikrovias miniatyrmått komplicerar alltför stora bildförhållanden rengöringen av bottenhålen vid laserborrning och hindrar en jämn kopparavsättning vid plätering. Detta tenderar att skapa hålrum eller svaga förbindelser och äventyrar den långsiktiga tillförlitligheten.
2. Principer för dimensionering och utformning av kontaktfläckar
Anpassning mellan hål och kontaktfläck: Mikrovias diametrar varierar vanligtvis mellan 50 μm och 150 μm. Kontaktfläckarnas storlek ska vara minst 0,2 mm större än via-diametern (t.ex. ett 0,1 mm stort via ihop med en 0,3 mm stor pad) för att garantera noggrannhet i registreringen mellan skikten och en tillförlitlig ringformad anslutning.
Optimering av padstorlek: Microvia-pads kan miniatyriseras för att frigöra ytterligare ledningskanaler, men de måste uppfylla tillverkarens minimikrav för ringformade anslutningar, vanligtvis ≥0,15 mm.
3. Principer för placering och staplingsdesign
Val mellan stapling och förskjutning: Microvias kan staplas för att spara utrymme och uppnå extremt hög anslutningstäthet, men en noggrann utvärdering av inriktningen mellan skikten och lamineringsprocesserna är obligatorisk.
Alternativt ger förskjutna mikrovias med laterala förskjutningar överlägsen tillförlitlighet på bekostnad av större arealförbrukning. Avvägningar ska göras utifrån routingtäthet och tillverkarens processkapacitet. En minsta förskjutning på 0,2 mm rekommenderas för förskjutna konfigurationer.
Via-in-pad-konstruktion: Att placera mikrovia direkt i komponentkontakterna sparar utrymme och förkortar signalvägarna. Risken för lödvävning måste dock noggrant utvärderas för att förhindra kalla fogar eller lödbroar. Via-fyllnings- eller via-pluggningsprocesser ska användas vid behov.
4. Principer för signalintegritet och impedanskontroll
Minimera längden på anslutningarna: Mikrovias ska hållas så korta som möjligt; blindvias eller enstegs-mikrovias föredras. Detta minskar parasitisk induktans och kapacitans, dämpar signalreflektion och -förlust samt bevarar integriteten för höghastighetssignaler såsom millimetervågsgränssnitt.
Impedansanpassning: Den dielektriska tjockleken och padernas dimensioner kring mikrovias ska anpassas tillsammans med skiktkonfigurationen för impedanskontroll, vilket säkerställer anpassad impedans för höghastighetssignaler (t.ex. 50 Ω).
5. Värmehantering och princip för strömfördelning
Värmeavledande via-design: Enskilda mikrovias har begränsad strömföringskapacitet. För hög effektapplikationer rekommenderas flera parallella mikrovias för strömfördelning, i kombination med värmeavledande mönster.
Detta förhindrar lokal överhettning som kan orsaka sprickbildning i mikrovias eller delaminering.
Minskning av termisk belastning: Mikrovia-konstruktioner ska ta hänsyn till avvikelser i den termiska utvidgningskoefficienten (CTE) längs Z-axeln för att undvika delaminering mellan mikrovia och dielektriska material som orsakas av termisk cykelbelastning.
6. Design för tillverkningsbarhet (DFM) och principen om processkompatibilitet
Processanpassning: Mikrovia bildas huvudsakligen genom laserborrning. Konstruktioner ska respektera noggrannhetsgränserna för laserborrning (t.ex. ±25 μm) och tillhandahålla processmarginal för minsta ledningsbredd/ledningsavstånd (t.ex. 30 μm). Ingen dimension får understiga tillverkarens beprövade processkapacitet.
Lamineringskompatibilitet: Microvia kretskort tillverkas genom sekventiell laminering. Vid konstruktionen ska hänsyn tas till lamineringssymmetri och dielektrisk tjocklek för att undvika att panelen vrider sig eller att microvias hamnar felaktigt placerade på grund av ojämnt presstryck.
Vanliga frågor
Vad är ett mikrovia kretskort?
Ett kretskort som är sammankopplat via laserborrade mikrovias – hål med ett bildförhållande på 1:1 eller lägre och ett djup under 0,25 mm som endast förbinder intilliggande lager. Mikrovia möjliggör den ledningsdensitet som BGA-komponenter med fin delning och moderna HDI-staplingar kräver.
Vad är skillnaden mellan en mikrovia och en vanlig via?
En vanlig via borras mekaniskt, sträcker sig över hela kortet (eller en stor kärna) och har vanligtvis ett bildförhållande på 6–8:1. En mikrovia laserborras, sträcker sig över ett eller två lager och har ett bildförhållande på 1:1 – vilket innebär att den endast tar upp ledningsutrymme på de lager den förbinder.
När behöver en mikrovia fyllas?
Begravda mikrovior måste alltid fyllas; blinda mikrovior i yttre lager behöver endast fyllas när något byggs ovanpå dem eller när en komponentplatta ligger över dem (via-in-pad). Staplade mikrovior fylls med koppar för att säkerställa elektrisk kontinuitet genom stapeln.
Varför spricker mikrovia?
Den cykliska termiska expansionen hos det omgivande dielektriska materialet överstiger den hos kopparns via-cylinder, och den ackumulerade töjningen koncentreras vid geometriska diskontinuiteter – via-bas, knä och målplatta – tills utmattningssprickor bildas. Fyllning, tillräcklig pläteringstjocklek och avsmalnande väggar ökar alla livslängden.
Är staplade eller förskjutna mikrovias bättre?
Förskjutna mikrovias fördelar den termomekaniska spänningen och tål fler termiska cykler; staplade mikrovias maximerar densiteten och minimerar vägsträckan men koncentrerar spänningen och kräver kopparfyllning. De flesta tillförlitlighetsinriktade konstruktioner använder förskjutna mikrovias där densiteten tillåter det.
Att strikt följa standardiserade tillverkningsprocesser och vetenskapliga konstruktionsregler förebygger effektivt vanliga strukturella fel och förbättrar den övergripande stabiliteten. Ett väl tillverkat microvia kretskort ger enastående ledningsdensitet, signalintegritet och termisk tillförlitlighet, och anpassar sig fullt ut till kraven för elektroniska tillämpningar med hög hastighet och hög precision.
