Несквозные отверстия и микроотверстия в печатной плате
В процессе проектирования печатной платы разработчик иногда сталкивается с необходимостью выполнения несквозных отверстий – то есть переходов с одного слоя другой, без сверления печатной платы насквозь. Связано это может быть с разными причинами:
- Сложный компонент с маленьким шагом выводов, например, BGA с шагом 0.5 мм и менее
- Слишком плотная трассировка при небольшом размере печатной платы, и необходимость создания дополнительных «каналов» трассировки в зоне под переходным отверстием
- Необходимость устранения того кусочка переходного отверстия, который не задействован в электрическом контакте между слоями (так называемый stub), чтобы не создавать лишних проблем для высокоскоростных сигналов
- Потребность в ограничении распространения сигнала только в нескольких слоях, с экранированием остальных слоев – например, при разделении аналоговой и цифровой частей схемы
В англоязычной литературе для обозначения таких отверстий применяют термины blind via (отверстие выходит только на один из внешних слоев), buried via (отверстие полностью находится внутри платы, соединяя два или несколько внутренних слоев), microvia или uvia (отверстие выполнено лазером между двумя соседними слоями). В целом технология, подразумевающая высокую плотность соединений, очень маленькие зазоры и ширину проводника на плате, и применение несквозных отверстий, имеет обобщающее название HDI PCB (High Density Interconnect, или «межсоединения высокой плотности»). Существует несколько международных стандартов, имеющих отношение к HDI-платам, к их конструированию, производству и контролю качества, например:
- IPC/JPCA-2315: Design Guide for High-density Interconnect Structures and Microvias
- IPC-2226: Sectional Design Standard for High-density Interconnect (HDI) Printed Boards
- IPC/JPCA-4104: Qualification and Performance Specification for Dielectric Materials for High-density Interconnect Structures (HDI)
- IPC-6016: Qualification and Performance Specification for High-density Interconnect (HDI) Structures
В русскоязычных статьях и книгах применяют термины «глухие отверстия», «слепые отверстия», «погребенные отверстия», «микроотверстия» и др., при этом эти термины, насколько я понимаю, не всегда понимаются одинаково различными специалистами.
При формировании несквозных отверстий, при их описании в САПР печатных плат, было бы неплохо понимать заранее, какая технология будет использоваться заводом-производителем для их создания. В этой статье мы опишем несколько основных типов несквозных отверстий, на примере изготовления 4-хслойной печатной платы с несквозным отверстием между слоями 1 и 2, и дадим рекомендации по их применению в ваших проектах, в том числе для случая применения высокочастотных материалов и препрегов, таких как Rogers серии 4000.
Пример сечения 4-хслойной печатной платы с несквозным отверстием между слоями 1 и 2.
Информация основана на рекомендациях различных зарубежных производителей печатных плат, с которыми взаимодействует московская компания – дистрибьютор печатных плат “PCB technology” (www.pcbtech.ru), где я работаю уже более 20 лет.
На основе этой информации вы сможете в дальнейшем создавать более сложные конструкции, комбинируя между собой эти виды отверстий и эти технологии.
Итак, вот четыре основных вида несквозных отверстий:
1. Stack up +HDI (прессование с фольгой снаружи плюс микроотверстия)
2. Core+Core +HDI (ядро плюс ядро плюс микроотверстия)
3. Drill + Resin flow (сверление плюс вытекание смолы)
4. Drill + Resin plug (сверление плюс забивка смолой)
Опишем эти варианты подробнее, рассмотрев последовательность основных операций по их изготовлению, и дадим рекомендации по конструированию таких плат.
Вариант 1: Stack up +HDI (прессование с фольгой снаружи плюс микроотверстия)
Этапы изготовления.
1. Двусторонняя заготовка – ядро стеклотекстолита.
2. Травление медного рисунка с обеих сторон.
3. Сборка пакета 4-хслойной печатной платы – ядро внутри, препреги и фольга снаружи.
4. Прессование многослойной заготовки.
5. Сверление микроотверстия лазером.
6. Металлизация отверстий и формирование внешнего рисунка меди.
Рекомендации для такой конструкции:
- Тут нельзя использовать ВЧ-препрег типа Ro4450.
- Расстояние между слоями 1 и 2 должно быть менее 0.15 мм. Рекомендуется 0.05…0.1 мм.
- Глубина отверстия не должна превышать его диаметр.
Вариант 2: Core+Core +HDI (ядро плюс ядро плюс микроотверстия)
Этапы изготовления
1. Двусторонняя заготовка – ядро стеклотекстолита.
2. Травление медного рисунка с одной стороны.
3. Сборка пакета 4-хслойной печатной платы – препрег внутри, ядра снаружи.
4. Прессование многослойной заготовки.
5. Сверление микроотверстия лазером.
6. Металлизация отверстий и формирование рисунка меди во внешних слоях. Дополнительная металлизация позволяет полностью заполнить отверстие медью.
Рекомендации для такой конструкции:
- Расстояние между слоями 1 и 2 должно быть менее 0.15 мм. Рекомендуется 0.1 мм.
- Если препрег 1 слой Ro4450, нужно выбирать толщину меди не более 18 мкм.
- Если препрег 1 слой Ro4450, конструкция Via-In-Pad (заполнение и дополнительная медная крышка на переходных отверстиях) в этой ситуации не рекомендуется.
Вариант 3: Drill + Resin flow (сверление плюс вытекание смолы)
1. Двусторонняя заготовка – ядро стеклотекстолита.
2. Сверление отверстия.
3. Металлизация отверстия.
4. Формирование медного рисунка с одной стороны заготовки.
5. Сборка пакета 4-хслойной печатной платы – препрег внутри, ядра снаружи.
6. Прессование многослойной заготовки. Смола, содержащаяся в препреге, частично или полностью заполняет отверстие.
Рекомендации по этой конструкции:
- Нельзя использовать только 1 слой препрега.
- Медь во внутренних слоях – не более 18 мкм.
- Если применяется препрег Ro4450, то конструкция Via-In-Pad невозможна.
- Диаметр отверстия не должен превышать 0.25 мм.
- Плотность таких несквозных отверстий не должна быть чрезмерной.
Вариант 4: Drill + Resin plug (сверление плюс забивка смолой)
1. Двусторонняя заготовка – ядро стеклотекстолита.
2. Сверление отверстия.
3. Металлизация отверстия.
4. Заполнение отверстия смолой и отверждение смолы.
5. Выравнивание поверхности для удаления излишков смолы.
6. Формирование медного рисунка с одной стороны заготовки.
7. Сборка пакета 4-хслойной печатной платы – препрег внутри, ядра снаружи.
8. Прессование пакета.
Рекомендации для этой конструкции:
1. Для обеспечения стабильности размеров, толщина ядра диэлектрика между слоями 1 и 2 должна быть не менее 0.2 мм.
2. Из-за увеличенной финишной толщины меди в слоях 1 и 2 (в связи с дополнительным этапом металлизации) зазоры и проводники в этих слоях – не менее чем 0.1 мм.
Дополнительные рекомендации
Иногда разработчики плат применяют слишком много видов несквозных отверстий в одном проекте, что может привести к проблемам с его производством. Например, в приведенной на рисунке ниже 6-слойной структуре имеются 3 типа отверстий, которые выходят на слой Top. В связи с этим, при изготовлении такой платы три раза выполняется металлизация, и суммарная толщина меди является проблемой для создания прецизионной топологии.
Пример структуры 6-слойной печатной платы с 3 видами отверстий.
Рекомендации для проектирования плат HDI
Минимизируйте число типов отверстий, выходящих на один и тот же слой, или применяйте в таком слое менее прецизионные проводники и зазоры.
В целом – можно посоветовать разработчику перед проектированием структуры слоев и созданием новых видов несквозных переходных отверстий проработать вопрос о том, как именно будет изготавливаться данная печатная плата, на каком заводе-изготовителе, и в какой последовательности будут выполняться циклы прессования слоев, сверления и металлизации отверстий, заполнения отверстий медью или смолой, и т.д.
Чем меньше циклов прессования, и чем меньше видов переходных отверстий, тем дешевле получится ваша плата. В среднем каждый дополнительный вид несквозных переходных отверстий может добавлять от 20 до 50% к стоимости заказа печатной платы. Отметим, что при этом наличие таких отверстий может позволить вам сократить общее количество слоев в плате, снизить нормы проектирования, уменьшить общие габариты платы. А зачастую, как в случае с BGA-компонентами с шагом 0.5 мм, без несквозных отверстий и вовсе нельзя обойтись.
Поддержка несквозных отверстий в САПР
Стоит отметить, что современные САПР довольно неплохо поддерживают технологию несквозных отверстий. Например, в САПР Cadence Allegro и ее подмножестве OrCAD имеется возможность в один клик создать падстек для заданной пары слоев, просто на основе выбранного вами имеющегося в проекте печатной платы сквозного падстека. В процессе трассировки пользователь может выбрать, с какого на какой слой ему нужен переход, и при этом указать, какой тип из существующих в проекте несквозных отверстий выбрать для этой операции. При формировании конструкторской документации и файлов Gerber САПР автоматически формирует необходимый комплект файлов сверления. Кроме того, в Allegro имеется специальная опция, Allegro PCB Miniaturization Option, предназначенная специально для работы с HDI-платами, и позволяющая работать не просто с отдельными микроотверстиями, а с их ступенчатыми и стековыми структурами, как «объектами топологии». В этом случае объект «структура микроотверстий» может быть не просто размещен на плате, но и модифицирован под требования конкретной ситуации – например, связанные в единую структуру ступенчатые микроотверстия в слоях 1-2, 2-3 и 3-4 могут быть нужным разработчику образом ориентированы в топологии, чтобы упростить трассировку. Также опция Allegro Miniaturization позволяет выполнять все необходимые технологические требования (DFM – design for manufacturing, «разработка для производства»), чтобы обеспечить возможность эффективной разработки и качественного изготовления печатных плат с первой же итерации.
Поддержка в CAM-системах
Современные CAM-системы, применяемые для проверки производственных файлов печатных плат, неплохо поддерживают несквозные отверстия. Например, редактор Gerber-файлов CAM350 версии 14 позволяет в момент загрузки файлов Gerber и NC-drill удобным образом отсортировать их и указать, между какими парами слоев должны располагаться те или иные несквозные отверстия, и задать тип микроотверстий. Более того, CAM350 предлагает автоматически извлечь таблицу соединений на основе топологии слоев и отверстий. Если у вас есть возможность извлечь аналогичный нетлист из вашей САПР, можно с помощью CAM350 проверить полученные Gerber-файлы на корректность и на соответствие этому нетлисту.
Однажды эта функция позволила мне вовремя обнаружить ошибку в Gerber-файлах заказчика: одно из несквозных отверстий на плате было задано для некорректной пары слоев и замыкало между собой две цепи. С помощью простых проверок в CAM350 я быстро увидел эту проблему и связался с заказчиком, так что он поправил свой проект, и в производство печатных плат ушли корректные файлы.
Заключение
Надеюсь, что эта статья не только даст вам дополнительную пищу для размышления о микроотверстиях, но и позволит создать новые конкурентоспособные проекты с помощью микроотверстий и HDI-структур. Подписывайтесь на наш блог, https://www.pcbsoft.ru/blog (кнопка Вход / Регистрация), чтобы получать новую информацию по проектированию печатных плат, статьи, уведомления о новых семинарах и новых версиях САПР, и приходите на наши семинары, где подробно рассказывается о различных новых технологиях в изготовлении печатных плат.
