PCB-Design: Was sind Aspektverhältnisse und warum sind sie wichtig?

Jede Durchkontaktierung auf einer Leiterplatte kann Zuverlässigkeitsprobleme verursachen, die mit der Größe der Durchkontaktierung und den verwendeten Materialien in der Leiterplatte zusammenhängen. Wenn eine Durchkontaktierung in einer Leiterplatte platziert wird, definieren die Bohrgröße und die Tiefe in die Leiterplatte das Aspektverhältnis einer Durchkontaktierung. Dieser Parameter ist ein wichtiger Bestimmungsfaktor für die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierung. Die Fähigkeit, Durchkontaktierungen mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen zuverlässig herzustellen, hängt von mehreren Faktoren ab. Zum Beispiel werden Ihnen einige Hersteller Durchkontaktierungen mit sehr hohen Aspektverhältnissen anbieten, die sie herstellen und deren Zuverlässigkeit in beschleunigten Belastungstests nachweisen können.

Das Aspektverhältnis, das Sie bei Ihrer Leiterplatte verwenden, hängt von der Bohrgröße ab, die Sie zuverlässig auf die Platine bringen können. Es gibt einige praktische Einschränkungen und Faustregeln, die beim Entwurf Ihrer Durchkontaktierungen mit einem Ziel-Aspektverhältnis zu berücksichtigen sind. Ich werde einige dieser Punkte in diesem Artikel untersuchen, sowohl für mechanisch gebohrte Durchkontaktierungen als auch für Mikrovias.

Was ist das Aspektverhältnis einer Durchkontaktierung im PCB-Design?

Das Aspektverhältnis einer Durchkontaktierung auf einer Leiterplatte hat eine sehr einfache mathematische Definition. Das Aspektverhältnis einer Durchkontaktierung ist das Verhältnis der Bohrtiefe zum Bohrdurchmesser, der zur Herstellung der Durchkontaktierung verwendet wird:

Aspektverhältnis = (Bohrtiefe)/(Bohrdurchmesser)

Für Standarddicken-PCBs, bei denen die Dicke 62 mils oder 1,57 mm beträgt, kann das maximale Aspektverhältnis, das man für mechanisch gebohrte Durchgangsbohrungen erwarten könnte, 10:1 sein. Dies liegt daran, dass der typischerweise für die PCB-Herstellung verwendete kleinste Bohrdurchmesser 6 mils beträgt, und dieser Wert mit der Standarddicke das maximale Verhältnis von 10:1 ergibt. Aufgrund des schnelleren Werkzeugverbrauchs bei 6 mil Durchmesserbohrern im Vergleich zu größeren Bohrern, wird der höhere Preis von 6 mil Vias durch die Verwendung eines größeren Bohrdurchmessers überwunden, was ein kleineres Aspektverhältnis ergibt.

Ich werde typischerweise Bohrer mit einem Durchmesser von 10 mil am unteren Ende verwenden, es sei denn, ein BGA-Footprint oder ein Footprint für einen Steckverbinder mit hoher Pin-Dichte erfordert, dass ich einen kleineren Bohrdurchmesser verwende. Mit anderen Worten, ich könnte ein maximales Aspektverhältnis von 6:1 bei den meisten PCBs, die ich entwerfe, erwarten.

PCB-Via-Aspektverhältnis und Zuverlässigkeit

Nun, da wir typische Aspektverhältniswerte definiert haben, wie beeinflusst das Aspektverhältnis eines Vias dessen Zuverlässigkeit?

Dies ist eine wichtige Frage, da sie teilweise mit den Unterschieden in der Zuverlässigkeit zwischen mechanisch gebohrten Löchern und mit Lasern gebohrten Löchern, die in HDI-PCBs verwendet werden, zusammenhängt. Als Faustregeln, hauptsächlich um die Zuverlässigkeit der gebohrten, plattierten Strukturen zu gewährleisten, sind die typischen Grenzen für die Aspektverhältnisse wie folgt:

• Durchkontaktierte Vias: 12:1 oder kleiner
• Lasergebohrte Blind-/Begrabene Vias: 1:1 oder kleiner

Natürlich sind dies nur Faustregeln, und alle Faustregeln sind dazu da, gebrochen zu werden. Der Fall eines ungefähr 12:1 durchkontaktierten Vias mit einem 7 Mil Bohrer wäre nur typisch für eine 2 mm dicke Platine. Fälle, in denen man durchkontaktierte Vias mit sehr hohen Aspektverhältnissen zu sehen bekommt, tendieren dazu, bei nicht standardmäßigen PCBs aufzutreten, die größere Dicken haben, und in solch einem Fall ist eine Konsultation mit Ihrem Hersteller bezüglich der erlaubten Bohrgröße für Durchkontaktierungen notwendig.

Das gesagt, erinnere ich mich an eine Tour mit Summit Interconnect im Jahr 2021, und ihr Prozessingenieurmanager erklärte, dass sie zuverlässig Vias mit hohen Aspektverhältnissen und 6 Mil Bohrern herstellen und deren Zuverlässigkeit beweisen könnten. Die Expertise des Herstellers und ihre Fähigkeit, Zuverlässigkeit zu beweisen, ist hier sehr wichtig und unterstreicht die Notwendigkeit, sie früh zu kontaktieren, besonders wenn Ihre Platine nicht standardmäßig ist.

Ein weiterer Faktor, der oft nicht berücksichtigt wird, ist die Plattierungsdicke im Durchkontaktloch. Typischerweise könnte diese etwa 1 mil betragen, aber natürlich könnten Sie Ihren Hersteller bitten, es stärker zu plattieren. Durchkontaktwände mit dickerem Kupfer werden zuverlässiger sein, daher sollte es nicht überraschend sein, dass Sie bei dickerer Plattierung höhere Aspektverhältnisse erwarten könnten.

Dasselbe gilt, wenn blinde und vergrabene Vias verwendet werden, egal ob sie mit Laser gebohrt oder mechanisch gebohrt sind. Tatsächlich werden bei mit Laser gebohrten Vias, insbesondere bei solchen, die gestapelt werden, bei höheren Lagenzahlen niedrigere Aspektverhältnisse häufiger, hauptsächlich weil die Dicke des Dielektrikums kleiner wird.

Laser-Gebohrte Mikrovias und Größere PCB-Aspektverhältnisse

Mikrovias können auch größere Aspektverhältnisse haben, abhängig von der Größe des gebohrten Lochs und der Qualität der Kupferwickelplattierung bei sequentieller Laminierung. Für Durchkontaktvias spezifizieren IPC-Zuverlässigkeitsstandards auch Via-Aspektverhältnisse zwischen 6:1 und 8:1. Ein Via-Aspektverhältnis von 8:1 wird als eine Art erforderliche Fähigkeit unter PCB-Herstellern angesehen.: Laut IPC-T-50M sollte ein mit Laser gebohrtes Mikrovia ein maximales Aspektverhältnis von 1:1 haben.

Dies könnte auf einige mögliche Arten auftreten:

• Die Verwendung von Skip-Vias, um zwei oder mehr Schichten zu überbrücken
• Die Verwendung eines dickeren Dielektrikums in den HDI-Aufbauschichten
• Neuartige Verfahren, die Vias mit kleinem Durchmesser in dickeren Schichten ablegen

Das Stapeln von Mikrovias ist nicht unbedingt dasselbe wie die Verwendung eines einzelnen Vias mit hohem Aspektverhältnis. Die Zuverlässigkeit in einem Stapel hängt vom Aspektverhältnis eines einzelnen Vias und der Anzahl der Vias im Stapel ab. Heutzutage haben HDI-Hersteller die Expertise, ELIC-Lagenstapel zu bauen, die blind/begrabene Mikrovias durch den gesamten PCB-Stapel stapeln. Wenn Sie eine PCB mit hoher Lagenanzahl und fein pitchenden BGAs haben und sich für den Weg der gestapelten Mikrovias entscheiden, stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Hersteller kontaktieren und das geeignete Aspektverhältnis für die Mikrovias im Stapel bestimmen, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Herausforderungen bei der Via-Plattierung von PCBs

Das Bohren von Vias erfordert ein gewisses Verständnis für die Feinheiten, die das Hinzufügen von Tiefe zu Ihrer Schaltung und die Notwendigkeit der Fertigung mit sich bringen. Das Aspektverhältnis der Via beeinflusst die Schwierigkeit, mit der das Innere plattiert werden kann. Kupfer wird auf das Innere einer Via mittels Plattierungslösung abgeschieden. Die Plattierungslösung muss in der Lage sein, durch Kapillarwirkung in ein Vialoch zu sickern, um das Innere der Via vollständig zu plattieren.

Die Physik und Chemie, die bei der Mikrosäulenbeschichtung eine Rolle spielen, sind sehr interessant. Während der Kapillarwirkung zieht die Oberflächenspannung die Beschichtungslösung in die Durchkontaktierung, und Kupfer beginnt, sich entlang der Wand abzulagern. Aufgrund des Meniskus, der sich an der Oberfläche der Lösung bildet, wird der Kupfervorläufer aus der Lösung in tieferen Regionen der Durchkontaktierung schnell verbraucht. Als Ergebnis können die inneren Teile eines Durchkontaktierungsbarrels eine dünnere Beschichtung haben als an den Rändern der Durchkontaktierung.

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Kleine Durchmesser von Durchkontaktierungen auf einer HDI-Platine

Wenn das Aspektverhältnis der PCB-Durchkontaktierung größer ist, besteht das Risiko, dass das abgeschiedene Kupfer in der Wand der Durchkontaktierung dünner ist und das Zentrum einer solchen Durchkontaktierung anfälliger für Risse unter thermischer Belastung ist. Dies könnte durch Anpassung der Viskosität der Beschichtungslösung gelöst werden, aber praktischer ist der Ansatz, diesen Effekt auszugleichen, indem die geeignete Wurfwirkung im Galvanisierungsprozess für eine Durchkontaktierung mit hohem Aspektverhältnis eingestellt wird. Dies verbessert nicht nur die strukturelle Stärke der Durchkontaktierung, sondern auch ihre Zuverlässigkeit gegenüber thermischer Belastung.

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