Rückbohren und Füllen für blinde und vergrabene Vias in PCBs

Blind Vias sind nicht nur für HDI-PCBs gedacht, sie werden auch in Standardkonstruktionen mit mechanischem Bohren und ohne dünne Außenschichten oder Aufbaufolien verwendet. Diese Designs finden ihren Einsatz in vielen verschiedenen Systemen, und für mich ist dies am häufigsten bei Hochgeschwindigkeitsdesigns oder RF-Designs der Fall, die abgeschlossene Löcher für Pressfit-Stifte oder Gewindestifte benötigen. Unabhängig von der Anwendung führt die Präsenz dieser Löcher zu einem mehrfachen Laminierungsprozess, um die Schichten zu bohren, zu plattieren und in den PCB-Stackup zu pressen.

Die Anzahl der Laminierungen, die benötigt werden, um einen PCB zu bauen, ist ein guter Indikator für den Preis, vorausgesetzt, es wird ein traditioneller Ätz- und mechanischer Bohrprozess verwendet. Je nachdem, wie Blind-/Buried-Vias in einem PCB verwendet werden, entspricht die Anzahl der Laminierungen möglicherweise nicht Ihrer anfänglichen Zählung. Bevor Sie also mit dem Platzieren von Blind- und Buried-Vias in Ihrem PCB-Stackup beginnen, beachten Sie, dass Ihr Hersteller möglicherweise einen alternativen Ansatz zum Bau Ihres PCBs wählt, was die Gesamtkosten und den Routing-Bereich beeinflussen könnte. Ich werde untersuchen, wie die Platzierung von Blind- und Buried-Vias die Anzahl der Laminierungszyklen beeinflusst und letztendlich die Anzahl der Verarbeitungsschritte und die damit verbundenen Kosten.

Die Kosten von Laminierungszyklen

Jeder Laminierzyklus in der PCB-Herstellung beinhaltet einen Bohr- und Plattierungsschritt, und so können wir Blind-/Buried-Vias in einem PCB-Stackup bilden. Wenn Blind-/Buried-Vias in einem Design vorhanden sind, werden mehrere Laminierschritte verwendet, um jede Gruppe von geätzten Schichten zu verbinden und den endgültigen Stackup zu erstellen. Jeder Laminierzyklus fügt Verarbeitungsschritte hinzu und erhöht somit die Kosten des Designs. Obwohl Blindvias in vielen Produkten absolut notwendig sind, können einige einfache Überlegungen zur Reihenfolge der Verarbeitungsschritte einen Teil der zusätzlichen Kosten ausgleichen und helfen, Ihr Produkt wettbewerbsfähig zu halten.

Normalerweise würden wir einfach die Anzahl der Lagenabstände zählen, die Blind-/Buried-Vias benötigen, 1 Zyklus für den zentralen Kern oder die Decklagen außerhalb des Stackups hinzufügen, und wir erhalten die Gesamtzahl der erforderlichen Laminierungen. Betrachten Sie zum Beispiel den untenstehenden Stackup mit einem Durchgangsloch-Via und einem vergrabenen Via für eingebettete gedruckte RF-Schaltungen, über die ich in einem anderen Artikel detaillierter spreche.

In diesem Beispiel haben wir einen symmetrischen Stackup, der zwei Laminierzyklen erfordert: einen für das eingebettete vergrabene Via und einen weiteren Zyklus für die zwei äußeren Schichten. Dies ist ein einfaches Beispiel, das den standardmäßigen Mehrfach-Laminierprozess veranschaulicht, der erforderlich ist, um Blind-/Buried-Vias zu bilden.

Es gibt Fälle, in denen die Verwendung von Blind-/Buried-Vias weniger Laminierzyklen ermöglichen oder einen anderen Verarbeitungsansatz als die einfache sequenzielle Laminierung erlauben, wie wir sie bei einem der standardmäßigen HDI-Stackups finden könnten. Einige dieser Fälle umfassen:

• Blindvias, die von einer Oberflächenschicht ausgehen oder versetzte Buried-Vias (nicht-hybride Aufbauten)
• Stackups mit kreuzenden Blind-/Buried-Vias
• Hybride Stackups mit Blind-/Buried-Vias
• Umgekehrte Stackups (oder Cap-Core-Stackups)

Backdrill-and-Fill

Ein alternativer Prozess, der anstelle der sequenziellen Laminierung verwendet werden kann, ist das Backdrill-and-Fill in spezifischen Schichten, da dies einen oder mehrere Laminierungsschritte eliminieren könnte. Beim Backdrill-and-Fill wird ein Blind- oder Buried-Via über die Schichtspanne hinaus gebildet, in der er benötigt wird, aber dann bohrt der Hersteller den Blind-/Buried-Via auf die Länge zurück. Dies beendet das Via auf der gewünschten Schicht, und der übrig gebliebene Raum im gebohrten Dielektrikum wird mit nicht-leitendem Epoxid gefüllt. Der gefüllte Bereich kann dann überplattet werden, wie in Fällen, in denen die gebohrte Schicht eine Kupferplane-Schicht ist.

In einigen der oben genannten Beispiele kann dies eine bevorzugte Methode sein, um einige der Stackups zu fertigen, da es einen oder mehrere Laminierungszyklen eliminieren könnte. Ein wenig Vorahnung der Verarbeitungsschritte in diesen Beispielen wird Ihnen helfen, Ihre Verwendung von blinden/begrabenen Vias besser zu planen und möglicherweise einige Laminierungsschritte in der PCB-Fertigung zu eliminieren.

Asymmetrische Blinde/Begrabene Vias

Die PCB-Fertigung geht im Allgemeinen von einer Symmetrie in der Schichtanordnung aus und dementsprechend auch bei der Laminierung. Jedoch können PCB-Stackups mit blinden/begrabenen Vias eine asymmetrische Platzierung im Stackup verwenden. Zum Beispiel, bei einem begrabenem Via wie im Fall unten, wird dies ein klassischer Fall sein, bei dem Rückbohren-und-Füllen als Fertigungslösung bewertet wird, anstatt eine zusätzliche Laminierung zu verwenden.

In diesem Beispiel würde das Beibehalten der symmetrischen Schichtanordnung während der Fertigung zwei mögliche Prozesse verursachen:

• Zuerst L3-L6 fertigen, gefolgt von den Schichtpaaren L2/L7 und L1/L8 (insgesamt 3 Laminierungen)
• Zuerst L2-L7 fertigen, zurückbohren-und-füllen und mit dem Schichtpaar L1/L8 abschließen (insgesamt 2 Laminierungen)

Im L6-L7 Backdrill- und Füllprozess besteht das Risiko, dass der Backdrill Leiterbahnen in der Nähe der Bohrungen beschädigt. Offensichtlich hebt dies den Hauptvorteil der Verwendung von Blind-/Buried-Vias auf, der darin besteht, etwas Routing-Platz zu ermöglichen, indem der Via-Barrel und die Pads von außenliegenden Leiterbahnen ferngehalten werden. Daher funktioniert dies am besten, wenn der zurückgebohrte Teil nur das Durchbohren von Kupferflächen oder einer Lagenfläche beinhaltet. Bei einer Lagenfläche wird der Backdrill durch Kupfer schneiden, aber das erforderliche Wiederbeschichten von Kupfer wird überall gleich sein, sodass eine Standardbeschichtung verwendet werden kann, um das Kupfer neu zu formen.

Kreuzende Blind-/Buried-Vias

Lassen Sie uns nun den Fall von Blind-/Buried-Vias betrachten, die sich in verschiedenen Lagenbereichen kreuzen. Dieser Fall ist am interessantesten, da er auch versetzte (asymmetrische) Anordnungen von Vias beinhalten kann, die sich dann auch im PCB-Stackup kreuzen. Obwohl es einige elektrische Gründe geben könnte, die diese kreuzenden Blind-/Buried-Vias erforderlich machen, könnten kreative Lagenzuweisungen einen Backdrill- und Füllprozess für einige Lagenbereiche ermöglichen.

Beispielsweise betrachten Sie den folgenden Stackup. Dies kann mehrere Blind-Vias beinhalten, die sich im Stackup kreuzen, was zu mehreren Runden von Backdrill- und Füllvorgängen während der Fertigung führt.

Bei einem Backdrill-and-Fill-Fertigungsprozess für diesen Stackup wäre die typische Ansicht, dass das Design drei Laminierungen mit Bohren und Plattieren umfasst, gefolgt vom Bohren und Plattieren der Durchgangsloch-Vias. Die gemischten größeren Vias und vergrabenen Vias könnten jedoch tatsächlich wie folgt durchgeführt werden:

• Der Abschnitt von L3 bis L8 wird zuerst mit vollständigem Durchgangslochbohren und -plattieren in diesem Lagenbereich gefertigt
• Die längeren blinden Vias im L3-L8-Lagenbereich werden zuerst zurückgebohrt, während die verbleibenden Vias in einem späteren Schritt die vergrabenen Vias bilden
• Die zurückgebohrten Löcher werden mit nichtleitendem Epoxid gefüllt und auf allen Kupferlagenebenen plattiert
• Die äußeren Lagenbereiche werden gebohrt, laminiert und plattiert
• Die L1-L10-Durchgangslöcher werden gebohrt und plattiert, um den Stackup zu vervollständigen

Es könnte Gründe geben, warum eine dedizierte Blindvia mit einem spezifischen Lagenabstand benötigt wird, selbst wenn ihr Span über einen anderen Lagenabstand hinausgeht. Ein Anwendungsfall, den ich oben erwähnt habe, ist der Fall von eingebetteten RF-Schaltungen, ein anderer ist der Fall von Pressfit-Pins bei einem dicken PCB-Stackup. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Eliminierung eines Rückbohrens bei einer Pin-Einfügung für einen Übergang bei einem Hochgeschwindigkeitsstecker. Welcher Anwendungsfall auch immer vorliegen mag, jede kreuzende Blind-/Buried-Via wird mehr Kosten verursachen, daher konzentrieren Sie sich darauf, welche Überschneidungen Sie konsolidieren können und planen Sie wichtige Signale um diese Übergänge herum.

Hybrid-Stackups mit Blindvias

Hybrid-Stackups sind Designs, bei denen der PCB-Stackup eine Mischung aus Materialsets verwendet. Am häufigsten involviert dies den Einsatz von PTFE und standardmäßigen FR4-Materialien für RF+digitale Designs (über die ich in anderen Artikeln ausführlich gesprochen habe), aber natürlich können auch andere Materialsets gemischt werden. Wenn diese Stackups Blind-/Buried-Vias beinhalten, werden sie auch mehrere Laminierungen erfordern, wie man erwarten würde.

Die Frage bei einem Hybrid-Stackup ist, ob man die einzelnen Hybrid-Laminate zuerst laminiert und diese dann stapelt/beschichtet, um Durchkontaktierungen zu bilden, oder ob man jede Hybrid-Schicht einzeln aufbringt und bohrt/beschichtet, um die endgültigen Vias zu formen. Nehmen wir zum Beispiel die Materialgruppierung für einen Hybrid-Stackup unten.

Hieraus können wir zwei potenzielle Bereiche erkennen, wo Rückbohren-und-Füllen angewendet werden könnte:

• Von L1 zu L2 bei der 2:3 vergrabenen Via
• Von L5 zu L6 bei der 6:10 blinden Via

Bei dem äußeren Hybrid-Materialsatz macht es nicht viel Sinn, Rückbohren-und-Füllen durchzuführen, um die äußere kleine vergrabene Via zu bilden. Für die inneren Vias könnte es sinnvoller sein, da sich die überlappenden blinden Vias nur um eine Schicht verfehlen. In diesem Fall würde Rückbohren-und-Füllen, solange der zurückgebohrte Schichtbereich eine Plane-Schicht beinhaltet oder sie frei ist und keine Leiterbahnen hat, eine der Laminierungen eliminieren.

Umgekehrter Stackup (auch bekannt als Cap-Core-Stackups)

Cap-Core-Stackups platzieren effektiv Ebenen auf den äußeren Schichten und verwenden vergrabene Vias auf den inneren Signallagen, um Signalleitungen zu verlegen. Durchkontaktierungen werden verwendet, um Komponenten auf den anderen Schichten zu erreichen und die externen Ebenen miteinander zu verbinden. Das einfachste Beispiel ist bei einer 4-Lagen-PCB, wo die zwei internen Lagen für Signale verwendet und mit vergrabenen Vias verlegt werden. Bei einer höheren Lagenanzahl benötigen die äußeren Kapplagen immer noch die abschließenden Laminierungen vor dem Bohren und Plattieren der Durchkontaktierungen, aber die inneren Lagen könnten stattdessen einen Rückbohr-und-Füllprozess anstelle einer sequenziellen Laminierung verwenden. Dies wird im untenstehenden Cap-Core-Stackup gezeigt.

Es gibt mehrere Optionen, wo Backdrill-and-Fill angewendet werden könnte: im Bereich zwischen langen/kurzen vergrabenen Vias (L3-L4 und L7-L8), außerhalb des L4-L7 Schichtbereichs oder auf den Kapplagenspannen (L1-L2 und L9-L10). Die Kapplagenspannen machen in einem Kappe-Kern-Stackup aufgrund der Verwendung von Ebenen auf der äußeren Schicht am meisten Sinn, aber nur solange der Backdrill nicht auf Komponentenpads übergeht, sodass er möglicherweise nur auf einer einseitigen PCB verwendet wird. Die inneren Schichtspannen sind ebenfalls Kandidaten, insbesondere in diesem 10-Lagen-Kappe-Kern-Stackup, der zusätzliche Ebenen im Inneren des Stackups enthalten könnte.

Zusammenfassung

Wann immer Verzinnen nach dem Zurückbohren verwendet wird, könnte es eine Delle im Verzinnungsbereich in der neu verzinnten Schicht geben. Diese Delle wird normalerweise so klein wie ~1 mil sein. Wenn Backdrill-and-Fill angewendet wird, erfolgt dies normalerweise bei mechanisch gebohrten blinden/vergrabenen Vias, die dickere Dielektrika belegen werden. Daher wird in den meisten praktischen Fällen die verbleibende Delle die natürliche Dickenvariation der dielektrischen Schicht nicht beeinflussen.

Es mag paradox erscheinen, Backdrilling in ein PCB-Via-Design einzubringen, das eigentlich darauf abzielt, Backdrilling zu eliminieren, doch zeigt es, dass der bedachte und gezielte Einsatz von Backdrilling letztendlich eine große Kostenersparnis darstellen kann. Ein wenig Voraussicht könnte es Ihnen ermöglichen, von diesem Prozess zu profitieren und ihn sogar für die Fertigung zu spezifizieren.

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