Blind- und Buried-Vias – Was sind sie und wie werden sie verwendet?

Wie in mehreren meiner vorherigen Artikel sowie in einer großen Mehrheit anderer veröffentlichter Dokumente erwähnt, sind die Anschlussraster von Komponenten zunehmend feiner geworden, und Geräte mit kleineren Formfaktoren haben eine große Anzahl der heute entwickelten Produkte (Mobiltelefone) dominiert.

Die Frage, wie man Komponenten mit beiden Seiten dieser überfüllten PCBs verbindet, sollte zu den ersten Faktoren gehören, die von einem Produktentwicklungsteam berücksichtigt werden. Typischerweise wird dieser Verbindungsprozess durch die Verwendung von blinden und vergrabenen Vias durchgeführt. Dieser Artikel wird die verschiedenen Arten von Vias, ihre Anwendungen und Vorteile sowie ihre Nachteile beschreiben.

Einige Grundlagen und die Geschichte der Herkunft—Blind Vias

Zuerst ist es nützlich, ein wenig in die Ursprünge von Vias einzutauchen und wie sie verwendet werden. Ein Via ist ein gebohrtes und plattiertes Loch in einer PCB, das es einem Signal ermöglicht, von einer Seite der PCB zur anderen oder zu einer inneren Schicht zu gelangen. Vias können verwendet werden, um Komponentenanschlüsse mit Signalleitungen oder Ebenen zu verbinden oder um ein Signal zu ermöglichen, die Signalebene zu wechseln. Wenn ein Via durch die gesamte PCB geht, wird es als Durchkontaktierung oder Durchgangsvia bezeichnet. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Arten von Vias.

Abbildung 1. Die verschiedenen Arten von Vias

Blindvias

Wenn ein Via auf einer Seite einer PCB beginnt, aber nicht ganz durchgeht, wird es als Blindvia bezeichnet. Die vier Arten von Blindvias sind:

• Fotodefinierte Blindvias.
• Sequentielle Laminations-Blindvias.
• Kontrolltiefen-Blindvias.
• Lasergebohrte Blindvias.

Jeder dieser Typen wird unten detailliert besprochen

Fotodefinierte Blindvias: Ein fotodefiniertes Via wird erstellt, indem eine Schicht fotosensitiven Harzes auf einen Kern laminiert wird (dieser Kern besteht aus laminierten Schichten, die die Stromversorgungsebenen sowie einige vergrabene Signallagen enthalten können). Die Schicht des fotosensitiven Materials wird mit einem Muster bedeckt, das die Bereiche abdeckt, in denen die Löcher erstellt werden sollen, und wird dann Licht einer Wellenlänge ausgesetzt, das dazu führt, dass das verbleibende Material auf der Leiterplatte aushärtet. Anschließend wird die Leiterplatte in eine Ätzlösung getaucht, die das Material in den Löchern entfernt. Dies schafft einen Weg zur nächsten Schicht nach unten. Nach dem Ätzprozess wird Kupfer in das Loch und auf die äußere Oberfläche gelegt, um die äußere Schicht der Leiterplatte zu erstellen. Dieser Vorgang wird normalerweise gleichzeitig auf beiden Seiten der Leiterplatte durchgeführt und fügt jeder Seite eine Schicht hinzu.

Fotodefinierte Vias werden häufig verwendet, um mehrlagige organische BGA (Ball Grid Array)-Pakete und Handy-Leiterplatten zu erstellen. Der Vorteil ihrer Verwendung liegt darin, dass es genauso viel kostet, Tausende von Blindvias zu erstellen, wie nur ein einziges. Wenn nur wenige Blindvias benötigt werden, wird deren Verwendung zu einem Kostennachteil.

Sequentielle Laminierung Blindvia: Eine sequentielle Laminat-Blindvia wird erstellt, indem ein sehr dünnes Stück Laminat durch alle Schritte, die zur Erstellung einer zweiseitigen PCB erforderlich sind, verarbeitet wird. Das Laminat wird gebohrt, beschichtet und geätzt, um die Merkmale auf der Seite zu definieren, die die Schicht 2 des Boards bilden wird. Die andere Seite bleibt als solides Kupferblech zurück und wird die Schicht 1 der fertigen PCB bilden. Die Teilbaugruppe wird dann mit allen anderen Schichten der PCB laminiert. Die resultierende kombinierte Laminierung wird dann durch alle Schritte verarbeitet, die zur Erstellung der äußeren Schichten einer Mehrlagen-PCB erforderlich sind. Sequentielle Laminierungs-Blindvias wurden bei der Erstellung vieler der frühen Handy-PCBs verwendet. Es ist die teuerste Methode, Blindvias zu formen, aufgrund der zusätzlichen Prozessschritte, die erforderlich sind, und des Ausbeuteverlusts, der mit der Handhabung sehr dünner Laminate durch die Bohr-, Ätz- und Beschichtungsoperationen verbunden ist. Als Ergebnis sollte es als letzter Ausweg betrachtet werden, wenn Blindvias erforderlich sind.

Kontrolliert Tiefengebohrte Blinde Vias: Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, werden kontrolliert tiefengebohrte blinde Vias auf die gleiche Weise wie Durchgangsbohrungen erstellt. Hier wird der Bohrer so eingestellt, dass er nur teilweise durch die Leiterplatte dringt. Der Designer des Artworks platziert ein Pad auf Schicht 2, das vom Bohrer durchstoßen wird. Es wird darauf geachtet, dass sich unter dem gebohrten Loch keine Elemente befinden, die mit dem gebohrten Loch in Kontakt kommen könnten. Kupfer wird dann gleichzeitig mit den Durchgangsbohrungen in das gebohrte Loch plattiert.

Kontrolliert tiefe Vias sind die kostengünstigste Art von blinden Vias, da keine zusätzlichen Geräte oder Prozessschritte erforderlich sind, um sie zu erstellen. Die Einschränkungen dieser Vias sind, dass die Löcher groß genug sein müssen, um von mechanischen Bohrern erstellt zu werden, und der Bereich unter ihnen muss frei von Schaltkreisen gehalten werden, die versehentlich vom gebohrten Loch berührt werden könnten.

Lasergebohrte Blinde Vias: Diese werden erstellt, nachdem alle Schichten einer Leiterplatte laminiert wurden und bevor die äußere Schicht geätzt und plattiert wurde. Ein Laser wird verwendet, um das Kupfer auf der äußeren Schicht sowie das Isoliermaterial zwischen den Schichten 1 und 2 zu ablatieren. Es gibt zwei Arten von Lasern, die in diesem Prozess verwendet werden:

• CO₂-Laser
• Eximer-Laser

Der CO₂-Laser ist der leistungsstärkste Laser und hat daher die Fähigkeit, Löcher schnell zu bohren. Das Problem bei diesem Laser ist, dass die Wellenlänge des Lichts das Kupfer auf Schicht 1 nicht entfernen wird. Als Ergebnis muss dem Laserbohrschritt ein Ätzschritt vorausgehen, um die Löcher im Kupfer zu ätzen. Zusätzlich zu einem weiteren Verarbeitungsschritt bringt der erforderliche fotoabbildende Schritt ein Ausrichtungsproblem mit sich, da die Fotomaske mit den Pads auf Schicht 2, die zum Zeitpunkt der Verwendung des Lasers unsichtbar sind, ausgerichtet werden muss.

Der Excimer-Laser ist in der Lage, sowohl durch das Kupfer als auch durch das darunterliegende dielektrische Material zu bohren, um die Blindvia in einem einzigen Schritt zu formen. Diese Art von Laser ist aufgrund seiner Fähigkeit, ohne vorheriges Anbohren der Kupferschicht und ohne zusätzliche Kunstwerke auszukommen, zur bevorzugten Wahl für das Bohren von Blindvias mit Lasern geworden. Da der Laser sowohl das Kupfer als auch das Dielektrikum durchdringen kann, muss bei der Einrichtung darauf geachtet werden, dass das Loch durch das äußere Kupfer und das darunterliegende Dielektrikum geht, ohne das Kupferpad auf Schicht 2 zu durchschneiden. Abbildung 2 zeigt ein mit dem Laser gebohrtes Loch, das alles unerwünschte Material im Loch entfernt hat, ohne das Pad auf Schicht 2 durchbohrt zu haben.

Abbildung 2. Mit Laser gebohrte Blindvia

Die elektrischen Vorteile von Blindvias

Vias in Signalleitungen sind von der parasitären Kapazität betroffen, die durch den Zylinder des durchkontaktierten Lochs und die Ebenen, durch die es verläuft, entsteht. Diese parasitäre Kapazität ist hauptsächlich eine Funktion der Fläche der Außenseite des durchkontaktierten Lochs, welches ein Zylinder ist, der durch die PCB verläuft. Diese Fläche wird durch den Durchmesser des Bohrers und die Dicke der PCB bestimmt. Bei den heutigen hohen Datenraten kann diese parasitäre Kapazität das Signal so stark beeinträchtigen, dass es nicht mehr erfolgreich genutzt werden kann. Daher muss es eine Methode geben, um diese parasitäre Kapazität zu reduzieren. Blinde Vias erreichen dies, indem sie die Länge der Vias verkürzen und ihre Durchmesser verringern. Als Ergebnis sind blinde Vias eine gute Methode, um Signalleitungen zu verbinden, die mit mehr als 4,8 Gb/s arbeiten.

Die Nachteile von Blinden Vias

Es gibt mehrere Nachteile bei der Verwendung von Blindvias (fotodefiniert, kontrollierte Tiefe und Laser), die nach der Laminierung der PCB gebohrt werden. Die erste Einschränkung ist die Tiefe des Lochs im Verhältnis zum Durchmesser. Ein Blindvia ist ein blindes Loch in der Oberfläche der PCB. Es kann schwierig sein, die Plattierungschemie so in dieses Loch zu bekommen, dass das Kupfer am Boden und an den Seiten des Lochs abgelagert wird, besonders wenn die Tiefe des Lochs im Vergleich zu seinem Durchmesser groß ist. Um sicherzustellen, dass die Plattierung erfolgreich durchgeführt wird, muss der Durchmesser des Lochs so groß wie seine Tiefe sein. Dies wird als ein Aspektverhältnis von 1:1 oder weniger definiert. Viele Hersteller benötigen einen Durchmesser, der 1,5-mal so groß ist wie die Tiefe des Lochs, um eine ordnungsgemäße Plattierung zu garantieren. In den meisten Fällen schließt dies das Bohren eines Blindvias unterhalb der Schicht 2 der PCB aus. Der Entwicklungsingenieur muss in der Lage sein, alle Pins eines Bauteils mit feinem Raster, wie in Abbildung 3 gezeigt, entweder in Schicht 1 oder

2

zu verbinden.

Abbildung 3. Ein 0,5mm Rasterbauteil mit Blindvias

Es war nicht möglich, dies mit dem in dieser Abbildung gezeigten Bauteil zu tun, daher wurden viele der Pins von unter dem Bauteil herausgefächert, um gebohrte, durchgehende Verbindungen zu tieferen Schichten innerhalb der Leiterplatte zu ermöglichen.

Eine zweite Einschränkung bei der Verwendung von Blindvias besteht darin, die Fähigkeit zu haben, das Bohren auf der beabsichtigten Schicht zu stoppen. Wenn ein Laserbohrer verwendet wird, muss er durch das Kupfer auf Schicht 1 und das darunterliegende dielektrische Material bohren, ohne das Kupfer-Verbindungspad in Schicht 2 zu durchbohren. Das bedeutet, dass der Laserstrahl sorgfältig kalibriert werden muss. Wenn Tiefenkontrollbohrungen verwendet werden, muss der Bohrer stoppen, bevor er das Kupfer in den Schichten berührt, die unter der Schicht liegen, mit der die Verbindung hergestellt wird.

Ein drittes Problem, das mit Blindvias verbunden ist, hängt mit dem Löten einer Komponente an ein Pad zusammen, in das ein Blindvia gesetzt wurde. Ein potenzielles Zuverlässigkeitsproblem kann durch die Löcher verursacht werden. (Referenz 47 in Band 1 unseres Buches beschreibt dieses Problem). Wenn Lötpaste auf die Pads aufgetragen wird, wird die Luft im Blindvia unter dem Loch, gerade unter dem BGA, eingeschlossen. Diese winzige Luftblase schwächt die Verbindung so sehr, dass offene Schaltkreise auftreten werden, wenn die Leiterplatte durch die verschiedenen Betriebstemperaturen zyklisiert. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen:

1. Füllen Sie das Loch vollständig mit galvanisiertem Kupfer, wie in Abbildung 4 gezeigt.

2. Bohren Sie das blinde Via seitlich neben dem Pad.

Abbildung 4. Gestapeltes blindes Via mit Oberflächen-Via, gefüllt mit Kupfer

In Abbildung 4 wurden drei blinde Vias übereinander gestapelt. Das untere Via wurde zusammen mit allen anderen Vias auf der Leiterplatte geformt. Die oberen zwei Vias wurden mit dem unten diskutierten Aufbauprozess geformt. Jedes Via wurde so geformt, wie in Abbildung 1 gezeigt. Nachdem das blinde Via und alle anderen Vias galvanisiert wurden, wurde das Panel erneut durch den Galvanisierungsresist-Prozess geschickt, wo eine neue Schicht Resist einem Muster ausgesetzt wurde, in dem nur die blinden Vias freigelegt waren. Dann wurde Kupfer in die blinden Vias galvanisiert, bis es die Hohlräume vollständig füllte. Diese Operation wird oft als Button-Plating bezeichnet. Um sicherzustellen, dass jedes blinde Via mit Kupfer gefüllt wird, läuft die Galvanisierungsoperation, bis Kupfer über die Oberfläche hinausragt. Nachdem der Galvanisierungsprozess abgeschlossen ist, wird der Galvanisierungsresist entfernt und die gesamte Oberfläche der Leiterplatte wird abgeschliffen, um das Kupfer zu glätten. All diese zusätzlichen Schritte im Galvanisierungsprozess erhöhen die Kosten für die fertige Leiterplatte. Abbildung 4 zeigt die Operation des blinden Vias, dreimal durchgeführt, eines über dem anderen.

Ein alternativer Ansatz für das Blasenproblem besteht darin, die blinde Durchkontaktierung neben der Komponente zu bohren (dies wird auch in Referenz 47 unseres Band 1 Buches beschrieben). Dieser Ansatz erfordert keine zusätzlichen Prozessschritte. Es erfordert jedoch, dass der Produktentwickler Platz für die blinde Durchkontaktierung an der Seite des Pads vorsieht. Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für Durchkontaktierungen, die seitlich des Zentrums gebohrt wurden.

Abbildung 5. Versetzte, mit Laser gebohrte blinde Durchkontaktierungen

Dies lindert das Blasenproblem, weil sich die besagte Blase an der Seite des Lötkugels bildet und nicht in dessen Mitte. Hinweis: Wenn sich eine Luftblase nicht direkt unter der Lötkugel befindet, verursacht sie keine Probleme.

Wenn es notwendig ist, Durchkontaktierungen in zwei Schichten zu bauen, eine über der anderen, wie in Abbildung 4 gezeigt, und man die zusätzlichen Schritte zum vollständigen Verkupfern der Durchkontaktierungen vermeiden möchte, gibt es einen alternativen Ansatz. In diesem Fall platzieren Sie die zweite Durchkontaktierung neben der ersten, so dass sie nicht auf der Höhlung landet, die durch die erste Durchkontaktierung gebildet wurde.

Blinde Durchkontaktierungen schiefgegangen

Wie oben erwähnt, gibt es mehrere Wege, auf denen Blindvias „schlecht werden“ können. In dem oben genannten Fall können die Probleme das Ergebnis der Auswahl des falschen Viatyps für das zu entwerfende Produkt sein, das falsche Einbinden des Vias in das Gesamtdesign der Platine oder das Via wird nicht korrekt hergestellt. Eine weitere Ursache für schlechte Vias kann mit dem Glasgewebe zusammenhängen, das in Laminaten verwendet wird. Abbildungen 6-8 sind Beispiele für diese Arten von schlechten Vias. Alle waren schlecht aufgrund der Nicht-Uniformität des Webstils der Glasgewebe innerhalb der Laminate – auch bekannt als das Fehlen von mechanisch ausgebreitetem Glas. Ich habe das Thema mechanisch ausgebreitetes Glas in einem früheren Blog besprochen.

Abbildung 6. Schlechtes Blind Via Beispiel 1

Abbildung 7. Schlechtes Blind Via Beispiel 2

Abbildung 8. Schlechtes Blind Via Beispiel 3

Vergrabene Vias

Wenn eine Durchkontaktierung zwischen zwei inneren Lagen einer Leiterplatte verläuft, aber keine der Oberflächen berührt, handelt es sich um eine vergrabene Durchkontaktierung (Buried Via). Ein häufiger Fehler ist es, eine blinde Durchkontaktierung (Blind Via) als Mikrovia zu bezeichnen. Laut IPC ist eine Mikrovia eine Durchkontaktierung, deren Durchmesser 8 Mil oder weniger beträgt, unabhängig davon, ob sie die Leiterplatte vollständig durchdringt oder nicht. Eine vergrabene Durchkontaktierung kann zwischen beliebigen zwei Lagen verlaufen, wie in Abbildung 1 gezeigt, oder sie kann durch mehrere Lagen verlaufen, wie in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9. Vergrabene Durchkontaktierung

In beiden Fällen wird die vergrabene Durchkontaktierung durch die Bearbeitung des beteiligten inneren Lagen-Sets mittels des in Abbildung 10 dargestellten Prozesses geformt. Dies sind alle Schritte, die zur Erstellung einer fertigen Leiterplatte mit zusätzlichen, außen angebrachten Lagen mittels des Aufbauprozesses erforderlich sind. Dies ist offensichtlich ein teurerer Prozess als die geradlinige Verarbeitung von Mehrlagenleiterplatten. Viele der BGA-Substrate, die in Geräten mit hoher Pinanzahl verwendet werden, werden auf diese Weise hergestellt, ebenso wie Mobiltelefone.

Sie können mehr über die Verwendung von blinden und vergrabenen Vias in Altium Designer hier lesen. Haben Sie weitere Fragen? Rufen Sie einen Experten bei Altium an oder verbessern Sie Ihre Fähigkeiten, indem Sie mehr über das beste Werkzeugset für die Erstellung von PCB-Vias im PCB-Design mit Altium Designer^® lesen.