Wählen Sie das richtige Mikrovias-Aspektverhältnis in Ihrer HDI-PCB

Wenn Sie sich nicht mit PCB-Design oder Elektronik im Allgemeinen auskennen, fragen Sie sich wahrscheinlich, wie es neuere Elektronik schafft, so viel Funktionalität in zunehmend kleinere Geräte zu packen. Es braucht mehr als nur Moores Gesetz, es braucht kreative PCB-Designmethoden, um all diese Funktionalität in einem einzigen Gerät unterzubringen. Dies führte zur Entstehung des HDI-Designs für dicht gepackte Leiterplatten und kleine Elektronikgeräte, wie Smartphones und kleine Embedded-Systeme.

Vias hinterlassen ihre Spuren in Mehrlagen-PCBs und werden verwendet, um Verbindungen zwischen Signallagen zu routen oder Signallagen mit Strom-/Masseebenen zu verbinden. In einem HDI-PCB-Layout müssen Mikrovias sorgfältig entworfen werden, um sicherzustellen, dass sie zuverlässig sind und den Fähigkeiten des Herstellers entsprechen. Da die Platinen kleiner und dichter werden, ist es verlockend, auf Mikrovias umzusteigen, um die erforderliche Konnektivität in einem neuen Gerät zu schaffen. Das Designen und Routen mit Mikrovias erfordert die Auswahl des richtigen Mikrovia-Aspektverhältnisses, da dies ein wesentlicher Bestimmungsfaktor für Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit ist.

Mikrovia-Aspektverhältnis

Der Begriff "Mikrovia" wird manchmal verwendet, um jede Via mit einem Durchmesser von weniger als 6 Mil zu bezeichnen. Die offizielle Definition einer Mikrovia laut IPC ist:

• „[a] blinde Struktur (wie beschichtet) mit einem maximalen Aspektverhältnis von 1:1…, die auf einer Ziel-Landung endet oder diese durchdringt, mit einer Gesamttiefe (X) von höchstens 0,25 mm [0,00984 in], gemessen von der Fanglandfolie der Struktur bis zur Ziel-Landung.“

Mit anderen Worten, wir haben nicht nur eine Begrenzung beim Durchmesser, sondern auch beim Aspektverhältnis für die Strukturen, die wir normalerweise als Mikrovias bezeichnen. Dies setzt Grenzen sowohl dafür, wo das Mikrovia auf der Platine verwendet werden kann, als auch dafür, wie groß sie sein können oder was sie verbinden können. Wenn man sich die Struktur einer typischen HDI-PCB ansieht, die Mikrovias verwendet, sieht man eine dicke Kernschicht, die mit kleineren Prepreg-Schichten gestapelt ist. Diese äußeren Schichten unterstützen Mikrovias, Durchgangsbohrungen oder typische vergrabene Vias. Die Kernschicht ist jedoch dick genug, dass man die Zielvorgaben für das Aspektverhältnis von Mikrovias nicht erreichen kann, daher sollte nur ein gebohrtes vergrabenes Via in der Kernschicht platziert werden. Das Bild unten zeigt, wie Mikrovias normalerweise neben standardmäßigen Durchgangsbohrungen oder mechanisch gebohrten vergrabenen Vias durch die dickeren zentralen Kern-/Prepreg-Schichten angeordnet sind.

Bezüglich einer einfachen Formel wird das Aspektverhältnis von Mikrovias definiert als:

Mikrovias Aspektverhältnis = (Dielektrikumdicke auf der Außenschicht + Dicke der äußeren Kupferfolie) / Mikrovias Durchmesser

Daher ist nicht nur die Dicke des Dielektrikums wichtig, sondern auch das Kupfergewicht spielt eine wichtige Rolle. Die obige Formel deutet darauf hin, dass man eine dickere Kupferfolie auf der Landfläche verwenden kann, um einen größeren Mikrovias Durchmesser zu ermöglichen, während man gleichzeitig ein Ziel-Aspektverhältnis für Mikrovias erreicht. Die hier gezeigten Definitionen des Aspektverhältnisses von Mikrovias gelten für blinde Mikrovias auf der Außenschicht oder vergrabene Mikrovias, die zwischen den Innenschichten verbinden.

Die primäre Überlegung im HDI-Design ist die Auswahl eines Mikrovias-Aspektverhältnisses, das Zuverlässigkeit gewährleistet und mit hoher Qualität hergestellt werden kann. Dies ist wichtig, da die IPC im Jahr 2019 eine wichtige Zuverlässigkeitswarnung bezüglich der Verwendung von Mikrovias mit großem Aspektverhältnis in gestapelten Anordnungen herausgegeben hat; in einigen Zuverlässigkeitsstudien wurde festgestellt, dass Mikrovias mit großem Aspektverhältnis während der Reflow-Zyklen anfällig für Ausfälle waren. Dies führt zur Verwendung eines größeren Mikrovias-Durchmessers, dünnerer Kupferfolie auf der Landfläche oder beidem. Das Aspektverhältnis eines Mikrovias stellt auch verschiedene Arten von Herausforderungen während der Fertigung dar, und der Übergang zu einem insgesamt kleineren Mikrovia bei einem gegebenen Aspektverhältnis erfordert einen anderen Bohrprozess, um die Kosten zu senken, insbesondere bei dünneren Dielektrika.

Arten von Mikrovias

Microvias können im Allgemeinen in jedes Standard-PCB-Dielektrikum platziert werden, egal ob es sich um ein glasfaserverstärktes Epoxidharz-Laminat oder um mit Harz beschichtetes Kupferfolienmaterial (RCC) handelt. Sie können durch mechanisches Bohren (für größere Durchmesser) oder mit Laserbohren (für kleinere Durchmesser und Aspektverhältnisse) hergestellt werden. Die typischen Strukturen von Microvias sind:

• Blind-Microvias: Diese Microvias erstrecken sich von einer Oberflächenschicht zur direkt darunterliegenden Schicht in einem HDI-Stackup. Diese Strukturen können mit Kupfer gefüllt oder ungefüllt sein, obwohl Microvia-in-Pad-Designs gefüllte Strukturen verwenden sollten, um eine gleichmäßige Platzierung für das Löten zu gewährleisten.
• Begrabene Microvias: Diese Microvias sind im Grunde genommen Blindvias, die auf innere Schichten beschränkt sind. Sie müssen auch die Standard-Aspektverhältnis-Anforderungen erfüllen, um Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit zu gewährleisten. Begrabene Vias sollten mit dem entsprechenden Verfahren gefüllt werden, um sicherzustellen, dass sie den Belastungen, die sie während des Betriebs beim Reflow-Löten oder thermischen Zyklen erfahren könnten, standhalten können.
• Übersprungene Microvias: Das Microvia wird in einem Vorgang gebildet, bei dem zwei oder mehr HDI-Dielektrikumschichten durch die Länge des Vias überspannt werden. Diese Microvias eignen sich am besten, um dünnere Dielektrika zu überspannen, da dies der beste Weg ist, um sicherzustellen, dass Sie die gewünschte Verbindung herstellen können, während das erforderliche niedrige Microvia-Aspektverhältnis beibehalten wird.

In Bezug auf die Designanforderungen für diese Strukturen sollten größere Aspektverhältnisse gestaffelt werden, wie in der obigen Querschnittsansicht gezeigt, während es möglich sein könnte, Mikrovias mit kleineren Aspektverhältnissen zu stapeln. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Hersteller kontaktieren, da dieser in der Lage sein sollte, Sie hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Ausbeute von Mikrovias in ihrem Prozess zu beraten.

Mikrovia-Herstellungsprozesse

Mechanisches Bohren kann verwendet werden, um Mikrovias mit größerem Durchmesser zu platzieren, aber es gibt keine Begrenzung für Aspektverhältnisse. Es kann nützlich sein, wenn die Dicke des Dielektrikums größer ist und es bereits verwendet wird, um Durchgangsbohrungen und alle vergrabenen Vias zu platzieren, die durch den Kern gehen. Bei dickeren Dielektrika kann jedoch ein sehr dünner Bohrer während der Herstellung verbiegen, was zu einer gewissen Fehlregistrierung führen kann. Beachten Sie auch, dass mechanische Bohrer nur weniger Bohrhits überleben können und die Überlebenszeit abnimmt, wenn die Dicke des Dielektrikums größer ist. Aus diesem Grund ist es oft besser, bei der Verwendung von gebohrten Mikrovias ein dünneres Dielektrikum (~4 mils) zu verwenden.

Laserbohren wird verwendet, um Mikrovias mit kleinerem Durchmesser herzustellen, aber die Tiefenschärfe des Laserstrahls erlaubt es diesen Mikrovias nur, eine einzelne Schicht in einem dünneren Dielektrikum zu durchqueren. Diese Vias haben typischerweise ein Aspektverhältnis von weniger als 1:1, abhängig von der Bohrtiefe und dem Durchmesser des Vialochs. Längere gestapelte Strukturen erfordern mehrere Laserdurchgänge, die eine geringere Fehlregistrierungswahrscheinlichkeit als mechanisches Bohren haben können.

Beachten Sie, dass Sie zumindest für interne vergrabene Mikrovias nicht einfach zu dickerem Kupfer übergehen können, um das Aspektverhältnis des Mikrovias künstlich zu erhöhen oder die Zuverlässigkeit der Platine zu verbessern. Der Grund ist, dass die benachbarte Prepreg-Schicht möglicherweise nicht vollständig Hohlräume um das Land des Mikrovias während des Pressens füllt, insbesondere wenn der Harzgehalt niedrig ist. Bei sehr dichten Fiberglasgewebe-Prepregs, wie gespreizten Glasgeweben (7628), wird der Harzgehalt niedrig genug sein, dass möglicherweise einige Hohlräume um das Land herum übrig bleiben. Dies ist ziemlich wichtig, da HDI-Designs dazu neigen, mit höheren Geschwindigkeiten zu laufen, bei denen die Effekte des Fasergewebes wichtig werden können. Um mehr über dieses Problem mit der Kupferdicke auf internen Schichten zu erfahren, lesen Sie diesen aktuellen Artikel.

BGA-Ausbruch und Plattendicke

Typischerweise kümmern sich die Designrichtlinien, die im HDI-PCB-Design verwendet werden, nicht um die Gesamtdicke des Lagenstapels, es sei denn, es wird ein Durchgangsloch durch den gesamten PCB-Stapel benötigt. Stattdessen konzentrieren wir uns im Allgemeinen nur auf die Dicke der dielektrischen Schicht, wenn wir über HDI-PCB-Design und das Aspektverhältnis von Mikrovias sprechen. Sobald die Größe Ihrer Platine eine bestimmte Dicke und Lagenanzahl erreicht, sind standardmäßige Durchgangsloch-Vias für das BGA-Breakout bei feinpitchigen BGAs nicht mehr nützlich: Das Aspektverhältnis dieser Durchgangslöcher wird zu groß und Sie werden Mikrovias verwenden wollen. Als Beispiel denken Sie an den Fall des BGA-Breakout-Routings unter Verwendung von Durchgangsloch-Vias. Bohrbeschränkungen würden erfordern, dass Sie Vias mit breiteren Löchern verwenden, um aus dem BGA herauszubrechen. Dies erfordert dann die Verwendung eines BGA mit gröberem Pitch und verbraucht wertvollen Platz. Ihre Komponenten erlauben dies möglicherweise nicht aufgrund von Pitch-Beschränkungen:

• Bei größeren Pitches können Lötstopplack definierte (SMD) Pads zusammen mit Mikrovias bei Dog-Bone-Fanout verwendet werden
• Bei einem Pitch von 0,5 mm und kleiner wird oft die Verwendung von Mikrovias erforderlich, obwohl dies vom Fanout abhängt
• Bei einem Pitch von weniger als 0,5 mm ist es möglich, 6 mil mechanische Bohrungen in-Pad zu verwenden, aber die Pad-Größe lässt möglicherweise nicht genug Ringfläche übrig, um den IPC-Standards zu entsprechen

Bei höherer Pin-Dichte, wie bei hochpoligen BGAs mit kleinem Pitch, werden letztendlich Mikrovias benötigt, um Leiterbahnen von unterhalb der Komponente herauszuführen. Wenn Sie zu höheren Pin-Dichten kommen, wie bei fortschrittlichen Prozessoren mit Hunderten oder Tausenden von Pins mit geringem Pitch, ist die typische Dog-Bone-Fanout-Strategie nicht mehr nützlich und das BGA muss direkt an Via-Pads angebracht werden.BGA-Pads, die weniger als 0,5 mm betragen, können möglicherweise mechanisches Bohren ohne Erhöhung der Fertigungskosten nicht aufnehmen. Wenn wir zu sehr feinem Pitch kommen, wie bei 0,35 mm BGA-Komponenten, kann ein laser-gebohrtes Mikrovia-in-Pad erforderlich sein, um diese Komponenten auf Ihrer Leiterplatte zu montieren.

Ein Prozess für die Mikrovia-Größenbestimmung

Sobald Sie sich für eine obere Grenze des Aspektverhältnisses in Ihrem Design entschieden haben und einen geeigneten standardisierten HDI-Aufbau festgelegt haben, können Sie die Schichtdicke verwenden, um die passende Mikrovias-Größe zu bestimmen:

1. Wählen Sie einen standardisierten HDI-Aufbau und Schichtdicken.
2. Basierend auf der Schichtanzahl und Dicke, wählen Sie geeignete laserbohrbare Prepreg-Materialien für die Aufbauschichten aus
3. Mit der oberen Grenze des Aspektverhältnisses bestimmen Sie die untere Grenze der Lochgröße und Padgröße, die für Ihre Mikrovias erforderlich ist.
4. Wenn die Loch-/Padgrößen in #3 nicht unter feinbestückten Komponenten (BGAs) funktionieren, muss möglicherweise die Schichtdicke verringert werden.
5. Wenn die Dicke der Aufbauschicht nicht verringert werden kann, muss möglicherweise die obere Grenze des zulässigen Aspektverhältnisses erhöht werden

In Schritt 4 ermöglicht die Verringerung der Schichtdicke eine kleinere untere Grenze für die Lochgröße basierend auf dem gewünschten Aspektverhältnis. Die andere Option in Schritt 5 kann auftreten, wenn eine dünnere Schichtoption nicht verfügbar ist oder wenn Sie bereits das untere Ende der zulässigen Schichtdickenwerte erreicht haben. Bei beiden Ansätzen können Sie die untere Grenze für die Lochgröße und die Padgröße für Ihre Mikrovias bestimmen; Sie können immer noch größere Mikrovias verwenden, wo es nötig ist, solange sie die Ätzfreiräume in der PCB-Herstellung erfüllen können.

Zusammenfassung

Die oben gezeigten Informationen und Richtlinien sind für eine breite Palette von Produkten anwendbar, die nach HDI-Prinzipien entworfen wurden. Dennoch sollten Sie Ihren Hersteller kontaktieren und sich deren Empfehlungen zur Stapelung und Staffelung von blinden/begrabenen Vias für verschiedene Aspektverhältnisse einholen. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Designanforderungen kommunizieren, nämlich den kleinsten BGA-Abstand, die ideale Schichtanzahl und ob Sie eine nicht standardmäßige PCB-Dicke verwenden. Sie sollten auch in der Lage sein, Ihnen einen grundlegenden Stackup zu geben, den sie in ihrem Prozess unterstützen können und der zuverlässige Herstellungsergebnisse liefert.

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