Perçage-retouche et remplissage pour les vias aveugles et enterrés dans les PCBs

Les vias aveugles ne sont pas uniquement destinés aux PCB HDI, ils sont également utilisés dans des constructions standard avec perçage mécanique et sans couches externes minces ou couches de film de construction. Ces conceptions trouvent leur place dans de nombreux systèmes différents, et pour moi, cela est le plus courant dans les conceptions à haute vitesse ou les conceptions RF qui nécessitent des trous terminés pour des broches à ajustement par pression ou des broches filetées. Peu importe l'application, la présence de ces trous entraîne un processus de stratification multiple pour percer, plaquer et presser les couches dans l'empilement du PCB.

Le nombre de stratifications nécessaires pour construire un PCB est un bon indicateur du prix en supposant un processus traditionnel de gravure et de perçage mécanique. Selon la manière dont les vias aveugles/enterrés sont utilisés dans un PCB, le nombre de stratifications peut ne pas correspondre à votre décompte initial. Par conséquent, avant de commencer à placer des vias aveugles et enterrés dans votre empilement de PCB, notez que votre fabricant pourrait adopter une approche alternative pour construire votre PCB, ce qui pourrait avoir un impact sur le coût total et la zone de routage. Je vais examiner comment le placement des vias aveugles et enterrés affecte le nombre de cycles de stratification et, en fin de compte, le nombre d'étapes de traitement et les coûts associés à la construction.

Le Coût des Cycles de Stratification

Chaque cycle de laminage dans la fabrication des PCB entraîne une étape de perçage et de placage, et c'est ainsi que nous sommes capables de former des vias aveugles/enfouis dans un empilement de PCB. Lorsque des vias aveugles/enfouis sont présents dans un design, plusieurs étapes de laminage sont utilisées pour lier chaque groupe de couches gravées afin de créer l'empilement final. Chaque cycle de laminage ajoute des étapes de traitement et ajoute donc un coût au design. Bien que les vias aveugles soient absolument nécessaires dans de nombreux produits, certaines considérations simples sur l'ordre des étapes de traitement peuvent compenser une partie du coût supplémentaire et aider à maintenir votre produit compétitif.

Normalement, nous compterions simplement le nombre de traversées de couches nécessitant des vias aveugles/enfouis, ajouterions 1 cycle pour le noyau central ou les couches de couverture à l'extérieur de l'empilement, et nous obtiendrions le nombre total de laminations requises. Par exemple, considérez l'empilement ci-dessous avec un via traversant et un via enfoui pour des circuits RF imprimés intégrés, que je discute plus en détail dans un autre article.

Dans cet exemple, nous avons un empilement symétrique qui nécessite deux cycles de laminage : un pour le via enfoui intégré, et un autre cycle pour les deux couches extérieures. C'est un exemple simple qui illustre le processus de multi-lamination standard requis pour former des vias aveugles/enfouis.

Il existe des cas où l'utilisation de vias aveugles/enterrés peut permettre moins de cycles de stratification ou une approche de traitement différente que celle consistant simplement à utiliser une stratification séquentielle, comme nous pourrions le trouver dans l'un des empilements HDI standard. Certains de ces cas incluent :

• Vias aveugles partant d'une couche de surface ou vias enterrés décalés (constructions non hybrides)
• Empilements avec vias aveugles/enterrés croisés
• Empilements hybrides avec vias aveugles/enterrés
• Empilements inversés (ou empilements cap-core)

Perçage-retour et remplissage

Un processus alternatif qui peut être utilisé au lieu de la stratification séquentielle est le perçage-retour et le remplissage dans des couches spécifiques, car cela pourrait éliminer une ou plusieurs étapes de stratification. Dans le perçage-retour et remplissage, un via aveugle ou enterré est formé au-delà de la portée de la couche où il est nécessaire, mais ensuite, le fabricant effectue un perçage-retour du via aveugle/enterré à la longueur souhaitée. Cela termine le via sur la couche désirée, et l'espace restant dans le diélectrique percé est rempli avec de l'époxy non conducteur. La zone remplie peut ensuite être plaquée, comme dans les cas où la couche percée est une couche de plan de cuivre.

Dans certains des exemples donnés ci-dessus, cela peut être une manière préférée de fabriquer certains des empilements car cela pourrait éliminer un ou plusieurs cycles de laminage. Un peu d'anticipation des étapes de traitement dans ces exemples vous aidera à mieux planifier votre utilisation des vias aveugles/enterrés, et possiblement éliminer certaines étapes de laminage dans la fabrication de PCB.

Vias Aveugles/Enterrés Asymétriques

La fabrication de PCB suppose généralement et procède avec une symétrie dans l'arrangement des couches, et donc dans le laminage. Cependant, les empilements de PCB avec des vias aveugles/enterrés peuvent ne pas utiliser un placement symétrique dans l'empilement. Par exemple, avec un via enterré comme dans le cas ci-dessous, ce sera un cas classique où le perçage-retour-et-remplissage est évalué comme la solution de fabrication au lieu d'utiliser un laminage supplémentaire.

Dans cet exemple, maintenir l'empilement des couches symétrique pendant la fabrication entraînerait deux processus possibles :

• Fabriquer d'abord L3-L6, suivi par les paires de couches L2/L7 et L1/L8 (3 laminations au total)
• Fabriquer d'abord L2-L7, percer-retour-et-remplir, et finir avec la paire de couches L1/L8 (2 laminations au total)

Dans le processus de perçage et de remplissage L6-L7, le perçage arrière a le potentiel de rompre les pistes dans le voisinage des perceuses. Évidemment, cela élimine le principal avantage de l'utilisation des vias aveugles/enterrées, qui est de permettre un peu d'espace de routage en gardant le fût et les pads des vias loin des pistes à l'extérieur de la portée des couches. Par conséquent, cela fonctionne mieux si la partie rétro-percée implique uniquement le perçage à travers un plan de masse en cuivre ou une couche de plan. Avec une couche de plan, le perçage arrière va couper à travers le cuivre, mais le recuivrage nécessaire sera le même partout et donc un placage standard peut être utilisé pour reformer le cuivre.

Croisement des Vias Aveugles/Enterrées

Examinons maintenant le cas des vias aveugles/enterrées qui se croisent dans différentes portées de couches. Ce cas est le plus intéressant car il peut également impliquer des arrangements décalés (asymétriques) de vias, qui se croisent également dans l'empilement du PCB. Bien qu'il y ait des raisons électriques pour lesquelles vous pourriez avoir besoin de ces vias aveugles/enterrées croisées, des attributions de couches créatives pourraient permettre un processus de perçage arrière et de remplissage sur certaines portées de couches.

Par exemple, considérez l'empilement suivant. Cela peut impliquer de multiples vias aveugles se croisant dans l'empilement, conduisant à de multiples tours de perçage arrière et de remplissage pendant la fabrication.

Dans un processus de fabrication par perçage-retouche et remplissage pour ce stackup, la vue typique serait que la conception nécessite trois stratifications avec perçage et placage, suivies du perçage et du placage des vias traversants. Cependant, le via plus grand mixte et le via enterré pourraient en réalité se dérouler comme suit :

• La section de L3 à L8 est fabriquée en premier avec un perçage et un placage complets des trous traversants dans cette plage de couches
• Les vias aveugles plus longs dans la plage de couches L3-L8 sont d'abord rétro-percés, tandis que les vias restants formeront les vias enterrés dans une étape ultérieure
• Les trous rétro-percés sont remplis d'époxy non conducteur et plaqués sur toutes les couches de plans de cuivre
• Les plages de couches extérieures sont percées, stratifiées et plaquées
• Les trous traversants L1-L10 sont percés et plaqués pour compléter le stackup

Il pourrait y avoir des raisons pour lesquelles un via aveugle dédié avec une portée de couches spécifique est nécessaire, même si sa portée traverse une autre portée de couches. Un cas d'utilisation que j'ai mentionné ci-dessus est celui des circuits RF intégrés, un autre est celui des broches à ajustement par pression avec un empilement de PCB épais. Un autre cas d'utilisation est d'éliminer un rétroforage sur une insertion de broche pour une transition de connecteur à haute vitesse. Quel que soit le cas d'utilisation, chaque via aveugle/enterré qui croise créera plus de coûts, donc concentrez-vous sur les croisements que vous pouvez consolider et planifiez l'implantation des signaux importants autour de ces transitions.

Empilements Hybrides Avec Vias Aveugles

Les empilements hybrides sont des conceptions où l'empilement du PCB utilise un mélange de séries de matériaux. Le plus souvent, cela implique l'utilisation de PTFE et de matériaux FR4 standard pour les conceptions RF+numériques (ce dont j'ai largement parlé dans d'autres articles), mais bien sûr, d'autres séries de matériaux peuvent également être mélangées. Lorsque ces empilements incluent des vias aveuglés/enterrés, ils nécessiteront également plusieurs laminations, comme on pourrait s'y attendre.

La question concernant un empilement hybride est de savoir s'il faut d'abord laminé les laminations hybrides individuelles et les empiler/plaquer pour former des trous traversants, ou s'il faut appliquer chaque couche hybride individuellement et la percer/plaquer pour former les vias finaux. Par exemple, prenez en considération le regroupement de matériaux pour un empilement hybride montré ci-dessous.

À partir de cela, nous pouvons identifier deux zones potentielles où le procédé de perçage-retour et remplissage pourrait être appliqué :

• De L1 à L2 sur le via enterré 2:3
• De L5 à L6 sur le via aveugle 6:10

Sur l'ensemble de matériaux hybrides extérieurs, il n'est pas très logique d'effectuer un perçage-retour et remplissage pour former le petit via enterré extérieur. Pour les vias internes, cela pourrait être plus judicieux étant donné que les vias aveugles qui se chevauchent ne se manquent que d'une couche. Dans ce cas, tant que la portée de la couche percée-retournée implique une couche plane ou qu'elle est dégagée et sans traces, le perçage-retour et remplissage éliminerait l'une des laminations.

Empilement Inversé (aussi connu sous le nom d'Empilements Cap-Core)

Les empilements cap-core placent efficacement les plans sur les couches externes et utilisent des vias enterrés sur les couches de signal internes pour router les pistes de signal. Des trous traversants sont utilisés pour atteindre les composants sur les autres couches et pour assembler les plans externes. L'exemple le plus simple est celui d'un PCB à 4 couches, où les deux couches internes sont utilisées pour le signal et sont routées avec des vias enterrés. Avec un nombre de couches plus élevé, les couches de capuchon externes nécessiteront toujours les laminations finales avant le perçage et le placage des trous traversants, mais les couches internes pourraient utiliser un processus de perçage-retour et de remplissage au lieu d'une lamination séquentielle. Ceci est illustré dans l'empilement cap-core ci-dessous.

Il existe plusieurs options où le procédé de perçage-retrofit et de remplissage pourrait être appliqué : dans la région entre les vias enterrés longs/courts (L3-L4 et L7-L8), à l'extérieur de la portée des couches L4-L7, ou sur les portées des couches de finition (L1-L2 et L9-L10). Les portées des couches de finition sont les plus logiques dans un empilement noyau-couvercle en raison de l'utilisation de plans sur la couche extérieure, mais seulement tant que le perçage-retrofit ne débouche pas sur les pads des composants, donc cela pourrait seulement être utilisé sur un PCB à simple face. Les portées des couches internes sont également candidates, particulièrement dans cet empilement à 10 couches noyau-couvercle qui pourrait contenir des couches de plan supplémentaires à l'intérieur de l'empilement.

Résumé

Lorsque le placage est utilisé après le perçage-retrofit, il pourrait y avoir un creux sur la zone de placage dans la couche replaquée. Ce creux sera normalement aussi petit que ~1 mil. Lorsque le procédé de perçage-retrofit et de remplissage est appliqué, il est normalement sur des vias aveugles/enterrés percés mécaniquement, qui occuperont des diélectriques plus épais. Par conséquent, dans la plupart des cas pratiques, le creux restant n'impactera pas la variation d'épaisseur naturelle de la couche diélectrique.

Bien qu'il puisse sembler paradoxal d'introduire le backdrilling dans une conception de via de PCB qui vise à éliminer le backdrilling, cela montre que l'utilisation judicieuse et ciblée du backdrilling finit par être une grande économie de coûts. Un peu d'anticipation pourrait vous permettre de tirer parti de ce processus et même de le spécifier pour la fabrication.

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