Retroforatura e Riempimento per Vias Ciechi e Sepolti nei PCB

Le vie cieche non sono utilizzate solo nelle PCB HDI, ma anche in costruzioni standard con foratura meccanica e senza strati esterni sottili o strati di film di costruzione. Questi progetti trovano applicazione in molti sistemi diversi, e per me questo è più comune nei progetti ad alta velocità o nei progetti RF che richiedono fori terminati per pin a pressione o pin filettati. Indipendentemente dall'applicazione, la presenza di questi fori implica un processo di laminazione multiplo per forare, placcare e pressare gli strati nel pacchetto PCB.

Il numero di laminazioni richieste per costruire una PCB è un buon indicatore del prezzo, assumendo un processo tradizionale di incisione e foratura meccanica. A seconda di come vengono utilizzate le vie cieche/interne in una PCB, il numero di laminazioni potrebbe non corrispondere al tuo conteggio iniziale. Pertanto, prima di iniziare a posizionare vie cieche e interrate nel tuo pacchetto PCB, nota che il tuo fabbricante potrebbe adottare un approccio alternativo per costruire la tua PCB, il che potrebbe influenzare i costi totali e l'area di routing. Esaminerò come la posizione delle vie cieche e interrate influisce sul numero di cicli di laminazione e, in ultima analisi, sul numero di passaggi di lavorazione e sui costi associati alla costruzione.

Il Costo dei Cicli di Laminazione

Ogni ciclo di laminazione nella fabbricazione dei PCB comporta una fase di foratura e placcatura, ed è così che siamo in grado di formare vie cieche/interne in un impilamento di PCB. Quando nel design sono presenti vie cieche/interne, vengono utilizzati più cicli di laminazione per unire ogni gruppo di strati incisi per creare l'impilamento finale. Ogni ciclo di laminazione aggiunge passaggi di lavorazione e quindi aumenta il costo del design. Sebbene le vie cieche siano assolutamente necessarie in molti prodotti, alcune semplici considerazioni sull'ordine dei passaggi di lavorazione possono compensare parte del costo aggiuntivo e aiutare a mantenere competitivo il tuo prodotto.

Normalmente, ci limiteremmo a contare il numero di strati che richiedono vie cieche/interne, aggiungere 1 ciclo per il nucleo centrale o per gli strati di copertura all'esterno dell'impilamento, e otteniamo il numero totale di laminazioni richieste. Ad esempio, considera l'impilamento qui sotto con una via passante e una via interna per circuiti stampati RF incorporati, che discuto più dettagliatamente in un altro articolo.

In questo esempio, abbiamo un impilamento simmetrico che richiede due cicli di laminazione: uno per la via interna incorporata e un altro ciclo per i due strati esterni. Questo è un esempio semplice che illustra il processo standard di multi-laminazione richiesto per formare vie cieche/interne.

Ci sono casi in cui l'uso di vie cieche/interne può consentire un minor numero di cicli di laminazione o un approccio di lavorazione diverso rispetto all'uso semplice della laminazione sequenziale, come potremmo trovare in uno degli standard HDI stackups. Alcuni di questi casi includono:

• Vie cieche che partono da uno strato superficiale o vie interne sfalsate (costruzioni non ibride)
• Stackup con vie cieche/incrociate interne
• Stackup ibridi con vie cieche/interne
• Stackup inversi (o stackup cap-core)

Backdrill-and-Fill

Un processo alternativo che può essere utilizzato invece della laminazione sequenziale è il backdrill-and-fill in strati specifici, poiché ciò potrebbe eliminare uno o più passaggi di laminazione. Nel backdrill-and-fill, una via cieca o interna viene formata oltre lo strato di passaggio dove è necessaria, ma poi il fabbricante esegue il backdrill della via cieca/interna alla lunghezza desiderata. Questo termina la via sullo strato desiderato, e lo spazio residuo nel dielettrico forato viene riempito con un epossidico non conduttivo. L'area riempita può poi essere placcata, come nei casi in cui lo strato forato è uno strato di piano in rame.

In alcuni degli esempi forniti sopra, questo può essere un modo preferito per fabbricare alcuni degli stackup poiché potrebbe eliminare uno o più cicli di laminazione. Un po' di anticipazione dei passaggi di lavorazione in questi esempi ti aiuterà a pianificare meglio l'uso di vie cieche/interne e, possibilmente, eliminare alcuni passaggi di laminazione nella fabbricazione dei PCB.

Vie Cieche/Interne Asimmetriche

La fabbricazione dei PCB generalmente assume e procede con simmetria nell'arrangiamento dei layer e, quindi, nella laminazione. Tuttavia, gli stackup dei PCB con vie cieche/interne potrebbero non utilizzare un posizionamento simmetrico nello stackup. Ad esempio, con una via interna come nel caso sottostante, questo sarà un classico caso in cui il backdrill-and-fill viene valutato come soluzione di fabbricazione invece di utilizzare una laminazione aggiuntiva.

In questo esempio, mantenere lo stackup dei layer simmetrico durante la fabbricazione causerebbe due possibili processi:

• Fabbricare prima L3-L6, seguito dai paia di layer L2/L7 e L1/L8 (3 laminazioni totali)
• Fabbricare prima L2-L7, backdrill-and-fill, e finire con il paio di layer L1/L8 (2 laminazioni totali)

Nel processo di backdrill e riempimento L6-L7, il backdrill ha il potenziale di rompere le tracce nelle vicinanze dei fori. Ovviamente, ciò elimina il principale vantaggio dell'uso di vie cieche/interne, che è quello di consentire un po' di spazio per il routing mantenendo il barilotto della via e i pad lontani dalle tracce al di fuori dello span di strati. Pertanto, questo metodo funziona meglio se la parte backdrillata coinvolge solo la perforazione attraverso un riporto di rame o uno strato piano. Con uno strato piano, il backdrill taglierà attraverso il rame, ma il rame che deve essere riportato sarà lo stesso ovunque e quindi si può utilizzare una placcatura standard per rifare il rame.

Vie Cieche/Interne Incrociate

Ora esaminiamo il caso di vie cieche/interne che si incrociano in diversi span di strati. Questo caso è il più interessante poiché può coinvolgere anche disposizioni asimmetriche (sfalsate) di vie, che poi si incrociano anche nel PCB stackup. Sebbene ci siano alcune ragioni elettriche per cui potresti aver bisogno di queste vie cieche/interne incrociate, assegnazioni creative di strati potrebbero consentire un processo di backdrill-e-riempimento su alcuni span di strati.

Ad esempio, considera il seguente stackup. Questo può coinvolgere molteplici vie cieche che si incrociano l'una con l'altra nello stackup, portando a molteplici fasi di backdrill-e-riempimento durante la fabbricazione.

In un processo di fabbricazione con retroforatura e riempimento per questo stackup, la visione tipica sarebbe che il design richiede tre laminazioni con foratura e placcatura, seguite dalla foratura e placcatura dei via passanti. Tuttavia, i via di dimensioni maggiori misti e i via sepolti potrebbero effettivamente procedere come segue:

• La sezione da L3 a L8 viene fabbricata per prima con foratura e placcatura completa attraverso i layer in questo intervallo di strati
• I via ciechi più lunghi nello strato L3-L8 vengono retroforati per primi, mentre i via rimanenti formeranno i via sepolti in una fase successiva
• I fori retroforati sono riempiti con epossidico non conduttivo e placcati su qualsiasi strato di piano in rame
• Gli strati esterni vengono forati, laminati e placcati
• I fori passanti da L1 a L10 vengono forati e placcati per completare lo stackup

Ci possono essere motivi per cui è necessaria una via cieca dedicata con un intervallo di strati specifico, anche se il suo intervallo attraversa un diverso intervallo di strati. Un caso d'uso che ho menzionato sopra è il caso dei circuiti RF incorporati, un altro è il caso dei pin press-fit con un impilamento PCB spesso. Un altro caso d'uso è eliminare un retroforo su un'inserzione di pin per una transizione di connettore ad alta velocità. Qualunque sia il caso d'uso, ogni via cieca/interrotta che attraversa creerà maggiori costi, quindi concentra l'attenzione su quali incroci puoi consolidare e pianifica i segnali importanti attorno a queste transizioni.

Impilamenti Ibridi Con Vie Cieche

Gli impilamenti ibridi sono progetti in cui l'impilamento PCB utilizza una miscela di set di materiali. Più comunemente, ciò comporta l'uso di materiali PTFE e FR4 standard per progetti RF+digitali (di cui ho parlato ampiamente in altri articoli), ma ovviamente si possono mescolare anche altri set di materiali. Quando questi impilamenti includono vie cieche/interrotte, richiederanno anche molteplici laminazioni, come ci si potrebbe aspettare.

La questione riguardante un impilamento ibrido è se laminare prima le singole laminazioni ibride e poi impilarle/placcarle per formare i fori passanti, oppure se applicare ogni strato ibrido individualmente e poi trapanare/placcarlo per formare le vie finali. Ad esempio, osserviamo il raggruppamento dei materiali per un impilamento ibrido mostrato di seguito.

Da questo, possiamo identificare due potenziali aree dove potrebbe essere applicata la tecnica di backdrill-and-fill:

• Dal L1 al L2 sulla via sepolta 2:3
• Dal L5 al L6 sulla via cieca 6:10

Sul set di materiali ibridi esterni, non ha molto senso eseguire il backdrill-and-fill per formare la piccola via sepolta esterna. Per le vie interne, potrebbe avere più senso dato che le vie cieche sovrapposte si mancano solo per uno strato. In questo caso, finché lo span dello strato backdrilled coinvolge uno strato piano o è sgombro e non ha tracce, il backdrill-and-fill eliminerebbe una delle laminazioni.

Impilamento Inverso (noto anche come Cap-Core Stackups)

Le impilature cap-core collocano efficacemente i piani sugli strati esterni e utilizzano vie interrate negli strati interni dei segnali per instradare le tracce dei segnali. I fori passanti sono utilizzati per raggiungere i componenti sugli altri strati e per cucire insieme i piani esterni. L'esempio più semplice è con un PCB a 4 strati, dove i due strati interni sono utilizzati per i segnali e sono instradati con vie interrate. Con un numero maggiore di strati, gli strati esterni di copertura richiederanno ancora le laminazioni finali prima della perforazione e della metallizzazione dei fori passanti, ma gli strati interni potrebbero utilizzare un processo di retroforatura e riempimento invece di una laminazione sequenziale. Questo è mostrato nell'impilatura cap-core qui sotto.

Ci sono molteplici opzioni dove potrebbe essere applicata la tecnica di backdrill-and-fill: nella regione tra le vie sepolte lunghe/corte (L3-L4 e L7-L8), al di fuori dell'intervallo di strati L4-L7, o sui piani degli strati di copertura (L1-L2 e L9-L10). Gli intervalli degli strati di copertura hanno più senso in un impilamento cap-core a causa dell'uso di piani sullo strato esterno, ma solo finché il backdrill non attraversa i pad dei componenti, quindi potrebbe essere utilizzato solo su un PCB monofaccia. Anche gli intervalli degli strati interni sono candidati, in particolare in questo impilamento cap-core a 10 strati che potrebbe contenere ulteriori strati di piano all'interno dell'impilamento.

Riassunto

Ogni volta che viene utilizzata la placcatura dopo il backdrilling, potrebbe formarsi un avvallamento nell'area della placcatura nello strato ri-placcato. Normalmente, questo avvallamento sarà piccolo come ~1 mil. Quando si applica il backdrill-and-fill, normalmente è su vie cieche/sepolte forate meccanicamente, che occuperanno dielettrici più spessi. Pertanto, nella maggior parte dei casi pratici, l'avvallamento residuo non influenzerà la variazione naturale dello spessore dello strato dielettrico.

Anche se potrebbe sembrare paradossale reintrodurre il backdrilling in un design di via su PCB che intende eliminarlo, ciò dimostra che l'uso giudizioso e mirato del backdrilling finisce per essere un grande risparmio di costi. Un po' di anticipazione potrebbe permetterti di sfruttare questo processo e persino specificarlo per la fabbricazione.

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