Wiercenie zwrotne i wypełnianie dla ślepych i ukrytych przelotek w PCB

Ślepe przelotki nie są używane tylko w PCB HDI, ale również w standardowych konstrukcjach z mechanicznym wierceniem i bez cienkich zewnętrznych warstw lub warstw filmu budującego. Te projekty znajdują zastosowanie w wielu różnych systemach, a dla mnie najczęściej występują w projektach wysokiej prędkości lub projektach RF, które wymagają zakończonych otworów na zatrzaskiwane lub gwintowane piny. Bez względu na zastosowanie, obecność tych otworów wymusza wielokrotne laminowanie w celu wiercenia, pokrywania i prasowania warstw w stos PCB.

Liczba laminacji potrzebna do zbudowania PCB jest dość dobrym wskaźnikiem ceny, zakładając tradycyjny proces trawienia i mechanicznego wiercenia. W zależności od sposobu użycia ślepych/zakopanych przelotek w PCB, liczba laminacji może nie odpowiadać Twojej początkowej liczbie. Dlatego, zanim zaczniesz umieszczać ślepe i zakopane przelotki w swoim stosie PCB, zauważ, że Twój producent może zastosować alternatywne podejście do budowy Twojego PCB, co może wpłynąć na całkowite koszty i obszar trasowania. Przyjrzę się, jak umieszczenie ślepych i zakopanych przelotek wpływa na liczbę cykli laminacji, a ostatecznie na liczbę etapów przetwarzania i koszty związane z budową.

Koszt cykli laminacji

Każdy cykl laminowania w produkcji PCB wiąże się z etapem wiercenia i platerowania, i to właśnie dzięki temu jesteśmy w stanie formować ślepe/zakopane przelotki w układzie warstw PCB. Gdy w projekcie obecne są ślepe/zakopane przelotki, używa się wielu etapów laminowania, aby połączyć każdą grupę wytrawionych warstw i stworzyć ostateczny układ warstw. Każdy cykl laminowania dodaje etapy przetwarzania i tym samym zwiększa koszt projektu. Chociaż ślepe przelotki są absolutnie niezbędne w wielu produktach, pewne proste rozważenia dotyczące kolejności etapów przetwarzania mogą zrekompensować część dodatkowych kosztów i pomóc utrzymać konkurencyjność produktu.

Zazwyczaj po prostu liczymy liczbę warstw wymagających ślepych/zakopanych przelotek, dodajemy 1 cykl dla rdzenia centralnego lub warstw zamykających na zewnątrz układu warstw, i otrzymujemy całkowitą liczbę wymaganych laminacji. Na przykład, rozważmy poniższy układ warstw z przelotką przez wszystkie warstwy i zakopaną przelotką dla wbudowanych drukowanych obwodów RF, który omawiam bardziej szczegółowo w innym artykule.

W tym przykładzie mamy symetryczny układ warstw, który wymaga dwóch cykli laminowania: jeden dla wbudowanej zakopanej przelotki i kolejny cykl dla dwóch zewnętrznych warstw. Jest to prosty przykład ilustrujący standardowy proces wielokrotnego laminowania wymagany do formowania ślepych/zakopanych przelotek.

Istnieją przypadki, w których użycie ślepych/zakopanych przelotek może pozwolić na mniejszą liczbę cykli laminacji lub inny sposób przetwarzania niż po prostu stosowanie sekwencyjnej laminacji, jak moglibyśmy znaleźć w jednym z standardowych układów HDI. Niektóre z tych przypadków to:

• Ślepe przelotki zaczynające się od jednej warstwy powierzchniowej lub przesunięte zakopane przelotki (budowy niehybrydowe)
• Układy z krzyżującymi się ślepymi/zakopanymi przelotkami
• Hybrydowe układy z ślepymi/zakopanymi przelotkami
• Odwrócone układy (lub układy z nakładką rdzenia)

Wiercenie wsteczne i wypełnianie

Alternatywnym procesem, który może być użyty zamiast sekwencyjnej laminacji, jest wiercenie wsteczne i wypełnianie w określonych warstwach, co może eliminować jeden lub więcej kroków laminacji. W procesie wiercenia wstecznego i wypełniania, ślepa lub zakopana przelotka jest formowana poza zakresem warstw, w których jest potrzebna, ale następnie wykonawca wierci wstecznie ślepą/zakopaną przelotkę do długości. Kończy to przelotkę na pożądanej warstwie, a pozostała przestrzeń w przewierconym dielektryku jest wypełniana nieprzewodzącym epoksydem. Wypełniony obszar może być następnie pokryty, na przykład w przypadkach, gdy przewiercona warstwa jest warstwą miedzianą.

W niektórych z podanych powyżej przykładów, może to być preferowany sposób na wykonanie niektórych układów warstw, ponieważ może to eliminować jeden lub więcej cykli laminacji. Nieco przewidywania kroków przetwarzania w tych przykładach pomoże Ci lepiej zaplanować użycie ślepych/ukrytych przelotek i możliwie wyeliminować niektóre kroki laminacji w produkcji PCB.

Asymetryczne Ślepe/Ukryte Przelotki

Produkcja PCB zazwyczaj zakłada i postępuje z symetrycznością w układzie warstw, a tym samym w laminacji. Jednakże, układy PCB ze ślepymi/ukrytymi przelotkami mogą nie używać symetrycznego rozmieszczenia w układzie. Na przykład, w przypadku ukrytej przelotki, jak poniżej, będzie to klasyczny przypadek, gdzie oceniane jest wiercenie zwrotne i wypełnienie jako rozwiązanie produkcyjne zamiast używania dodatkowej laminacji.

W tym przykładzie, utrzymanie symetrycznego układu warstw podczas produkcji spowodowałoby dwa możliwe procesy:

• Wyprodukowanie L3-L6 najpierw, następnie L2/L7 i pary warstw L1/L8 (łącznie 3 laminacje)
• Wyprodukowanie najpierw L2-L7, wiercenie zwrotne i wypełnienie, a na koniec para warstw L1/L8 (łącznie 2 laminacje)

W procesie wiercenia i wypełniania L6-L7, wiercenie zwrotne ma potencjał do przerywania ścieżek w sąsiedztwie wierceń. Oczywiście, eliminuje to główną zaletę stosowania ślepych/zakopanych przelotek, która polega na umożliwieniu pewnej przestrzeni do trasowania poprzez trzymanie cylindra i padów przelotki z dala od ścieżek poza zakresem warstw. Dlatego najlepiej, gdy wiercone zwrotnie części dotyczą tylko wiercenia przez wylewki miedzi lub warstwę płaszczyzny. W przypadku warstwy płaszczyzny, wiercenie zwrotne przecina miedź, ale wymagane ponowne pokrywanie miedzią będzie takie samo wszędzie, więc standardowe pokrywanie można użyć do ponownego uformowania miedzi.

Przecinające się ślepe/zakopane przelotki

Przyjrzyjmy się teraz przypadkowi ślepych/zakopanych przelotek, które przecinają się w różnych zakresach warstw. Ten przypadek jest najbardziej interesujący, ponieważ może również obejmować przesunięte (asymetryczne) układy przelotek, które następnie również przecinają się w układzie warstw PCB. Chociaż istnieją pewne elektryczne powody, dla których możesz potrzebować tych przecinających się ślepych/zakopanych przelotek, kreatywne przypisania warstw mogłyby umożliwić proces wiercenia zwrotnego i wypełnienia na niektórych zakresach warstw.

Na przykład, rozważ następujący układ warstw. Może to obejmować wiele ślepych przelotek przecinających się w układzie, prowadząc do wielu rund wiercenia zwrotnego i wypełnienia podczas fabrykacji.

W procesie produkcji z wykorzystaniem techniki wiercenia zwrotnego i wypełniania dla tej struktury, typowy widok zakładałby, że projekt wymaga trzech laminacji z wierceniem i powlekanie, po których następuje wiercenie i powlekanie przelotowych otworów montażowych. Jednak mieszane większe otwory montażowe oraz otwory montażowe ukryte mogą być wykonane w następujący sposób:

• Sekcja od L3 do L8 jest produkowana jako pierwsza z kompletnym wierceniem przelotowym i powlekanie w tym zakresie warstw
• Dłuższe ślepe otwory montażowe w zakresie warstw L3-L8 są wiercone zwrotnie jako pierwsze, podczas gdy pozostałe otwory montażowe staną się otworami ukrytymi w późniejszym etapie
• Wiercone zwrotnie otwory są wypełniane nieprzewodzącym epoksydem i powlekane na wszelkich warstwach z miedzią
• Zewnętrzne zakresy warstw są wiercone, laminowane i powlekane
• Otwory przelotowe L1-L10 są wiercone i powlekane, aby zakończyć budowę struktury

Mogą być powody, dla których potrzebna jest dedykowana ślepa przelotka z określonym zakresem warstw, nawet jeśli jej zakres przecina się z innym zakresem warstw. Jednym z przypadków użycia, który wspomniałem powyżej, jest przypadek wbudowanych obwodów RF, innym jest przypadek zacisków prasowanych w przypadku grubego układu warstw PCB. Kolejnym przypadkiem użycia jest eliminacja wiercenia zwrotnego na wprowadzeniu pina dla przejścia złącza wysokiej prędkości. Niezależnie od przypadku użycia, każda ślepa/przezbrojona przelotka przecinająca inne warstwy będzie generować większe koszty, dlatego skup się na tym, które przecięcia możesz skonsolidować i zaplanuj rozmieszczenie ważnych sygnałów wokół tych przejść.

Hybrydowe układy warstw z ślepymi przelotkami

Hybrydowe układy warstw to projekty, w których układ warstw PCB wykorzystuje mieszankę zestawów materiałów. Najczęściej dotyczy to użycia materiałów PTFE i standardowego FR4 dla projektów RF+cyfrowych (o czym rozmawiałem obszernie w innych artykułach), ale oczywiście można mieszać również inne zestawy materiałów. Gdy te układy warstw zawierają ślepe/przezbrojone przelotki, będą również wymagać wielokrotnych laminacji, jak można się spodziewać.

Pytanie dotyczące hybrydowego układu warstw polega na tym, czy najpierw laminować poszczególne hybrydowe laminaty, a następnie układać je na sobie i pokrywać, aby utworzyć przeloty, czy też nakładać każdą warstwę hybrydową indywidualnie i wiercić/pokrywać ją, aby utworzyć ostateczne via. Na przykład, spójrzmy na grupowanie materiałów dla hybrydowego układu warstw pokazane poniżej.

Stąd możemy zauważyć dwa potencjalne obszary, gdzie można zastosować wiercenie wsteczne i wypełnienie:

• Od L1 do L2 na zakopanym via 2:3
• Od L5 do L6 na ślepym via 6:10

W przypadku zewnętrznego zestawu materiałów hybrydowych, nie ma większego sensu stosować wiercenia wstecznego i wypełnienia, aby utworzyć zewnętrzne małe zakopane via. Dla wewnętrznych via, może to mieć większy sens, biorąc pod uwagę, że nakładające się na siebie ślepe via różnią się od siebie tylko jedną warstwą. W takim przypadku, dopóki zakres warstwy poddanej wierceniu wstecznemu obejmuje warstwę płaszczyzny lub jest ona oczyszczona i nie ma ścieżek, wiercenie wsteczne i wypełnienie mogłoby wyeliminować jedną z laminacji.

Odwrócony Układ Warstw (tzw. Układy Cap-Core)

TRANSLATE: Układy warstw typu cap-core efektywnie umieszczają płaszczyzny na zewnętrznych warstwach i używają ukrytych przelotek na wewnętrznych warstwach sygnałowych do prowadzenia ścieżek sygnałowych. Przelotki są używane do osiągnięcia komponentów na innych warstwach oraz do zszywania zewnętrznych płaszczyzn razem. Najprostszym przykładem jest PCB o 4 warstwach, gdzie dwie wewnętrzne warstwy są używane dla sygnałów i są prowadzone z użyciem ukrytych przelotek. Przy większej liczbie warstw, zewnętrzne warstwy cap nadal będą wymagały finalnych laminacji przed wierceniem i platerowaniem przelotek, ale wewnętrzne warstwy mogą używać procesu wiercenia zwrotnego i wypełniania zamiast sekwencyjnej laminacji. Jest to pokazane na poniższym układzie warstw cap-core.

Istnieje wiele opcji zastosowania techniki wiercenia wstecznego i wypełniania: w regionie pomiędzy długimi/krótkimi przewierceniami ukrytymi (L3-L4 i L7-L8), poza zakresem warstw L4-L7, lub na zakresach warstw końcowych (L1-L2 i L9-L10). Zakresy warstw końcowych mają największy sens w układzie warstw rdzeń-pokrywa ze względu na użycie płaszczyzn na warstwie zewnętrznej, ale tylko pod warunkiem, że wiercenie wsteczne nie przechodzi na pady komponentów, więc może być używane tylko na jednostronnej płytce PCB. Zakresy warstw wewnętrznych również są kandydatami, szczególnie w tym 10-warstwowym układzie rdzeń-pokrywa, który może zawierać dodatkowe warstwy płaszczyzn wewnątrz układu.

Podsumowanie

Zawsze, gdy po wierceniu wstecznym stosuje się powlekanie, na powierzchni powlekanej warstwy może pojawić się wgłębienie. To wgłębienie zazwyczaj będzie miało wielkość około ~1 mila. Gdy stosuje się technikę wiercenia wstecznego i wypełniania, zazwyczaj dotyczy to mechanicznie wierconych przewierceń ślepych/ukrytych, które zajmują grubsze dielektryki. Dlatego w większości praktycznych przypadków pozostałe wgłębienie nie wpłynie na naturalne zmiany grubości warstwy dielektrycznej.

Chociaż może się to wydawać paradoksalne, wprowadzenie wiercenia zwrotnego do projektu przelotki PCB, która ma na celu eliminację wiercenia zwrotnego, pokazuje, że rozsądne i ukierunkowane użycie wiercenia zwrotnego może przynieść duże oszczędności. Odrobina przewidywania może pozwolić Ci skorzystać z tego procesu, a nawet określić go dla produkcji.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby w dzisiejszym interdyscyplinarnym środowisku wdrożyć współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365^™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.