Ślepe i zakopane przelotki - czym są i jak są wykorzystywane?

Jak zauważono w wielu moich poprzednich artykułach, jak również w dużej większości innych publikacji, rozstaw nóżek komponentów staje się coraz mniejszy, a urządzenia o mniejszych formatach zaczęły dominować w dużej liczbie rozwijanych obecnie produktów (telefony komórkowe).

Pytanie, jak połączyć komponenty z obu stron tych zatłoczonych PCB, powinno być jednym z pierwszych czynników branych pod uwagę przez zespół zajmujący się rozwojem produktu. Zazwyczaj proces ten realizowany jest za pomocą ślepych i zakopanych przelotek. W tym artykule opisane zostaną różne rodzaje przelotek, ich zastosowania i korzyści oraz ich wady.

Podstawy i historia pochodzenia—Ślepe przelotki

Na początku warto nieco zgłębić pochodzenie i zastosowanie przelotek. Przelotka to wywiercony i pokryty metalizacją otwór w PCB, który umożliwia przekazanie sygnału z jednej strony płytki na drugą lub do wewnętrznej warstwy. Przelotki mogą być używane do łączenia wyprowadzeń komponentów z ścieżkami sygnałowymi lub płaszczyznami, albo do zmiany warstw sygnałowych przez sygnał. Gdy przelotka przechodzi przez całą płytkę, nazywana jest przelotką wierconą na wylot lub po prostu przelotką na wylot. Rysunek 1 przedstawia różne typy przelotek.

Rysunek 1. Różne typy przelotek

Przelotki ślepe

Gdy przelotka zaczyna się po jednej stronie PCB, ale nie przechodzi przez nią na wylot, nazywana jest przelotką ślepą. Cztery typy przelotek ślepych to:

• Przelotki ślepe definiowane fotograficznie.
• Przelotki ślepe z sekwencyjną laminacją.
• Przelotki ślepe o kontrolowanej głębokości.
• Przelotki ślepe wiercone laserowo.

Każdy z tych typów jest omówiony szczegółowo poniżej

Ślepa przelotka definiowana fotograficznie: Przelotka definiowana fotograficznie jest tworzona przez laminowanie arkusza żywicy światłoczułej do rdzenia (ten rdzeń składa się z laminowanych warstw, które mogą zawierać płaszczyzny zasilania oraz niektóre zakopane warstwy sygnałowe). Warstwa materiału światłoczułego jest pokryta wzorem, który zakrywa obszary, gdzie mają powstać otwory, a następnie jest eksponowana na światło o długości fali, która spowoduje stwardnienie pozostałego materiału na PCB. Następnie, PCB jest zanurzane w roztworze trawiącym, który usuwa materiał w otworach. Tworzy to ścieżkę do kolejnej warstwy poniżej. Po procesie trawienia, miedź jest nakładana w otworze i na zewnętrznej powierzchni, tworząc zewnętrzną warstwę PCB. Operacja ta jest zwykle wykonywana jednocześnie po obu stronach PCB i dodaje warstwę do każdej strony.

Przelotki definiowane fotograficznie są powszechnie używane do tworzenia wielowarstwowych organicznych pakietów BGA (ball grid array) oraz PCB do telefonów komórkowych. Zaletą ich stosowania jest to, że koszt utworzenia tysięcy ślepych przelotek jest taki sam, jak w przypadku utworzenia tylko jednej. Gdy wymagane jest tylko kilka ślepych przelotek, ich użycie staje się niekorzystne kosztowo.

Sekwencyjna laminacja ślepych przelotek: Sekwencyjna laminacja ślepej przelotki polega na przetworzeniu bardzo cienkiego kawałka laminatu przez wszystkie etapy tworzenia dwustronnej płytki PCB. Laminat jest wiercony, pokrywany warstwą metalu i trawiony, aby zdefiniować cechy na stronie, która będzie stanowić warstwę 2 płytki. Druga strona pozostaje jako solidna blacha miedziana, która będzie stanowić warstwę 1 gotowej płytki PCB. Następnie podzespoły są laminowane ze wszystkimi innymi warstwami PCB. Powstała połączona laminacja jest następnie przetwarzana przez wszystkie etapy tworzenia zewnętrznych warstw wielowarstwowej płytki PCB. Sekwencyjne laminacje ślepych przelotek były używane przy tworzeniu wielu wczesnych płytek PCB do telefonów komórkowych. Jest to najdroższy sposób formowania ślepych przelotek ze względu na dodatkowe etapy procesu wymagane oraz straty wydajności związane z obsługą bardzo cienkich laminatów podczas wiercenia, trawienia i pokrywania warstwą metalu. W związku z tym, powinno być to rozważane jako ostatnia deska ratunku, gdy wymagane są ślepe przelotki.

Ślepe przelotki o kontrolowanej głębokości wiercenia: Jak można zobaczyć na rysunku 1, ślepe przelotki o kontrolowanej głębokości są tworzone w ten sam sposób co przelotki przez całą płytę. Tutaj wiertło ustawione jest tak, aby penetrować tylko częściowo przez PCB. Projektant grafiki umieszcza pad na warstwie 2, który jest przebijany przez wiertło. Zwraca się uwagę, aby pod wierconym otworem nie było elementów, które mogłyby się z nim zetknąć. Miedź jest następnie nakładana w wierconym otworze jednocześnie, gdy miedź jest nakładana w przelotkach przez całą płytę.

Przelotki o kontrolowanej głębokości są najtańszym typem ślepych przelotek, ponieważ do ich utworzenia nie wymagane są dodatkowe urządzenia ani etapy procesu. Ograniczenia tych przelotek polegają na tym, że otwory muszą być wystarczająco duże, aby mogły je utworzyć wiertła mechaniczne, a obszar poniżej nich musi być wolny od obwodów, które mogłyby zostać przypadkowo dotknięte przez wiercony otwór.

Ślepe przelotki wiercone laserowo: Są tworzone po zlaminowaniu wszystkich warstw w PCB i przed wytrawieniem i pokryciem miedzią warstwy zewnętrznej. Do ablacji miedzi na warstwie zewnętrznej oraz materiału izolacyjnego między warstwami 1 i 2 używany jest laser. W tym procesie używane są dwa typy laserów:

• CO₂ laser
• Eximer laser

Laser CO₂ jest najpotężniejszym laserem i dlatego ma zdolność do szybkiego wiercenia otworów. Problem z tym laserem polega na tym, że długość fali światła nie usunie miedzi na warstwie 1. W rezultacie krok wiercenia laserowego musi być poprzedzony etapem trawienia, aby wytrawić otwory w miedzi. Oprócz tworzenia dodatkowego etapu przetwarzania, wymagany krok fotoobrazowania niesie ze sobą problem związany z ustawieniem, ponieważ maska fotomaski musi być wyrównana z padami na warstwie 2, które są niewidoczne w momencie używania lasera.

Laser ekscymerowy jest zdolny do przewiercenia zarówno przez warstwę miedzi, jak i leżący pod nią materiał dielektryczny, tworząc ślepą przelotkę w jednym kroku. Ten typ lasera stał się laserem pierwszego wyboru do wiercenia ślepych przelotek laserowych, ponieważ nie wymaga to wcześniejszego przewiercania warstwy miedzi i nie ma dodatkowych prac graficznych. Ponieważ laser może przeniknąć zarówno przez miedź, jak i dielektryk, należy zachować ostrożność podczas jego ustawiania, aby zapewnić, że otwór przejdzie przez zewnętrzną warstwę miedzi i leżący pod nią dielektryk, nie przecinając przy tym padu miedzianego na warstwie 2. Rysunek 2 przedstawia otwór wywiercony laserem, który usunął cały niechciany materiał w otworze, nie przewiercając przy tym padu na warstwie 2.

Rysunek 2. Ślepa przelotka wiercona laserem

Elektryczne zalety ślepych przelotek

Przejścia w liniach sygnałowych są obciążone pasożytniczą pojemnością, która jest tworzona przez cylinder metalizowanego otworu przelotowego oraz płaszczyzny, przez które przechodzi. Ta pasożytnicza pojemność jest przede wszystkim funkcją powierzchni zewnętrznej metalizowanego otworu przelotowego, który jest cylindrem przechodzącym przez PCB. Powierzchnia ta jest określana przez średnicę wiertła oraz grubość PCB. Przy dzisiejszych wysokich prędkościach transmisji danych, ta pasożytnicza pojemność może degradować sygnał do poziomu, gdzie nie może być już skutecznie używany. Dlatego musi istnieć jakaś metoda na redukcję tej pasożytniczej pojemności. Przejścia ślepe realizują to poprzez skrócenie długości przejść i zmniejszenie ich średnic. W rezultacie, przejścia ślepe są dobrym sposobem na łączenie linii sygnałowych, które działają powyżej 4,8 Gb/s.

Wady przejść ślepych

Istnieje kilka niedociągnięć w używaniu ślepych przelotek (definiowanych fotograficznie, o kontrolowanej głębokości i laserowych), które są wiercone po zlaminowaniu PCB. Pierwszym ograniczeniem jest głębokość otworu w stosunku do jego średnicy. Ślepa przelotka to ślepy otwór na powierzchni PCB. Wprowadzenie chemii galwanicznej do tego otworu tak, aby miedź osadzała się na dnie i bokach otworu, może być trudne, jeśli głębokość otworu jest duża w porównaniu do jego średnicy. Aby zapewnić, że proces galwanizacji przebiegnie pomyślnie, średnica otworu musi być tak duża jak jego głębokość. Określa się to jako stosunek aspektu 1:1 lub mniejszy. Wiele zakładów produkcyjnych potrzebuje średnicy, która jest 1,5 raza większa niż głębokość otworu, aby zagwarantować odpowiednie pokrycie. W większości przypadków uniemożliwia to wiercenie ślepej przelotki poniżej warstwy 2 PCB. Inżynier ds. rozwoju musi być w stanie połączyć wszystkie piny urządzenia o małym rozstawie, takiego jak pokazano na Rysunku 3, w warstwie 1 lub

2.

Rysunek 3. Komponent o rozstawie 0,5mm z użyciem ślepych przelotek

Nie było możliwe wykonanie tego z częścią pokazaną na tej ilustracji, więc wiele pinów zostało wyprowadzonych spod części, aby umożliwić wiercone, przelotowe połączenia do głębszych warstw PCB.

Drugim ograniczeniem przy użyciu ślepych przelotek jest zdolność do zatrzymania wiercenia na zamierzonej warstwie. Gdy używany jest wiertło laserowe, musi ono przewiercić miedź na warstwie 1 i leżący pod nią materiał dielektryczny, nie przewiercając jednak miedzianej płytce łączącej, która znajduje się na warstwie 2. Oznacza to, że wiązka laserowa musi być starannie skalibrowana. Gdy używane jest wiercenie o kontrolowanej głębokości, wiertło musi zatrzymać się zanim dotknie miedzi w warstwach poniżej warstwy, do której jest tworzone połączenie.

Trzecim problemem związanym z ślepymi przelotkami jest lutowanie komponentu do padu, w którym umieszczona została ślepa przelotka. Potencjalny problem z niezawodnością może być spowodowany przez otwory. (Problem ten opisano w odniesieniu 47 w Tomie 1 naszej książki). Gdy pasta lutownicza jest nakładana na pady, powietrze w ślepej przelotce jest uwięzione pod otworem, tuż pod BGA. Ta maleńka bąbelka powietrza osłabia połączenie na tyle, że otwarte obwody będą występować, gdy PCB przechodzi przez różne temperatury pracy. Istnieją dwa sposoby rozwiązania tego problemu:

1. Wypełnij otwór całkowicie miedzią, jak pokazano na rysunku 4.

2. Wywierć ślepą przelotkę na boku pada.

Rysunek 4. Stosowana ślepa przelotka z powierzchniową przelotką wypełnioną miedzią

Na rysunku 4, trzy ślepe przelotki zostały ułożone jedna na drugiej. Dolna przelotka została uformowana razem ze wszystkimi innymi przelotkami na PCB. Dwie górne przelotki zostały uformowane przy użyciu omawianego poniżej procesu budowania. Każda przelotka została uformowana jak pokazano na rysunku 1. Po pokryciu ślepej przelotki i wszystkich innych przelotek miedzią, panel został ponownie przesłany przez operację oporu galwanicznego, gdzie nowa warstwa oporu została wystawiona na wzór, gdzie eksponowane były tylko ślepe przelotki. Następnie miedź była pokrywana na ślepych przelotkach aż całkowicie wypełniła puste przestrzenie. Ta operacja jest często określana jako platerowanie guzikowe. Aby upewnić się, że każda ślepa przelotka jest wypełniona miedzią, operacja platerowania trwa, aż miedź wystaje ponad powierzchnię. Po zakończeniu procesu platerowania, opór galwaniczny jest usuwany, a cała powierzchnia PCB jest szlifowana, aby wygładzić miedź. Wszystkie te dodatkowe kroki w procesie platerowania zwiększają koszt gotowego PCB. Rysunek 4 pokazuje operację ślepej przelotki wykonaną trzy razy, jedna na drugiej.

Alternatywne podejście do problemu bąbelków polega na wywierceniu ślepej przelotki z boku komponentu (jest to również opisane w Referencji 47 naszej książki Tom 1). To podejście nie wymaga żadnych dodatkowych etapów procesu. Wymaga jednak, aby twórca produktu przewidział miejsce na dodanie ślepej przelotki z boku pada. Rysunek 5 przedstawia przykład przelotek, które zostały wywiercone z boku środka.

Rysunek 5. Przesunięte laserowo wywiercone ślepe przelotki

To rozwiązanie łagodzi problem bąbelków, ponieważ wspomniany bąbelek tworzy się z boku kuli lutowniczej, a nie w jej centrum. Uwaga: Jeśli bąbelek powietrza nie znajduje się bezpośrednio pod kulą lutowniczą, nie spowoduje żadnych problemów.

Gdy istnieje potrzeba zbudowania przelotek w dwóch warstwach, jedna nad drugą, jak pokazano na Rysunku 4, i nie chcesz podejmować dodatkowych kroków w celu wypełnienia przelotek miedzią, istnieje alternatywne podejście. W takim przypadku umieszczasz drugą przelotkę z boku pierwszej, tak aby nie znalazła się ona bezpośrednio nad pustką utworzoną przez pierwszą przelotkę.

Ślepe przelotki, które się nie udały

Jak wspomniano powyżej, istnieje kilka sposobów, przez które ślepe przelotki mogą „zepsuć się”. W powyższym, problemy mogą wynikać z wyboru niewłaściwego typu przelotki dla projektowanego produktu, nieprawidłowego włączenia przelotki do ogólnego projektu płyty, lub przelotki nie będącej wyprodukowanej w odpowiedni sposób. Innym sposobem, w jaki przelotki mogą się zepsuć, jest związany z tkaniną szklaną używaną w laminatach. Rysunki 6-8 są przykładami tego typu złych przelotek. Wszystkie z nich były złe z powodu niejednorodności stylu splotu tkanin szklanych w laminatach – innymi słowy, braku mechanicznie rozprzestrzenionego szkła. Omówiłem temat mechanicznie rozprzestrzenionego szkła w poprzednim blogu.

Rysunek 6. Przykład złej ślepej przelotki 1

Rysunek 7. Przykład złej ślepej przelotki 2

Rysunek 8. Przykład złej ślepej przelotki 3

Zakopane przelotki

Gdy via przechodzi między dwoma wewnętrznymi warstwami PCB, ale nie dotyka żadnej z powierzchni, jest to via zakopana. Powszechnym błędem jest nazywanie via ślepej mikrovia. Zgodnie z IPC, mikrovia to via, której średnica wynosi 8 mils lub mniej, niezależnie od tego, czy przechodzi przez całą płytę PCB. Via zakopana może przechodzić między dowolnymi dwoma warstwami, jak pokazano na rysunku 1, lub może przechodzić przez kilka warstw, jak pokazano na rysunku 9.

Rysunek 9. Via Zakopana

W obu przypadkach, via zakopana jest formowana przez przetworzenie zestawu wewnętrznych warstw zaangażowanych w proces ilustrowany na rysunku 10. To wszystkie kroki zaangażowane w tworzenie gotowej płytki PCB z dodatkowymi warstwami dodawanymi na zewnątrz za pomocą procesu budowania. Jest to oczywiście proces droższy niż prosta wielowarstwowa obróbka. Wiele podłoży BGA używanych w urządzeniach o wysokiej liczbie pinów jest wytwarzanych w ten sposób, podobnie jak telefony komórkowe.

Możesz przeczytać więcej na temat używania ślepych i zakopanych przelotek w Altium Designer tutaj. Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta w Altium lub podnieś swoje umiejętności, czytając więcej na temat najlepszego zestawu narzędzi do tworzenia przelotek w projektowaniu PCB z Altium Designer^®.