Wysokogęstościowe połączenia międzywarstwowe - Podręcznik projektowania i produkcji

ROZDZIAŁ 1

Wprowadzenie do połączeń o wysokiej gęstości

EWOLUCJA ELEKTRONIKI

Elektronika to stosunkowo nowa branża, ponieważ od wynalezienia tranzystora minęło zaledwie 65 lat. Lampa radiowa została opracowana prawie 100 lat temu, ale rozkwitła podczas II wojny światowej, z komunikacją, radarem, zapalnikami amunicji (szczególnie elektronicznymi zapalnikami radarowymi dla pierwszej bomby atomowej) i ewoluowała w największą na świecie branżę. Wszystkie komponenty elektroniczne muszą być połączone i zmontowane, aby utworzyć funkcjonującą jednostkę. Pakowanie elektroniki to technologia, w której integrujemy projektowanie i produkcję tych połączeń. Od wczesnych lat 40. XX wieku podstawową platformą budowy pakowania elektroniki jest płyta drukowana (PCB). Ten podręcznik przedstawia zaawansowane podejścia projektowe i procesy produkcyjne potrzebne do zaprojektowania najbardziej skomplikowanych z tych PWB, czyli połączeń o wysokiej gęstości (HDI), jak pokazano na rysunku 1.

Ten rozdział wprowadza podstawowe rozważania, główne zalety i potencjalne przeszkody, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze metod połączeń o wysokiej gęstości. Główny nacisk położony jest na połączenia i okablowanie komponentów. Skupia się na gęstości i potencjalnych efektach, jakie wybór różnych typów płyt HDI i alternatyw projektowych może mieć na koszt i wydajność całego zespołu elektronicznego.

Od kiedy w latach 50. XX wieku obwody drukowane stały się bardziej powszechne, gęstość i złożoność połączeń szybko wzrosła, ale nie tak bardzo jak w ostatnich dziesięciu latach. Konwencjonalna technologia obwodów drukowanych jest w stanie sprostać większości dzisiejszych wymagań. Jednak istnieje rosnąca grupa produktów określanych jako "High Density Interconnects" (HDI, czyli połączenia o wysokiej gęstości), które są używane do tworzenia jeszcze gęstszych połączeń, i to one są przedmiotem tego Poradnika.

Trendy w połączeniach

Napędzające trendy w kierunku połączeń o wyższej gęstości można podzielić na trzy kategorie; platformy, wydajność i części:

Platformy

Z szybko rosnącymi rynkami dla produktów takich jak telefony komórkowe, cyfrowe urządzenia domowe i komputery noszone, które wszystkie reprezentują nowe możliwości. HDI umożliwia elektronice stawanie się mniejszą i lżejszą.

Wydajność 

Zmniejszające się czasy narastania półprzewodników oraz coraz więcej komunikacji RF i mikrofalowej, na częstotliwościach do 80 GHz w niektórych obszarach telekomunikacyjnych.

Części 

Ewoluująca technologia krzemowa mniejszych tranzystorów i ich szybsze czasy narastania prowadzi do wyzwania dostarczenia większej liczby wyprowadzeń na mniejszej powierzchni, co równa się większej liczbie połączeń na jednostkę powierzchni.

Wszystkie te trendy tworzą zapotrzebowanie na gęstsze połączenia międzyelementowe, z mniejszymi wymiarami ścieżek i odstępów, mniejszymi przelotkami oraz większą liczbą przelotek zakopanych. Chociaż nie jest to koniecznie związane ze zmianą praktyk projektowania płyt, konwencjonalne konstrukcje mogą osiągnąć swoje granice, a projektowanie konstrukcji HDI wymaga przemyślenia strategii projektowych.

RYCINA 1. Elektronika ewoluowała pod względem gęstości od lat 40. XX wieku do obecnego stanu wysokogęstościowych połączeń, które obejmują układanie 3D i komponenty wbudowane.

PLATFORMY WIELOWARSTWOWE HDI

HDI to tak duży i rosnący rynek zastosowań PWB, że istnieją co najmniej trzy (3) różne platformy HDI, które go tworzą. Te cztery platformy to 1. Substraty i moduły interposerów; 2. Urządzenia przenośne; oraz 3. Wysoka wydajność.

Substraty i moduły interposerów

Ta technologia jest używana dla podłoży pod układy typu flip chip lub możliwych do połączenia za pomocą drutu. Mikroprzewierty pozwalają na zwiększenie gęstości niezbędnej do wyjścia z układów flip chip o wysokiej gęstości. Materiały dielektryczne to nowsze, zaprojektowane filmy. Typowym przykładem jest pokazany na Rysunku 2. Moduły to małe podłoża, które mogą mieć swoje układy scalone połączone drutem, zamontowane metodą flip chip lub TAB, lub mogą używać układów CSP o małym rozstawie. Dyskretne komponenty są zwykle bardzo małe, jak 0201 lub 01005 i mogą być nawet wbudowane. Zasady projektowania są zazwyczaj mniej rygorystyczne niż dla pojedynczego podłoża układu scalonego, ponieważ moduł może być większy niż pojedyncze opakowanie układu scalonego. 

Przenośne

Przenośne i zminiaturyzowane produkty konsumenckie są na czele technologii HDI. Gęste projekty oferują małe formy i bardzo gęste cechy, w tym mikro-BGA i układy flip chip. Największym zastosowaniem są obecnie telefony komórkowe. Typowym produktem telefonu komórkowego (Motorola MicroTack i Apple iPhoneX) są pokazane na Rysunkach 3.

Wysoka wydajność

Ta technologia jest stosowana do płyt o dużej liczbie warstw z wysokim I/O lub komponentami o małym rozstawie. Płyta z ukrytymi przelotkami nie jest zawsze konieczna. Mikroprzelotki są używane do tworzenia obszaru ucieczki dla gęstych komponentów (wysokie I/O, mikro BGA). Dielektryk jest wzmacniany - powlekany folią żywiczną, wzmacniane prepregi i rdzenie oraz wysokowydajne laminaty. Typowym przykładem jest pokazany na Rysunku 4. Możliwą 4. platformą do opracowania są 'wbudowane komponenty' widoczne na Rysunku 5.

RYCINA 2. Moduły o wysokiej gęstości dla a. Podłoża flip chip i b. Telekomunikacja

RYCINA 3. Coraz większa złożoność i gęstość charakteryzują płyty HDI używane w telefonach komórkowych od 1994 roku do dziś.

RYCINA 4. Wysoko niezawodna płyta telekomunikacyjna dla potrójnego kontrolera sieci optycznej OC-192 (10 Gb/s). Konstrukcja z niskimi stratami laminatów i używa struktury HDI 1+6+1.

RYCINA 5. Typowe użycie mikroprzelotek do łączenia różnych wbudowanych kondensatorów i rezystorów.

POPRAWA WYDAJNOŚCI

Gdy wymagane są poprawy wydajności dla PWB, HDI jest głównym czynnikiem. Oprócz zmniejszenia PWB, uczynienia go lżejszym i cieńszym, będzie ono miało lepsze właściwości elektryczne. Niektóre z tych ulepszeń to:

• Rząd wielkości niższe pasożyty elektryczne via
• Minimalne wypustki
• Stabilne napięcie szynowe
• Usuwanie kondensatorów sprzęgających
• Mniejsze przeploty i szumy
• Znacznie niższe RFI / EMI
• Bliższe płaszczyzny masy
• Możliwości dla rozproszonej pojemności (PWR/GND)
• Płaszczyzny masy na powierzchni z via-in-pads redukują emisje i promieniowanie

W miarę jak fabryki półprzewodników zmniejszają rozmiar swoich urządzeń, fizyka pozwala na szybsze czasy narastania / opadania. Objawia się to lepszą wydajnością przy wyższych częstotliwościach. Ale mniejsze urządzenia oznaczają więcej elementów na chipie i wyższą dyssypację ciepła. Redukcja napięcia zasilania w celu minimalizacji dyssypacji mocy prowadzi do zwiększenia wrażliwości obwodów na różne formy szumów i utraty siły sygnału. Wysokowydajne laminaty zawsze były jednym z wymagań. Ponadto, ulepszone procesy wytwarzania mikrovia również poprawiają wydajność przy wysokich częstotliwościach. Mikrovia mają prawie 1/10 pasożytów TH. Struktury pojazdów testowych mogą potwierdzić niższą indukcyjność w mikrovia, a połączone z kondensatorami o niskiej indukcyjności i via-in-pads, pokazują zalety redukcji szumów, szczególnie dla logiki wysokiej prędkości.

DOSTĘP DO ZAAWANSOWANYCH KOMPONENTÓW (CZĘŚCI)

Przemysł półprzewodnikowy jest głównym motorem napędowym elektroniki. Mniejsze geometrie bramek i większa ich całkowita liczba pozwalają na wykonywanie większej liczby funkcji – i to szybciej. Dzięki większym płytom krzemowym, ceny nadal spadają. 

Opakowania układów scalonych, takie jak urządzenia o rozstawie 0,80 i 0,65 mm, korzystają z technologii PCB takich jak HDI, ale to właśnie użycie urządzeń o rozstawie 0,8 mm i mniejszym jest momentem, gdy HDI zaczyna naprawdę przynosić korzyści. Ślepe przelotki oszczędzają miejsce na wewnętrznych warstwach i mają zmniejszone pola przelotek, a także umożliwiają stosowanie przelotek w padach. Typowym przykładem tych urządzeń jest procesor sygnałowy (DSP) o 953 pinach i rozstawie 0,65 mm, widoczny na rysunku 6a lub DSP o 498 pinach pokazany na rysunku 6b. Innymi nowymi komponentami, które stają się coraz bardziej rozpowszechnione, są te o bardzo wysokiej liczbie pinów, około 600 do 2500 pinów, nawet przy rozstawach 1,00 i 0,8 mm. Chociaż niektóre z nich to cyfrowe przełączniki telekomunikacyjne (rysunek 6c), zdecydowana większość to nowe programowalne matryce bramek (FPGA). Aktualne produkty od Actel, Infineon, Xilinx i Altera mają opakowania z 456, 564, 692, 804, 860, 996, 1020, 1164, 1296, 1303, 1417, 1508, 1696 i 1764 pinami. Projektowane są FPGA o liczbie pinów większej niż 2000!

RYSUNEK 6. a. Urządzenia o małym rozstawie pinów, takie jak ten mikroprocesor z 953 pinami o rozstawie 0,65 mm, b. urządzenie DSP z 498 pinami o rozstawie 0,5 mm lub c. kontroler z 480 pinami @ 0,4 mm, nawet d. 182 piny @ 0,25 mm wymagają mikropowiązek. e. Cyfrowy przełącznik z 2577 pinami - rozstaw 1,0 mm teraz wymaga mikropowiązek, aby móc je połączyć na drukowanym obwodzie.

MOŻLIWOŚCI HDI

Inne korzyści z użycia technologii HDI mogą wynikać z łatwości projektowania, co skutkuje szybszym wprowadzeniem na rynek i poprawą niezawodności.

Szybsze wprowadzenie na rynek

Szybsze wprowadzenie na rynek jest możliwe dzięki łatwiejszemu umieszczaniu komponentów przy użyciu ślepych przelotek lub przelotek w padach. Inne efektywności projektowe wynikają z mniejszych odstępów, poprawionych wyprowadzeń BGA, trasowania bulwarowego (patrz Rozdział 4) oraz łatwości autorutowania przy użyciu ślepych/zakopanych przelotek zamiast przelotek przez wszystkie warstwy. Ogólny czas projektowania systemu może być zredukowany dzięki poprawionej wydajności elektrycznej ślepych przelotek zamiast przelotek TH, mniejsza liczba ponownych prób będzie wymagana z powodu integralności sygnału i redukcji szumów.

Poprawa niezawodności

TRANSLATE: Rozległe testy niezawodności zostały przeprowadzone przez IPC-ITRI pod koniec lat 90. na temat niezawodności mikropołączeń. [1]  Inne grupy (takie jak HDPUG & NASA-JPL) również opublikowały raporty na temat wyższej niezawodności małych ślepych połączeń w porównaniu do połączeń przelotowych (TH). [2]  Zrozumienie „DLACZEGO” jest dość proste!  Stosunek aspektu połączenia (AR - stosunek głębokości do średnicy) jest mniejszy niż (<) 1:1 w porównaniu do TH, gdzie AR wynosi >6:1 (+) i może osiągać nawet 20:1. Jest to wynik stosowania cienkich materiałów i materiałów o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej w osi Z w technologii HDI (patrz Rozdział 2). Materiały HDI są liczne i przewyższają wielowarstwowe laminaty pod względem różnorodności, dlatego są one objęte standardem IPC IPC-4104A, a nie IPC-4101B. Jeśli ślepe połączenia są właściwie wiercone i pokrywane, wówczas będą one działać z wielokrotnie większą liczbą cykli termicznych niż typowe TH (patrz Rozdział 6) 

Cienkie materiały HDI są zatem dobrze przystosowane do transferu ciepła termicznego, co również jest omówione w standardach projektowania HDI IPC, IPC-2226.

NIższy Koszt

Rozdziały 4 i 5 szczegółowo omówią ulepszony proces projektowania dla PWB HDI. Odpowiednio zaplanowany i wykonany, wielowarstwowy HDI może być tańszy niż alternatywa płyty TH. Jak pokazano na rysunku 4, porównanie wysokiej prędkości, kontrolowanej impedancji 14-warstwowej wielowarstwowej TH do 8-warstwowej wielowarstwowej HDI. Dzięki pełnemu wykorzystaniu drugiej strony PWB, wymagana była o 40% mniejsza powierzchnia do połączenia wszystkich komponentów, oprócz 6 mniej warstw.

PRZEWIDYWALNOŚĆ LUB „ILE TO BĘDZIE KOSZTOWAĆ?” I POTRZEBA MODELI PROJEKTOWYCH

Przewidywalność

Klienci muszą znać układ warstw HDI, zasady projektowania i CENĘ, ZANIM rozpoczną projekt lub projektowanie płyty.

Producenci mogą wycenić projekt PO jego zaprojektowaniu, ale bez znania liczb na początku - nikt nie może pozwolić sobie na czas, aby biec w ciemno. Koncepcja, że „Mikrowieże kosztują więcej!” wynika z nieumiejętności właściwego projektowania płyty HDI.

Jedną z korzyści z Benchmarkingu HDI przez ostatnie 37 lat był wykres Porównania TH versus HDI przedstawiony na Rysunku 7. Porównanie Ceny do Gęstości. Dwa kluczowe zmienne to RCI, waluta porównawcza, znormalizowana do rzeczywistej ceny 8-warstwowej wielowarstwowej i DEN, średnia liczba pinów na płycie podzielona przez długość i szerokość płyty.

RYCINA 7. Porównanie Ceny do Gęstości TH versus HDI. Wskaźnik Kosztów Względnych (RCI) i predyktor GĘSTOŚCI (piny/cal kw.) umożliwiają szybkie porównanie warstw TH (kolumna A) z odpowiednimi strukturami HDI (kolumny B – G).

RCI w macierzy to liczby „Podstawowe” (lub minimalne) dla kosztów. Jednak liczba „Maksymalna” dla zakresu jest poza naszą zdolnością obliczenia lub ustalenia w tym momencie. Wszystko zależy od różnych czynników w projekcie. Wydajności są bardzo wrażliwe na min. średnicę, pierścienie anularne, min. ścieżkę i odstępy, grubości materiałów, całkowitą liczbę otworów i ich gęstość. Inne czynniki kosztowe, takie jak wykończenie końcowe, wypełnianie otworów i tolerancje, będą wpływać na cenę. Dodałem kolumnę dla „Gęstości” (DEN). Jest to Maksymalna Liczba Połączeń Elektrycznych (nazywanych „pinami”) na cal kwadratowy powierzchni (dla obu stron). Przerywane linie to „Równoważne” PCB. Tak więc, jako przykład, płyta 18-warstwowa TH (przez otwór-kolumna A) z średnią 100 „pinów” na cal kw. mogła być zaprojektowana jako płyta 10-warstwowa HDI (1+8+1-kolumna C), ponieważ może obsłużyć 210 „pinów” na cal kw. (p/si). Lub mogła być zaprojektowana jako płyta 6-warstwowa HDI z 2+2+2 (kolumna E, również 200 p/si).

RCI nie pokazuje "bezwzględnych" oszczędności kosztów w tym przykładzie. "Względne" oszczędności kosztów wynoszą 28,1% dla warstwy 10-warstwowej i 20,5% dla 6-warstwowych równoważników HDI. Jednak mniejsza płyta mogłaby skutkować większą liczbą płyt na panel i "CENA" byłaby jeszcze niższa niż powyższe liczby. W zakresie od 8L do 18L, płyty HDI, szczególnie 2+N+2, NIE są równoważne płytom 8L do 18L TH, reprezentują płyty o 12X- 20X większej gęstości niż płyty TH.

Ta macierz oparta jest na FR-4. Ma to dwie ważne implikacje. Skala RCI TH (od 4L do 16L) reprezentuje konkurencyjne ceny ustalone przez Chiny. Ta skala jest obniżona w porównaniu z cenami HDI. Więc ceny HDI, jeśli są równe lub niższe, są bardzo konkurencyjne. Jeśli materiał konstrukcyjny to NIE FR-4, ale droższy materiał o niskim Dk lub niskim Dj, wtedy oszczędności z HDI będą DUŻO WIĘKSZE, gdy zmniejszysz warstwy!

ROZDZIAŁ 2

MATERIAŁY DLA WYSOKIEJ GĘSTOŚCI POŁĄCZEŃ (HDI)

W tym rozdziale omówimy materiały używane do produkcji obwodów HDI. Istnieje wiele dobrych źródeł na temat materiałów dla PCB (takich jak "Printed Circuit Handbook" redagowany przez Holdena i Coombsa), więc skupimy się na tych materiałach, które są specyficzne dla HDI. 

Obecny światowy rynek materiałów HDI został oszacowany przez BPA Consulting Ltd. na 83 miliony metrów kwadratowych. Podział według BPA Consulting jedenastu (11) używanych materiałów HDI, według kolejności użycia:

• Prepregi do laserowego wiercenia-40,4%
• RCC-28,3%
• Tradycyjne prepregi-17,2%
• ABFilm-5,0%
• Epoksyd-3,3%
• Inne-3,2%
• BT-1,8%
• Aramid-0,4%
• Polimid-0,3%
• Fotopolimer w postaci suchej folii-0,1%
• Fotopolimer w płynie-~0,0%

Główne składniki materiałowe PCB to żywica polimerowa (dielektryk) z dodatkami lub bez, wzmocnienie oraz folia metalowa. Typowa konstrukcja jest pokazana na rysunku 1. Aby utworzyć PCB, naprzemiennie układa się warstwy dielektryka, z wzmocnieniem lub bez, pomiędzy warstwami folii metalowej.

Większość materiałów to epoksydy, ale niektóre to BT, PPE, estry cyjanowe i zmodyfikowane akrylany. Najnowszymi materiałami są rosnąca liczba prepregów możliwych do przewiercania laserem.

RYSUNEK 1. Budowa laminatu PWB [Źródło: PC Handbook, 7. wyd.]

DIELEKTRYKI I IZOLATORY

Podstawową żywicą branży był żywica epoksydowa. Epoksyd był podstawą ze względu na stosunkowo niski koszt, doskonałą przyczepność (zarówno do folii metalowych, jak i do siebie) oraz dobre właściwości termiczne, mechaniczne i elektryczne. Wraz z pojawieniem się wymagań dotyczących lepszej wydajności elektrycznej, zdolności do wytrzymywania temperatur lutowania bezołowiowego (patrz Tabela 1) oraz zgodności z wymogami środowiskowymi, podstawowa chemia epoksydowa została z biegiem lat znacząco zmieniona. 

Epoksydy to żywice termoutwardzalne, które do przeprowadzenia reakcji krzyżowego wiązania prowadzących do otrzymania ostatecznego produktu utwardzonego, wykorzystują utwardzacze i katalizatory. Epoksydy są również z natury łatwopalne, dlatego do żywicy dodaje się środki opóźniające palenie, aby znacznie zmniejszyć palność. Tradycyjnie głównym środkiem utwardzającym był Dicy, ale obecnie używa się różnych związków fenolowych. Tradycyjne związki bromu (np. TBBA) używane jako środki opóźniające palenie są zastępowane innymi związkami, takimi jak te zawierające fosfor, z powodu obaw związanych z dostawaniem się bromu do środowiska, gdy PCB są utylizowane. Wiele firm przeszło na wymóg "BezHalogenowy" w przewidywaniu ewentualnego zakazu lub dla pozoru bycia "zielonym".

TABELA 1. Cztery ważne cechy termiczne laminatu 'bezołowiowego' i STII.

RYCINA 2. Niektóre wartości STII dla powszechnych laminatów.

Inne żywice, które są powszechnie stosowane, są zazwyczaj wybierane w celu rozwiązania konkretnych problemów systemów żywicznych epoksydowych. BT-Epoxy jest powszechnie stosowany w organicznych opakowaniach chipów ze względu na jego stabilność termiczną, podczas gdy żywice poliimidowe i cyjanianowo-estrowe są używane dla lepszych właściwości elektrycznych (niższe Dk i Df) oraz poprawionej stabilności termicznej. Czasami są one mieszane z epoksydem, aby obniżyć koszty i poprawić właściwości mechaniczne. Ważną właściwością termiczną dla montażu bez ołowiu jest STII, a wartości niektórych laminatów można zobaczyć na Rysunku 2.

Oprócz żywic termoutwardzalnych, wykorzystywane są również żywice termoplastyczne, w tym poliimid i politetrafluoroetylen (PTFE). W przeciwieństwie do termoplastycznej wersji poliimidu, która jest stosunkowo krucha, wersja termoutwardzalna jest elastyczna i dostarczana jest w formie folii. Jest ona typowo używana do tworzenia obwodów elastycznych, jak również kombinowanych obwodów nazywanych sztywno-elastycznymi. Jest również droższa niż epoksyd i stosowana jest tylko w razie potrzeby.

Aby pomóc w wyborze odpowiedniego laminatu dla HDI, Rysunek 3 pokazuje wybór laminatów z całego świata i ich równoważność. 

RYCINA 3. Wykres zamienników laminatów dla wielu laminatów PCB

WZMACNIANE MATERIAŁY

Laserowo wierceniowe i konwencjonalne włókno szklane

Większość materiałów dielektrycznych używanych do produkcji płytek drukowanych zawiera wzmocnienie w systemie żywicznym. Wzmocnienie to zazwyczaj przyjmuje formę tkanej włókna szklanego. Tkana włókna szklana jest jak każda inna tkanina, składa się z pojedynczych filamentów, które są tkane razem na krosnach. Używając filamentów o różnych średnicach oraz różnych wzorów tkania, tworzone są różne style tkaniny szklanej.

Włókno szklane dodaje dielektrykowi zarówno wytrzymałości mechanicznej, jak i termicznej, ale stwarza pewne problemy, gdy jest używane w konstrukcjach HDI. Rysunek 5 pokazuje, że tkanina szklana jest tkana, a tabela przedstawia style, przędze i grubości tych przędz. Gdy do tworzenia via używane są lasery, różnica w szybkościach ablacji między włóknem szklanym a otaczającą je żywicą może powodować słabą jakość otworów. Ponadto, ponieważ tkanina szklana nie jest jednolita z powodu obszarów bez szkła, obszarów z jednym pasmem oraz przecięć pasm (znanych również jako węzły), trudno jest ustawić parametry wiercenia dla wszystkich tych regionów. Zazwyczaj wiercenie jest ustawiane dla najtrudniejszego do przewiercenia regionu, którym jest obszar węzłów. 

Producenci włókna szklanego stworzyli tzw. dielektryki nadające się do wiercenia laserowego, rozpraszając przędzę w obu kierunkach i czyniąc tkaninę bardziej jednolitą, co minimalizuje obszary bez włókna szklanego oraz obszary zgrubień. Rysunek 4 pokazuje 12 obecnie dostępnych LDP i ich właściwości. Nadal wymagana jest większa energia do przebicia włókna szklanego niż żywicy, ale teraz parametry wiercenia mogą być zoptymalizowane, aby uzyskać spójne wyniki na całej płycie. 

RYCINA 4.  Tabela specyfikacji tkanin dla włókna szklanego nadającego się do wiercenia laserowego.

RCCs

Pokryte Żywicą Folie Miedziane (RCC)

Ograniczenia dielektryków wzmacnianych włóknem szklanym skłoniły firmy do poszukiwania alternatywnych rozwiązań dielektrycznych. Oprócz problemów z wierceniem laserowym (słaba jakość otworów i długie czasy wiercenia), grubość tkanej włókna szklanego ograniczała, jak cienkie mogły być PCB. Aby przezwyciężyć te problemy, folia miedziana została wykorzystana jako nośnik dla dielektryka, który następnie mógł być włączony do PCB. Materiały te nazywane są „Pokrytą Żywicą Miedzią” lub RCC. Folia RCC jest produkowana przy użyciu procesu z rolki na rolkę.

RYCINA 5.  Zdjęcia standardowych i nadających się do wiercenia laserowego tkanin z włókna szklanego

Miedź przechodzi przez głowicę powlekającą, a żywica jest osadzana na traktowanej stronie miedzi. Następnie przechodzi przez piece suszące i jest częściowo utwardzana, czyli "B" etapowana, co pozwala jej płynąć i wypełniać obszary wokół wewnętrznej sieci przewodzącej oraz łączyć się z rdzeniem. Systemy żywiczne są zazwyczaj modyfikowane za pomocą ogranicznika przepływu, aby zapobiec nadmiernemu wyciskaniu podczas procesu laminowania. 

Większość folii RCC jest wytwarzana w ten sposób, ale istnieją również inne typy. Jednym z nich jest produkt dwuetapowy (Rysunek 6). Po nałożeniu pierwszej warstwy żywicy, przechodzi ona ponownie przez powlekarke, aby dodać drugą warstwę. Podczas drugiego powlekania pierwsza warstwa jest całkowicie utwardzana, podczas gdy druga warstwa jest etapowana na "B". Korzyścią z tego procesu jest to, że pierwszy etap działa jak twardy zatrzymywacz i gwarantuje minimalną grubość między warstwami. Wadą jest to, że produkt jest droższy niż wersja z pojedynczym powlekiem.

Pomimo wszystkich zalet folii RCC, istnieją obawy dotyczące braku wzmocnienia pod względem stabilności wymiarowej i kontroli grubości. Został opracowany nowy materiał, aby rozwiać te obawy. MHCG od Mitsui Mining and Smelting włącza ultracienkie włókno szklane (1015 lub 1027) podczas procesu powlekania żywicą. Włókno szklane jest tak cienkie, że nie można z niego zrobić prepregu, ponieważ nie może przejść przez wieżę traktującą jak tradycyjne włókno szklane. Dostępna jest również RCC z poliimidu / epoksydu. 

Włókno szklane nie wpływa znacząco na wiercenie laserowe, jednak zapewnia stabilność wymiarową równą lub lepszą niż standardowy prepreg. Teraz dostępne są warstwy dielektryczne o grubości zaledwie 25 mikronów, co pozwala na tworzenie bardzo cienkich produktów wielowarstwowych. 

Koszt jest kolejnym aspektem folii RCC, który budzi obawy. Folie RCC prawie zawsze kosztują więcej niż odpowiednik kombinacji prepregu i folii miedzianej. Jednakże, folia RCC może faktycznie skutkować tańszym produktem, gdy weźmie się pod uwagę czas wiercenia laserowego. W miarę jak liczba otworów i rozmiar obszaru wzrastają, poprawiona przepustowość wierceń laserowych więcej niż rekompensuje zwiększony koszt folii RCC.

RYCINA 6.  Cztery dostępne style powlekanej żywicą miedzi (folii)

INNE DIELEKTRYKI

Zoptymalizowana ciecz epoksydowa może zapewnić najniższy koszt spośród wszystkich dielektryków dla HDI. Jest również najłatwiejsza w aplikacji cienkich warstw dla precyzyjnego okablowania. Może być nakładana przez sitodruk, pionowe lub poziome powlekanie wałkami, powlekanie meniskowe lub powlekanie kurtynowe. Marka Taiyo Ink jest najczęściej używana, ale Tamura, Tokyo Ohka Kogyo i Asahi Denka Kogyo również mają produkty.

Polifenylowe etery/polifenylowy tlenek:  M.P > 288° C to termoplastyki polifenylowych eterów (PPE) lub polifenylowego tlenku (PPO) o temperaturach topnienia znacznie przekraczających 288°-316° C. Mieszanki PPO/epoksydu mają Tg >180° C przy wyższych temperaturach rozkładu. Ich popularność wynika z doskonałych właściwości elektrycznych, dzięki niższym stałym dielektrycznym i tangensom strat niż wiele termoutwardzalnych, takich jak epoksyd i BT, przy niskiej absorpcji wody. Ich wysokie temperatury topnienia i odporność chemiczna sprawiają, że desmearing jest kluczowym procesem.

WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE

Rysunek 7 przedstawia stałe dielektryczne (Dk) i czynniki strat (Dj) popularnych dielektryków, w tym tych odpowiednich dla bardzo szybkiej logiki. Tabela 2 zawiera inne charakterystyki elektryczne związane z wysoką wydajnością dla projektowania HDI.

RYSUNEK 7.  Charakterystyka elektryczna różnych laminatów według ich stałej dielektrycznej i współczynnika strat

TABELA 2.  Inne ważne aspekty wydajności elektrycznej przy projektowaniu układów wysokich prędkości.

UMOŻLIWIENIE WYKONANIA DROBNYCH ŚLADÓW I PRZESTRZENI

Dla bardzo wysokich prędkości logiki, sygnały podróżują po powierzchni przewodnika (efekt skórny). Gładkie folie miedziane umożliwiają wykonanie bardzo drobnych śladów i przestrzeni z mniejszymi stratami miedzi. (Zobacz Rysunek 8)  na Rysunku 9, ultra-drobne ślady są możliwe z foliami miedzianymi o grubości 5 mikronów i 3 mikrony, lub z procesem mSAP.

RYUNEK 8.  Obróbka folii dla adhezji występuje w czterech profilach i jest ważna dla strat miedzi (efekt skórny)

RYUNEK 9.  Bardzo cienka i gładka folia miedziana może umożliwić wykonanie bardzo drobnych śladów i przestrzeni (8um/8um)

Materiały dla Wysokiej Gęstości Połączeń to poważny temat dla projektantów PCB i inżynierów elektryków. Istnieje kilka dobrych źródeł na temat materiałów dla PCB, a tutaj skupiono się na materiałach HDI, aby pomóc inżynierowi w projektowaniu płytek drukowanych.

ROZDZIAŁ 3 

Proces produkcyjny HDI

WSTĘPNA FABRYKACJA HDI

Obwody drukowane o wysokiej gęstości połączeń (High Density Interconnect, HDI) zaczęły się rozwijać w 1980 roku, kiedy to badacze zaczęli szukać sposobów na zmniejszenie rozmiaru przelotek. Pierwszy innowator nie jest znany, ale do pionierów tego rozwiązania należą między innymi Larry Burgess z MicroPak Laboratories (twórca LaserVia), Dr Charles Bauer z Tektronix (który wyprodukował przelotki fotodielektryczne), [1] oraz Dr Walter Schmidt z Contraves (który opracował przelotki wytrawiane plazmowo).

Pierwsze produkcyjne płyty drukowane budowane warstwowo lub sekwencyjnie pojawiły się w 1984 roku, zaczynając od komputerowych płyt HewlettPackard z przelotkami wierconymi laserowo FINSTRATE, a następnie w 1991 roku w Japonii z obwodami powierzchniowymi laminarnymi (Surface Laminar Circuits, SLC) [2] przez IBM-YASU i w Szwajcarii z DYCOstrate [3] przez Dyconex. Rysunek 1 przedstawia jedną z tych pierwszych płyt FINSTRATE firmy Hewlett Packard, na okładce Hewlett-Packard Journal (1983).

HP Finstrate Laser-Via

HP nie zamierzało rozwijać technologii laserowo wierconych mikropołączeń. Były one wynikiem inżynierii odwrotnej ich nowego 32-bitowego mikrokomputera. Nazwali go chipem „FOCUS”, 32-bitowym mikroprocesorem opracowanym w technologii NMOS-III, który charakteryzuje się dużym zapotrzebowaniem na prąd. Jednym z pierwszych zaskoczeń z tym nowym mikroprocesorem było to, że nie mógł on obsłużyć indukcyjności standardowego przelotowego połączenia o średnicy 0,3 mm w płytce o grubości 1,6 mm. Mógł obsłużyć tylko 20-30 nHenrów indukcyjności, czyli ślepe połączenie o średnicy 0,125 mm. Drugim zaskoczeniem było to, że nie miał energii, aby obsłużyć normalne straty FR-4 (Dj=0,020), więc użyto czystego politetrafluoroetylenu (PTFE). Wymaganie układu scalonego (IC) dotyczące chłodzenia wymagało płytki z rdzeniem metalowym z bardzo małymi ślepymi połączeniami i dielektrykiem o bardzo niskich stratach. Powstała w ten sposób płyta była technologią z rdzeniem miedzianym, z bezpośrednio połączonymi drutowo układami scalonymi (ICs). 

RYSUNEK 1. Pierwsza płyta PCB z mikroprzewiązkami w produkcji ogólnej. FINSTRATE firmy Hewlett Packard został wprowadzony do produkcji w 1984 roku. Była to technologia z rdzeniem miedzianym i budową warstwową z czystym PTFE jako dielektrykiem, która miała bezpośrednio połączone drutowo układy scalone (IC). 

Zdjęcie IBM SLC Photo-via

Od wprowadzenia technologii SLC przez IBM w 1991 roku, opracowano i wdrożono wiele różnych metod masowej produkcji płyt HDI. Pod względem ilości produkowanych, technologia wiercenia laserowego jest jedną z nich. Inne metody są nadal stosowane przez niektórych producentów PWB, ale w znacznie mniejszej skali.

Jednak większy nacisk zostanie położony na proces wiercenia laserowego (odtąd laser via), ponieważ jest to obecnie najpopularniejszy proces i wydaje się, że jego popularność będzie rosła w przyszłości. Należy zrozumieć, że tworzenie otworów via to tylko jeden z elementów produkcji płyt HDI. Fabrykacja płyt HDI z otworami mikroprzewiązkowymi obejmuje wiele procesów, które nie są powszechne w konwencjonalnej produkcji płyt. 

Podstawy fabrykacji HDI

Rysunek 2 pokazuje podział technologii sekwencyjnego budowania (SBU) lub procesu produkcji połączeń o wysokiej gęstości. Trzy podstawowe elementy to:

• Format Dielektryczny 
• Tworzenie Przewiązań 
• Metody Metalizacji

RYSUNEK 2. Technologia sekwencyjnego budowania (HDI) ma trzy główne cechy: Format Dielektryczny, Tworzenie Przewiązań i Metody Metalizacji (Z uprzejmości firmy DuPont.)

Proces produkcyjny dla każdej technologii mikroprzewiązań rozpoczyna się od podstawowego rdzenia, który może być prostą płytą dwustronną przenoszącą płaszczyzny zasilania i masę, lub płytą wielowarstwową przenoszącą pewien wzór sygnałów oprócz płaszczyzn zasilania i masy. Rdzeń zazwyczaj posiada otwory metalizowane (PTH). Te PTH stają się BVH. Taki rdzeń często nazywany jest rdzeniem aktywnym.

Dielektryki i Izolatory

Przegląd dielektryków i stosowanych materiałów przewodzących używanych w produkcji mikroprzewiązań jest omówiony w standardzie IPC-4104A. Niektóre z tych dielektryków mogą być używane zarówno w pakowaniu układów scalonych, jak i w aplikacjach HDI PWB. Dokonano odniesień do odpowiednich specyfikacji materiałowych IPC/JPCA-4104 dotyczących materiałów HDI i mikroprzewiązań.

Wybór materiału musi odpowiedzieć na te pytania:

• Czy użyty dielektryk będzie kompatybilny chemicznie z obecną chemią używaną przez materiał podstawowy rdzenia?
• Czy dielektryk będzie miał akceptowalną przyczepność miedzi pokrytej? (Wiele producentów oryginalnego wyposażenia [OEM] chce >6 lb./in. [1,08 kgm/cm] na 1 uncję [35,6 µm] miedzi.)
• Czy dielektryk zapewni odpowiednią i niezawodną odległość dielektryczną między warstwami metalu?
• Czy spełni potrzeby termiczne?
• Czy dielektryk zapewni pożądane „wysokie” Tg dla wiązania drutowego i poprawek?
• Czy przetrwa szok termiczny z wieloma warstwami SBU (tj. pływające luty, przyspieszone cykle termiczne, wielokrotne przepływy)?
• Czy będzie miał platerowalne, niezawodne mikrovia (czyli czy będzie miał możliwość zapewnienia dobrej plateracji na dno via)?
• Wybór materiału musi odpowiedzieć na te pytania:
• Czy dielektryk będzie używał chemii kompatybilnej z obecną chemią używaną przez podstawowy materiał substratu?
• Czy dielektryk będzie miał akceptowalną przyczepność miedzi pokrytej? (Wiele producentów oryginalnego wyposażenia [OEM] chce >6 lb./in. [1,08 kgm/cm] na 1 uncję [35,6 µm] miedzi.)
• Czy dielektryk zapewni odpowiednią i niezawodną odległość dielektryczną między warstwami metalu?
• Czy spełni potrzeby termiczne?
• Czy dielektryk zapewni pożądane „wysokie” Tg dla wiązania drutów i prac naprawczych?
• Czy przetrwa szok termiczny z wieloma warstwami SBU (tj. pływające luty, przyspieszone cykle termiczne, wielokrotne przepływy)?
• Czy będzie miał platerowalne, niezawodne mikroprzewierty (czyli czy będzie miał możliwość zapewnienia dobrego platerowania na dno przewiertu)?

Istnieje dziewięć różnych ogólnych materiałów dielektrycznych używanych w substratach HDI. Arkusze IPC, takie jak IPC-4101B i IPC-4104A, obejmują wiele z nich, ale wiele jeszcze nie jest określonych przez standardy IPC. Materiały to: Fotosensybilne ciekłe dielektryki

• Fotosensybilne suche folie dielektryczne
•  Polimidowa elastyczna folia
• Termicznie utwardzane suche folie
• Termicznie utwardzany ciekły dielektryk
• Pokryta żywicą folia miedziana (RCC), dwuwarstwowa i wzmacniana
• Tradycyjne rdzenie FR-4 i Prepregi
• Nowe Prepregi „rozprzestrzeniające szkło” laserowo wiercące (LD)
• Termoplasty

Formowanie przewiertów łączących

Ta sekcja omawia procesy wykorzystujące różne techniki tworzenia otworów przelotowych. Wiercenie otworów przelotowych jest możliwe poniżej 0,20 mm (0,008 cala), ale koszty i praktyczność zniechęcają do tego. Poniżej 0,20 mm (0,008 cala) bardziej opłacalne są laserowe i inne procesy tworzenia otworów. Istnieje wiele różnych metod formowania otworów IVH stosowanych w procesach HDI. Najbardziej prominentną jest wiercenie laserowe.  Te różne metody tworzenia otworów mają pewne ograniczenia co do minimalnego rozmiaru otworów, jakie mogą formować, jak również znaczące różnice w szybkości tworzenia otworów.  

Wiercenie Mechaniczne

Najstarszą techniką tworzenia ślepych i zakopanych otworów jest wiercenie mechaniczne i sekwencyjna laminacja, jak widać na rysunku 3a i 3b.  Zrobiono postępy zarówno w produkcji małych wiertel, jak i w szybkim wierceniu mechanicznym, co pozwala wykorzystać tę technikę w niektórych okolicznościach.

RYSUNEK 3. Mechaniczne wiercenie małych otworów przez kontrolowaną głębokość, Rysunek 3a, lub sekwencyjną laminację, Rysunek 3b, to jak HDI rozpoczęło produkcję na dużą skalę.

RYSUNEK 4. Tworzenie ślepej przelotki w panelu PWB jest zwykle realizowane za pomocą technologii laserowej, ale używane były również „masowe procesy przelotek” takie jak trawienie chemiczne, plazma czy fotoprzelotki dielektryczne.

Technologia Laserowa Przelotek

Procesowanie przelotek laserowych to zdecydowanie najpopularniejszy proces formowania mikroprzelotek. Nie jest to jednak najszybszy proces tworzenia przelotek.  Najszybszym jest trawienie chemiczne małych przelotek, z szacowaną szybkością od 8 000 do 12 000 przelotek na sekundę. Dotyczy to również formowania przelotek plazmowych i fotoprzelotek (Rysunek 4). Wszystkie te procesy to masowe procesy tworzenia przelotek. Wiercenie laserowe jest jedną z najstarszych technik generowania mikroprzelotek. [1] Długości fal energii laserowej mieszczą się w zakresie podczerwieni i ultrafioletu. Wiercenie laserowe wymaga programowania wielkości i energii wiązki fluencyjnej. Wiązki o wysokiej fluencji mogą ciąć metal i szkło, podczas gdy wiązki o niskiej fluencji czysto usuwają substancje organiczne, ale nie uszkadzają metali. Rozmiar plamki wiązki tak mały jak około 20 mikronów (<1 mil) jest używany dla wiązek o wysokiej fluencji, a około 100 mikronów (4 mil) do 350 mikronów (14 mil) dla wiązek o niskiej fluencji. [2] [3]

Większość procesów laserowych wykorzystuje lasery CO2 lub UV, ponieważ są to lasery najłatwiej dostępne i najbardziej ekonomiczne. Podczas używania lasera CO2 do wytwarzania przelotek w laminatach epoksydowych, miedź musi zostać usunięta nad obszarem przeznaczonym do ablacji (patrz Rysunek 5). Laser CO2 jest głównie używany dla laminatów nie wspieranych przez szkło. Obejmuje to laminaty niewspierane, takie jak elastyczny polimid i folia miedziana pokryta żywicą (RCC^®) oraz laminaty wzmocnione alternatywnymi materiałami, takimi jak włókna aramidowe. Zmodyfikowane lasery CO2 TEA (Transversely Excited Atmospheric) są specjalnie stworzone do przecinania włókien szklanych przy użyciu długości fali 9,000 nm i wyższej mocy szczytowej.

Jednak istnieje wiele wariantów. W celu wiercenia mikrootworów istnieje pięć systemów laserowych: UV/Eximer, UV/Yag, CO2, Yag/CO2 oraz kombinacje CO2/TCO2. Istnieje również wiele materiałów dielektrycznych: RCC, tylko żywica (sucha folia lub ciekła żywica) oraz wzmocniony prepreg. Dlatego liczba sposobów na wykonanie mikrootworów za pomocą systemów laserowych jest determinowana przez permutację pięciu systemów laserowych i tych materiałów dielektrycznych, jak widać na Rysunku 5.

Lasery o wyższej mocy (np. ultrafioletowe - UV) mogą usuwać szkło i miedź, dlatego mogą być używane z konwencjonalnymi laminatami, ale zazwyczaj są wolniejsze przy przechodzeniu przez miedź i włókna szklane. Istnieje kilka czynników, które należy wziąć pod uwagę przy przetwarzaniu laserowym via: dokładność pozycji wydrążonych otworów (otwory mikrovia), nierównomierne średnice otworów, zmiana wymiarów panelu po utwardzeniu dielektryka, zmiana wymiarów panelu spowodowana zmianami temperatury i wilgotności, dokładność ustawienia maszyny do ekspozycji światłem, niestabilna natura negatywów graficznych i tak dalej. Te aspekty powinny być starannie monitorowane i są ważne dla wszystkich procesów otworów mikrovia.

RYCINA 5. Trzy główne procesy ablacji ślepych via laserowych; c. otwieranie okna w folii miedzianej przy użyciu UV lub specjalnych obróbek laserami CO2; d. Wytrawianie otworu w folii miedzianej, a następnie laserowanie dielektryków; e. Laserowanie Eximerem via w materiałach, a następnie metalizacja dielektryka metodą rozpylania lub bezprądowego osadzania miedzi mSAP.

Metoda metalizacji

Ostatnim procesem jest metalizacja via. Istnieją cztery różne metody metalizacji IVH używane w procesach HDI. Metody te to:

• Konwencjonalne bezprądowe i elektrolityczne miedziowanie
• Konwencjonalne przewodzące grafitowe lub inne polimery
• Pełne i pół-dodatkowe bezprądowe miedziowanie
• Przewodzące pasty lub tusze (Rys. 6f i 6g)

Laser jest najczęstszą metodą produkcji mikroprzewiązań, które mają być wypełnione przewodzącą pastą. Lasery są zdolne do ablacji materiału dielektrycznego i zatrzymywania się przy napotkaniu obwodów miedzianych, więc są idealnie przystosowane do tworzenia kontrolowanej głębokości ślepych przewiązań. Rysunek 6 pokazuje te dwa główne procesy mikroprzewiązań.

RYCINA 6. Dwa z najpopularniejszych azjatyckich procesów metalizacji otworów mikroprzewiązań za pomocą polimerów przewodzących; f. Proces BBiT polega na nanoszeniu przewodzącej pasty srebrnej na folię miedzianą i laminowaniu jej do dwustronnego rdzenia; g. Różne przewodzące pasty są nanoszone na otwory wywiercone laserowo w dielektryku w fazie B, a następnie laminowane z folią miedzianą do rdzenia.

ROZDZIAŁ 4

Podstawy projektowania HDI

DEFINIOWANIE GĘSTOŚCI POŁĄCZEŃ

Planując projekt HDI, istnieją miary wydajności lub metryki dla procesu HDI. Podobnie jak trójkąt na Rysunku 1, te trzy kluczowe łańcuchy procesu HDI są elementami gęstości połączeń.

RYCINA 1. Metryki projektowania HDI

ZŁOŻONOŚĆ MONTAŻU

Dwa wskaźniki trudności montażu komponentów montowanych powierzchniowo, Gęstość Komponentów (Cd), mierzona w częściach na cal kwadratowy (lub na centymetr kwadratowy) oraz Gęstość Montażu, (Ad), w wyprowadzeniach na cal kwadratowy lub na centymetr kwadratowy.

OPAKOWANIE KOMPONENTÓW

Dwa wskaźniki trudności montażu powierzchniowego Stopień zaawansowania komponentów, Złożoność Komponentów, (Cc), mierzona średnią liczbą wyprowadzeń (I/O) na część. Drugim wskaźnikiem jest rozstaw wyprowadzeń komponentu.

GĘSTOŚĆ PŁYTKI DRUKOWANEJ

Ilość gęstości (lub złożoności) drukowanego obwodu, Wd, mierzona średnią długością ścieżek na cal kwadratowy tej płytki, uwzględniając wszystkie warstwy sygnałowe. Metryka to cale na cal kwadratowy lub cm na cm kwadratowy. Drugą jest liczba ścieżek na cal liniowy lub na cm liniowy.  Gęstość PWB została wyznaczona, zakładając średnią trzech węzłów elektrycznych na sieć i że wyprowadzenie komponentu było węzłem sieci. Wynikiem była równanie, które mówi, że gęstość PWB to  razy pierwiastek kwadratowy z części na cal kwadratowy razy średnia liczba wyprowadzeń na część. β wynosi 2,5 dla wysokiej analogowej/ dyskretnej strefy, 3,0 dla strefy analogowo/cyfrowej i 3,5 dla strefy cyfrowej/ASIC:

Gęstość PWB (Wd)  = β √ [Cd] x [Cc]

= β √ [części na cal kw.] x [śr. liczba wyprowadzeń na część]

Gdzie:

p = Liczba komponentów (części)

l = Liczba wyprowadzeń dla wszystkich komponentów

a = Powierzchnia górnej strony płytki (cale kwadratowe)

MAPA TECHNOLOGII PAKOWANIA

Rysunek 2 przedstawia to, co nazywam Mapą Technologii Pakowania. Mapa Technologii Pakowania została po raz pierwszy zaprezentowana przez Toshibę w styczniu 1991 roku. [1]. 

Kolejną cenną cechą mapy jest obszar w prawym górnym rogu. To jest "Region Zaawansowanych Połączeń". To miejsce, gdzie konieczna jest struktura HDI. Przerywane linie wskazują barierę lub ścianę HDI!  Przekroczenie tej linii sprawia, że użycie HDI staje się opłacalne. Przesunięcie się zbyt daleko sprawia, że staje się to koniecznością.

RYCINA 2. Bariera okablowania przelotowego (TH) jako funkcja typowego montażu.

Mapa pakowania jest tworzona poprzez zmierzenie rozmiaru zestawu, liczby komponentów oraz ilości wyprowadzeń tych komponentów. Komponenty obejmują obie strony zestawu, jak również krawędziowe złącza lub styki. Poprzez proste dzielenie liczby wyprowadzeń przez części i części przez powierzchnię zestawu, znane są osie X i Y. Wykreślając komponenty na cal kwadratowy (lub komponenty na centymetr kwadratowy) w stosunku do średniej liczby wyprowadzeń na komponent na wykresie logarytmicznym, można obliczyć gęstość okablowania PWB w calach na cal kwadratowy (lub centymetrach na centymetr kwadratowy) oraz Złożoność Montażu (w wyprowadzeniach na cal kwadratowy lub wyprowadzeniach na centymetr kwadratowy). Gęstość montażu to po prostu iloczyn osi X i Y. 

PRZEPUSTOWOŚĆ OKABLOWANIA PRZEZ OTWORY

Gdy wykres (Rys. 2) jest używany do analizy montażu powierzchniowego, na wykresie opakowań pojawiają się trzy główne strefy, dlatego nazywam go Mapą. Pierwsza to produkty o wysokiej zawartości urządzeń analogowych i komponentów dyskretnych. Typowymi produktami są kamery, pagery i telefony komórkowe (C-C’). Mają one najwyższą złożoność montażu. Do 300 do 400 wyprowadzeń na cal kwadratowy (47 wyprowadzeń na centymetr kwadratowy). Druga grupa to produkty o wysokim stopniu komponentów cyfrowych i pewnej liczbie mieszanych komponentów dyskretnych. Przykładami są notebooki, komputery stacjonarne, przyrządy, sprzęt medyczny i routery telekomunikacyjne (A-A’). Ostatnia grupa ma wysoko zintegrowane użycie układów scalonych. PCMCIA, pamięci flash, SiP-y i inne moduły są typowe dla tej grupy (B-B’). Ta grupa ma najwyższą gęstość okablowania PWB, ponad 160 cali na cal kwadratowy (25 centymetrów na centymetr kwadratowy). Rysunek luźno pokazuje trzy regiony.

Gdy spojrzysz na rysunek, linie złożoności montażu przecinają się z liniami gęstości okablowania. Na wysokich poziomach dyskretnych wymagane jest mniej okablowania na jednostkę gęstości montażu. Na wysokich poziomach ASIC (i niskich dyskretnych) wymagane jest znacznie więcej okablowania do połączenia komponentów. To sprawia, że metryki montażu, takie jak liczba wyprowadzeń na cal kwadratowy, są dobrym wskaźnikiem, ale nie wystarczają do zastąpienia gęstości okablowania PWB.

OGÓLNY PROCES PROJEKTOWANIA PCB

Proces projektowania PCB z wykorzystaniem technologii HDI jest pokazany na rysunku 3. Projektując z technologiami HDI, pierwszy krok – [Planowanie projektu] jest najważniejszy. Efektywność trasowania dla HDI zależy od układu warstw, architektury via, rozmieszczenia części, rozwijania BGA i zasad projektowych, jak widać na rysunku 4. Jednak należy wziąć pod uwagę cały łańcuch wartości HDI, w tym wydajność produkcji, kwestie montażu i testowanie w obwodzie. Współpraca z producentem i montażystą PWB jest kluczowa dla sukcesu projektu.

RYCINA 3. Ogólny przegląd procesu projektowania i układu PCB. 

STANDARDY, WYTYCZNE, SPECYFIKACJE I REFERENCJE HDI

Podchodząc do projektowania HDI, punktem wyjścia są Wytyczne i Standardy IPC. Cztery z nich dotyczą specjalnie projektowania HDI, jak widać na rysunku 5.

RYSUNEK 4. Zalecany proces planowania HDI do dodania do ogólnego procesu projektowania PCB

• IPC/JPCA-2315: Jest to przegląd HDI i dostarcza modeli do szacowania gęstości projektu.
• IPC-2226: Ta specyfikacja edukuje użytkowników w zakresie tworzenia mikroprzewiązań, wyboru gęstości okablowania, wyboru zasad projektowania, struktur połączeniowych oraz charakterystyki materiałów. Ma na celu dostarczenie standardów do użytku w projektowaniu płyt drukowanych wykorzystujących technologie mikroprzewiązań. [2]
• IPC-4104: Ten standard identyfikuje materiały używane do struktur o wysokiej gęstości połączeń. Specyfikacje materiałów HDI IPC4104 zawierają arkusze z cięciami, które definiują wiele cienkich materiałów używanych w HDI. Arkusze z cięciami charakterystyk materiałów są podzielone na trzy główne typy materiałów:  Izolatory dielektryczne (IN);  Przewodniki (CD) oraz Przewodniki i Izolatory (CI). 
• IPC6016: Ten dokument obejmuje wydajność i kwalifikacje dla struktur o wysokiej gęstości.

RYSUNEK 5. Standardy i wytyczne IPC

Co różni projektowanie HDI?

TRZY (3) NOWE ZASADY

Istnieją trzy (3) nowe zasady dla projektowania HDI-mikroprzewiązań  które nie występują w projektowaniu TH:

• Mikropoprowadzenia muszą zastąpić przelotki (TH), a nie być używane tylko „dodatkowo” do nich.
• Rozważ nowe układy warstw, które umożliwiają eliminację przelotek.
• Umieszczaj mikropoprowadzenia w taki sposób, aby tworzyły kanały i bulwary dla ulepszonego trasowania. (patrz Tabela 1)

ZASTĄPIENIE PRZELOTÓW (TH) PRZEZ MIKROPOPROWADZENIA

Główna idea polega na tym, że mikropoprowadzenia zastępują lub umożliwiają usunięcie przelotek, co pozwala na poprawę gęstości trasowania na wewnętrznych warstwach o 2X lub 3X, wykorzystując przestrzeń, którą zajmowały przelotki. To pozwoli na zmniejszenie liczby warstw sygnałowych i mniejszą liczbę warstw odniesienia dla tych warstw sygnałowych.

Zasada ta jest głębsza, niż się na początku wydaje. Wynika to z trzech wymiarów, w jakich umieszczane są mikropoprowadzenia, patrz Rysunek 6):

TABELA 1. Nowe zasady projektowania HDI, nie stosowane dla wielowarstwowych TH

• Ślepe poprowadzenia mogą być „przesunięte lub obrócone” w płaszczyźnie X-Y lub kącie theta, aby stworzyć więcej przestrzeni do trasowania.
• Ślepe poprowadzenia mogą być umieszczone na wewnętrznej warstwie (3D), aby dalej zwiększyć przestrzeń na wyprowadzenia
• Odległość środek do środka może być zmieniona na wewnętrznych warstwach, aby zapewnić dodatkową przestrzeń dla ścieżek.
• Jeśli wszystko to ma miejsce na lub w pobliżu Strony Pierwotnej, wtedy pod BGA na Stronie Wtórnej zostanie utworzone miejsce na ścieżki lub co ważniejsze, na elementy dyskretne takie jak kondensatory odsprzęgające.

RYCINA 6. Ilustracja korzyści z trasowania przy użyciu ślepych przelotek

ALTERNATYWNE UKŁADY WARSTW

Jeśli zastanowisz się nad pierwszą zasadą i zapytasz siebie: „Jakie funkcje pełnią moje przelotki?”, odpowiedź brzmi, że najczęściej spotykaną przelotką na PWB jest przelotka do GND. „A druga najczęstsza przelotka?”, odpowiedź jest oczywista, to przelotki do PWR. W związku z tym, przeniesienie płaszczyzny GND, która zazwyczaj jest warstwą 2, na powierzchnię daje możliwość eliminacji wszystkich tych przelotek do GND. W tej samej logice, przeniesienie najczęściej używanej płaszczyzny PWR na warstwę 2 zastąpi te TH ślepymi przelotkami. Daje to cztery (4) zalety w porównaniu z konwencjonalnym układem „mikropaska”, jak widać na rycinie 7:

• Na powierzchni nie ma drobnych linii do pokrywania lub trawienia.
• Powierzchnia może być nieprzerwanym wlewem GND, aby zmniejszyć EMI i RFI (klatka Faradaya).
• Im bliżej siebie znajdują się warstwy Layer-2 (PWR) i Layer-1 (GND), tym większa jest dostępna pojemność planarna i tym niższa jest indukcyjność planarna PDN.
• Energia zgromadzona w pojemności planarnej może być dostarczana do komponentów z najniższą dostępną indukcyjnością szeregową, co pozwala na eliminację większości kondensatorów sprzęgających.

Rysunek 7 pokazuje niektóre z najczęstszych układów HDI służących do redukcji liczby przelotek TH. Trzy powszechne układy HDI są pokazane wraz ze strukturami IPC-Type (I, II & III). Możliwe dielektryki dostępne między warstwą 1 a warstwą 2 mogą być konwencjonalnymi prepregami, prepregami nadającymi się do wiercenia laserowego, RCC, wzmocnionymi RCC lub rdzeniami BC. Te materiały są opisane w rozdziale 2 Materiały HDI. Jeśli dielektryk jest cienki, praktyczne jest również wykorzystanie 'skip-via' z warstwy 1 do warstwy 3, co pozwala zaoszczędzić na kosztach, nie wymagając wykorzystania struktury IPC-Type III. Nawet jeśli nie zastosuje się cienkiego dielektryka, każda grubość dielektryka mniejsza niż 0,005 cala (

RYSUNEK 7. Trzy alternatywne układy warstw powierzchniowych w porównaniu do struktur IPC-Typ I, II & III.

UMIESZCZANIE ŚLEPYCH PRZELOTÓW, ABY OTWORZYĆ SZERSZE ALEJE

Jedną z użytecznych technik projektowania HDI jest wykorzystanie ślepych przelotów do zwiększenia przestrzeni trasowania na wewnętrznej warstwie. Poprzez użycie ślepych przelotów pomiędzy przelotami przez wszystkie warstwy, przestrzeń do trasowania na wewnętrznych warstwach efektywnie się podwaja, co pozwala na połączenie większej liczby ścieżek z pinami w wewnętrznych rzędach BGA. Jak widać na Rysunku 6, dla tego BGA o rozmiarze 1,0 mm, tylko dwie ścieżki mogą uciec pomiędzy przelotami na powierzchni. Ale pod ślepymi przelotami, teraz sześć ścieżek może uciec, zwiększając trasowanie o 30%. Dzięki tej technice, potrzebna jest tylko jedna czwarta liczba warstw sygnałowych, aby połączyć skomplikowane, wysokiej I/O BGA. Ślepe przeloty są rozmieszczone tak, aby tworzyć aleje w formie krzyża, kształtu L lub na ukos. Wybór formacji zależy od przydziału pinów zasilania i masy. Dlatego, dla FPGA, przeprogramowanie rozmieszczenia pinów zasilania i masy może być tak efektywne.

RYSEUNEK 8. Definicja przelotu-niemalejącego-w-Padzie i obracanie ViP, aby stworzyć kanały dla trasowania.

RYSUNEK 9. Ślepe przelotki mogą być używane do tworzenia bulwarów w warstwach wewnętrznych, co pozwala na 30% więcej trasowania z BGA

Mikroprzelotka używana do rozwijania BGA została pokazana na Rysunku 9. Mikroprzelotkę można umieścić na zewnątrz lądu BGA (wstawka), częściowo wewnątrz/zewnątrz lądu (częściowa vip) lub całkowicie w 'padzie' (vip) - patrz Rysunek 10. Jeśli umieszcza się przelotkę w padzie, to zawsze powinna być ona 'niecentryczna' i nie umieszczona bezpośrednio w centrum lądu. Ma to na celu zminimalizowanie ryzyka powstania zamkniętych pęcherzyków powietrza ('voids') podczas lutowania. Jeśli przelotka jest umieszczona w centrum lądu BGA, i nie jest wypełniona, gdy pasta lutownicza jest nakładana na ląd, a BGA umieszczona na paście, podczas przepływu, gdy lut się topi, kula BGA opada i zamyka wszelkie powietrze, które może być obecne, podobnie jak 'korek w butelce'. Umieszczając przelotkę 'niecentrycznie', powietrze ma szansę na ucieczkę, gdy lut się topi i wpływa do mikroprzelotki. 

RYSUNEK 10. alternatywy dla ślepych przelotek

RYSUNEK 11. Efektowny widok 3D 'swing-vias' łączących się z ukrytymi przelotkami i przelotkami przez całą płytę

ROZDZIAŁ 5 

Zaawansowane projektowanie HDI przy użyciu Altium

DEFINIOWANIE STRUKTUR PRZELOTÓW

Definiującą cechą połączeń o wysokiej gęstości (HDI) są struktury przelotów ślepych i zakopanych.  Oprócz mikroprzelotów, używane są cienkie materiały w połączeniu z przelotami ślepymi, ponieważ ich stosunek wysokości do średnicy jest mniejszy niż 1,0.  Jak zostało to zilustrowane w rozdziale 2, w HDI używa się szeregu nowych materiałów, które nie pojawiają się w konstrukcji konwencjonalnych wielowarstwowych; RCC, RRCF, dielektryki w postaci ciekłej i suchej folii oraz prepregi ze szkła rozpraszającego. Ten rozdział zilustruje użycie Altium Designer 19 w tworzeniu tych konstrukcji:

• Definiowanie układów HDI
  • Rozproszona pojemność
• Definiowanie struktur mikroprzelotów
  • Przeloty ślepe rozmieszczone schodkowo
  • Przeloty ślepe pominięte
  • Przeloty ślepe ułożone na sobie
  • Mechanicznie wiercone przeloty ślepe
• Wyprowadzenie BGA
  • Kanały i bulwary
• Trasowanie na parach warstw HDI

RYCINA 1 Łatwość definiowania układu w Altium Designer.

UKŁAD HDI

Altium Designer zawiera w swojej bibliotece kilka standardowych materiałów.  Będziesz musiał dodać te materiały HDI omówione w Rozdziale 2 tego Podręcznika.  Można to łatwo zrobić, uzyskując dostęp do Menedżera Stosu Warstw, wybierając Narzędzia>> Biblioteka Materiałów z głównego menu.  Następnie mogą być one używane dla stosu HDI, jak widać na Rysunku 1.

Rozproszona Pojemność

Bardzo specjalną grupą cienkich materiałów są te, które tworzą rozproszoną pojemność dla Sieci Dystrybucji Mocy (PDN). Wiele osób uważa, że istnieje tylko kilka tych materiałów z ‘zakopaną pojemnością’, ale tak naprawdę lista jest znacznie dłuższa, jak pokazano w Tabeli 1.  Dzieje się tak, ponieważ  każdy dielektryk o grubości 0,000127 mm (0,005 cala) lub mniejszej pomiędzy zasilaniem a masą stworzy pojemności odpowiednie do tłumienia wszelkich wysokoczęstotliwościowych zakłóceń na PDN.  Oczywiście, im cieńszy dielektryk i wyższa stała dielektryczna, tym większy będzie jego wpływ, jak pokazano w Tabeli 1.  Te dielektryki to laminaty miedziane (CCL), filmy poliimidowe (filmy), prepregi i folie pokryte żywicą (RCF).

TABELA 1 32 standardowe dielektryki PCB odpowiednie do użycia jako rozproszony dielektryk PDN; CCL, folia poliimidowa, prepregi i RCF.

DEFINIOWANIE STRUKTUR MIKROPRZELĄCZEK

Altium bardzo ułatwiło korzystanie z mikroprzełączek. Trudność polega na wybraniu odpowiedniej struktury mikroprzełączki (HDI). Różne konstrukcje są pokazane na Rysunku 2. Są one również zdefiniowane przez IPC w Standardzie Projektowania HDI, IPC-2226. Jako Typ I do Typu VII. Wszystkie z nich mogą być używane w Altium Designer, jak pokazano na Rysunku 3.

Ekrany w Altium nie są skalowane pod kątem wymiarów, ale konstrukcji, wizualizacja układu warstw może to zapewnić.

TABELA 1 32 standardowe dielektryki PCB odpowiednie do użycia jako rozproszony dielektryk PDN; CCL, folia poliimidowa, prepregi i RCF.

RYCINA 3 Ekran definicji HDI via, gdzie różne HDI vias są przypisywane warstwom. Ekran właściwości definiuje różne średnice.

Przesunięte ślepe vias

Mikrowieże przesunięte na jednej stronie lub na obu stronach tylko z otworami przelotowymi to najczęstsza i najtańsza struktura HDI. Różne struktury mikrowieży od Altium są pokazane na Rysunku 4, w tym przesunięte, pominięte i ukryte. Domyślnie mikrowieże HDI są centrowane, ale po umieszczeniu mogą być przesunięte tak, aby były sąsiadujące lub wcięte (jak widać na Rysunkach 8 i 10 Rozdziału 4).

RYCINA 4 Przesunięte via przechodzą tylko przez jedną warstwę na raz.

Rycina 5 pokazuje typ przesuniętych via w stylu wału korbowego z normy projektowej IPC-2226 HDI. Odległość między przesuniętymi mikrowieżami może być zróżnicowana od wcięcia do sąsiedztwa aż do pełnego stylu dogbone.

Podczas używania wielu przesuniętych mikropołączeń do łączenia warstw wewnętrznych, preferowane jest, aby mikropołączenia obracały się, jak wał korbowy, aby zminimalizować wpływ połączeń podczas jakichkolwiek wahań termicznych.  Ponieważ te połączenia rozszerzają się pod wpływem ciepła, będą wpływać na inne połączenia w swoim otoczeniu, (widoczne na rysunku 6).  Upewnij się, że skontaktujesz się z producentem PCB w sprawie kompatybilności materiałów i procesów, jeśli przewidywana jest konstrukcja z wieloma warstwami HDI. Rysunek 5 pokazuje typ wału korbowego przesuniętych połączeń z normy projektowej IPC-2226 HDI.  Odległość między przesuniętymi mikropołączeniami może być zróżnicowana od wstawki do sąsiedniej aż do pełnego stylu "dogbone".

RYCINA 5 Konstrukcja przesuniętych połączeń w stylu 'wału korbowego'.

RYCINA 6 Wielowarstwowe konstrukcje HDI łączące się z ukrytym połączeniem.

Pomiń ślepe połączenia

Mikroprzewierty typu skip są specjalne, ponieważ używa się ich do "pominięcia" kolejnej, sąsiadującej warstwy, jak widać na Rysunku 7.  Ponieważ mikroprzewierty typu skip mogą być najgłębszymi z mikroprzewiertów, ważne jest, aby projektant był świadomy zdolności producenta do wytworzenia i zmetalizowania takiego mikroprzewiertu.  Wiele firm nie będzie posiadało tej zdolności, więc warto to sprawdzić przed zaprojektowaniem z ich użyciem.  I jak we wszystkich ślepych  przewiertach, stosunek aspektu może zostać zmniejszony do 0,70:1,0 lub nawet 0,65:1,0, więc pad powierzchniowy i pad docelowy będą większe.

RYCINA 7 Mikroprzewierty typu skip mogą przebiegać między dwoma dielektrykami  (np. Warstwa_1 do Warstwa_3) i są używane, gdy nie jest potrzebna kolejna pełna warstwa budowy.

Układane Przewierty

Układane mikroprzewierty zajmują najmniej miejsca na płycie, ale ich wykonanie jest znacznie trudniejsze. Wynika to z potrzeby posiadania przez docelowe lądowisko górnego mikroprzewiertu stałej metalowej powierzchni do połączenia. Proces ten wymaga wypełnienia mikroprzewiertu materiałami przewodzącymi i pokrycia go warstwą metalu (VIPPO) lub użycia "super-wypełnienia miedzią" zdolnego do pełnego pokrycia wnętrza mikroprzewiertu stałą miedzią. Ta struktura jest widoczna na rysunku 8.

Obecnie zaleca się, aby układane mikroprzewierty nie były umieszczane na większym wierconym ukrytym przewiercie. Praktyka ta spowodowała obawy dotyczące niezawodności. Upewnij się, że skontaktujesz się z producentem PCB na temat tej konstrukcji i przeczytasz Białą Księgę IPC na temat "Performance-Based Printed Board OEM Acceptance-Via Chain Continuity Reflow Test: The Hidden Reliability Threat-Weak Microvia Interface-IPC-WP-023" z maja 2018.

RYCINA 8 Układane mikroprzewierty wymagają stałej metalowej powierzchni dla "lądowiska" górnego mikroprzewiertu. Dolny mikroprzewiert musi mieć wypełnioną i pokrytą laserowo wytworzoną pustkę. 

Mechanicznie wiercone ślepe przewierty

Tzw. mikropoprowadzenia mogą być również mechanicznie wiercone od powierzchni.  Zazwyczaj mają one większe średnice niż mikropoprowadzenia wiercone laserowo i mogą wymagać specjalnych wymagań dotyczących odstępów między warstwami, ponieważ wiertło ma stożkową końcówkę, może się chwiać i jest bardzo kruche.  

To dotyczy również sekwencyjnie laminowanych, cienkich materiałów pokrytych z obu stron. Jest to pokazane na rysunku 9 i może być wykorzystane w Altium albo jako Właściwość (nie mikropoprowadzenie) albo z właściwością Wiercenia Z Powrotem. 

RYCINA 9 Mechanicznie wiercone ślepe przelotki mogą być traktowane jako „Wiercenie Z Powrotem” lub poprzez niezaznaczanie pola mikropoprowadzenie w Właściwościach.

WYJŚCIE BGA

Drobnośladowe BGA są rozwijane albo poprzez użycie mikropoprowadzenia wewnątrz pada, albo przez użycie mikropoprowadzenia, które tylko dotyka pada SMT.  Jeśli trasowanie odbywa się przy użyciu ścieżek o szerokości 0.1mm lub 0.075mm, wówczas odstępy między poprowadzeniami są pokazane w Tabeli 2.  Rysunek 10 pokazuje te możliwe schematy rozwijania tras dla różnych drobnośladowych BGA.   

Zauważ na Rysunku 10, że dla rozstawów 0.5 mm i 0.4 mm otwory poprowadzeń nie znajdują się w centrum lądów.  Ma to na celu poprawę odstępów na ścieżkach na wewnętrznych warstwach do minimum 0.075mm.  Pokazano BGA o rozstawie 0.5 mm z lądem SMT 0.25 mm i wewnętrznym padem 0.22 mm.  Wybierając zasady projektowania dla drobnośladowych BGA, upewnij się, że skontaktujesz się z wybranym producentem PCB, aby dowiedzieć się, jakie geometrie może on obsłużyć i jakie tolerancje jest w stanie utrzymać.

TABELA 2 Zasady projektowania dla lądów SMT BGA, ślepych poprowadzeń, szerokości ścieżek i odstępów dla drobnych rozstawów 0.65mm, 0.5mm i 0.4mm.

Oprócz tradycyjnego rozmieszczenia wyprowadzeń BGA w układzie N-S-E-W, mikropoprowadzenia ze względu na ich znacznie mniejszy rozmiar, umożliwiają dwa nowe metody rozmieszczania wyprowadzeń BGA, które znacząco zwiększają gęstość trasowania i zmniejszają liczbę warstw; Kanały i rozmieszczenie swing-via. 

RYCINA 10, Ilustracje zasad projektowania dla lądowań BGA SMT, ślepych via, szerokości i odstępów ścieżek dla drobnych rozstawów 0,65mm, 0,5mm i 0,4mm.  

Kanały 

Gdy całkowita liczba wyprowadzeń sygnałowych BGA zaczyna przekraczać 400 pinów, zaleca się umieszczanie mikropoprowadzeń, nie na obwodzie do rozmieszczenia, ale jako rzędy przecinające BGA, jak widać na Rycinie 10.  Tworzą one 'kanały' na wewnętrznych warstwach i na odwrotnej stronie płytki, co umożliwia dostęp do wewnętrznych sygnałów BGA i w rezultacie wymaga mniejszej liczby warstw dla całkowitego rozmieszczenia.

BGA przedstawione na rysunku 11 to BGA z 1153 pinami (34x34) o rozstawie 1,0 mm i posiada 132 możliwe trasy na warstwę (1 ścieżka między przelotkami) plus 20 ścieżek w kanale (5 ścieżek). Oznacza to, że potrzebnych byłoby 8 warstw (plus 5 warstw płaszczyzn) aby połączyć to BGA z resztą obwodu. Jeśli stworzymy więcej kanałów trasowania, możemy połączyć więcej ścieżek na warstwę i zmniejszyć całkowitą liczbę warstw. Trasowanie kanałowe wykorzystuje ślepe mikroprzelotki do tworzenia do 4 dodatkowych kanałów w kształcie krzyża, L lub diagonalnych w układzie wyprowadzeń BGA. Nowe kanały pozwalają na do 48 dodatkowych połączeń na warstwę (8x6 ścieżek). Można wyeliminować dwie warstwy trasowania i dwie warstwy płaszczyzn. Kanały mogą mieć kształt ‘krzyża’, ‘L’ lub być diagonalne, w zależności od układu pinów masy i zasilania BGA, jak pokazano na rysunku 12.

RYCINA 11 Umieszczenie mikroprzelotek w BGA w celu utworzenia kanałów dla wewnętrznych sygnałów uciekających.

RYCINA 12 Kanały trasowania utworzone przez mikroprzelotki ułatwiające wyprowadzenie sygnałów z dużych BGA mogą mieć kształt krzyżowy, L lub diagonalny.

Swing Break-Outs dla bulwarów

Swing via to tak naprawdę para via, które są rozwijane między dwoma padami komponentów (części), aby zoptymalizować dostępną przestrzeń do prowadzenia przewodników między nimi. Zamiast pojedynczego via wyjściowego w układzie N-S-E-W, mniejsze mikrovia mają miejsce na dwa sąsiadujące via wyjściowe, jak pokazano na rysunku 13.

Pady mikrovia są znacznie mniejsze niż pad TH, co pozwala nawet na umieszczenie powierzchniowego zalania masą aż do rozstawu 0,65 mm (Rysunek 13).

RYCINA 13 Przykład „swing breakout” dla dużej BGA 0,8 mm, która obejmuje powierzchniowe zalanie masą.

Aby obliczyć rozstaw i kąt „swing-vias”, używa się prostej geometrii opartej na 6 wymiarach:

• Rozstaw BGA
• Rozmiar lądowania SMT BGA
• Rozmiar pada mikrovia
• Minimalna odległość między mikrovia wyjściowymi
• Czy mikrovia są w linii prostej, przesunięte czy przylegające do lądowań BGA (odl. do mikrovia)
• Czy używane są mikrovia pomijające (L1-L3), normalne mikrovia (L1-L2) czy oba

Wybierając odległość X i odległość Y, funkcja arcTan dostarczy informacje o odległości mikropołączenia oraz kącie (0) dla umieszczenia mikropołączeń, jak widać na Rysunku 14.  Formuły trygonometryczne są dostępne w MS Excel.

TRASOWANIE NA WARSTWACH HDI

Aby osiągnąć wyższą gęstość trasowania z HDI, jeśli to możliwe, przypisz swoje warstwy trasowania powierzchniowego jako parę warstw X-Y.  Praktycznym może być również przeniesienie płaszczyzny odniesienia masy na powierzchnię jako zalanie GND.  Małe geometrie HDI plus wyłączenia płaszczyzn są mniejsze niż mechanicznie wiercone przeciwpady na wewnętrznej płaszczyźnie.

RYCINA 14 Prosta trygonometria pozwoli ci obliczyć odstępy między przelotkami oraz kąt obrotu.

Pary warstw

Wyższą gęstość osiąga się, jeśli sygnały poziome są połączone z sygnałami pionowymi za pomocą małego mikropołączenia, lub pominięcia mikropołączenia, lub małego wierconego połączenia, jak widać na Rysunku 15.

RYCINA 15 Trzy możliwe układy warstw, które pozwalają na trasowanie X-Y przy użyciu mikropołączeń, a nie większych wierconych połączeń jako krzyżowania.

Ścieżki powrotne

Dla sygnałów wysokiej prędkości ścieżka powrotna obwodu jest ścieżką o najmniejszej indukcyjności, dlatego podąża za sygnałem wychodzącym z powrotem na płaszczyźnie odniesienia.  Miniaturowa natura HDI i mały rozstaw wyprowadzeń pozwalają na przeniesienie najbardziej zewnętrznej płaszczyzny MASZYNOWEJ na powierzchnię i wykorzystanie jej jako POWODZI MASZYNOWEJ, jak pokazano na rysunku 13.  Pamiętaj, aby POWODZIĘ MASZYNOWĄ utrzymać ciągłą dla ścieżki powrotnej, w przeciwnym razie zostanie wygenerowany szum, a przy zmianie płaszczyzn powrotnych należy zapewnić dostępność przelotki dla prądów powrotnych.

ROZDZIAŁ 6 

Wymagania dotyczące jakości i akceptowalności HDI

Sam fakt, że mikroprzewierty mają mały rozmiar, sprawia, że trudno jest zdefiniować kryteria akceptacji. Większość wymagań dotyczących jakości i akceptowalności HDI jest nadal definiowana przez OEM. IPC posiada IPC-6016 jako część IPC-6012, ogólne SPECYFIKACJE KWALIFIKACJI I WYDAJNOŚCI (SERIA 6010). Te specyfikacje obejmują tylko warstwy budowy HDI, a nie rdzeń, który jest objęty własnymi specyfikacjami IPC.

IPC-6016 SPECYFIKACJA KWALIFIKACJI I WYDAJNOŚCI DLA STRUKTUR WYSOKIEJ GĘSTOŚCI POŁĄCZEŃ (HDI)

IPC-6016: Ten dokument zawiera ogólne specyfikacje dla substratów o wysokiej gęstości, które nie są jeszcze objęte przez inne dokumenty IPC, takie jak IPC-6011, ogólne kwalifikacje i specyfikacje wydajności PWB. Kryteria akceptacji warstw HDI są zorganizowane w kategorie arkuszy dodatkowych: 

1. Chip Carrier
2. Przenośne
3. Wysoka Wydajność 
4. Trudne Warunki Środowiskowe 
5. Przenośny

Wymagania akceptowalności są podzielone na te 12 konkretnych specyfikacji:

• Sekcja 3.1: Ogólne
• Sekcja 3.2: Materiały
• Sekcja 3.3: Badanie Wizualne
• Sekcja 3.4: Wymagania Wymiarowe
• Sekcja 3.5: Definicja Przewodnika
• Sekcja 3.6: Integralność Strukturalna
• Sekcja 3.7: Inne Testy
• Sekcja 3.8: Maska Lutownicza
• Sekcja 3.9: Właściwości Elektryczne
• Sekcja 3.10: Wymagania Środowiskowe
• Sekcja 3.11: Wymagania Specjalne
• Sekcja 3.12: Naprawa

KONTROLA JAKOŚCI

Mikrowieże są praktycznie niemożliwe do zbadania wizualnie i niezwykle trudne do przekrojenia. Wymaga to bardziej pośredniego podejścia do weryfikacji prawidłowej fabrykacji. Prawidłowe mikrowieże, jak widać na Rysunku 1 a-d, można odróżnić od wadliwych mikrowieży, jak widać na Rysunku 2a-d. Najłatwiej jest przekroić te wieże, gdy są używane w „kuponie testowym”, takim jak program PCQRR IPC. Te kupony są takie same jak te używane w IPC-9151 i korelują ze statystycznie zmierzonym oporem łańcucha via oraz przyspieszonymi testami termiczno-cyklicznymi (HATS). [1] Kryteria dla jakości produkcji mikrowieży to nie więcej niż 50 wadliwych mikrowieży na milion mikrowieży oraz kowariancja odchyleń standardowych kuponów rezystancji łańcucha Kelvin o 5%.

RYCINA 1. Przykład dobrze wykonanych ślepych i zakopanych via; a. 8-warstwowe ślepe-zakopane via; b. 6-warstwowe ślepe-zakopane via; c. Pominięte ślepe via z L-1 do L-2 & L-3; d. Prawidłowe ślepe via wypełnione maską lutowniczą.

RYCINA 2. Niewłaściwie uformowane ślepe via, które powinny zostać odrzucone.

JAKOŚĆ WIERCENIA LASEROWEGO

Jakość wiercenia laserowego mikroprzewiązań ilustruje charakterystykę trybów awarii w mikroprzewiązaniach. Rysunek 3 przedstawia siedem głównych kryteriów jakości dla mikroprzewiązań laserowych, wraz ze specyfikacją kryteriów jakości, metodami pomiaru, wielkością próbki i limitem kontroli.

RYCINA 3. Siedem głównych kryteriów jakości dla mikroprzewiązań wierconych laserowo.

Kwalifikacje dostawcy 

Wybór producenta HDI może być bardzo wymagający. Jednym ze sposobów odkrycia możliwości HDI producentów PCB jest nowa płyta do benchmarkingu IPC-9151 Capabilities Benchmarking Panel. Ta standaryzowana wielowarstwowa płyta jest pokazana na rysunku 4. Jest dostępna w strukturach 2, 4, 6, 10, 12, 18, 24 i 36 warstw z zasadami projektowania o wysokiej i niskiej gęstości, 5 grubościami (dla PCB i backplanes) oraz w dużym formacie płyty 18” x 24” z różnymi śladami i odstępami oraz strukturami przewiązań ślepych i zakopanych. Komitet IPC planuje inne nowe panele do benchmarkingu dla substratów. 

Przewiązania ślepe są opcjonalne, ale dostarczają znaczących danych na temat możliwości HDI producenta. Szczegóły, szablony i przykładowy raport są dostępne na stronie internetowej IPC 9151.

RYCINA 4. Typowy panel PCQR2 z programu IPC

Inne opcje obejmują wytwarzanie płyt produkcyjnych i ich testowanie. Chociaż ta metoda jest wygodna, najczęściej prowadzi to do statystycznie nieistotnych wyników, to znaczy; oceniane jest zbyt mało próbek, aby można było mówić o statystycznej istotności. Zmierzona wydajność może być wynikiem ręcznego wybierania próbek i nie być statystycznie dokładna w zakresie pokrycia różnych możliwości.

Pojazdy testowe są często używane do kwalifikacji i może to być bardzo dokładne. To również sposób, w jaki można ustalić niezawodność. W dalszych sekcjach omówione zostaną pojazdy testowe i wyniki testów niezawodności

Kupony kwalifikacyjne

Najlepsze narzędzia, jakie znam do tego, to wiele dostępnych dla Ciebie kuponów do analizy parametrycznej i charakteryzacji. Są one częścią procesu oceny jakości. Procesy te obejmują oceny niezawodności, ocenę produktu końcowego, oceny produktu w trakcie procesu, oraz oceny parametrów procesu. Oto pięć systemów kuponów, cztery przedstawione na Rysunku 5: 

• IPC-2221 Dodatek A, Kupon D
• Technologia Analizy Przewodników (CAT^™)
• Jakość i Względna Niezawodność Drukowanych Obwodów (PCQR2) (Rysunek 4)
• Wysoce Przyspieszony Test Termiczny (HATS^™)
• Test Naprężenia Międzypodłączeniowego (IST^™)

RYSUNEK 5. Cztery z pięciu systemów próbek kwalifikacyjnych; a. Kupon IPC D; b. Kupony CAT dla paneli; c. Różne kupony testowe HATS firmy CAT; d. Kupon testu naprężenia połączeń (IST).

KUPONY TESTOWE DO PRZYSPIESZONYCH BADANIA NIEZAWODNOŚCI

Typowo w pojazdach testowych niezawodności stosuje się trzy metody kuponów:

• Przyspieszone Termiczne Cykle (ATC)
• Wysoce Przyspieszony Termiczny Szok (HATS)
• Test Naprężenia Połączeń (IST)

Testowanie Cykli Termicznych

Przyspieszone testowanie niezawodności przy użyciu kuponów testowych jest równie stare jak PCB. Zasada polega na zgromadzeniu dużej liczby otworów na małej przestrzeni i połączeniu ich w łańcuch, stąd nazwa „łańcuch stokrotki”. Płytka przedstawiona na rysunku 6 jest typowa dla pojazdu testowego HDI łańcucha stokrotki. Ta płyta zawiera wiele różnych struktur testowych dla różnych kryteriów testowych. Większość przestrzeni zajmują łańcuchy stokrotki HDI z wierceniami ślepymi (BLOK A, B, C, E i F) oraz łańcuch stokrotki TH (BLOK D). Tabela 1 przedstawia podsumowanie bloków testowych i ich kryteria kwalifikacji. Rysunek 7 jest typowy dla kwalifikacji produktów o wysokiej technologii i dużym wolumenie, takich jak notebooki i karty sieciowe.

RYSUNEK 6. Typowy pojazd testowy do kwalifikacji/niezawodności HDI.

Do testów niezawodności używa się wielu systemów kuponów. Są one włączane do pojazdów testowych, które następnie są produkowane i poddawane różnym warunkom oraz obciążeniom, a następnie oceniane pod kątem wydajności. IPC dostarczyło nową generację kuponów testowych, tzw. "D-Coupons" z załącznika A w standardzie IPC-2221. Kryteria testowe dla testu rezystancji 4-przewodowej metodą Kelvina są dostarczone w IPC-TM-650, Metoda 2.6.27A. Wstrząs termiczny jest zgodny z IPC-TM-650, Metoda 2.6.7.2.

Te testy są przeprowadzane po tym, jak kupony przechodzą przez piec do montażu konwekcyjnego SMT co najmniej 6 razy, używając jednego z dwóch różnych profili przepływu (230OC lub 260OC) bez wykrycia jakichkolwiek wysokich rezystancji lub przerw.

TABELA 1. Kryteria testowe dla pojazdu testowego HDI.

RYSEUNEK 7. Typowy pojazd testowy przemysłowy dla produktów komputerowych i telekomunikacyjnych o wyższej niezawodności.

Pobierz PDF