Backdrill-and-Fill para Vias Cegas e Enterradas em PCBs

As vias cegas não são exclusivas de PCBs HDI, elas também são usadas em construções padrão com perfuração mecânica e sem camadas externas finas ou camadas de filme de construção. Esses designs encontram seu lugar em muitos sistemas diferentes, e para mim isso é mais comum em designs de alta velocidade ou designs de RF que exigem furos terminados para pinos de encaixe ou pinos roscados. Independentemente da aplicação, a presença desses furos impulsiona um processo de laminação múltipla para perfurar, revestir e prensar as camadas no empilhamento do PCB.

O número de laminações necessárias para construir um PCB é um bom indicador do preço, assumindo um processo tradicional de corrosão e perfuração mecânica. Dependendo de como as vias cegas/enterradas são usadas em um PCB, o número de laminações pode não corresponder à sua contagem inicial. Portanto, antes de começar a colocar vias cegas e enterradas no seu empilhamento de PCB, note que seu fabricante pode adotar uma abordagem alternativa para construir seu PCB, o que pode impactar os custos totais e a área de roteamento. Vou analisar como a colocação de vias cegas e enterradas impacta o número de ciclos de laminação e, em última análise, o número de etapas de processamento e custos associados à construção.

O Custo dos Ciclos de Laminação

Cada ciclo de laminação na fabricação de PCBs envolve uma etapa de perfuração e outra de metalização, e é assim que conseguimos formar vias cegas/enterradas em um empilhamento de PCB. Quando vias cegas/enterradas estão presentes em um design, múltiplos ciclos de laminação são usados para unir cada grupo de camadas gravadas para criar o empilhamento final. Cada ciclo de laminação adiciona etapas de processamento e, portanto, adiciona custo ao design. Embora as vias cegas sejam absolutamente necessárias em muitos produtos, algumas considerações simples sobre a ordem das etapas de processamento podem compensar parte do custo adicional e ajudar a manter seu produto competitivo.

Normalmente, contaríamos o número de camadas que requerem vias cegas/enterradas, adicionamos 1 ciclo para o núcleo central ou as camadas de cobertura no exterior do empilhamento, e obtemos o número total de laminações necessárias. Por exemplo, considere o empilhamento abaixo com uma via passante e uma via enterrada para circuitos impressos de RF embutidos, o qual eu discuto com mais detalhes em outro artigo.

Neste exemplo, temos um empilhamento simétrico que requer dois ciclos de laminação: um para a via enterrada embutida, e outro ciclo para as duas camadas externas. Este é um exemplo simples que ilustra o processo padrão de multi-laminação necessário para formar vias cegas/enterradas.

Existem casos em que o uso de vias cegas/enterradas pode permitir menos ciclos de laminação ou uma abordagem de processamento diferente do que simplesmente usar laminação sequencial, como podemos encontrar em um dos arranjos padrão HDI. Alguns desses casos incluem:

• Vias cegas iniciando de uma camada superficial ou vias enterradas deslocadas (construções não híbridas)
• Arranjos com vias cegas/enterradas cruzadas
• Arranjos híbridos com vias cegas/enterradas
• Arranjos invertidos (ou arranjos núcleo-tampa)

Perfuração-retrocesso-e-Preenchimento

Um processo alternativo que pode ser usado em vez de laminação sequencial é perfurar-retroceder-e-preencher em camadas específicas, pois isso pode eliminar um ou mais passos de laminação. Na perfuração-retrocesso-e-preenchimento, uma via cega ou enterrada é formada além da extensão da camada onde é necessária, mas então o fabricante retrocede a perfuração da via cega/enterrada até o comprimento desejado. Isso termina a via na camada desejada, e o espaço restante no dielétrico perfurado é preenchido com epóxi não condutivo. A área preenchida pode então ser revestida, como nos casos em que a camada perfurada é uma camada de plano de cobre.

Em alguns dos exemplos dados acima, esta pode ser uma maneira preferida de fabricar alguns dos empilhamentos, pois poderia eliminar um ou mais ciclos de laminação. Um pouco de antecipação dos passos de processamento nestes exemplos ajudará você a planejar melhor o uso de vias cegas/enterradas e, possivelmente, eliminar alguns passos de laminação na fabricação de PCB.

Vias Cegas/Enterradas Assimétricas

A fabricação de PCB geralmente assume e procede com simetria no arranjo das camadas, e assim na laminação. No entanto, empilhamentos de PCB com vias cegas/enterradas podem não usar colocação simétrica no empilhamento. Por exemplo, com uma via enterrada como o caso abaixo, este será um caso clássico onde a perfuração de retorno e preenchimento é avaliada como a solução de fabricação em vez de usar uma laminação adicional.

Neste exemplo, manter o empilhamento de camadas simétrico durante a fabricação causaria dois processos possíveis:

• Fabricar L3-L6 primeiro, seguido pelos pares de camadas L2/L7 e L1/L8 (3 laminações no total)
• Fabricar L2-L7 primeiro, perfurar de retorno e preencher, e finalizar com o par de camadas L1/L8 (2 laminações no total)

No processo de retroperfuração e preenchimento L6-L7, a retroperfuração tem o potencial de romper trilhas nas proximidades das perfurações. Obviamente, isso elimina a principal vantagem do uso de vias cegas/enterradas, que é permitir algum espaço de roteamento mantendo o cilindro da via e os pads longe das trilhas fora do alcance das camadas. Portanto, isso funciona melhor se a parte retroperfurada envolver apenas a perfuração através de um derramamento de cobre ou uma camada de plano. Com uma camada de plano, a retroperfuração cortará através do cobre, mas a replatinação de cobre necessária será a mesma em todos os lugares e, assim, a platinação padrão pode ser usada para reformar o cobre.

Cruzando Vias Cegas/Enterradas

Agora, vamos examinar o caso de vias cegas/enterradas que se cruzam em diferentes alcances de camadas. Este caso é o mais interessante, pois também pode envolver arranjos assimétricos (deslocados) de vias, que então também se cruzam na pilha de camadas da PCB. Embora existam algumas razões elétricas pelas quais você pode precisar dessas vias cegas/enterradas cruzadas, atribuições criativas de camadas poderiam permitir um processo de retroperfuração e preenchimento em alguns alcances de camadas.

Por exemplo, considere a seguinte pilha de camadas. Isso pode envolver múltiplas vias cegas se cruzando na pilha, levando a múltiplas rodadas de retroperfuração e preenchimento durante a fabricação.

No processo de fabricação com retroperfuração e preenchimento para esta pilha, a visão típica seria que o design leva três laminações com perfuração e metalização, seguido pela perfuração e metalização dos vias passantes. No entanto, o via maior misto e o via enterrado podem, na verdade, proceder da seguinte forma:

• A seção de L3 a L8 é fabricada primeiro com perfuração e metalização completas dos vias passantes neste intervalo de camadas
• Os vias cegos mais longos no intervalo de camadas L3-L8 são retroperfurados primeiro, enquanto os vias restantes formarão os vias enterrados em uma etapa posterior
• Os buracos retroperfurados são preenchidos com epóxi não condutivo e metalizados em quaisquer camadas de plano de cobre
• Os intervalos de camadas externas são perfurados, laminados e metalizados
• Os vias passantes de L1-L10 são perfurados e metalizados para completar a pilha

Podem existir razões para que uma via cega dedicada com um alcance de camadas específico seja necessária, mesmo que seu alcance cruze com o de outra camada. Um caso de uso que mencionei acima é o caso de circuitos RF embutidos, outro é o caso de pinos de encaixe em uma montagem de PCB espessa. Outro caso de uso é eliminar um retroperfuração em uma inserção de pino para uma transição de conector de alta velocidade. Seja qual for o caso de uso, cada via cega/enterrada que cruza criará mais custos, então foque em quais cruzamentos você pode consolidar e planeje os sinais importantes ao redor dessas transições.

Empilhamentos Híbridos com Vias Cegas

Empilhamentos híbridos são designs onde a montagem do PCB utiliza uma mistura de conjuntos de materiais. Mais comumente, isso envolve o uso de materiais PTFE e FR4 padrão para designs RF+digital (o que já discuti extensivamente em outros artigos), mas, claro, outros conjuntos de materiais também podem ser misturados. Quando esses empilhamentos incluem vias cegas/enterradas, eles também exigirão múltiplas laminações, como se esperaria.

A questão com um empilhamento híbrido é se laminar as laminações híbridas individuais primeiro e empilhá-las/placá-las para formar os furos passantes, ou se colocar cada camada híbrida individualmente e perfurar/placá-la para formar as vias finais. Por exemplo, veja o agrupamento de materiais para um empilhamento híbrido mostrado abaixo.

A partir disso, podemos ver duas áreas potenciais onde a técnica de perfuração-retrocesso e preenchimento pode ser aplicada:

• De L1 para L2 na via enterrada 2:3
• De L5 para L6 na via cega 6:10

No conjunto de materiais híbridos externos, não faz muito sentido realizar a perfuração-retrocesso e preenchimento para formar a pequena via enterrada externa. Para as vias internas, pode fazer mais sentido, dado que as vias cegas sobrepostas só se desencontram por uma camada. Neste caso, contanto que o intervalo da camada perfurada-retrocesso envolva uma camada plana ou esteja limpa e sem trilhas, a perfuração-retrocesso e preenchimento eliminaria uma das laminações.

Empilhamento Inverso (também conhecido como Empilhamentos Cap-Core)

Empilhamentos do tipo cap-core colocam planos nas camadas externas e utilizam vias enterradas nas camadas internas de sinal para rotear as trilhas de sinal. Furos passantes são usados para alcançar componentes em outras camadas e para unir os planos externos. O exemplo mais simples é com uma PCB de 4 camadas, onde as duas camadas internas são usadas para sinal e são roteadas com vias enterradas. Com um número maior de camadas, as camadas de capa externas ainda requererão as laminações finais antes da perfuração e metalização dos furos passantes, mas as camadas internas poderiam utilizar um processo de retroperfuração e preenchimento em vez de uma laminação sequencial. Isso é mostrado no empilhamento cap-core abaixo.

Existem várias opções onde a técnica de perfuração-retrocesso e preenchimento pode ser aplicada: na região entre vias enterradas longas/curtas (L3-L4 e L7-L8), fora do intervalo de camadas L4-L7, ou nos intervalos de camadas de cobertura (L1-L2 e L9-L10). Os intervalos de camadas de cobertura fazem mais sentido em uma montagem cap-core devido ao uso de planos na camada externa, mas apenas enquanto a perfuração-retrocesso não passar para os pads de componentes, portanto, isso pode ser usado apenas em uma PCB de face única. Os intervalos de camadas internas também são candidatos, particularmente nesta montagem cap-core de 10 camadas que poderia conter camadas de plano adicionais no interior da montagem.

Resumo

Sempre que a galvanização é usada após a perfuração-retrocesso, pode haver um afundamento na área de galvanização na camada regalvanizada. Normalmente, esse afundamento será tão pequeno quanto ~1 mil. Quando a técnica de perfuração-retrocesso e preenchimento é aplicada, normalmente é em vias cegas/enterradas perfuradas mecanicamente, que ocuparão dielétricos mais espessos. Portanto, na maioria dos casos práticos, o afundamento restante não impactará a variação natural da espessura da camada dielétrica.

Embora possa parecer paradoxal trazer a perfuração traseira para um design de via em PCB que tem como objetivo eliminar a perfuração traseira, isso ilustra que o uso judicioso e direcionado da perfuração traseira acaba sendo uma grande economia de custos. Um pouco de antecipação poderia permitir que você tirasse vantagem desse processo e até especificasse isso para fabricação.

Seja para construir eletrônicos de potência confiáveis ou sistemas digitais avançados, use o conjunto completo de recursos de design de PCB e ferramentas CAD de classe mundial em Altium Designer. Para implementar a colaboração no ambiente interdisciplinar de hoje, empresas inovadoras estão usando a plataforma Altium 365 para compartilhar facilmente dados de design e colocar projetos em fabricação.

Apenas arranhamos a superfície do que é possível com Altium Designer no Altium 365. Comece seu teste gratuito do Altium Designer + Altium 365 hoje.