Дизайн печатных плат: Что такое соотношения сторон и почему они важны?

Любая переходное отверстие (via) на печатной плате может вызвать проблемы с надежностью, которые связаны с размером отверстия и материалами, используемыми в печатной плате. Когда переходное отверстие размещается на печатной плате, размер сверла и глубина в плату определяют аспектное соотношение отверстия. Именно этот параметр является важным определителем надежности переходного отверстия. Способность надежно изготавливать переходные отверстия с различными аспектными соотношениями зависит от нескольких факторов. Например, некоторые производители предложат вам переходные отверстия с очень высоким аспектным соотношением, которые они могут изготовить и доказать надежность в ускоренных испытаниях на прочность.

Аспектное соотношение переходного отверстия, которое вы используете в своей печатной плате, зависит от размера сверла, которое вы можете надежно изготовить для платы. Существуют некоторые практические ограничения и эмпирические правила, которые следует учитывать при проектировании ваших переходных отверстий с целевым аспектным соотношением. В этой статье я рассмотрю некоторые из этих моментов как для механически сверленных переходных отверстий, так и для микрови.

Что такое аспектное соотношение переходного отверстия в дизайне печатных плат?

Аспектное соотношение переходного отверстия на печатной плате имеет очень простое математическое определение. Аспектное соотношение переходного отверстия — это отношение глубины сверления к диаметру сверла, используемого для изготовления переходного отверстия:

аспектное соотношение = (Глубина сверления)/(Диаметр сверла)

Для стандартных печатных плат (PCB) толщиной 62 мила или 1,57 мм максимальное соотношение сторон, которое можно ожидать для сквозных отверстий, просверленных механическим способом, составляет 10:1. Это связано с тем, что наименьший типично используемый диаметр сверла для изготовления PCB составляет 6 мил, и это значение в сочетании со стандартной толщиной дает максимальное соотношение 10:1. Из-за более быстрого износа инструмента при использовании сверл диаметром 6 мил, более высокая стоимость отверстий такого размера компенсируется использованием сверл большего диаметра, что приводит к меньшему соотношению сторон.

Я обычно использую сверла диаметром 10 мил на нижнем пределе, если только разъем с высокой плотностью контактов или контур BGA не требует использования сверла меньшего диаметра. Другими словами, я могу ожидать максимальное соотношение сторон 6:1 для большинства печатных плат, которые я разрабатываю.

Соотношение сторон и надежность сквозных отверстий PCB

Теперь, когда мы определили типичные значения соотношения сторон, как соотношение сторон сквозного отверстия влияет на его надежность?

Это важный вопрос, поскольку он частично связан с различиями в надежности между механически просверленными отверстиями и отверстиями, просверленными лазером, используемыми в HDI PCB. Как правило, в первую очередь для обеспечения надежности металлизированных структур, типичные ограничения на соотношения сторон следующие:

• Сквозные переходы: 12:1 или меньше
• Лазером просверленные слепые/закрытые переходы: 1:1 или меньше

Конечно, это всего лишь общие рекомендации, и все общие рекомендации созданы для того, чтобы их нарушать. Случай со сквозным переходом примерно 12:1 с диаметром сверления 7 mil будет типичным только для платы толщиной 2 мм. Ситуации, когда вы начинаете видеть сквозные переходы с очень высокими соотношениями сторон, обычно встречаются в нестандартных печатных платах с большей толщиной, и в таком случае необходима консультация с вашим производителем относительно допустимого размера сверления для сквозных переходов.

Тем не менее, я помню, как в 2021 году я посещал экскурсию в компании Summit Interconnect, и их менеджер по процессам инженерии заявил, что они могут надежно изготавливать переходы с высоким соотношением сторон с диаметром сверления 6 mil и доказать их надежность. Здесь важен опыт производителя и его способность доказать надежность, что подчеркивает необходимость связаться с ним на раннем этапе, особенно когда ваша плата нестандартная.

Еще один фактор, который часто не учитывается, это толщина покрытия в отверстии переходного отверстия (виа). Обычно она может составлять около 1 мил (25,4 мкм), но, конечно, вы можете попросить вашего производителя увеличить толщину покрытия. Стенки виа с более толстым медным покрытием будут более надежными, поэтому неудивительно, что вы можете ожидать более высокие допустимые соотношения сторон, когда покрытие толще.

То же самое касается использования слепых и закрытых виа, независимо от того, просверлены они лазером или механически. Фактически, для лазерно просверленных виа, особенно тех, которые будут уложены друг на друга, более низкие соотношения сторон становятся более распространенными при большем количестве слоев, в основном потому, что толщина диэлектрика становится меньше.

Лазерно-просверленные микровиа и большие соотношения сторон печатных плат

Микровиа также могут иметь большие соотношения сторон в зависимости от размера просверленного отверстия и качества медного покрытия при последовательном ламинировании. Для сквозных виа стандарты надежности IPC также указывают соотношения сторон виа в диапазоне от 6:1 до 8:1. Соотношение сторон виа 8:1 считается некоторым видом необходимой способности среди производителей печатных плат.: Согласно IPC-T-50M, лазерно просверленное микровиа должно иметь максимальное соотношение сторон 1:1.

Это может возникнуть в нескольких возможных случаях:

• Использование перескочить сквозные отверстия для соединения двух или более слоев
• Использование более толстого диэлектрика в слоях построения HDI
• Новые процессы, позволяющие создавать сквозные отверстия малого диаметра в более толстых слоях

Сложение микровиас не обязательно равноценно использованию одного сквозного отверстия с большим соотношением сторон. Надежность в стеке будет зависеть от соотношения сторон каждого отдельного сквозного отверстия и количества сквозных отверстий в стеке. В настоящее время производители HDI обладают экспертизой для создания стеков слоев ELIC, которые будут складывать слепые/закрытые микровиас по всей высоте печатной платы. Если у вас печатная плата с большим количеством слоев и мелким шагом BGA, и вы решите использовать метод сложенных микровиас, обязательно свяжитесь с вашим производителем и определите подходящее соотношение сторон для микровиас в стеке, чтобы обеспечить надежность.

Проблемы с покрытием сквозных отверстий на печатных платах

Сверление сквозных отверстий потребует понимания тонкостей, связанных с добавлением глубины в вашу схему и необходимостью в производстве. Соотношение сторон сквозного отверстия влияет на сложность покрытия его внутренней части. Медь наносится на внутреннюю часть сквозного отверстия с помощью раствора для покрытия. Раствор для покрытия должен быть способен проникать в отверстие сквозного отверстия капиллярным действием, чтобы полностью покрыть его внутреннюю часть.

Физика и химия, заложенные в процессе покрытия микростолбиками, очень интересны. Во время капиллярного действия поверхностное натяжение притягивает раствор для покрытия в отверстие, и медь начинает осаждаться вдоль стенки. Из-за мениска, который формируется на поверхности раствора, медный прекурсор быстро расходуется из раствора в более глубоких областях отверстия. В результате внутренние части стенок отверстия могут иметь более тонкое покрытие, чем на краях отверстия.

​

Отверстия малого диаметра на плате HDI

Если соотношение сторон отверстия на печатной плате больше, то существует риск, что осажденная медь на стенке отверстия будет тоньше, и центр такого отверстия будет более подвержен трещинам под тепловым напряжением. Это можно решить, отрегулировав вязкость раствора для покрытия, но более практичным подходом для компенсации этого эффекта является установка соответствующей силы броска в процессе электролитического осаждения для отверстия с большим соотношением сторон. Это не только улучшает структурную прочность отверстия, но и повышает его надежность в условиях теплового напряжения.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную электронику питания или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365^™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня, или свяжитесь с одним из наших экспертов для получения дополнительной информации о соотношениях сторон в дизайне печатных плат.