Заделка и сверление отверстий для скрытых и погребенных переходов в печатных платах

Слепые переходы не только для HDI печатных плат, они также используются в стандартных конструкциях с механическим сверлением и без тонких внешних слоев или слоев накопительной пленки. Эти конструкции находят свое применение во многих различных системах, и для меня это наиболее распространено в высокоскоростных конструкциях или RF-конструкциях, требующих закрытых отверстий для вставных штырей или резьбовых штырей. Независимо от области применения, наличие этих отверстий требует многослойного процесса для сверления, покрытия и прессования слоев в стопку печатной платы.

Количество ламинирований, необходимых для изготовления печатной платы, является неплохим показателем цены, если предполагается традиционный процесс травления и механического сверления. В зависимости от того, как используются слепые/закрытые переходы в печатной плате, количество ламинирований может не совпадать с вашим первоначальным расчетом. Поэтому, прежде чем начать размещение слепых и закрытых переходов в вашей стопке печатной платы, обратите внимание, что ваш производитель может выбрать альтернативный подход к изготовлению вашей печатной платы, что может повлиять на общую стоимость и площадь трассировки. Я рассмотрю, как размещение слепых и закрытых переходов влияет на количество циклов ламинирования и, в конечном итоге, на количество этапов обработки и связанные с этим затраты.

Стоимость циклов ламинирования

Каждый цикл ламинирования при изготовлении печатных плат включает этапы сверления и металлизации, и именно так мы можем формировать скрытые/закрытые переходные отверстия в структуре печатной платы. Когда в дизайне присутствуют скрытые/закрытые переходные отверстия, используется несколько этапов ламинирования для соединения каждой группы травленых слоев с целью создания окончательной структуры. Каждый цикл ламинирования добавляет этапы обработки и, таким образом, увеличивает стоимость дизайна. Хотя скрытые переходные отверстия абсолютно необходимы во многих продуктах, некоторые простые рассмотрения порядка выполнения этапов могут компенсировать часть дополнительных затрат и помочь сохранить конкурентоспособность вашего продукта.

Обычно мы просто подсчитываем количество слоев, требующих скрытых/закрытых переходных отверстий, добавляем 1 цикл для центрального ядра или закрывающих слоев снаружи структуры, и получаем общее количество необходимых ламинирований. Например, рассмотрим структуру ниже с сквозным переходным отверстием и закрытым переходным отверстием для встроенных печатных РЧ-цепей, о которых я подробнее рассказываю в другой статье.

В этом примере у нас симметричная структура, требующая двух циклов ламинирования: один для встроенного закрытого переходного отверстия и другой цикл для двух внешних слоев. Это простой пример, иллюстрирующий стандартный процесс многослойного ламинирования, необходимый для формирования скрытых/закрытых переходных отверстий.

В некоторых случаях использование скрытых/закрытых переходных отверстий может позволить уменьшить количество циклов ламинирования или применить иной подход к обработке, в отличие от последовательного ламинирования, как мы могли бы наблюдать в одной из стандартных конструкций HDI. К таким случаям относятся:

• Скрытые переходные отверстия, начинающиеся с одного поверхностного слоя или смещенные закрытые переходные отверстия (не гибридные конструкции)
• Конструкции с пересекающимися скрытыми/закрытыми переходными отверстиями
• Гибридные конструкции со скрытыми/закрытыми переходными отверстиями
• Обратные конструкции (или конструкции с крышкой-основой)

Сверление с обратной стороны и заполнение

Альтернативным процессом, который может быть использован вместо последовательного ламинирования, является сверление с обратной стороны и заполнение в определенных слоях, поскольку это может исключить один или несколько этапов ламинирования. При сверлении с обратной стороны и заполнении скрытое или закрытое переходное отверстие формируется за пределами необходимого слоя, но затем изготовитель сверлит скрытое/закрытое переходное отверстие до нужной длины. Это завершает переходное отверстие на желаемом слое, и оставшееся пространство в просверленном диэлектрике заполняется непроводящим эпоксидным составом. Заполненная область может быть затем покрыта металлом, например, в случаях, когда просверленный слой является слоем медной плоскости.

В некоторых из приведенных выше примеров это может быть предпочтительным способом изготовления некоторых стеков, поскольку это может устранить один или несколько циклов ламинации. Немного предвидения шагов обработки в этих примерах поможет вам лучше планировать использование скрытых/закрытых переходных отверстий и, возможно, устранить некоторые этапы ламинации при изготовлении печатных плат.

Асимметричные Скрытые/Закрытые Переходные Отверстия

Изготовление печатных плат обычно предполагает и осуществляется с симметричностью в расположении слоев, а следовательно, и в ламинации. Однако, стеки печатных плат со скрытыми/закрытыми переходными отверстиями могут не использовать симметричное размещение в стеке. Например, в случае с закрытым переходным отверстием, как показано ниже, это будет классический случай, когда в качестве решения для изготовления рассматривается метод сверления с последующей заполнением, вместо использования дополнительной ламинации.

В этом примере сохранение симметричности стека слоев во время изготовления привело бы к двум возможным процессам:

• Изготовление L3-L6 в первую очередь, за которым следует пара слоев L2/L7 и L1/L8 (всего 3 ламинации)
• Изготовление L2-L7 в первую очередь, затем сверление с заполнением и завершение парой слоев L1/L8 (всего 2 ламинации)

В процессе обратного сверления и заполнения L6-L7 обратное сверление может привести к разрыву дорожек в окрестностях сверлений. Очевидно, это устраняет основное преимущество использования скрытых/закрытых переходных отверстий, которое заключается в возможности освобождения пространства для трассировки за счет удаления барреля и площадок переходных отверстий от дорожек вне зоны слоев. Поэтому это лучше всего работает, если обратно сверленная часть включает только сверление через медный залив или слой плоскости. Со слоем плоскости обратное сверление будет проходить через медь, но необходимое восстановление медного покрытия будет одинаковым везде, и, таким образом, стандартное покрытие может быть использовано для воссоздания меди.

Пересечение скрытых/закрытых переходных отверстий

Теперь давайте рассмотрим случай скрытых/закрытых переходных отверстий, которые пересекаются друг с другом в разных зонах слоев. Этот случай наиболее интересен, так как может также включать смещенные (асимметричные) расположения переходных отверстий, которые затем также пересекаются друг с другом в стеке печатной платы. Хотя существуют некоторые электрические причины, по которым вам могут понадобиться эти пересекающиеся скрытые/закрытые переходные отверстия, творческое назначение слоев может позволить использовать процесс обратного сверления и заполнения на некоторых зонах слоев.

Например, рассмотрим следующий стек. Это может включать несколько скрытых переходных отверстий, пересекающихся друг с другом в стеке, что приведет к нескольким раундам обратного сверления и заполнения во время изготовления.

В процессе изготовления с обратным сверлением и заполнением для данной структуры типичный вид будет таков: конструкция требует трех ламинирований со сверлением и металлизацией, за которыми следует сверление и металлизация сквозных переходных отверстий. Однако смешанные большие переходные отверстия и закрытые переходные отверстия могут быть выполнены следующим образом:

• Сначала изготавливается секция от L3 до L8 с полным сверлением и металлизацией в этом диапазоне слоев
• Более длинные слепые переходные отверстия в диапазоне слоев L3-L8 сначала обрабатываются обратным сверлением, в то время как оставшиеся переходные отверстия будут формировать закрытые переходные отверстия на более позднем этапе
• Обратно сверленные отверстия заполняются непроводящим эпоксидным составом и металлизируются на любых слоях с медными плоскостями
• Внешние диапазоны слоев сверлятся, ламинируются и металлизируются
• Сквозные отверстия L1-L10 сверлятся и металлизируются для завершения структуры

Могут быть причины, по которым требуется специализированный слепой переход с определенным охватом слоев, даже если его охват пересекается с охватом других слоев. Один из примеров использования, который я упоминал выше, - это случай с встроенными РЧ-схемами, другой - случай с пресс-фитными контактами при использовании толстого многослойного PCB. Еще один пример использования - это устранение необходимости в обратном сверлении при вставке контакта для перехода высокоскоростного соединителя. Каков бы ни был случай использования, каждый слепой/закрытый переход, пересекающий слои, будет создавать дополнительные затраты, поэтому сосредоточьтесь на том, какие пересечения вы можете объединить, и планируйте расположение важных сигналов вокруг этих переходов.

Гибридные многослойные структуры со слепыми переходами

Гибридные многослойные структуры - это дизайны, в которых используется сочетание различных наборов материалов для многослойной платы. Чаще всего это включает использование материалов PTFE и стандартного FR4 для РЧ+цифровых дизайнов (о чем я подробно говорил в других статьях), но, конечно, можно смешивать и другие наборы материалов. Когда эти многослойные структуры включают слепые/закрытые переходы, они также потребуют нескольких ламинирований, как можно было бы ожидать.

Вопрос с гибридным стеклением заключается в том, следует ли сначала ламинировать отдельные гибридные ламинаты и складывать/покрывать их для формирования сквозных отверстий, или же наносить каждый гибридный слой по отдельности и сверлить/покрывать его для формирования конечных переходных отверстий (виас). Например, рассмотрим группировку материалов для гибридного стекления, показанную ниже.

Исходя из этого, мы можем увидеть две потенциальные области, где может быть применено заделывание с обратным сверлением:

• От L1 до L2 на захороненном переходе 2:3
• От L5 до L6 на слепом переходе 6:10

Для внешнего набора гибридных материалов не имеет большого смысла выполнять заделывание с обратным сверлением для формирования маленького захороненного перехода снаружи. Для внутренних переходов это может быть более оправдано, учитывая, что перекрывающиеся слепые переходы пропускают друг друга всего на один слой. В этом случае, если обратно сверленный слой охватывает слой плоскости или он очищен и не имеет дорожек, заделывание с обратным сверлением устранит один из ламинатов.

Обратное стекление (также известное как стекление с крышкой-основой)

Структура с крышечными слоями (cap-core stackups) эффективно размещает плоскости на внешних слоях и использует скрытые переходные отверстия (buried vias) на внутренних слоях сигналов для прокладки трасс сигналов. Сквозные отверстия используются для доступа к компонентам на других слоях и для соединения внешних плоскостей между собой. Простейший пример - это печатная плата на 4 слоя, где два внутренних слоя используются для сигналов и прокладываются с помощью скрытых переходных отверстий. С увеличением количества слоев внешние крышечные слои все равно потребуют окончательного ламинирования перед сверлением сквозных отверстий и металлизацией, но для внутренних слоев вместо последовательного ламинирования можно использовать процесс обратного сверления и заполнения. Это показано на примере структуры с крышечными слоями ниже.

Есть несколько вариантов применения технологии обратного сверления с последующей заполнением: в области между длинными/короткими скрытыми переходами (L3-L4 и L7-L8), вне промежутка слоев L4-L7, или на промежутках крайних слоев (L1-L2 и L9-L10). Применение на крайних слоях наиболее целесообразно в стеке с крайними слоями-основаниями из-за использования плоскостей на внешних слоях, но только до тех пор, пока обратное сверление не выходит на контактные площадки компонентов, поэтому это может быть использовано только на односторонней печатной плате. Промежутки внутренних слоев также являются кандидатами, особенно в этом 10-слойном стеке с крайними слоями-основаниями, который может содержать дополнительные слои плоскостей внутри стека.

Резюме

Всегда, когда после обратного сверления используется гальванизация, на гальванизированной области в повторно покрытом слое может появиться углубление. Обычно это углубление будет иметь размер около ~1 мил. Когда применяется технология обратного сверления с заполнением, обычно это делается на механически сверленных скрытых/закрытых переходах, которые занимают более толстые диэлектрики. Поэтому, в большинстве практических случаев, оставшееся углубление не будет влиять на естественные колебания толщины диэлектрического слоя.

Хотя может показаться парадоксальным возвращение к технологии сверления отверстий в дизайне печатной платы (PCB), который изначально предназначен для исключения необходимости сверления, это демонстрирует, что разумное и целенаправленное использование сверления может привести к значительной экономии затрат. Немного предвидения позволит вам воспользоваться этим процессом и даже указать его при заказе изготовления.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer^®. Для реализации совместной работы в сегодняшней 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 свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.