Слепые и скрытые переходы — что это такое и как они используются?

Как отмечалось в нескольких моих предыдущих статьях, так и в большинстве других опубликованных документов, шаг выводов компонентов становится всё более мелким, а устройства с малыми форм-факторами начинают доминировать в большом количестве разрабатываемой продукции (мобильные телефоны).

Вопрос о том, как соединять компоненты с обеими сторонами этих переполненных печатных плат, должен быть одним из первых, который учитывает команда разработки продукта. Обычно этот процесс соединения осуществляется с использованием скрытых и закрытых переходных отверстий. В этой статье будут описаны различные типы переходных отверстий, их применение и преимущества, а также недостатки.

Некоторые основы и история происхождения — Скрытые переходные отверстия

Прежде всего, полезно немного погрузиться в происхождение переходных отверстий и способы их использования. Переходное отверстие (via) — это просверленное и металлизированное отверстие на печатной плате (PCB), которое позволяет сигналу проходить с одной стороны платы на другую или на внутренний слой. Переходные отверстия могут использоваться для соединения выводов компонентов с дорожками сигнала или слоями, или для того, чтобы сигнал мог изменить слой передачи. Когда переходное отверстие проходит через всю плату, его называют сквозным переходным отверстием (through hole via или through via). На рисунке 1 показаны различные типы переходных отверстий.

Рисунок 1. Различные типы переходных отверстий

Слепые переходные отверстия

Когда переходное отверстие начинается с одной стороны печатной платы, но не проходит через неё полностью, его называют слепым переходным отверстием (blind via). Существует четыре типа слепых переходных отверстий: 

• Слепые переходные отверстия, формируемые фотографическим методом.
• Слепые переходные отверстия, формируемые последовательным ламинированием.
• Слепые переходные отверстия с контролируемой глубиной.
• Слепые переходные отверстия, просверленные лазером.

Каждый из этих типов подробно обсуждается ниже

Фотоопределенный скрытый переход: Фотоопределенный переход создается путем ламинирования листа фоточувствительной смолы на основу (эта основа состоит из ламинированных слоев, которые могут содержать силовые плоскости, а также некоторые внутренние сигнальные слои). Слой фоточувствительного материала покрывается узором, который закрывает области, где должны быть созданы отверстия, а затем подвергается воздействию света длиной волны, которая заставляет оставшийся материал на печатной плате (PCB) затвердеть. После этого PCB погружается в раствор для травления, который удаляет материал в отверстиях. Это создает путь к следующему слою вниз. После процесса травления медь наносится в отверстие и на внешнюю поверхность для создания внешнего слоя PCB. Эта операция обычно выполняется одновременно с обеих сторон PCB и добавляет слой к каждой стороне.

Фотоопределенные переходы обычно используются для создания многослойных органических пакетов BGA (ball grid array) и печатных плат мобильных телефонов. Преимущество их использования заключается в том, что стоимость создания тысяч скрытых переходов такая же, как и создания всего одного. Когда требуется всего несколько скрытых переходов, их использование становится невыгодным с точки зрения затрат.

Последовательная ламинация скрытых переходов: Последовательная ламинированная скрытая переходная зона создается путем обработки очень тонкого слоя ламината через все этапы создания двухсторонней печатной платы. Ламинат сверлят, покрывают металлом и травят для формирования элементов на стороне, которая будет образовывать второй слой платы. Другая сторона остается цельным листом меди и будет формировать первый слой готовой печатной платы. Затем подсборка ламинируется со всеми остальными слоями печатной платы. Полученная комбинированная ламинация затем проходит через все этапы создания внешних слоев многослойной печатной платы. Последовательная ламинация скрытых переходов использовалась при создании многих ранних печатных плат для мобильных телефонов. Это самый дорогой способ формирования скрытых переходов из-за дополнительных этапов процесса, требуемых и потерь выхода, связанных с обработкой очень тонких ламинатов на этапах сверления, травления и металлизации. В результате, его следует рассматривать как крайнюю меру, когда требуются скрытые переходы.

Управляемые Слепые Переходы с Контролируемой Глубиной: Как видно на рисунке 1, слепые переходы с контролируемой глубиной создаются так же, как и сквозные переходы. Здесь сверло устанавливается так, чтобы проникать в печатную плату (PCB) только на часть её толщины. Дизайнер размещает на втором слое площадку, которую пронзает сверло. Принимаются меры, чтобы под сверлённым отверстием не было элементов, которые могли бы соприкоснуться с ним. Медь затем наносится в сверлённое отверстие одновременно с нанесением меди в сквозные переходы.

Слепые переходы с контролируемой глубиной являются наименее дорогим типом, поскольку для их создания не требуется дополнительное оборудование или этапы процесса. Ограничения этих переходов заключаются в том, что отверстия должны быть достаточно большими для создания их механическим сверлом, и область под ними должна оставаться свободной от цепей, которые могут быть случайно задеты сверлённым отверстием.

Слепые Переходы, Прошедшие Лазерное Сверление: Они создаются после того, как все слои в PCB были сламинированы, но до того, как внешний слой был травлен и покрыт медью. Лазер используется для удаления меди на внешнем слое, а также изоляционного материала между слоями 1 и 2. В этом процессе используются два типа лазеров:

• CO₂ лазер
• Эксимерный лазер

Лазер CO₂ является самым мощным лазером, и поэтому он может быстро сверлить отверстия. Проблема с этим лазером заключается в том, что длина волны света не удаляет медь на первом слое. В результате, перед сверлением лазером необходимо провести этап травления для создания отверстий в меди. Кроме того, необходимость в дополнительном этапе обработки, этап фотоимиджинга влечет за собой проблему совмещения, поскольку фотомаска должна быть совмещена с площадками на втором слое, которые невидимы в момент использования лазера.

Эксимерный лазер способен пробурить сквозь медный слой и лежащий под ним диэлектрик, формируя скрытый переход за один шаг. Этот тип лазера стал предпочтительным для создания скрытых переходов с помощью лазера, поскольку не требует предварительного сверления медного слоя и не нуждается в дополнительных чертежах. Поскольку лазер может проникать сквозь медь и диэлектрик, необходимо быть осторожным при его настройке, чтобы убедиться, что отверстие пройдет через внешний слой меди и лежащий под ним диэлектрик, не прорезая медную площадку на втором слое. На рисунке 2 показано отверстие, просверленное лазером, которое удалило весь нежелательный материал в отверстии, не пробурив при этом площадку на втором слое.

Рисунок 2. Скрытый переход, просверленный лазером

Электрические преимущества скрытых переходов

Переходные отверстия в сигнальных линиях страдают от паразитной емкости, которая создается стенками металлизированного сквозного отверстия и слоями, через которые оно проходит. Эта паразитная емкость в первую очередь зависит от площади внешней поверхности металлизированного сквозного отверстия, которое представляет собой цилиндр, проходящий через печатную плату. Эта площадь определяется диаметром сверла и толщиной печатной платы. С учетом сегодняшних высоких скоростей передачи данных, эта паразитная емкость может ухудшить сигнал до такой степени, что его успешное использование становится невозможным. Поэтому необходим какой-то метод для уменьшения этой паразитной емкости. Слепые переходные отверстия делают это за счет укорачивания длины переходных отверстий и уменьшения их диаметров. В результате, слепые переходные отверстия являются хорошим способом соединения сигнальных линий, работающих на скоростях выше 4.8 Гбит/с.

Недостатки слепых переходных отверстий

Существует несколько недостатков при использовании скрытых переходов (определяемых фотографически, с контролируемой глубиной и лазерных), которые сверлятся после ламинирования печатной платы (PCB). Первое ограничение - это глубина отверстия по сравнению с его диаметром. Скрытый переход - это скрытое отверстие на поверхности PCB. Заполнение этого отверстия химическими веществами для металлизации таким образом, чтобы медь осаждалась на дно и стенки отверстия, может быть затруднено, если глубина отверстия велика по сравнению с его диаметром. Для того чтобы гарантировать успешное нанесение металлизации, диаметр отверстия должен быть таким же большим, как и его глубина. Это определяется как соотношение сторон 1:1 или меньше. Многим производителям необходим диаметр, который в 1,5 раза больше глубины отверстия, чтобы гарантировать правильную металлизацию. В большинстве случаев это исключает возможность сверления скрытого перехода ниже 2 слоя PCB. Разработчик должен иметь возможность соединить все контакты устройства с мелким шагом, такого как показано на рисунке 3, либо на слое 1, либо на слое

2.

Рисунок 3. Компонент с шагом 0,5 мм, использующий скрытые переходы

Сделать это с деталью, показанной на этом рисунке, не представлялось возможным, поэтому многие контакты были выведены из-под детали, чтобы обеспечить возможность сверления сквозных отверстий для соединения с более глубокими слоями печатной платы.

Вторым ограничением при использовании скрытых переходных отверстий (blind vias) является необходимость остановки сверления на заданном слое. Когда используется лазерное сверление, необходимо просверлить медь на слое 1 и подлежащий диэлектрический материал, не просверливая медный соединительный контакт на слое 2. Это означает, что луч лазера должен быть тщательно откалиброван. При использовании сверления с контролируемой глубиной, сверло должно остановиться до того, как коснется меди в слоях, которые находятся ниже слоя, к которому производится соединение.

Третья проблема, связанная со скрытыми переходными отверстиями, касается пайки компонента к площадке, в которую было помещено скрытое переходное отверстие. Потенциальная проблема надежности может быть вызвана отверстиями. (Проблема описана в ссылке 47 в первом томе нашей книги). Когда на площадки наносится паяльная паста, воздух в скрытом переходном отверстии оказывается запертым под отверстием, прямо под BGA. Этот маленький пузырек воздуха ослабляет соединение настолько, что при циклическом изменении рабочих температур печатной платы возникают разрывы цепи. Существует два способа решения этой проблемы:

1. Заполните отверстие медью полностью, как показано на рисунке 4.

2. Просверлите скрытый переход сбоку от площадки.

Рисунок 4. Стекированный скрытый переход с заполненным медью поверхностным переходом

На рисунке 4 три скрытых перехода уложены друг на друга. Нижний переход был сформирован вместе со всеми другими переходами на печатной плате. Верхние два перехода были сформированы с использованием процесса наращивания, описанного ниже. Каждый переход был сформирован, как показано на рисунке 1. После покрытия скрытого перехода и всех остальных переходов медью, панель отправляли обратно через операцию с покрытием от устойчивости к гальванике, где новый слой устойчивости подвергался воздействию узора, где были открыты только скрытые переходы. Затем медь наносилась в скрытые переходы до тех пор, пока она полностью не заполнила пустоты. Эта операция часто называется покрытием-кнопкой. Чтобы убедиться, что каждый скрытый переход заполнен медью, операция покрытия продолжается до тех пор, пока медь не выступает над поверхностью. После завершения процесса покрытия, устойчивость к гальванике удаляется, и вся поверхность печатной платы шлифуется для выравнивания меди. Все эти дополнительные шаги в процессе покрытия увеличивают стоимость готовой печатной платы. На рисунке 4 показана операция со скрытым переходом, выполненная три раза, одна поверх другой.

Альтернативный подход к проблеме пузырей заключается в том, чтобы просверлить скрытый переход не под компонентом, а сбоку от него (это также описано в ссылке 47 нашей книги первого тома). Этот метод не требует дополнительных процессуальных шагов. Однако он требует, чтобы разработчик продукта предусмотрел место для добавления скрытого перехода сбоку от контактной площадки. На рисунке 5 приведен пример переходов, просверленных сбоку от центра.

Рисунок 5. Смещенные лазерные скрытые переходы

Это позволяет избежать проблемы с пузырями, поскольку упомянутый пузырь формируется сбоку от шарика припоя, а не в его центре. Примечание: Если воздушный пузырь находится не непосредственно под шариком припоя, он не вызовет проблем.

Когда возникает необходимость создать переходы в двух слоях, один над другим, как показано на рисунке 4, и вы не хотите предпринимать дополнительные шаги для полного заполнения переходов медью, существует альтернативный подход. В этом случае вы размещаете второй переход сбоку от первого, так чтобы он не попадал на пустоту, образованную первым переходом.

Скрытые переходы с дефектами

Как упоминалось выше, существует несколько способов, по которым сквозные отверстия могут "испортиться". В вышеуказанных случаях проблемы могут быть результатом выбора неправильного типа сквозного отверстия для разрабатываемого продукта, неправильного включения сквозного отверстия в общий дизайн платы или сквозного отверстия, которое не было изготовлено должным образом. Еще одна причина, по которой сквозные отверстия могут испортиться, связана с тканью из стекловолокна, используемой в ламинатах. Рисунки 6-8 являются примерами таких неудачных сквозных отверстий. Все они были неудачными из-за неоднородности стиля плетения стеклотканей в ламинатах, то есть из-за отсутствия механически растянутого стекла. Я обсуждал тему механически растянутого стекла в предыдущем блоге.

Рисунок 6. Пример плохого скрытого сквозного отверстия 1

Рисунок 7. Пример плохого скрытого сквозного отверстия 2

Рисунок 8. Пример плохого скрытого сквозного отверстия 3

Закрытые сквозные отверстия

Когда переходное отверстие (виа) проходит между двумя внутренними слоями печатной платы (PCB), но не касается ни одной из поверхностей, это называется захороненным виа. Распространенной ошибкой является называть слепое виа микровиа. Согласно IPC, микровиа - это виа, диаметр которого составляет 8 милов или меньше, вне зависимости от того, проходит ли оно насквозь через печатную плату. Захороненное виа может проходить между любыми двумя слоями, как показано на рисунке 1, или может проходить через несколько слоев, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9. Захороненное Виа

В любом случае, захороненное виа формируется путем обработки набора внутренних слоев, участвующих в процессе, иллюстрируемом на рисунке 10. Это все шаги, вовлеченные в создание готовой печатной платы с дополнительными слоями, добавленными снаружи с использованием процесса наращивания. Очевидно, что это более дорогой процесс, чем прямая обработка многослойных плат. Многие подложки BGA, используемые в устройствах с высоким количеством контактов, изготавливаются именно таким образом, как и мобильные телефоны.

Вы можете узнать больше о использовании скрытых и закрытых переходных отверстий в Altium Designer здесь. Остались вопросы? Звоните эксперту из Altium или повышайте свою квалификацию, изучая больше о лучшем наборе инструментов для создания переходных отверстий на печатных платах в дизайне ПП с Altium Designer^®.