Проектирование микровиас с использованием спекаемой пасты для жестко-гибких печатных плат

Жестко-гибкие печатные платы (PCB) являются элегантным решением многих задач электронной упаковки. Эта технология сочетает в себе прочность жестких PCB с универсальностью гибких схем. Жестко-гибкие печатные платы ключевы для многих современных устройств, таких как смартфоны, медицинское оборудование и автомобильная электроника. В этих приложениях с высокой плотностью трассировки часто используются микровиасы для соединения различных слоев печатной платы. Очень эффективным методом создания этих соединений является использование спекаемой пасты. В этом блоге рассматриваются правила проектирования и соображения по использованию микровиасов со спекаемой пастой в жестко-гибких PCB.

Давайте сначала определим, что такое спекаемая паста в контексте изготовления печатных плат. Это относится к проводящему материалу, состоящему из металлических частиц, обычно серебра или меди, взвешенных в связующем. Паста наносится для создания электрических соединений между слоями PCB. В процессе производства процесс спекания включает нагревание до температуры ниже точки плавления других металлических частиц, что заставляет частицы соединяться вместе, формируя твердый проводящий путь без плавления окружающей подложки.

Преимущества микровиасов со спекаемой пастой

• Микровиа с напыленной пастой обеспечивают превосходную электрическую проводимость по сравнению с традиционными металлизированными виа. Процесс спекания снижает сопротивление, обеспечивая эффективную передачу сигнала. Это критически важно для приложений, требующих высокоскоростной передачи данных и надежной работы.
• Возможность создания меньших и более плотно расположенных микровиа позволяет увеличить плотность схем. Эта миниатюризация необходима для разработки компактных и легких электронных устройств без ущерба для функциональности.

Распространенное применение микровиа с напыленной пастой - маршрутизация в/из BGA с мелким шагом на гибком субстрате. Эти микровиа могут быть очень маленькими в диаметре (см. ниже), что делает их отличным вариантом для такого типа конструкции. Процесс спекания также создает виа с высокой механической прочностью, делая их устойчивыми к напряжениям, возникающим как в жестких, так и в гибких секциях жестко-гибких печатных плат.

Основные аспекты проектирования

Материалы: Проводящая паста: Выбор подходящей проводящей пасты является ключевым решением. Обычно используются пасты на основе серебра и меди из-за их отличных электрических свойств. Совместимость с процессом спекания и материалом субстрата является существенной.

Материал субстрата: Жестко-гибкие печатные платы используют комбинацию материалов, таких как FR4 для жестких секций и полиимид для гибких участков. Оба материала должны выдерживать температуры спекания без деформации или разрушения.

Размер корпуса: При проектировании HDI на гибких печатных платах размер любых корпусов с мелким шагом контактов ограничивает доступный размер переходных отверстий и пространство для трассировки. Спекаемые переходные отверстия позволяют преодолеть это препятствие за счет использования упомянутых выше меньших микровиас. Примером может служить пакет Nordic WLCSP (шаг 0,35 мм), показанный ниже; замена традиционно размещаемых слепых/закрытых микровиас на спекаемые может позволить провести трассировку между контактами.

Выбор материала - это время для работы с предпочитаемым производителем печатных плат. Не все производители работают со всеми доступными материалами и процессами. Очень просто добавить дополнительные затраты и время выполнения проекта, не понимая, какие материалы есть в наличии и обрабатываются регулярно.

Размеры микровиас

Диаметр и соотношение сторон: Микровиас, просверленные лазером, обычно имеют диаметр от 25 до 75 микрометров. Поддержание соотношения сторон (глубина к диаметру) около 0,75 до 1 обеспечивает надежное заполнение и спекание пасты.

Шаг и расстояние: Чтобы избежать коротких замыканий и сохранить целостность сигнала, минимальное расстояние между микровиас должно быть как минимум в два раза больше диаметра переходного отверстия. Адекватное расстояние также способствует лучшему рассеиванию тепла.

Производители печатных плат обычно указывают эти параметры в своих возможностях производства и руководствах по проектированию для производства.

Проектирование с учетом производственных возможностей (DFM)

Слоистая структура: При проектировании многослойных жестко-гибких печатных плат следует учитывать конфигурацию слоев для оптимизации размещения микровиас. Чередующиеся виас могут снизить концентрацию напряжений и улучшить механическую прочность.

Выравнивание и регистрация: Точное выравнивание в процессе производства критически важно для обеспечения точного соединения стековых микровиас между слоями. Продвинутые технологии изображения и сверления могут помочь достичь этой точности. Возможности производителей сильно различаются, поэтому важно понимать возможности предпочитаемых вами производителей. Проектирование с учетом этих возможностей позволяет сэкономить на стоимости и сократить время выполнения заказа.

Управление теплом: Эффективное рассеивание тепла важно, особенно в конструкциях с высокой плотностью. Использование тепловых виас и правильных техник компоновки может помочь управлять тепловой нагрузкой и предотвратить перегрев.

Параметры процесса спекания

Температурные профили: Температуры спекания обычно находятся в диапазоне от 200°C до 300°C в зависимости от материалов пасты и подложки. Контролируемое увеличение и снижение температуры предотвращает термический шок и повреждение материалов.

Время и давление: Время спекания варьируется от нескольких минут до нескольких часов. Приложение давления во время спекания может улучшить уплотнение пасты, уменьшить количество пустот и повысить механические и электрические свойства виас.

Контроль атмосферы: Проведение процесса спекания в инертной или восстановительной атмосфере, такой как азот или формирующий газ, предотвращает окисление проводящей пасты, обеспечивая лучшую электрическую производительность.

Важно понимать ключевые переменные процесса, которые ваш производитель должен контролировать.

Тестирование и валидация

Электрическое тестирование: После спекания электрическая проводимость микровиас должна быть измерена с использованием методик, таких как испытание четырехточечным зондом, чтобы убедиться, что они соответствуют техническим спецификациям.

Тестирование на механические напряжения: Механическая прочность микровиас может быть оценена с помощью испытаний на изгиб и гибкость, чтобы убедиться, что они выдерживают механические напряжения, встречающиеся в реальных условиях эксплуатации.

Тестирование надежности: Долгосрочная надежность в различных условиях окружающей среды, включая термоциклирование, влажность и вибрацию, должна быть оценена для гарантии долговечности жестко-гибких печатных плат.

Распространенные проблемы во время производства

Проблемы с адгезией: Улучшение адгезии между спеченной пастой и подложкой является ключом для надежных виас. Техники обработки поверхности, такие как плазменная очистка или применение адгезионных промоторов, могут увеличить прочность связи.

Формирование пустот: Пустоты в спеченной пасте могут нарушать электрические и механические свойства переходных отверстий. Оптимизация состава пасты и параметров спекания, а также применение давления во время спекания, могут минимизировать образование пустот.

Трещины и отслоение: Механические неудачи, такие как трещины и отслоение, могут быть уменьшены за счет тщательного выбора материалов и оптимизации конструкции для равномерного распределения напряжений. Использование гибких клеев и подложек с согласованными коэффициентами теплового расширения также может помочь.

В конце концов, спеченные пасты не являются новинкой в дизайне печатных плат, особенно в HDI-конструкциях. Этот подход использовался для достижения очень высокого количества слоев с мелкими зазорами в функциях наряду с изготовлением переходных отверстий из спеченной пасты. Чтобы узнать больше, посмотрите эпизод подкаста ниже с экспертом Крисом Ханратом:

Спеченная паста для микровиас предоставляет еще один инструмент в арсенале дизайнеров печатных плат. Работа и понимание возможностей вашего производителя печатных плат являются ключевым компонентом для успеха с этой технологией. Предпочтения в материалах и процессах сильно различаются между производителями, и совместная работа на ранних этапах процесса проектирования может как сэкономить время и средства, так и повысить надежность конечного продукта.