Электроника - относительно молодая отрасль, так как с момента изобретения транзистора прошло всего 65 лет. Радиолампа была разработана почти 100 лет назад, но получила широкое распространение во время Второй мировой войны благодаря использованию в коммуникациях, радарах, взрывателях боеприпасов (особенно радиовысотомерных электронных взрывателях для первой атомной бомбы) и превратилась в крупнейшую в мире отрасль. Все электронные компоненты должны быть соединены и собраны в работающий блок. Упаковка электроники - это технология, которая объединяет проектирование и производство этих соединений. С начала 1940-х годов основной платформой для упаковки электроники является печатная плата (PCB). Это руководство описывает передовые подходы к проектированию и производственные процессы, необходимые для разработки самых сложных из этих PWB, высокоплотных интерконнектов (HDI), как показано на рисунке 1.
В этой главе рассматриваются основные соображения, основные преимущества и потенциальные препятствия, которые необходимо учитывать при выборе методов высокоплотного соединения. Основное внимание уделяется соединениям и проводке компонентов. Фокусируется на плотности и потенциальных эффектах, которые выбор различных типов плат HDI и альтернатив проектирования может иметь на стоимость и производительность полной электронной сборки.
С тех пор, как печатные платы стали более распространенными с начала 50-х годов, плотность и сложность соединений быстро увеличивались, но не так стремительно, как в последние десять лет. Традиционные технологии печатных плат способны удовлетворить большинство современных требований. Тем не менее, существует растущая группа продуктов, известных как «Высокоплотные Соединители» (HDI), которые используются для создания еще более плотных соединений, и именно они являются предметом данного Руководства.
Тенденции Соединений
Драйверы тенденций к более высокой плотности соединений подразделяются на три категории: платформы, производительность и компоненты:
Платформы
С быстрорастущими рынками продуктов, таких как мобильные телефоны, цифровая техника и носимые компьютеры, все из которых представляют новые возможности. HDI позволяет электронике становиться меньше и легче.
Производительность
С уменьшением времени нарастания сигнала полупроводников и увеличением объема радиочастотной и микроволновой связи на частотах до 80 ГГц в некоторых областях телекоммуникаций.
Компоненты
Развивающаяся технология кремния с меньшими транзисторами и более быстрым временем нарастания сигнала приводит к задаче обеспечения большего количества выводов на меньшей площади, что равносильно большему количеству соединений на единицу площади.
Все эти тенденции создают спрос на более плотные соединения, с меньшими размерами дорожек и зазоров, меньшими переходными отверстиями (виас) и большим количеством скрытых виас. Хотя это не обязательно сопровождается изменением практик проектирования плат, традиционные конструкции могут достигнуть своих пределов, и проектирование конструкций HDI требует переосмысления стратегий дизайна.
РИСУНОК 1. Электроника эволюционировала по плотности с 1940-х годов до современного состояния высокоплотных соединений, которые включают 3D-стекирование и встроенные компоненты.
HDI представляет собой такой большой и растущий рынок применения печатных проводниковых плат (PWB), что существует по меньшей мере три (3) различные платформы HDI, составляющие его. Эти четыре платформы: 1. Модули подложек и интерпозеров; 2. Портативные устройства; и 3. Высокопроизводительные устройства.
Модули подложек и интерпозеров
Эта технология используется для подложек, подходящих для флип-чип монтажа или монтажа с использованием проволочных соединений. Микровиа позволяют увеличить плотность для вывода сигналов из высокоплотных флип-чипов. В качестве диэлектрических материалов используются новые разработанные пленки. Типичный пример можно увидеть на рисунке 2. Модули представляют собой небольшие подложки, которые могут иметь свои ИС, соединенные проволочным монтажом, флип-чип монтажом, монтажом с использованием TAB или могут использовать CSP с мелким шагом. Дискретные компоненты обычно очень малы, например, 0201 или 01005, и могут даже быть встроенными. Правила проектирования обычно менее строгие, чем для одиночной ИС подложки, поскольку модуль может быть больше, чем одиночный корпус ИС.
Портативные
Портативные и миниатюризированные потребительские товары находятся на переднем крае технологии HDI. Плотные конструкции предлагают малые форм-факторы и очень плотные характеристики, включая микро-BGA и футпринты флип-чипа. На данный момент наибольшее применение находят в мобильных телефонах. Типичные продукты мобильных телефонов (Motorola MicroTack и Apple iPhoneX) показаны на рисунках 3.
Высокая производительность
Эта технология используется для плат с большим количеством слоев, имеющих высокий уровень ввода/вывода или компоненты с малым шагом. Плата с закрытыми переходами не всегда необходима. Микропереходы используются для формирования зоны выхода плотных компонентов (высокий уровень ввода/вывода, микро BGA). Диэлектрик усилен покрытым смолой фольгой, усиленными препрегами и сердечниками, а также высокопроизводительными ламинатами. Типичный пример показан на рисунке 4. Возможная четвертая платформа, которая может быть разработана, - это «встроенные компоненты», показанные на рисунке 5.
РИСУНОК 2. Модули высокой плотности для a. Подложек для перевернутого монтажа и b. Телекоммуникаций
РИСУНОК 3. Постоянно возрастающая сложность и плотность характеризуют платы HDI, используемые в мобильных телефонах с 1994 года до настоящего времени.
РИСУНОК 4. Надежная телекоммуникационная плата для тройного OC-192 (10 Гб/с) оптического сетевого контроллера. Конструкция изготовлена из ламинатов с низкими потерями и использует структуру HDI 1+6+1.
РИСУНОК 5. Типичное использование микропереходов для соединения различных встроенных конденсаторов и резисторов.
Когда требуется повышение производительности для печатных плат (PWB), HDI является ведущим фактором. Помимо того, что PWB становится меньше, легче и тоньше, она будет иметь лучшие электрические характеристики. Некоторые из этих улучшений включают в себя:
По мере того как полупроводниковые фабрики уменьшают размер своих устройств, физика позволяет достигать более быстрых времен нарастания/спада. Это проявляется в повышенной частотной производительности. Но с уменьшением размеров устройств на чипе их становится больше, и рассеивание тепла увеличивается. Снижение напряжения питания для минимизации рассеиваемой мощности приводит к увеличению чувствительности схем к различным формам шума и потере силы сигнала. Высокопроизводительные ламинаты всегда были одним из требований. Кроме того, улучшенные процессы изготовления микровиас также повышают производительность на высоких частотах. Микровиас имеют почти в 10 раз меньше паразитных свойств, чем TH. Структуры тестовых образцов могут подтвердить меньшую индуктивность в микровиас, и при сочетании с конденсаторами низкой индуктивности развязки и виа в площадках, показывают преимущества снижения шума, особенно для высокоскоростной логики.
Полупроводниковая промышленность является основным двигателем развития электроники. Уменьшение размеров транзисторов и увеличение их общего количества позволяют выполнять больше функций – и быстрее. С увеличением размеров пластин цены продолжают падать.
Упаковка интегральных схем, например, устройства с шагом 0,80 и 0,65 мм, получают преимущества от технологий печатных плат, таких как HDI, но использование устройств с шагом 0,8 мм и меньше - это та область, где HDI действительно начинает предоставлять преимущества. Слепые переходные отверстия (vias) экономят место на внутренних слоях и имеют уменьшенные площадки для переходных отверстий, а также позволяют реализовывать технологию via-in-pads. Типичными представителями этих устройств являются цифровой сигнальный процессор (DSP) с 953 контактами и шагом 0,65 мм, показанный на рисунке 6а, или DSP с 498 контактами, показанный на рисунке 6b. Другие новые компоненты, которые становятся более распространенными, - это те, у которых очень высокое количество контактов, около 600 до 2500 контактов, даже при шагах 1,00 и 0,8 мм. Хотя некоторые из них являются цифровыми коммутаторами телекоммуникационных сетей (рисунок 6c), подавляющее большинство из них - это новые программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA). Текущие продукты от Actel, Infineon, Xilinx и Altera имеют корпуса с 456, 564, 692, 804, 860, 996, 1020, 1164, 1296, 1303, 1417, 1508, 1696 и 1764 контактами. Разрабатываются FPGA с более чем 2000 контактами!
РИСУНОК 6. а. Устройства с мелким шагом, такие как эти 953 контакта - микропроцессор с шагом 0.65 мм, б. 498-контактное устройство DSP с шагом 0.5 мм или в. 480-контактный контроллер с шагом 0.4 мм, даже г. 182 контакта с шагом 0.25 мм требуют микровиас. е. Цифровой коммутатор на 2577 контактов с шагом 1.0 мм теперь требует микровиас для подключения на печатной плате.
Другие преимущества использования технологий HDI могут быть связаны с упрощением проектирования, что приводит к более быстрому выходу на рынок и повышению надежности.
Быстрый выход на рынок
Быстрый выход на рынок достигается благодаря более простому размещению компонентов с использованием слепых виас или виас в контактных площадках. Другие эффективности проектирования достигаются за счет меньшего расстояния между элементами, улучшенного разбиения BGA, маршрутизации по бульварам (см. Главу 4) и упрощения автоматической трассировки с использованием слепых/закрытых виас вместо сквозных виас. Общее время проектирования системы может быть сокращено благодаря улучшенной электрической производительности слепых виас вместо TH виас, потребуется меньше повторных итераций из-за целостности сигнала и снижения шума.
Повышенная надежность
Обширные испытания надежности были проведены IPC-ITRI в конце 1990-х годов относительно надежности микровиас. [1] Другие группы (такие как HDPUG и NASA-JPL) также опубликовали отчеты о превосходной надежности малых слепых переходов по сравнению с сквозными переходами (TH). [2] Понимание 'ПОЧЕМУ' довольно просто! Соотношение аспектов перехода (AR - отношение глубины к диаметру) меньше (<) 1:1 по сравнению с TH, у которых AR >6:1 (+), достигая в некоторых случаях 20:1. Это результат использования тонких материалов и материалов с низким коэффициентом теплового расширения по оси Z в HDI (см. Главу 2). Материалы HDI многочисленны и превосходят многослойный ламинат по разнообразию, поэтому они охватываются стандартом IPC IPC-4104A, а не IPC-4101B. Если слепые переходы правильно просверлены и покрыты, то они будут работать с гораздо большим количеством термических циклов, как типичные TH (см. Главу 6)
Таким образом, тонкие материалы HDI хорошо подходят для теплопередачи, и это также описано в стандартах проектирования HDI IPC, IPC-2226.
Снижение стоимости
Главы 4 и 5 подробно обсудят улучшенный процесс проектирования для HDI PWB. При правильном планировании и выполнении, многослойная HDI может быть менее дорогой, чем альтернатива с платами TH. Как показано на рисунке 4, сравнение высокоскоростной, с контролируемым импедансом 14-слойной многослойной платы TH с 8-слойной многослойной платой HDI. За счет полного использования второстепенной стороны PWB, для соединения всех компонентов потребовалось на 40% меньше площади, кроме того, на 6 слоев меньше.
Предсказуемость
Клиентам необходимо знать структуру HDI, правила проектирования и ЦЕНУ, ПЕРЕД началом проекта или разработки платы.
Производители могут предложить цену на дизайн ПОСЛЕ его разработки, но без заранее известных цифр - никто не может позволить себе тратить время на бесперспективное дело. Концепция того, что "Микровиа дороже!" является результатом незнания, как правильно проектировать плату HDI.
Одним из преимуществ бенчмаркинга HDI за последние 37 лет была таблица сравнения TH и HDI, представленная на рисунке 7. Сравнение цены и плотности. Две ключевые переменные - это RCI, валюта сравнения, нормализованная к актуальной цене восьмислойной многослойной платы, и DEN, среднее количество контактов на плате, деленное на длину и ширину платы.
РИСУНОК 7. Сравнение цены и плотности TH против HDI. Индекс относительной стоимости (RCI) и предиктор плотности (контакты/кв. дюйм) позволяют быстро сравнить слои TH (колонка А) с эквивалентными структурами HDI (колонки B – G).
RCI в матрице - это базовые числа (или минимумы) для расчета стоимости. Но "потолочное" значение для диапазона в настоящее время вычислить или установить мы не можем. Все зависит от различных факторов в дизайне. Выходы очень чувствительны к минимальному диаметру, кольцевым зазорам, минимальной ширине трасс и расстоянию между ними, толщине материалов, общему количеству отверстий и их плотности. Другие факторы стоимости, такие как финальная отделка, заполнение отверстий и допуски, также повлияют на цену. Я добавил столбец для "Плотности" (DEN). Это максимальное количество электрических соединений (называемых "контактами") на квадратный дюйм поверхности (с обеих сторон). Пунктирные линии обозначают "Эквивалентные" печатные платы. Так, к примеру, 18-слойная плата TH (сквозное отверстие-колонка A) со средним значением 100 "контактов" на кв. дюйм могла бы быть разработана как 10-слойная плата HDI (1+8+1-колонка C), поскольку она может обрабатывать 210 "контактов" на кв. дюйм (p/si). Или она могла бы быть разработана как 6-слойная плата HDI с 2+2+2 (колонка E, также 200 p/si).
RCI не показывает "абсолютную" экономию в этом примере. "Относительная" экономия составляет 28,1% для 10-слойной и 20,5% для 6-слойной HDI "эквивалентов". Но меньшая плата может привести к большему количеству плат на панели, и "ЦЕНА" будет еще ниже указанных чисел. В диапазоне от 8L до 18L, платы HDI, особенно 2+N+2, НЕ являются эквивалентом плат 8L до 18L TH, они представляют платы с плотностью в 12X- 20X раз выше, чем у плат TH.
Эта матрица основана на FR-4. Это имеет два важных следствия. Шкала RCI TH (от 4L до 16L) представляет конкурентные цены, установленные Китаем. Эта шкала занижена по сравнению с ценообразованием HDI. Таким образом, ценообразование HDI, если оно равно или ниже, является очень конкурентоспособным. Если материал конструкции НЕ FR-4, а более дорогой материал с низким Dk или низким Dj, то экономия от использования HDI будет НАМНОГО БОЛЬШЕ при уменьшении количества слоев!
В этой главе мы обсудим материалы, используемые для производства печатных плат HDI. Существует несколько хороших источников по теме материалов для печатных плат (например, руководство по печатным платам, под редакцией Холдена и Кумбса), поэтому мы сосредоточимся на тех материалах, которые специфичны для HDI.
Согласно оценкам BPA Consulting Ltd., текущий мировой рынок материалов HDI составляет 83 миллиона квадратных метров. Разбивка по материалам HDI, используемым в порядке убывания использования, по данным BPA Consulting:
Основные материальные компоненты печатных плат - это полимерная смола (диэлектрик) с добавками или без, армирующий материал и металлическая фольга. Типичная конструкция показана на рисунке 1. Для формирования печатной платы чередующиеся слои диэлектрика, с армированием или без, укладываются между слоями металлической фольги.
Большинство материалов изготовлены из эпоксидной смолы, но некоторые из них - из BT, PPE, цианатэстера и модифицированных акрилатов. Новейшие материалы - это растущее количество препрегов, поддающихся обработке лазером.
РИСУНОК 1. Конструкция ламината ПП (печатной платы) [Источник: PC Handbook, 7-е издание]
Основой смолы индустрии всегда была эпоксидная смола. Эпоксидная смола стала основным материалом благодаря своей относительно низкой стоимости, отличной адгезии (как к металлическим фольгам, так и к самой себе) и хорошим тепловым, механическим и электрическим свойствам. По мере возникновения требований к лучшей электрической производительности, способности выдерживать температуры свинцово-свободного припоя (см. Таблицу 1) и соответствия экологическим нормам, базовая химия эпоксидной смолы была значительно изменена на протяжении лет.
Эпоксидные смолы являются термореактивными и используют отвердители и катализаторы для обеспечения реакций сшивания, которые приводят к получению окончательного отвержденного продукта. Эпоксидные смолы также по своей сути являются горючими, поэтому в смолу добавляются пламязамедлители для значительного снижения горючести. Традиционно основным отвердителем был Дици, но теперь используются различные фенольные соединения. Традиционные бромсодержащие соединения (например, ТББА), используемые в качестве пламязамедлителей, заменяются другими соединениями, такими как содержащие фосфор, из-за опасений по поводу попадания брома в окружающую среду при утилизации печатных плат. Многие компании перешли к требованию "Без Галогенов" в предвидении возможного запрета или для создания имиджа "зелености".
ТАБЛИЦА 1. Четыре важные тепловые характеристики ламината без свинца и STII.
РИСУНОК 2. Некоторые значения STII для обычных ламинатов.
Другие смолы, которые широко используются, обычно выбираются для устранения конкретных недостатков систем на основе эпоксидных смол. BT-эпоксид распространен для органических чип-пакетов из-за его термической стабильности, в то время как полиимидные и цианатэфирные смолы используются для лучших электрических свойств (низкие Dk и Df) а также улучшенной термической стабильности. Иногда их смешивают с эпоксидной смолой для снижения стоимости и улучшения механических свойств. Важным термическим свойством для бессвинцовой сборки является STII, и некоторые значения ламинатов показаны на рисунке 2.
Помимо термореактивных смол, используются термопластичные смолы, включая полиимид и политетрафторэтилен (ПТФЭ). В отличие от термопластичной версии полиимида, которая относительно хрупкая, термореактивная версия гибкая и поставляется в виде пленки. Обычно она используется для изготовления гибких плат, а также комбинированных плат, называемых жестко-гибкими. Она также более дорогая, чем эпоксидная, и используется по мере необходимости.
Чтобы помочь в выборе подходящего ламината для HDI, на рисунке 3 показан выбор ламинатов со всего мира и их эквивалентность.
РИСУНОК 3. Таблица замены ламинатов для многих печатных плат
Лазерно-сверлимое и обычное стекловолокно
Большинство диэлектрических материалов, используемых для изготовления печатных плат, включают в систему смолы армирующие добавки. Армирование обычно осуществляется в виде тканого стекловолокна. Тканое стекловолокно, как и любая другая ткань, состоит из отдельных филаментов, которые переплетаются на ткацком станке. Используя филаменты разного диаметра и различные узоры переплетения, создаются разные виды стеклоткани.
Стекловолокно придает диэлектрику как механическую, так и термическую прочность, но при использовании в конструкциях HDI оно может вызвать некоторые проблемы. На рисунке 5 показано, что ткань из стекловолокна является переплетенной, а в таблице указаны стили, пряжи и толщины этих пряж. Когда для создания переходных отверстий (виас) используются лазеры, разница в скоростях абляции между стекловолокном и окружающей смолой может привести к плохому качеству отверстий. Также, поскольку ткань из стекловолокна неоднородна из-за наличия участков без стекла, участков с одним волокном и пересечений волокон (также известных как узлы), сложно настроить параметры сверления для всех этих регионов. Обычно сверление настраивается для самой трудной для сверления области, которой является узловая область.
Производители стекловолокна создали так называемые диэлектрики, пригодные для лазерного сверления, распределяя нити в обоих направлениях и делая ткань более однородной, что минимизирует участки без стекловолокна, а также узловые зоны. На рисунке 4 показаны 12 доступных на данный момент LDP и их свойства. Тем не менее, для проникновения через стекловолокно все еще требуется больше энергии, чем через смолу, но теперь параметры сверления могут быть оптимизированы для получения последовательных результатов по всей панели.
РИСУНОК 4. Таблица спецификаций ткани для лазерно-сверлимого стекловолокна.
Покрытая смолой медная фольга (RCC) Foil
Ограничения диэлектриков на основе стекловолокна побудили компании искать альтернативные решения для диэлектриков. Помимо проблем с лазерным сверлением (плохое качество отверстий и длительное время сверления), толщина тканого стекловолокна ограничивала, насколько тонкими могли быть печатные платы. Чтобы преодолеть эти проблемы, медная фольга была использована в качестве носителя для диэлектрика, чтобы затем ее можно было интегрировать в печатную плату. Эти материалы называются «Покрытая смолой медь» или RCC. Фольга RCC производится с использованием процесса прокатки.
РИСУНОК 5. Фотографии стандартных и лазерно-сверлимых стекловолоконных тканей
Медь проходит через покрывающую головку, и смола наносится на обработанную сторону меди. Затем она проходит через сушильные печи и частично отверждается или достигает стадии "B", что позволяет ей течь и заполнять пространства вокруг внутренних цепей и соединяться с основой. Системы смол обычно модифицируются с использованием ограничителя течения, чтобы предотвратить чрезмерное выдавливание во время процесса ламинирования.
Большая часть медной фольги RCC производится именно таким образом, но существуют и другие типы. Один из этих типов - продукт двухстадийного процесса (Рисунок 6). После нанесения первого слоя смолы его снова пропускают через покрывающую головку для добавления второго слоя. Во время второго нанесения первый слой полностью отверждается, в то время как второй слой достигает стадии "B". Преимущество этого процесса заключается в том, что первый этап действует как жесткая преграда и гарантирует минимальную толщину между слоями. Недостаток заключается в том, что продукт дороже, чем версия с однократным покрытием.
Несмотря на все преимущества фольги RCC, существуют опасения относительно отсутствия усиления в плане стабильности размеров и контроля толщины. Был разработан новый материал для решения этих проблем. MHCG от компании Mitsui Mining and Smelting включает в процесс покрытия смолой ультратонкое стекловолокно (либо 1015, либо 1027). Стекловолокно настолько тонкое, что из него нельзя сделать препрег, поскольку оно не может проходить через обработчик в башне, как традиционное стекловолокно. Также доступен RCC на основе полиимида / эпоксидной смолы.
Стекловолокно не оказывает значительного влияния на лазерное сверление, однако обеспечивает стабильность размеров на уровне или лучше, чем стандартный препрег. Теперь доступны диэлектрические слои толщиной всего 25 микрон, что позволяет создавать очень тонкие многослойные изделия.
Стоимость - еще один аспект фольги RCC, вызывающий опасения. Фольги RCC почти всегда стоят дороже, чем эквивалентное сочетание препрега и медной фольги. Однако фольга RCC может фактически привести к созданию менее дорогого продукта, если учесть время лазерного сверления. По мере увеличения количества отверстий и размера обрабатываемой площади улучшенная пропускная способность лазерных сверл более чем компенсирует повышенную стоимость фольги RCC.
РИСУНОК 6. Четыре доступных варианта покрытой смолой медной фольги (RCC)
Оптимизированный жидкий эпоксид может обеспечить самую низкую стоимость среди всех диэлектриков для HDI. Он также наиболее легко наносится тонкими слоями для мелкой проводки. Его можно наносить методом шелкографии, вертикальным или горизонтальным вальцовым покрытием, покрытием мениском или завесой. Бренд Taiyo Ink является наиболее используемым, но также продукты имеют Tamura, Tokyo Ohka Kogyo и Asahi Denka Kogyo.
Полифениловые эфиры/Полифениленоксид: Т.пл. > 288° C являются термопластами полифениловых эфиров (PPE) или полифениленоксида (PPO) с температурами плавления значительно выше 288°-316° C. Смеси PPO/Эпоксид имеют Tg >180° C с более высокими температурами разложения. Их популярность обусловлена их отличными электрическими характеристиками, благодаря более низким диэлектрическим постоянным и тангенсам потерь по сравнению с многими термореактивными материалами, такими как эпоксид и BT, при низком водопоглощении. Их высокие температуры плавления и химическая стойкость делают процесс удаления смазки критически важным.
На рисунке 7 показаны диэлектрические постоянные (Dk) и коэффициенты потерь (Dj) популярных диэлектриков, включая те, которые подходят для очень высокоскоростной логики. В таблице 2 перечислены другие электрические характеристики, связанные с высокоскоростной производительностью для дизайна HDI.
РИСУНОК 7. Электрические характеристики различных ламинатов по их диэлектрической проницаемости и коэффициенту потерь
ТАБЛИЦА 2. Другие важные электрические характеристики, которые следует учитывать при проектировании высокоскоростных схем.
Для очень высокоскоростной логики сигналы распространяются по поверхности проводника (эффект скин-слоя). Гладкие медные фольги позволяют изготавливать очень тонкие дорожки и промежутки с меньшими потерями меди. (См. Рисунок 8) на Рисунке 9, с использованием медных фольг толщиной 5 микрон и 3 микрона, или с использованием процесса mSAP, возможно создание ультратонких дорожек.
РИСУНОК 8. Обработка фольги для улучшения адгезии представлена четырьмя профилями и важна для уменьшения потерь меди (эффект скин-слоя)
РИСУНОК 9. Очень тонкая и гладкая медная фольга может позволить создавать очень тонкие дорожки и промежутки (8мкм/8мкм)
Материалы для высокоплотных межсоединений являются серьезной темой для дизайнеров печатных плат и электроинженеров. Существует несколько хороших источников по теме материалов для печатных плат, и здесь акцент сделан на материалах HDI для помощи инженерам в проектировании печатных плат.
Печатные платы с высокой плотностью интерконнектов на самом деле появились в 1980 году, когда исследователи начали изучать способы уменьшения размера переходных отверстий (виас). Первый новатор неизвестен, но среди первых пионеров можно выделить Ларри Бергесса из MicroPak Laboratories (разработчик LaserVia), доктора Чарльза Бауэра из Tektronix (который произвел фотодиэлектрические виас) и доктора Вальтера Шмидта из Contraves (который разработал плазменно-травленые виас).
Первые производственные многослойные или последовательные печатные платы появились в 1984 году, начиная с лазерно-сверленных компьютерных плат FINSTRATE от HewlettPackard, за которыми последовали в 1991 году в Японии поверхностные ламинированные схемы (SLC) [2] от IBM-YASU и в Швейцарии DYCOstrate [3] от Dyconex. На рисунке 1 показана одна из тех первых плат Hewlett Packard FINSTRATE, на обложке журнала Hewlett-Packard (1983).
HP Finstrate Laser-Via
HP изначально не планировала разрабатывать микровиа, созданные с помощью лазера. Они появились в результате обратного проектирования их нового 32-битного микрокомпьютерного чипа. Его назвали чипом «FOCUS», 32-битный микропроцессор, разработанный на основе NMOS-III, который отличается высоким потреблением тока. Одним из неожиданных открытий с этим новым микропроцессором было то, что он не мог управлять индуктивностью стандартного сквозного отверстия диаметром 0,3 мм в плате толщиной 1,6 мм. Он мог управлять только индуктивностью 20-30 нГн, или слепым виа диаметром 0,125 мм. Вторым сюрпризом стало то, что у него не хватало энергии для преодоления обычных потерь FR-4 (Dj=0.020), поэтому был использован чистый политетрафторэтилен (PTFE). Требование микросхемы к охлаждению потребовало создания платы на металлическом основании с очень маленькими слепыми виа и диэлектриком с очень низкими потерями. В результате была создана плата на медном основании с технологией наращивания, которая имела прямое соединение с интегральными схемами (IC) с помощью проволочных соединений.
РИСУНОК 1. Первая печатная плата с микровиасами, запущенная в массовое производство. FINSTRATE компании Hewlett Packard был запущен в производство в 1984 году. Это была технология с медным сердечником и накопительным методом с чистым PTFE в качестве диэлектрика, которая имела прямое соединение с интегральными схемами (IC) через проводные соединения.
Фото IBM SLC через фотовиа
С момента введения технологии SLC от IBM в 1991 году было разработано и внедрено множество методов массового производства плат HDI с высокой плотностью разводки. С точки зрения объемов производства, технология лазерного сверления является одной из таких методик. Другие методы все еще используются некоторыми производителями печатных плат, но в гораздо меньших масштабах.
Однако особое внимание будет уделено процессу лазерного сверления (далее лазерное виа), поскольку сегодня это самый популярный процесс, и, похоже, его популярность будет расти в будущем. Необходимо понимать, что формирование отверстий виа - это лишь один из элементов изготовления плат HDI с высокой плотностью разводки. Изготовление таких плат с микровиасами включает в себя множество процессов, не свойственных традиционному производству плат.
Основы изготовления HDI
На рисунке 2 показана схема процесса производства по технологии последовательного наращивания (SBU) или производства соединений с высокой плотностью. Три основных элемента:
РИСУНОК 2. Последовательная технология наращивания (HDI) имеет три основные характеристики: Диэлектрический Формат, Формирование Переходных Отверстий и Методы Металлизации (Предоставлено DuPont.)
Процесс производства для каждой технологии микровиас начинается с базового ядра, которое может быть простой двусторонней платой, несущей плоскости питания и заземления, или многослойной платой, несущей некоторые сигнальные узоры в дополнение к плоскостям питания и заземления. Ядро обычно имеет металлизированные сквозные отверстия (PTH). Эти PTH становятся BVH. Такое ядро часто называют активным ядром.
Диэлектрики и Изоляторы
Обзор диэлектрических и применяемых проводящих материалов, используемых в производстве микровиас, описан в стандарте IPC-4104A. Некоторые из этих диэлектриков могут использоваться как в упаковке чипов, так и в приложениях PWB HDI. Сделаны перекрестные ссылки на соответствующие спецификации материалов стандарта IPC/JPCA-4104 для HDI и материалов микровиас.
Выбор материала должен отвечать на следующие вопросы:
Существует девять различных общих диэлектрических материалов, используемых в подложках HDI. Стандарты IPC, такие как IPC-4101B и IPC-4104A, охватывают многие из них, но многие еще не специфицированы стандартами IPC. Материалы следующие: Фоточувствительные жидкие диэлектрики
Формирование соединительных виа
В этом разделе обсуждаются процессы, использующие различные техники формирования сквозных отверстий с помощью сверления. Сверление сквозных отверстий возможно для размеров ниже 0,20 мм (0,008 дюйма), но стоимость и практичность ограничивают это. Ниже 0,20 мм (0,008 дюйма) лазерное и другие процессы формирования отверстий являются более экономически выгодными. Существует множество различных методов формирования внутренних сквозных отверстий (IVH), используемых в процессах HDI. Наиболее заметным является лазерное сверление. У этих различных методов формирования отверстий есть некоторые ограничения на минимальный размер формируемых отверстий, а также значительные различия в скорости формирования отверстий.
Механическое Сверление
Самой старой техникой для формирования слепых и закрытых сквозных отверстий является механическое сверление и последовательное ламинирование, как показано на рисунках 3а и 3b. Был достигнут прогресс как в производстве малых сверл, так и в высокоскоростном механическом сверлении, что позволяет использовать эту технику в некоторых случаях.
FИГУРА 3. Механическое сверление малых отверстий либо с контролируемой глубиной, рисунок 3а, либо последовательное ламинирование, рисунок 3b, - вот как началось производство HDI в больших объемах.
РИСУНОК 4. Создание сквозного отверстия в панели ПП (печатной платы) обычно выполняется с использованием лазерной технологии, но также применяются и "массовые процессы" создания отверстий, такие как химическое травление, плазменная обработка или фотодиэлектрические процессы.
Технология лазерного создания отверстий
Лазерная обработка является наиболее популярным процессом формирования микросквозных отверстий. Однако это не самый быстрый процесс формирования отверстий. Самым быстрым является химическое травление маленьких отверстий, со скоростью оцениваемой в 8 000 до 12 000 отверстий в секунду. То же самое касается и формирования отверстий с помощью плазмы и фотообразования отверстий (Рисунок 4). Все эти процессы относятся к массовому формированию отверстий. Лазерное сверление - одна из старейших техник создания микросквозных отверстий. Длины волн лазерной энергии находятся в инфракрасной и ультрафиолетовой области. Лазерное сверление требует программирования размера и энергии фокуса луча. Лучи с высокой энергией могут резать металл и стекло, в то время как лучи с низкой энергией аккуратно удаляют органические материалы, не повреждая металлы. Размер точки луча может быть маленьким, примерно 20 микрон (<1 мил) для лучей с высокой энергией и около 100 микрон (4 мил) до 350 микрон (14 мил) для лучей с низкой энергией. [2] [3]
Большинство лазерных процессов используют либо CO2, либо UV лазеры, поскольку они наиболее доступны и экономичны. При использовании CO2 лазера для создания переходных отверстий (виас) в эпоксидных ламинатах необходимо удалить медь над областью, подлежащей абляции (см. Рисунок 5). CO2 лазер в основном используется для ламинатов, не укрепленных стеклом. Это включает в себя не поддерживаемые ламинаты, такие как гибкий полиимид и медная фольга с резиновым покрытием (RCC®), а также ламинаты, укрепленные альтернативными материалами, такими как арамидные волокна. Модифицированные TEA CO2 лазеры (Трансверсально Возбужденные Атмосферные) специально созданы для прожига через стекловолокно с использованием длины волны 9,000 нм и более высокой пиковой мощности.
Однако существует множество вариаций. Для сверления микровиасных отверстий существует пять лазерных систем: UV/Eximer, UV/Yag лазер, CO2 лазер, Yag/CO2 и комбинации CO2/TCO2. Также существует множество диэлектрических материалов: RCC, только смола (сухая пленка или жидкая смола) и укрепленный препрег. Следовательно, количество способов создания микровиасных отверстий с помощью лазерных систем определяется комбинацией пяти лазерных систем и этих диэлектрических материалов, как показано на Рисунке 5.
Лазеры с высокой мощностью (например, ультрафиолетовые - UV) могут удалять стекло и медь, поэтому их можно использовать с традиционными ламинатами, но обычно они медленнее работают при прохождении через медь и стекловолокно. Существует несколько факторов, которые следует учитывать при обработке лазерных переходных отверстий: точность позиционирования просверленных отверстий (отверстия микровиа), неравномерные диаметры отверстий, изменение размеров панели после отверждения диэлектрика, изменение размеров панели из-за колебаний температуры и влажности, точность выравнивания фотоэкспонировальной машины, нестабильность негативных изображений и так далее. Эти аспекты следует тщательно контролировать, и они важны для всех процессов создания микровиа отверстий.
РИСУНОК 5. Три основных процесса абляции слепых переходных отверстий лазером; c. создание отверстия в медной фольге с использованием UV или специальных обработок лазерами CO2; d. Травление отверстия в медной фольге, а затем лазерная обработка диэлектриков; e. Эксимерное лазерное создание переходного отверстия в материалах, а затем металлизация диэлектрика методом напыления или безэлектролитного осаждения меди mSAP.
Метод металлизации
Последний процесс - металлизация переходных отверстий. Существует четыре различных метода металлизации IVH, используемых в процессах HDI. Методы следующие:
Лазер является наиболее распространенным методом производства микровиас, которые заполняются проводящей пастой. Лазеры способны аблировать диэлектрический материал и останавливаться при пересечении с медной проводкой, поэтому они идеально подходят для создания слепых виас с контролируемой глубиной. На рисунке 6 показаны эти два основных процесса микровиас.
РИСУНОК 6. Два наиболее популярных азиатских процесса металлизации микроотверстий с использованием проводящих полимеров; f. Процесс BBiT заключается в нанесении проводящей серебряной пасты на медную фольгу и ее ламинировании в двухстороннее основание; g. Различные проводящие пасты наносятся на лазерно просверленные отверстия в диэлектрике на стадии b и затем ламинируются с медной фольгой в основание.
При планировании дизайна HDI существуют показатели производительности или метрики для процесса HDI. Как треугольник на Рисунке 1, эти три важные цепи процесса HDI являются элементами плотности соединений.
РИСУНОК 1. Метрики дизайна HDI
Два показателя сложности сборки компонентов поверхностного монтажа: плотность компонентов (Cd), измеряемая в частях на квадратный дюйм (или на квадратный сантиметр) и плотность сборки (Ad), в выводах на квадратный дюйм или на квадратный сантиметр.
Два показателя сложности сборки поверхностного монтажа: степень сложности компонентов, сложность компонентов (Cc), измеряемая средним количеством выводов (I/O) на деталь. Второй показатель - шаг выводов компонента.
Плотность (или сложность) печатной платы, Wd, измеряется средней длиной дорожек на квадратный дюйм этой платы, включая все слои сигналов. Метрика - дюймы на квадратный дюйм или см на квадратный сантиметр. Второй параметр - это количество дорожек на линейный дюйм или на линейный см. Плотность PWB была получена из предположения, что в среднем на сеть приходится три электрических узла и что вывод компонента является узлом сети. Результатом стало уравнение, которое гласит, что плотность PWB равна умноженному на квадратный корень из количества деталей на квадратный дюйм умноженного на среднее количество выводов на деталь. β равно 2.5 для высокого аналогового/дискретного региона, 3.0 для аналогово/цифрового региона и 3.5 для цифрового/ASIC региона:
Плотность PWB (Wd) = β √ [Cd] x [Cc]
= β √ [деталей на кв. дюйм] x [средн. выводов на деталь]
Где:
p = Количество компонентов (деталей)
l = Количество выводов всех компонентов
a = Площадь верхней поверхности платы (квадратные дюймы)
Рисунок 2 я называю Картой Технологий Упаковки. Карту Технологий Упаковки впервые представила компания Toshiba в январе 1991 года. [1].
Второй ценной особенностью карты является область в верхнем правом углу. Это "Регион Продвинутых Соединений". Здесь необходимо иметь HDI-структуру. Пунктирные линии указывают на барьер или стену HDI! Пересеките это и использование HDI становится экономически выгодным. Сдвиньтесь слишком далеко, и это становится необходимостью.
РИСУНОК 2. Барьер сквозного монтажа (TH) как функция типичной сборки.
Карта упаковки создается путем измерения размера сборки, количества компонентов и выводов этих компонентов. Компоненты включают в себя обе стороны сборки, а также краевые контакты или соединения. Путем простого деления количества выводов на количество деталей и деталей на площадь сборки, известны оси X и Y. Построение графика количества компонентов на квадратный дюйм (или на квадратный сантиметр) против среднего количества выводов на компонент на логарифмическом графике позволяет рассчитать плотность проводки ПП (в дюймах на квадратный дюйм или в сантиметрах на квадратный сантиметр) и сложность сборки (в выводах на квадратный дюйм или выводах на квадратный сантиметр). Плотность сборки - это просто произведение оси X на ось Y.
Когда диаграмма (Рис. 2) используется для анализа поверхностного монтажа сборок, на графике упаковки выделяются три основные зоны, поэтому я называю его Картой. Первая - это продукты с высоким содержанием аналоговых устройств и дискретных компонентов. Типичные продукты - видеокамеры, пейджеры и мобильные телефоны (C-C’). У них самая высокая сложность сборки. До 300-400 выводов на квадратный дюйм (47 выводов на квадратный сантиметр). Вторая группа - продукты с высокой степенью цифровых компонентов и некоторыми смешанными дискретами. Примеры - ноутбуки, настольные компьютеры, приборы, медицинское оборудование и маршрутизаторы телекоммуникаций (A-A’). Последняя группа имеет высокоинтегрированное использование ИС. PCMCIA, флэш-память, SiPs и другие модули типичны для этой группы (B-B’). У этой группы самая высокая плотность проводки на печатной плате, более 160 дюймов на квадратный дюйм (25 сантиметров на квадратный сантиметр). На рисунке условно показаны три региона.
Когда вы смотрите на рисунок, линии сложности сборки пересекают линии плотности проводки. На высоких дискретных уровнях требуется меньше проводки для заданной плотности сборки. На высоких уровнях ASIC (и низких дискретных) требуется гораздо больше проводки для соединения компонентов. Это делает метрики сборки, такие как количество выводов на квадратный дюйм, хорошим показателем, но недостаточным для замены плотности проводки на ПП.
Процесс проектирования печатных плат с использованием технологии HDI показан на рисунке 3. При проектировании с технологиями HDI первый шаг – [Планирование дизайна] является самым важным. Эффективность трассировки для HDI зависит от стека слоев, архитектуры переходных отверстий, размещения компонентов, разветвления BGA и правил дизайна, как видно на рисунке 4. Но при этом необходимо учитывать всю цепочку создания ценности HDI, включая выход готовой продукции на производстве, особенности сборки и тестирование в схеме. Работа с вашим производителем и сборщиком ПП является ключевым моментом для успешного дизайна.
РИСУНОК 3. Общий обзор процесса проектирования и разметки печатных плат.
При подходе к дизайну HDI начинать следует с Руководств и Стандартов IPC. Четыре из них применяются специально к дизайну HDI, как видно на рисунке 5.
РИСУНОК 4. Рекомендуемый процесс планирования HDI для добавления в общий процесс проектирования печатных плат
РИСУНОК 5. Стандарты и руководства IPC
Существует три (3) новых принципа для дизайна HDI-микровиас, которых нет в дизайне TH:
Основная идея заключается в том, что микровиас заменяют или позволяют убрать сквозные отверстия, тем самым позволяя увеличить плотность трассировки на внутренних слоях в 2 или 3 раза, используя пространство, которое ранее занимали сквозные отверстия. Это позволит уменьшить количество слоев сигналов и количество опорных слоев для этих слоев сигналов.
Этот принцип глубже, чем может показаться на первый взгляд. Это потому, что существует три измерения, в которых размещаются микровиас (см. Рисунок 6):
ТАБЛИЦА 1. Новые принципы для HDI-дизайна, не используемые для многослойных плат с TH
РИСУНОК 6. Иллюстрация преимуществ трассировки с использованием скрытых переходных отверстий
Если вы изучите первый принцип и спросите себя: «Какую функцию выполняют мои переходные отверстия?», ответ будет таков: наиболее распространенными являются переходные отверстия на GND. «Вторые по распространенности?», ответ очевиден, это переходные отверстия на PWR. Таким образом, перемещение плоскости GND, которая обычно является слоем-2, на поверхность дает возможность устранить все эти переходные отверстия на GND. В том же духе, перемещение наиболее используемой плоскости PWR на слой-2 заменит эти сквозные отверстия (TH) скрытыми переходными отверстиями. Это дает четыре (4) преимущества по сравнению с традиционной структурой «микрополоска», как показано на рисунке 7:
На рисунке 7 показаны некоторые из наиболее распространенных структур HDI для уменьшения количества сквозных отверстий (TH vias). Три общих структуры HDI показаны с IPC-типами структур (I, II & III). Возможные диэлектрики между слоем-1 и слоем-2 могут быть традиционными препрегами, препрегами, подходящими для лазерного сверления, RCC, усиленными RCC или BC ядрами. Эти материалы описаны в главе 2 "Материалы HDI". Если диэлектрик тонкий, то практично также использовать "пропускающее отверстие" (‘skip-via’) от слоя-1 к слою-3, что позволяет сэкономить на стоимости, избегая необходимости использовать структуру IPC-типа III. Даже если тонкий диэлектрик не используется, любая толщина диэлектрика менее 0.005 дюйма (
РИСУНОК 7. Три альтернативные конфигурации поверхностных слоев в сравнении с структурами IPC типа I, II и III.
Одна из полезных техник проектирования HDI заключается в использовании слепых переходов для увеличения пространства маршрутизации на внутренних слоях. Используя слепые переходы между сквозными переходами, эффективно удваивается пространство для трассировки на внутренних слоях, что позволяет соединить больше дорожек с контактами на внутренних рядах BGA. Как видно на рисунке 6, для этого BGA с шагом 1,0 мм, между переходами на поверхности может пройти только две дорожки. Но под слепыми переходами теперь может пройти шесть дорожек, что увеличивает трассировку на 30%. С помощью этой техники для соединения сложного BGA с большим количеством вводов/выводов требуется в четыре раза меньше слоев сигналов. Слепые переходы располагаются так, чтобы формировать бульвары в виде креста, L-образной или диагональной конфигурации. Выбор конфигурации определяется распределением контактов питания и земли. Вот почему для FPGA так полезно может быть перепрограммирование расположения контактов питания и земли.
РИСУНОК 8. Определение перехода рядом с площадкой и перемещение ViP для создания каналов для трассировки.
РИСУНОК 9. Слепые переходы можно использовать для создания бульваров на внутренних слоях, что позволяет увеличить маршрутизацию из BGA на 30%
Микропереход, используемый для разветвления BGA, был показан на рисунке 9. Микропереход может быть размещен вне зоны BGA (вставка), частично внутри/вне зоны (частичный vip) или полностью в "площадке" (vip) - см. Рисунок 10. Если размещать переход в площадке, то он всегда должен быть "смещенным" и не размещаться в прямом центре зоны. Это делается для минимизации любых воздушных "пустот" во время пайки. Если переход размещен в центре зоны BGA и не заполнен, когда на зону наносится паяльная паста, и BGA устанавливается на пасту, во время переплавления, когда паста плавится, шарик BGA опускается и запирает любой воздух, который может там быть, подобно "пробке в бутылке". Размещая переход "смещенно", воздух имеет возможность выйти, когда паста плавится и течет в микропереход.
РИСУНОК 10. Альтернативы слепым переходам
РИСУНОК 11. Изысканный 3D вид "качающихся переходов", соединяющихся с закрытыми переходами и сквозными отверстиями
Определяющей характеристикой высокоплотных соединений (HDI) являются скрытые и захороненные переходы. Помимо микропереходов, используются тонкие материалы в сочетании со скрытыми переходами, поскольку их соотношение сторон меньше 1.0. Как было показано в главе 2, в HDI используется ряд новых материалов, которые не встречаются в конструкции традиционных многослойных плат; RCC, RRCF, жидкие и сухие пленочные диэлектрики и пропитанные стекловолокном препреги. В этой главе будет показано использование Altium Designer 19 для создания этих конструкций:
РИСУНОК 1 Удобство определения стека в Altium Designer.
Altium Designer уже содержит несколько стандартных материалов в своей библиотеке. Вам придется добавить те материалы HDI, о которых говорится в главе 2 этого руководства. Это легко сделать, получив доступ к менеджеру стека слоев через выбор Инструменты>> Библиотека материалов в основных меню. Затем их можно использовать для стека HDI, как показано на рисунке 1.
Распределенная емкость
Очень специальная группа тонких материалов - это те, которые создают распределенную емкость для сети распределения питания (PDN). Многие считают, что существует всего несколько таких материалов с «закопанной емкостью», но на самом деле список гораздо шире, как показано в таблице 1. Это потому, что любой диэлектрик толщиной 0.000127 мм (0.005 дюйма) или меньше между питанием и землей создаст емкости, подходящие для гашения любых высокочастотных помех на PDN. Конечно, чем тоньше диэлектрик и выше диэлектрическая постоянная, тем больше будет его эффект, как показано в таблице 1. Эти диэлектрики представляют собой медные ламинаты (CCL), полиимидные пленки (пленки), препреги и покрытые смолой фольги (RCF).
ТАБЛИЦА 1. 32 стандартных диэлектрика для печатных плат, подходящих для использования в качестве распределенного диэлектрика PDN; CCL, полиимидная пленка, препреги и RCF.
Altium значительно упростил использование микропереходов. Сложность заключается в выборе подходящей структуры микроперехода (HDI). Различные конструкции показаны на рисунке 2. Они также определены IPC в стандарте проектирования HDI, IPC-2226, как тип I до типа VII. Все они могут быть использованы в Altium Designer, как показано на рисунке 3.
Экраны в Altium не масштабируются по размерам, но для конструкций визуализация стека слоев может предоставить эту информацию.
ТАБЛИЦА 1. 32 стандартных диэлектрика для печатных плат, подходящих для использования в качестве распределенного диэлектрика PDN; CCL, полиимидная пленка, препреги и RCF.
РИСУНОК 3 Экран определения HDI-переходов, где различным HDI-переходам назначаются слои. Экран свойств определяет различные диаметры.
Смещенные слепые переходы
Смещенные микровиас с одной стороны или с обеих сторон, а также только сквозные отверстия являются наиболее распространенной и наименее дорогой структурой HDI. Различные структуры микровиас от Altium показаны на рисунке 4, включая смещенные, пропущенные и закрытые. По умолчанию HDI-виасы располагаются по центру, но после установки их можно переместить так, чтобы они были смежными или вставленными (как показано на рисунках 8 и 10 главы 4).
РИСУНОК 4 Смещенный виас проходит только через один слой за раз.
На рисунке 5 показан тип смещенных виасов в виде коленчатого вала из стандарта проектирования HDI IPC-2226. Расстояние между смещенными микровиасами может варьироваться от вставленного до смежного до полного стиля "собачья кость".
При использовании нескольких смещенных микровиас для соединения внутренних слоев предпочтительно, чтобы микровиасы вращались, как коленчатый вал, чтобы минимизировать влияние виас во время любых термических изменений. Поскольку эти виас расширяются при нагревании, они будут влиять на другие виас в своей близости (показано на рисунке 6). Обязательно свяжитесь с вашим производителем печатных плат для согласования материалов и процессов, если предполагается использование многослойной конструкции HDI. Рисунок 5 показывает конструкцию смещенных виас типа "коленчатый вал" из стандарта проектирования HDI IPC-2226. Расстояние между смещенными микровиасами может варьироваться от вставки до смежного до полного стиля "собачья кость".
РИСУНОК 5 Конструкция смещенных виас в стиле "коленчатый вал".
РИСУНОК 6 Многослойные HDI слои, соединяющиеся с закрытым виасом.
Пропустить Слепые Виасы
Пропускная микровиа особенная тем, что она используется для "пропуска" следующего смежного слоя, как показано на рисунке 7. Поскольку пропускная микровиа может быть самой глубокой из микровиас, важно, чтобы дизайнер был осведомлен о возможностях производителя изготовить и металлизировать такую микровиа. Многие не будут иметь этой возможности, поэтому разумно проверить это перед проектированием. И, как и в случае со всеми слепыми виас, соотношение сторон может быть снижено до 0.70:1.0 или даже 0.65:1.0, так что поверхностный и целевой площадки будут больше.
РИСУНОК 7 Пропускная микровиа может проходить между двумя диэлектриками (например, Слой_1 к Слой_3) и используется, когда не требуется дополнительный полный слой.
Сложенные Виас
Слоистые микровиа занимают минимальное количество места на плате, но их значительно сложнее изготовить. Это связано с необходимостью наличия твердой металлической поверхности для соединения верхнего микровиа. Процесс требует заполнения микровиа либо проводящими материалами с последующим покрытием (VIPPO), либо с использованием "супер-наполнения медным покрытием", способного обеспечить полное медное покрытие внутренней части микровиа. Эта структура представлена на рисунке 8.
В настоящее время рекомендуется не ставить слоистые микровиа на большие сверленые скрытые виа. Эта практика вызвала опасения по поводу надежности. Обязательно свяжитесь с вашим производителем печатных плат по этому вопросу и прочтите Белую книгу IPC на тему "Основанные на производительности критерии приемки печатных плат OEM - Тест на непрерывность цепи виа после рефлоу: Скрытая угроза надежности - Слабый интерфейс микровиа - IPC-WP-023" от мая 2018 года.
РИСУНОК 8 Слоистые микровиа требуют твердой металлической поверхности для "посадочной площадки" верхнего микровиа. Нижнее микровиа должно быть заполнено и покрыто после создания лазерного вакуума.
Механически сверленые скрытые виа
Так называемые микровиас также могут быть механически просверлены с поверхности. Обычно они имеют больший диаметр, чем микровиас, просверленные лазером, и могут иметь специальные требования к расстоянию между слоями, поскольку сверло имеет конический наконечник, может вибрировать и очень хрупкое.
Это также относится к последовательно ламинированным, тонким двусторонним покрытым материалам. Это показано на рисунке 9 и может использоваться в Altium либо как свойство (не микровиа), либо с использованием свойства Backdrilling.
РИСУНОК 9 Механически просверленные слепые виас могут рассматриваться как «Backdrilling» или путем неотмечания галочки в поле микровиа в свойствах.
Тонкопитчевые BGA разводятся либо с использованием микровиас внутри площадки, либо с использованием микровиас, касающегося только SMT-площадки. При трассировке с использованием дорожек 0,1 мм или 0,075 мм, расстояние между виасами представлено в таблице 2. На рисунке 10 показаны возможные схемы разводки для различных тонкопитчевых BGA.
Обратите внимание на рисунке 10, что для шагов 0,5 мм и 0,4 мм отверстия виасов не находятся в центре площадок. Это сделано для улучшения расстояния между дорожками на внутренних слоях до минимума 0,075 мм. Показан BGA с шагом 0,5 мм с SMT-площадкой 0,25 мм и внутренней площадкой 0,22 мм. При выборе правил проектирования для тонкопитчевых BGA обязательно свяжитесь с вашим предпочтительным производителем печатных плат, чтобы узнать, какие геометрии он может поддерживать и какие допуски он может обеспечить.
ТАБЛИЦА 2 Правила проектирования для SMT BGA площадок, слепых виасов, ширин дорожек и расстояний для тонких шагов 0,65 мм, 0,5 мм и 0,4 мм.
В дополнение к традиционному разводу BGA в направлениях С-Ю-В-З с использованием "собачьих костей", микровиа, благодаря их значительно меньшему размеру, позволяют использовать два новых метода разводки BGA, которые значительно увеличивают плотность трассировки и снижают количество слоев; каналы и размещение свинг-виа.
РИСУНОК 10, Иллюстрации правил проектирования для SMT BGA площадок, слепых виас, ширин трасс и расстояний для мелких шагов 0.65мм, 0.5мм и 0.4мм.
Каналы
Когда общее количество выводов BGA начинает превышать 400 контактов, становится целесообразным размещать микровиа не по периферии для разводки, а в виде рядов, пересекающих BGA, как показано на Рисунке 10. Это формирует 'каналы' на внутренних слоях и на противоположной стороне платы, что позволяет получить доступ к внутренним сигналам BGA и, таким образом, требует меньшего количества слоев для полной разводки.
BGA на рисунке 11 представляет собой 1153-контактный (34x34) BGA с шагом 1,0 мм и имеет 132 возможных маршрута на слой (1 дорожка между переходными отверстиями) плюс 20 дорожек в канале (5 дорожек). Это означает, что для подключения этого BGA к остальной части схемы потребуется 8 слоев (плюс 5 слоев плоскостей). Если мы создадим больше каналов маршрутизации, мы сможем подключить больше дорожек на слой и уменьшить общее количество слоев. Маршрутизация через каналы использует слепые микровиасы для формирования до 4 дополнительных каналов в форме креста, L-образных или диагональных в паттерне разводки BGA. Новые каналы позволяют добавить до 48 дополнительных соединений на слой (8x6 дорожек). Можно исключить два слоя маршрутизации и два слоя плоскостей. Каналы могут быть «крестообразными», «L-образными» или «диагональными», в зависимости от расположения земляных и питающих контактов BGA, как показано на рисунке 12. РИСУНОК 11 Размещение микровиасов в BGA для формирования каналов для выхода внутренних сигналов. РИСУНОК 12 Каналы маршрутизации, сформированные микровиасами для упрощения вывода больших BGA, могут быть крестообразными, L-образными или диагональными. Разводка с использованием Swing Break-Outs для бульваров.Свинг-переход на самом деле представляет собой пару переходных отверстий, которые разветвляются между двумя контактными площадками компонентов для оптимизации доступного пространства для прокладки проводников между ними. Вместо одного переходного отверстия из N-S-E-W "собачьих костей", меньшие микропереходы имеют место для двух соседних переходных отверстий, как показано на рисунке 13.
Площадки микропереходов настолько меньше, чем площадка сквозного отверстия, что даже есть место для поверхностного заземляющего заполнения до 0,65 мм шага (Рисунок 13).
РИСУНОК 13 Пример "свинг-разветвления" для большого BGA 0,8 мм, который включает поверхностное заземляющее заполнение.
Для расчета расстояния и угла "свинг-переходов" используется простая геометрия на основе 6 измерений:
Выбор расстояния по оси X и расстояния по оси Y, функция arcTan позволит определить расстояние микровиа и угол (0) для размещения микровиас, как показано на рисунке 14. Формулы тригонометрии доступны в MS Excel.
Чтобы достичь более высокой плотности трассировки с HDI, если возможно, назначьте ваши слои поверхностной трассировки как пару слоев X-Y. Также может быть практичным переместить опорную земляную плоскость на поверхность как GND Flood. Малые геометрии HDI плюс зоны исключения плоскостей меньше, чем антипад механического сверления на внутренней плоскости.
РИСУНОК 14 Простая тригонометрия позволит вам рассчитать расстояние между виас и угол поворота.
Пары слоев
Более высокая плотность достигается, если сигналы-горизонтальные соединены с сигналами-вертикальными с помощью маленького микровиа, или пропускающего микровиа, или маленького сверленого виа, как показано на рисунке 15.
РИСУНОК 15 Три возможные конфигурации стека, которые позволяют трассировку X-Y с использованием микровиас и не более крупных сверленых виас в качестве перекрестков.
Пути возврата
Для высокоскоростного сигнала путь возврата цепи является путем наименьшей индуктивности, таким образом, он следует за исходящим сигналом обратно по опорной плоскости. Миниатюрная природа HDI и мелкий шаг позволяют вывести самую внешнюю плоскость ЗЕМЛИ на поверхность и использовать ее в качестве ЗЕМЛЯНОГО ПОКРЫТИЯ, как показано на рисунке 13. Помните, что для пути возврата необходимо иметь непрерывное земляное покрытие, иначе будет генерироваться шум, и если переключать плоскости возврата, необходимо иметь переходное отверстие для токов возврата.
Сама по себе маленькая размерность микровиас делает критерии приемлемости трудно определимыми. Большинство требований к качеству и приемлемости HDI все еще определяются OEM. IPC имеет IPC-6016 как часть IPC-6012, общие КВАЛИФИКАЦИОННЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СПЕЦИФИКАЦИИ (СЕРИЯ 6010). Эти спецификации покрывают только наращиваемые слои HDI, а не основу, которая покрывается собственными спецификациями IPC.
IPC-6016: Данный документ содержит общие спецификации для высокоплотных подложек, которые не охвачены другими документами IPC, такими как IPC-6011, общие квалификационные и эксплуатационные спецификации для печатных плат (PWB). Критерии приемлемости слоев HDI организованы в категории с разделением на:
Требования к приемлемости разбиты на эти 12 конкретных спецификаций:
Микровиа практически невозможно осмотреть визуально и крайне сложно проанализировать методом поперечного сечения. Это требует более косвенного подхода к проверке их правильного изготовления. Правильно выполненные микровиа, как показано на рисунке 1 a-d, можно отличить от дефектных микровиа, представленных на рисунке 2a-d. Проще всего делать поперечное сечение этих виа, когда они используются в "тестовом купоне", таком как программа PCQRR от IPC. Эти купоны используются так же, как в IPC-9151 и коррелируют со статистически измеренным сопротивлением цепочки виа и ускоренными термоциклическими испытаниями (HATS). [1] Критерии качества производства микровиа предусматривают не более 50 дефектных микровиа на миллион микровиа и ковариацию стандартных отклонений купонов сопротивления цепочки Кельвина в 5%.
РИСУНОК 1. Пример хорошо изготовленных слепых и закрытых виа; a. 8-слойные слепые-закрытые виа; b. 6-слойные слепые-закрытые виа; c. Пропущенное слепое виа от L-1 до L-2 & L-3; d. Правильное слепое виа, заполненное паяльной маской.
РИСУНОК 2. Неправильно сформированные слепые виа, которые следует отклонить.
Качество лазерного сверления микровиас иллюстрирует характер неисправностей в микровиас. На рисунке 3 показаны семь основных критериев качества для лазерных микровиас, вместе с критериями качества, методами измерения, размером выборки и контрольным пределом.
РИСУНОК 3. Семь основных критериев качества для лазерно сверленных микровиас.
Квалификация поставщиков
Выбор производителя HDI может быть очень сложной задачей. Один из способов узнать о возможностях HDI производителей печатных плат - это новая панель IPC-9151 для сравнения возможностей. Эта стандартизированная многослойная панель показана на рисунке 4. Она предоставляется в структурах из 2, 4, 6, 10, 12, 18, 24 и 36 слоев с правилами проектирования высокой и низкой плотности, 5 толщинами (для печатных плат и бэкплейнов) и в большом размере панели 18” x 24” с различными следами и пространствами и структурами виас скрытых и зарытых. Комитет IPC планирует другие новые панели для сравнения возможностей для субстратов.
Скрытые виас являются необязательными, но предоставляют значительные данные о возможностях HDI производителя. Детали, изображения и образец отчета доступны на веб-сайте IPC 9151.
РИСУНОК 4. Типичная панель PCQR2 из программы IPC
Другие варианты включают изготовление производственных плат и их тестирование. Хотя этот метод удобен, в большинстве случаев это приводит к статистически незначимым результатам, то есть оценивается слишком мало образцов, чтобы обеспечить статистическую значимость интерпретации. Измеренная производительность может быть результатом отбора образцов вручную и не быть статистически точной в охвате ряда возможностей.
Тестовые образцы часто используются для квалификации, и это может быть очень точно. Также это способ установления надежности. В последующих разделах будут обсуждаться тестовые образцы и результаты испытаний на надежность
Купоны квалификации
Лучшие инструменты, которые я знаю для этого, - это множество доступных вам купонов для параметрического анализа и характеристики. Они являются частью процесса оценки качества. Эти процессы охватывают оценки надежности, оценку конечного продукта, оценку продукции в процессе работы и оценку параметров процесса. Вот пять систем купонов, четыре из которых показаны на рисунке 5:
РИСУНОК 5. Четыре из пяти систем испытательных купонов для квалификации: a. Купон IPC D; b. Купоны CAT для панелей; c. Различные испытательные купоны HATS от CAT; d. Купон для испытания на межсоединительное напряжение (IST).
Типично используются три метода купонов в испытательных аппаратах для проверки надежности:
Термоциклические испытания
Использование испытательных купонов для ускоренной проверки надежности существует столько же, сколько и печатные платы. Принцип заключается в том, чтобы разместить большое количество отверстий на маленьком пространстве и соединить их в цепь, отсюда и название «цепочка маргариток». Испытательная плата, изображенная на рисунке 6, является типичной для испытательного аппарата HDI-цепочки маргариток. Эта плата содержит ряд различных тестовых структур для различных критериев испытаний. Большая часть пространства занята цепочками маргариток HDI с закрытыми переходными отверстиями (БЛОКИ A, B, C, E и F) и цепочкой маргариток с сквозными отверстиями (БЛОК D). В таблице 1 представлены итоги по блокам испытаний и их критериям для квалификации. Рисунок 7 типичен для квалификации продуктов с высоким объемом и интенсивным использованием технологий, таких как ноутбуки и сетевые карты.
РИСУНОК 6. Типичное испытательное устройство для квалификации/надежности HDI.
Для испытаний надежности используется множество систем купонов. Они встраиваются в испытательные устройства, которые затем изготавливаются и подвергаются различным условиям и нагрузкам, после чего оценивается их производительность. IPC предоставила новое поколение тестовых купонов, "D-купоны" из Приложения А в стандарте IPC-2221. Критерии испытаний для 4-проводного теста сопротивления Кельвина приведены в IPC-TM-650, Метод 2.6.27A. Термический шок соответствует IPC-TM-650, Метод 2.6.7.2.
Эти испытания проводятся после того, как купоны проходят через печь конвекционной пайки SMT минимум 6 раз, используя один из двух различных профилей пайки (230ОС или 260ОС) без обнаружения каких-либо высоких сопротивлений или разрывов.
ТАБЛИЦА 1. Критерии испытаний для испытательного устройства HDI.
РИСУНОК 7. Типичное испытательное устройство промышленности для продуктов компьютерной и телекоммуникационной отрасли с повышенной надежностью.