Các Loại Via Mù và Via Chôn—Chúng Là Gì và Cách Sử Dụng Ra Sao?

Như đã đề cập trong một số bài viết trước của tôi cũng như đa số các tài liệu khác đã xuất bản, khoảng cách chân linh kiện đã trở nên ngày càng nhỏ, và các thiết bị có kích thước nhỏ gọn đã chiếm lĩnh một số lượng lớn các sản phẩm (điện thoại di động) được phát triển ngày nay.

Vấn đề làm thế nào để kết nối các linh kiện với cả hai mặt của những PCB đông đúc này nên được nhóm phát triển sản phẩm xem xét đầu tiên. Thông thường, quá trình kết nối này được thực hiện thông qua việc sử dụng các loại via mù và via chôn. Bài viết này sẽ mô tả các loại via được sử dụng, ứng dụng và lợi ích của chúng, cũng như nhược điểm của chúng.

Một số Kiến thức Cơ bản và Lịch sử Hình thành—Via Mù

Trước hết, việc tìm hiểu sâu về nguồn gốc và cách sử dụng của vias là rất hữu ích. Vias là một lỗ khoan và mạ trên PCB, cho phép tín hiệu đi qua từ một mặt của PCB sang mặt kia hoặc đến một lớp bên trong. Vias có thể được sử dụng để kết nối chân linh kiện với các đường dẫn tín hiệu hoặc mặt phẳng, hoặc để cho phép tín hiệu thay đổi lớp tín hiệu. Khi một vias đi xuyên suốt qua PCB, nó được gọi là vias xuyên lỗ hoặc vias xuyên. Hình 1 mô tả các loại vias khác nhau.

Hình 1. Các Loại Vias Khác Nhau

Vias Mù

Khi một vias bắt đầu từ một mặt của PCB nhưng không đi xuyên suốt qua nó, nó được gọi là vias mù. Bốn loại vias mù bao gồm:

• Vias mù được định nghĩa bằng ảnh.
• Vias mù lắp ghép tuần tự.
• Vias mù kiểm soát độ sâu.
• Vias mù khoan bằng laser.

Mỗi loại này sẽ được thảo luận chi tiết dưới đây

Via Định Hình Bằng Ảnh: Via định hình bằng ảnh được tạo ra bằng cách ép một tấm nhựa cảm quang lên một lõi (lõi này bao gồm các lớp được ép cứng có thể chứa các lớp mạch nguồn cũng như một số lớp tín hiệu chôn giấu). Lớp vật liệu cảm quang được phủ một mẫu che các khu vực nơi các lỗ sẽ được tạo ra và sau đó được chiếu sáng bằng ánh sáng có bước sóng sẽ làm cho vật liệu còn lại trên PCB cứng lại. Sau đó, PCB được nhúng vào dung dịch ăn mòn để loại bỏ vật liệu trong các lỗ. Điều này tạo ra một lối đi tới lớp tiếp theo phía dưới. Sau quá trình ăn mòn, đồng được phủ trong lỗ và trên bề mặt ngoài để tạo lớp ngoài cùng của PCB. Thao tác này thường được thực hiện cùng một lúc ở cả hai mặt của PCB và thêm một lớp vào mỗi mặt.

Via định hình bằng ảnh thường được sử dụng để tạo các gói BGA (mảng lưới bóng) hữu cơ đa lớp và PCB điện thoại di động. Lợi ích khi sử dụng chúng là chi phí tạo hàng nghìn via mù giống như khi chỉ tạo một via mù. Khi chỉ cần một vài via mù, việc sử dụng chúng trở thành một bất lợi về chi phí.

Lỗ Via Mù Ghép Nối Tuần Tự: Lỗ via mù ghép nối tuần tự được tạo ra bằng cách xử lý một miếng laminate rất mỏng qua tất cả các bước liên quan đến việc tạo một PCB hai mặt. Laminate được khoan, mạ và ăn mòn để xác định các đặc điểm ở mặt sẽ tạo thành lớp 2 của bảng mạch. Mặt còn lại được giữ nguyên là một tấm đồng rắn và nó sẽ tạo thành lớp 1 của PCB hoàn chỉnh. Bộ phận lắp ghép sau đó được ghép nối với tất cả các lớp khác của PCB. Lớp ghép nối kết hợp cuối cùng sau đó được xử lý qua tất cả các bước liên quan đến việc tạo các lớp ngoài của một PCB đa lớp. Lỗ via mù ghép nối tuần tự đã được sử dụng trong việc tạo ra nhiều PCB điện thoại di động đầu tiên. Đây là cách tốn kém nhất để tạo lỗ via mù do yêu cầu các bước quy trình bổ sung và tổn thất sản lượng liên quan đến việc xử lý các laminate mỏng qua các hoạt động khoan, ăn mòn và mạ. Do đó, nó nên được xem xét như phương án cuối cùng khi cần sử dụng lỗ via mù.

Lỗ Via Mù Khoan Sâu Kiểm Soát: Như có thể thấy từ Hình 1, lỗ via mù khoan sâu kiểm soát được tạo ra cùng cách với lỗ via xuyên qua. Ở đây, máy khoan được thiết lập để chỉ xuyên qua một phần của PCB. Người thiết kế bản vẽ đặt một pad trên lớp 2 mà được máy khoan xuyên qua. Cần phải chú ý đảm bảo không có bất kỳ thành phần nào dưới lỗ khoan có thể tiếp xúc với lỗ khoan. Đồng sau đó được mạ trong lỗ khoan cùng lúc với việc mạ đồng trong các lỗ via xuyên qua.

Lỗ via sâu kiểm soát là loại lỗ via mù ít tốn kém nhất vì không cần thiết bị hay bước quy trình thêm nào để tạo ra chúng. Hạn chế của các lỗ via này là lỗ phải đủ lớn để máy khoan cơ khí có thể tạo ra chúng và khu vực phía dưới chúng phải được giữ sạch, tránh các mạch có thể vô tình được chạm vào bởi lỗ khoan.

Lỗ Via Mù Khoan Bằng Laser: Chúng được tạo ra sau khi tất cả các lớp trong PCB đã được ép và trước khi lớp ngoài cùng được khắc và mạ. Một laser được sử dụng để loại bỏ đồng trên lớp ngoài cùng cũng như vật liệu cách điện giữa lớp 1 và 2. Có hai loại laser được sử dụng trong quá trình này:

• CO₂ laser
• Eximer laser

Laser CO₂ là loại laser mạnh nhất và do đó có khả năng khoan lỗ nhanh chóng. Vấn đề với laser này là bước sóng của ánh sáng không thể loại bỏ đồng ở lớp 1. Kết quả là, bước khoan laser phải được tiến hành sau một bước ăn mòn để ăn mòn các lỗ trên đồng. Ngoài việc tạo ra một bước xử lý khác, bước chụp ảnh cần thiết mang theo vấn đề về sự căn chỉnh khi mặt nạ photomask phải được căn chỉnh với các pad trên lớp 2, những pad này không thể nhìn thấy vào thời điểm laser được sử dụng.

Laser eximer có khả năng khoan qua cả lớp đồng và vật liệu điện mô cơ bản để tạo ra lỗ via mù chỉ trong một bước. Loại laser này đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc khoan lỗ via mù bằng laser vì nó không yêu cầu lớp đồng phải được khoan trước và không cần thêm bản vẽ kỹ thuật. Vì laser có thể xuyên qua cả lớp đồng và điện mô, cần phải cẩn thận khi thiết lập để đảm bảo rằng lỗ sẽ xuyên qua lớp đồng bên ngoài và điện mô cơ bản mà không cắt qua miếng đệm đồng trên lớp 2. Hình 2 mô tả một lỗ khoan bằng laser đã loại bỏ tất cả vật liệu không mong muốn trong lỗ mà không khoan qua miếng đệm trên lớp 2.

Hình 2. Lỗ Via Mù Khoan Bằng Laser

Lợi Ích Điện của Lỗ Via Mù

Các via trên đường tín hiệu gặp phải vấn đề về dung lượng nhiễu xạ được tạo ra bởi thân của lỗ khoan mạ và các mặt phẳng mà nó đi qua. Dung lượng nhiễu xạ này chủ yếu là một chức năng của diện tích bên ngoài của lỗ khoan mạ, là một hình trụ đi qua PCB. Diện tích này được xác định bởi đường kính của mũi khoan và độ dày của PCB. Với tốc độ dữ liệu cao ngày nay, dung lượng nhiễu xạ này có thể làm suy giảm tín hiệu đến mức không thể sử dụng thành công. Do đó, phải có một số phương pháp để giảm dung lượng nhiễu xạ này. Các via mù làm điều này bằng cách rút ngắn chiều dài của các via và giảm đường kính của chúng. Kết quả là, các via mù là một cách tốt để kết nối các đường tín hiệu hoạt động ở trên 4.8 Gb/s.

Nhược điểm của Via Mù

Có một số hạn chế khi sử dụng vias mù (được định nghĩa bằng ảnh, độ sâu kiểm soát, và laser) được khoan sau khi PCB đã được ép. Hạn chế đầu tiên là độ sâu của lỗ so với đường kính của nó. Một via mù là một lỗ mù trên bề mặt của PCB. Việc đưa hóa chất mạ vào lỗ này sao cho đồng được phủ vào đáy và các bên của lỗ có thể khó khăn nếu độ sâu của lỗ lớn so với đường kính của nó. Để đảm bảo việc mạ được thực hiện thành công, đường kính của lỗ phải lớn bằng độ sâu của nó. Điều này được định nghĩa là tỷ lệ khía cạnh 1:1 hoặc thấp hơn. Nhiều nhà sản xuất cần một đường kính lớn hơn 1.5 lần so với độ sâu của lỗ để đảm bảo mạ đúng cách. Trong hầu hết các trường hợp, điều này loại trừ khả năng khoan một via mù dưới lớp 2 của PCB. Kỹ sư phát triển phải có khả năng kết nối tất cả các chân của một thiết bị có khoảng cách chân nhỏ như được hiển thị trong Hình 3 ở lớp 1 hoặc

2.

Hình 3. Một thành phần có khoảng cách chân 0.5mm sử dụng Vias Mù

Không thể thực hiện điều này với bộ phận được hiển thị trong hình vẽ này, do đó nhiều chân được phân phối ra từ dưới bộ phận để cho phép kết nối lỗ khoan xuyên qua các lớp sâu hơn bên trong PCB.

Một hạn chế thứ hai khi sử dụng vias mù là khả năng dừng khoan ở lớp dự định. Khi sử dụng khoan bằng laser, nó phải khoan qua lớp đồng ở lớp 1 và vật liệu điện mô cơ bản mà không khoan qua pad kết nối đồng ở lớp 2. Điều này có nghĩa là tia laser phải được hiệu chỉnh cẩn thận. Khi sử dụng khoan độ sâu kiểm soát, mũi khoan phải dừng lại trước khi chạm vào đồng ở các lớp dưới lớp mà kết nối được thực hiện.

Một vấn đề thứ ba liên quan đến vias mù là liên quan đến việc hàn một thành phần vào pad mà vào đó một via mù đã được đặt. Một vấn đề đáng tin cậy tiềm ẩn có thể được gây ra bởi các lỗ. (Tài liệu tham khảo 47 trong Tập 1 của sách chúng tôi mô tả vấn đề này). Khi kem hàn được áp dụng lên các pad, không khí trong via mù bị mắc kẹt dưới lỗ, ngay dưới BGA. Bong bóng không khí nhỏ này làm yếu mối nối đến mức mạch mở sẽ xảy ra khi PCB trải qua các nhiệt độ hoạt động khác nhau. Có hai cách để giải quyết vấn đề này:

1. Làm đầy lỗ hoàn toàn bằng đồng mạ như được hiển thị trong Hình 4.

2. Khoan lỗ via mù sang một bên của pad.

Hình 4. Via mù xếp chồng với Via bề mặt được làm đầy bằng Đồng

Trong Hình 4, ba lỗ via mù đã được xếp chồng lên nhau. Lỗ via dưới cùng được hình thành cùng với tất cả các lỗ via khác trên PCB. Hai lỗ via trên cùng được hình thành bằng quy trình xây dựng được thảo luận bên dưới. Mỗi lỗ via được hình thành như được hiển thị trong Hình 1. Sau khi mạ lỗ via mù và tất cả các lỗ via khác, tấm PCB được gửi trở lại qua quy trình chống mạ nơi một lớp chống mạ mới được phơi theo một mẫu chỉ lộ ra các lỗ via mù. Sau đó, đồng được mạ vào các lỗ via mù cho đến khi nó hoàn toàn làm đầy các khoảng trống. Quy trình này thường được gọi là mạ nút. Để đảm bảo mỗi lỗ via mù được làm đầy bằng đồng, quy trình mạ được tiếp tục cho đến khi đồng nhô lên trên bề mặt. Sau khi quy trình mạ hoàn tất, lớp chống mạ được loại bỏ và toàn bộ bề mặt của PCB được mài nhẵn để làm phẳng đồng. Tất cả những bước phụ trong quy trình mạ này làm tăng chi phí cho PCB hoàn thiện. Hình 4 cho thấy quy trình via mù được thực hiện ba lần, một lên trên một.

Một phương pháp thay thế để giải quyết vấn đề bong bóng là khoan lỗ via mù sang một bên của linh kiện (phương pháp này cũng được mô tả trong Tài liệu tham khảo 47 của cuốn sách Tập 1 của chúng tôi). Phương pháp này không yêu cầu bất kỳ bước quy trình phụ nào. Nó đòi hỏi nhà phát triển sản phẩm phải dành không gian để thêm lỗ via mù ở bên cạnh pad. Hình 5 cung cấp một ví dụ về các lỗ via đã được khoan sang một bên của trung tâm.

Hình 5. Lỗ Via Mù Khoan Lệch Bằng Laser

Điều này giải quyết vấn đề bong bóng vì bong bóng nói trên hình thành ở bên cạnh quả cầu hàn chứ không phải ở trung tâm của nó. Lưu ý: Nếu có một bong bóng không nằm trực tiếp dưới quả cầu hàn, nó sẽ không gây ra vấn đề gì.

Khi cần xây dựng các lỗ via trên hai lớp, một lớp nằm trên lớp kia như được hiển thị trong Hình 4, và bạn không muốn thực hiện các bước phụ để mạ đầy đồng cho các lỗ via, có một phương pháp thay thế. Trong trường hợp này, bạn đặt lỗ via thứ hai sang một bên của lỗ via đầu tiên sao cho nó không đặt trên phần hõm hình thành bởi lỗ via đầu tiên.

Lỗ Via Mù Hỏng

Như đã đề cập ở trên, có một số cách mà via mù có thể “hỏng.” Trong những gì đã nêu trên, các vấn đề có thể là kết quả của việc chọn loại via không phù hợp cho sản phẩm đang được thiết kế, việc tích hợp via vào thiết kế tổng thể của bảng mạch một cách không chính xác, hoặc via không được sản xuất đúng cách. Một cách khác mà via có thể hỏng liên quan đến loại vải thủy tinh được sử dụng trong các lớp cách điện. Hình 6-8 là những ví dụ về các loại via hỏng này. Tất cả chúng đều hỏng do sự không đồng nhất về kiểu dệt của vải thủy tinh trong các lớp cách điện - còn được gọi là thiếu vải thủy tinh được căng một cách cơ học. Tôi đã thảo luận về chủ đề vải thủy tinh căng cơ học trong một blog trước đây.

Hình 6. Ví dụ Via Mù Hỏng 1

Hình 7. Ví dụ Via Mù Hỏng 2

Hình 8. Ví dụ Via Mù Hỏng 3

Via Chôn

Khi một via đi qua giữa hai lớp trong của PCB nhưng không chạm vào bề mặt nào, nó được gọi là via chôn. Một lỗi thường gặp là gọi via mù là microvia. Theo IPC, microvia là via có đường kính 8 mils hoặc nhỏ hơn, bất kể nó có đi xuyên qua PCB hay không. Via chôn có thể đi qua giữa bất kỳ hai lớp nào như được hiển thị trong Hình 1 hoặc nó có thể đi xuyên qua nhiều lớp như được hiển thị trong Hình 9.

Hình 9. Via Chôn

Trong cả hai trường hợp, via chôn được hình thành bằng cách xử lý bộ lớp trong liên quan thông qua quy trình được minh họa trong Hình 10. Đây là tất cả các bước liên quan đến việc tạo ra một PCB hoàn chỉnh với các lớp bên ngoài được thêm vào sử dụng quy trình xây dựng lên. Rõ ràng đây là một quy trình đắt đỏ hơn so với quy trình đa lớp trực tiếp. Nhiều loại nền BGA được sử dụng trong các thiết bị có số chân cao được làm theo cách này, cũng như điện thoại di động.

Bạn có thể đọc thêm về việc sử dụng vias mù và vias chôn trong Altium Designer tại đây. Có thêm câu hỏi? Hãy gọi cho chuyên gia tại Altium hoặc nâng cao kỹ năng của bản thân bằng cách đọc thêm về công cụ tốt nhất cho việc tạo vias trên PCB trong thiết kế PCB với Altium Designer^®.