Thiết kế Micro-vias bằng Paste Sinter cho Bảng Mạch In Rigid-Flex

Bảng mạch in linh hoạt cứng (PCB) là giải pháp tinh tế cho nhiều thách thức trong đóng gói điện tử. Công nghệ này kết hợp độ bền của PCB cứng với tính linh hoạt của mạch linh hoạt. PCB linh hoạt cứng là chìa khóa cho nhiều thiết bị hiện đại như điện thoại thông minh, thiết bị y tế và điện tử ô tô. Trong những ứng dụng định tuyến mật độ cao này, microvias thường được sử dụng để kết nối các lớp khác nhau của bảng mạch. Một phương pháp hiệu quả cao để tạo ra những kết nối này bao gồm việc sử dụng keo dán sinter. Blog này khám phá các quy tắc thiết kế và xem xét khi sử dụng keo dán sinter microvias trong PCB linh hoạt cứng.

Đầu tiên, hãy quay lại và định nghĩa keo dán sinter trong bối cảnh của việc sản xuất bảng mạch in. Điều này đề cập đến một vật liệu dẫn điện bao gồm các hạt kim loại, thường là bạc hoặc đồng, được treo trong một chất kết dính. Keo dán được áp dụng để tạo ra các kết nối điện giữa các lớp của PCB. Trong quá trình sản xuất, quá trình sinter bao gồm việc đốt nóng nó lên một nhiệt độ dưới điểm nóng chảy của các hạt kim loại khác khiến cho các hạt liên kết lại với nhau tạo thành một lối đi dẫn điện rắn mà không làm chảy lớp nền xung quanh.

Lợi ích của Sintered Paste Microvias

• Keo dán vi mạch nhỏ nung chảy cung cấp khả năng dẫn điện vượt trội so với các vi mạch truyền thống. Quá trình nung chảy giảm điện trở, đảm bảo truyền tải tín hiệu hiệu quả. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao và hiệu suất đáng tin cậy.
• Khả năng tạo ra các vi mạch nhỏ gọn và có khoảng cách gần nhau hơn cho phép tăng mật độ mạch. Sự mini hóa này là cần thiết cho việc phát triển các thiết bị điện tử nhỏ gọn và nhẹ mà không làm giảm chức năng.

Một ứng dụng phổ biến của vi mạch nhỏ keo dán nung chảy là định tuyến vào/ra khỏi một BGA có khoảng cách chân nhỏ trên một nền tảng linh hoạt. Các vi mạch nhỏ này có thể rất nhỏ về đường kính (xem bên dưới), điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn xuất sắc cho loại thiết kế này. Quá trình nung chảy cũng tạo ra các vi mạch với độ bền cơ học cao, làm cho chúng có khả năng chịu đựng các áp lực gặp phải trong cả các phần cứng và linh hoạt của PCB cứng-linh hoạt.

Xem xét Thiết kế Chính

Vật liệu: Keo dẫn điện: Việc chọn lựa keo dẫn điện phù hợp là một quyết định quan trọng. Keo dựa trên bạc và đồng thường được sử dụng do có các tính chất điện tốt. Sự tương thích với quá trình nung chảy và vật liệu nền là cần thiết.

Vật liệu Nền: PCB cứng-linh hoạt sử dụng sự kết hợp của các vật liệu, như FR4 cho các phần cứng và polyimide cho các khu vực linh hoạt. Cả hai loại vật liệu đều phải chịu được nhiệt độ nung chảy mà không bị biến dạng hoặc suy giảm.

Kích thước Gói: Trong thiết kế HDI trên PCB linh hoạt, kích thước của bất kỳ gói chân cắm mảnh nào cũng sẽ giới hạn kích thước via có thể sử dụng và không gian định tuyến. Via sinter hóa giải quyết thách thức này bằng cách cho phép sử dụng các microvia nhỏ hơn được đề cập ở trên. Một ví dụ là gói Nordic WLCSP (khoảng cách 0,35 mm) được hiển thị dưới đây; việc thay thế các microvia mù/chôn truyền thống bằng via sinter có thể cho phép định tuyến giữa các chân.

Lựa chọn vật liệu là thời điểm để làm việc với nhà sản xuất bảng mạch in ưa thích của bạn. Không phải tất cả các nhà sản xuất đều làm việc với tất cả các vật liệu và quy trình có sẵn. Rất đơn giản để thêm chi phí và thời gian dẫn đầu vào một dự án mà không hiểu rõ vật liệu nào đang có sẵn và được xử lý thường xuyên.

Kích thước Microvia

Đường kính và Tỷ lệ Khía cạnh: Microvia khoan bằng laser thường có đường kính từ 25 đến 75 micromet. Duy trì một tỷ lệ khía cạnh (độ sâu so với đường kính) xung quanh 0,75 đến 1 đảm bảo việc lấp đầy và sinter hóa chất dẻo một cách đáng tin cậy.

Khoảng cách và Cách biệt: Để tránh chập điện và duy trì tính toàn vẹn tín hiệu, khoảng cách tối thiểu giữa các microvia nên ít nhất gấp đôi đường kính via. Khoảng cách đủ rộng cũng tạo điều kiện tản nhiệt tốt hơn.

Nhà sản xuất bảng mạch in thường liệt kê các thông số này trong khả năng sản xuất và hướng dẫn thiết kế cho khả năng sản xuất của họ.

Thiết kế cho Khả năng Sản xuất (DFM)

Xếp lớp: Khi thiết kế PCB cứng-linh hoạt đa lớp, cần xem xét cấu hình xếp lớp để tối ưu hóa việc đặt microvias. Việc sử dụng microvias xếp chồng lệch có thể giảm tập trung ứng suất và cải thiện độ bền cơ học.

Canh chỉnh và Đăng ký: Việc canh chỉnh chính xác trong quá trình sản xuất là rất quan trọng để đảm bảo rằng microvias xếp chồng kết nối chính xác giữa các lớp. Công nghệ hình ảnh và khoan tiên tiến có thể giúp đạt được độ chính xác này. Khả năng của các nhà sản xuất có sự khác biệt rộng lớn, hãy chắc chắn rằng bạn hiểu khả năng của nhà sản xuất bạn ưa thích. Thiết kế với điều này trong tâm trí giúp tiết kiệm chi phí và thời gian dẫn.

Quản lý Nhiệt: Việc tản nhiệt hiệu quả là quan trọng, đặc biệt trong các thiết kế mật độ cao. Sử dụng thermal vias và kỹ thuật bố trí phù hợp có thể giúp quản lý tải nhiệt và ngăn chặn quá nhiệt.

Tham số Quá trình Sinter

Hồ sơ Nhiệt độ: Nhiệt độ sinter thường nằm trong khoảng từ 200°C đến 300°C, tùy thuộc vào vật liệu keo và nền. Tốc độ tăng nhiệt và giảm nhiệt được kiểm soát ngăn chặn sốc nhiệt và hư hại vật liệu.

Thời gian và Áp suất: Thời gian sinter thay đổi từ vài phút đến vài giờ. Áp dụng áp suất trong quá trình sinter có thể cải thiện sự nén chặt của keo, giảm bọt khí và tăng cường tính chất cơ học và điện của vias.

Kiểm Soát Khí Quyển: Thực hiện quá trình sinter trong một khí quyển trơ hoặc khí giảm, như nitơ hoặc khí tạo hình, ngăn chặn sự ôxy hóa của keo dẫn điện, đảm bảo hiệu suất điện tốt hơn.

Quan trọng là phải hiểu các biến số quy trình chính mà nhà sản xuất của bạn cần kiểm soát.

Kiểm Tra và Xác Nhận

Kiểm Tra Điện: Sau khi sinter, độ dẫn điện của các microvia cần được đo lường bằng các kỹ thuật như kiểm tra bốn điểm tiếp xúc để đảm bảo chúng đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế.

Kiểm Tra Áp Lực Cơ Học: Độ bền cơ học của các microvia có thể được đánh giá thông qua các bài kiểm tra uốn và gập, đảm bảo chúng chịu được áp lực cơ học gặp phải trong các ứng dụng thực tế.

Kiểm Tra Độ Tin Cậy: Độ tin cậy lâu dài dưới các điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm chu kỳ nhiệt, độ ẩm và rung động, cần được đánh giá để bảo đảm độ bền của các PCB cứng-linh hoạt.

Thách Thức Thường Gặp Trong Quá Trình Sản Xuất

Vấn Đề Về Độ Bám Dính: Cải thiện độ bám dính giữa keo sinter và nền là chìa khóa cho các via đáng tin cậy. Các kỹ thuật xử lý bề mặt, như làm sạch bằng plasma hoặc áp dụng các chất tăng cường độ bám, có thể tăng cường sức mạnh liên kết.

Hình thành Khoảng Trống: Khoảng trống trong keo sinter có thể làm suy giảm tính chất điện và cơ học của các via. Tối ưu hóa công thức keo và các tham số sintering, cùng với việc áp dụng áp lực trong quá trình sintering, có thể giảm thiểu sự hình thành khoảng trống.

Nứt và Tách Lớp: Các hỏng hóc cơ học như nứt và tách lớp có thể được giảm thiểu bằng cách lựa chọn vật liệu cẩn thận và tối ưu hóa thiết kế để phân bổ đều các áp lực. Sử dụng keo dính linh hoạt và các vật liệu nền có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp cũng có thể giúp.

Vào cuối ngày, keo sinter không phải là mới trong thiết kế PCB, đặc biệt là trong các dự án HDI. Phương pháp này đã được sử dụng để đạt được số lượng lớp cao với khoảng cách đặc điểm nhỏ cùng với việc sản xuất các via keo sinter. Để tìm hiểu thêm, hãy xem tập podcast dưới đây với chuyên gia Chris Hunrath:

Keo dán vi mạch nung cung cấp một công cụ khác trong bộ dụng cụ của nhà thiết kế PCB. Việc làm việc với và hiểu biết về khả năng của nhà sản xuất PCB của bạn là một thành phần quan trọng để thành công với công nghệ này. Sở thích về vật liệu và quy trình thay đổi rất nhiều giữa các nhà sản xuất và việc hợp tác từ sớm trong quá trình thiết kế có thể tiết kiệm thời gian và chi phí cũng như cải thiện độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.