Blind vs. vergrabene Vias: Ein umfassender Leitfaden für das PCB-Design

Eine Leiterplatte (PCB) besteht aus Schichten von Kupferfolgenschaltungen, die übereinander gestapelt sind, und die Verbindungen zwischen verschiedenen Schaltungsschichten beruhen auf Durchkontaktierungen. Wenn die von einer Bohrmaschine oder einem Laser gebohrten Löcher so belassen werden, leiten sie keinen Strom, da die Oberfläche des ursprünglich gebohrten Lochs nur Harz ist, das nicht leitfähig ist. Daher muss eine Schicht aus leitfähigem Material (normalerweise Kupfer) auf die Oberfläche des gebohrten Lochs aufgebracht werden. Auf diese Weise breitet sich der Strom durch verschiedene Kupferfolgenschichten aus. Schauen wir uns einige verschiedene Arten von Durchkontaktierungen an, die üblicherweise auf PCBs zu finden sind.

Während grundlegende Durchgangslöcher die gesamte Platine durchdringen, verbinden fortgeschrittenere Strukturen, sogenannte Blinddurchkontaktierungen und vergrabene Durchkontaktierungen, nur zwischen benachbarten Schichten, ohne die Platine vollständig zu durchdringen. Dieser Artikel bietet einen ausführlichen Überblick über Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen und erörtert ihre Herstellungstechniken, Designüberlegungen, Zuverlässigkeitsfaktoren und Anwendungen.

Was ist eine Blinddurchkontaktierung

Eine Blinddurchkontaktierung ist ein Loch, das die äußerste Schicht der Platine mit einer oder mehreren inneren Schichten verbindet, aber nicht durch die gesamte Dicke der Platine reicht. Sie wird in mehrschichtigen PCBs verwendet, wo eine äußere Schicht mit einer inneren Schicht verbunden werden muss, ohne die gesamte Platine zu durchdringen. Sie hilft, Platz zu sparen, und wird häufig in hochdichten Designs eingesetzt. Sie ist „blind", weil sie nur von einer Seite sichtbar ist.

Besondere Aufmerksamkeit muss jedoch der Tiefe (Z-Achse) der Bohrung gewidmet werden, da sie oft Schwierigkeiten bei der Galvanisierung des Innenraums der Löcher verursachen kann und daher von Herstellern kaum noch verwendet wird. Nehmen wir das Beispiel des oben genannten Gebäudekaufs. In einem sechsstöckigen Haus gibt es nur Treppen, die das erste Stockwerk mit dem zweiten Stockwerk verbinden oder das fünfte Stockwerk mit dem sechsten Stockwerk, was als Blinddurchkontaktierungen bezeichnet wird. Blinddurchkontaktierungen bieten mehrere Vorteile, wie z. B. Platzeinsparung auf der Platine, ermöglichen kompaktere Designs und verbessern die Signalintegrität durch Verkürzung der Signallaufwege.

Hauptmerkmale einer Blinddurchkontaktierung

● Blinddurchkontaktierungen werden verwendet, um eine äußere Schicht mit mindestens einer inneren Schicht zu verbinden.

● Die Löcher für jede Verbindungsebene müssen als separate Bohrdatei definiert werden.

● Das Verhältnis von Bohrdurchmesser zu Lochttiefe (Aspektverhältnis) muss 1:1 oder größer sein.

● Erfordern spezialisierte Herstellungsverfahren.

● Werden häufig für das Routing hoch-dichter Verbindungen verwendet.

Vorteile der Verwendung von Blinddurchkontaktierungen

1. Erhöhte Dichte: Durch die Verbindung von oberflächenmontierten Komponenten mit inneren Schichten ermöglichen Blinddurchkontaktierungen eine effizientere Nutzung des Platinenraums. Infolgedessen können die Gesamtgröße und das Gewicht der PCB reduziert werden.

2. Reduzierte Schichtanzahl: Blinddurchkontaktierungen können dazu beitragen, die Kosten der PCB-Herstellung zu minimieren, indem die Anzahl der für das Routing erforderlichen Schichten verringert wird.

3. Verbesserte Signalperformance: Signal-Routing über Blinddurchkontaktierungen kann Übersprechen und EMI zwischen Leiterbahnen reduzieren und die Signalqualität und Zuverlässigkeit verbessern.

Nachteile der Verwendung von Blinddurchkontaktierungen

1. Herstellungsschwierigkeiten: Blinddurchkontaktierungen erfordern präzise Bohr- und Galvanisierungsvorgänge, was die Herstellungskosten und die Komplexität der Platine erhöhen kann.

2. Einschränkungen der Schichtanzahl: Blinddurchkontaktierungen können die Anzahl der in einem PCB-Design verwendbaren Schichten reduzieren.

Was ist eine vergrabene Durchkontaktierung

Eine vergrabene Durchkontaktierung befindet sich vollständig im Inneren der PCB und verbindet zwei oder mehr innere Schichten, ohne sich bis zu den äußeren Schichten zu erstrecken. Vergrabene Durchkontaktierungen sind in hochdichten PCB-Designs nützlich.  Vergrabene Durchkontaktierungen werden in komplexen mehrschichtigen PCBs verwendet, wo der Platz knapp ist und die Oberfläche der äußeren Schichten erhalten werden muss. Sie ermöglichen komplexeres Routing und höhere Schaltungsdichte.

Um die Analogie des Gebäudekaufs zu verwenden: Wenn in einem sechsstöckigen Gebäude nur die Treppen zwischen dem dritten und vierten Stockwerk verbunden sind, spricht man von vergrabenen Durchkontaktierungslöchern. Vergrabene Durchkontaktierungslöcher sind von außen auf der Platine nicht sichtbar und befinden sich tatsächlich in den inneren Schichten der Leiterplatte. Diese Eigenschaft ermöglicht es Designern, die äußeren Schichten der Platine für andere Zwecke zu nutzen, wie z. B. die Platzierung von Komponenten oder das Routing von Leiterbahnen, ohne Beeinträchtigung durch Durchkontaktierungen.

Hauptmerkmale einer vergrabenen Durchkontaktierung

● Vergrabene Durchkontaktierungen werden verwendet, um Verbindungen der inneren Schichten herzustellen, die keinen Kontakt mit den äußeren Schichten haben.

● Die Löcher für jede Verbindungsebene müssen als separate Bohrdatei definiert werden.

● Das Verhältnis von Bohrdurchmesser zu Lochttiefe (Aspektverhältnis) muss 1:12 oder größer sein.

● Werden häufig für Erdungs- und Stromversorgungsebenen verwendet.

Vorteile der Verwendung von vergrabenen Durchkontaktierungen

1. Erhöhte Dichte: Vergrabene Durchkontaktierungen, die die inneren Schichten der PCB verbinden, ohne sich bis zu den obersten Schichten zu erstrecken, können dazu beitragen, die Dichte der Komponenten auf der Platine zu erhöhen.

2. Reduzierte Schichtanzahl: Vergrabene Durchkontaktierungen können dazu beitragen, die Anzahl der erforderlichen Routing-Schichten zu reduzieren, was zu niedrigeren Herstellungskosten führt.

3. Verbesserte Signalperformance: Signal-Routing über vergrabene Durchkontaktierungen kann Übersprechen und EMI zwischen Leiterbahnen reduzieren und die Signalqualität und Zuverlässigkeit verbessern.

Nachteile der Verwendung von vergrabenen Durchkontaktierungen

1. Herstellungsschwierigkeiten: Vergrabene Durchkontaktierungen erfordern präzise Bohr- und Galvanisierungsvorgänge, was die Kosten und die Komplexität der PCB-Produktion erhöht.

2. Zugänglichkeitsprobleme: Da vergrabene Durchkontaktierungen von der Oberfläche der Platine nicht sichtbar sind, können sie bei einem Ausfall schwierig zu diagnostizieren und zu reparieren sein.

Herstellungsüberlegungen für Blind-/vergrabene Durchkontaktierungen

Zu den Herausforderungen bei der Herstellung von Blinddurchkontaktierungen gehört die Notwendigkeit präziser Bohr- und Galvanisierungsvorgänge, was die Herstellungskosten erhöhen kann. Obwohl die Laserbohrtechnologie die Präzision verbessern und Kosten senken kann, ist sie möglicherweise nur für einige PCB-Designs geeignet.

Das Aspektverhältnis der Durchkontaktierungen, d. h. das Verhältnis des Durchmessers zur Tiefe der Durchkontaktierung, muss ebenfalls von Designern berücksichtigt werden. Größere Aspektverhältnisse können schwieriger sein, was die Kosten und mögliche Herstellungsprobleme erhöht.

PCB-Technologie für Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen

Mehrere fortschrittliche PCB-Herstellungstechniken ermöglichen die Erstellung von Blind- und vergrabenen Durchkontaktierungen:

1) Sequenzielle Laminierung: Jede innere Schicht wird mit vorgeformten Durchkontaktierungen, die zwischen den Schichten ausgerichtet sind, zusammengefügt. Ermöglicht große Flexibilität bei Durchkontaktierungsstrukturen.

2) Laserablation: Laser können selektiv konforme dielektrische Beschichtungen abtragen, um Blind-/vergrabene Durchkontaktierungsverbindungen dort zu öffnen, wo sie benötigt werden.

3) Plasmaätzen: Plasmaätzen durch dünne dielektrische Schichten kann selektiv Metallpads freilegen, um Blinddurchkontaktierungen zu öffnen.

4) Photo-Via-Tenting: Fotoabbildbare dielektrische Schichten ermöglichen selektives Abdecken über Durchkontaktierungen und lassen Öffnungen nur dort, wo Blind-/vergrabene Durchkontaktierungen gewünscht sind.

Die Verwendung eines dieser Verfahren erfordert spezialisierte PCB-Anlagen und -Verfahren bei der Arbeit mit Blind- oder vergrabenen Durchkontaktierungen. Die Kosten sind infolgedessen höher als bei Standard-Mehrschichtplatinen. Um mehr über diese Schritte zu erfahren, besuchen Sie unseren Ultimativen Leitfaden zur PCB-Herstellung.

Anwendungen von vergrabenen/Blind-Durchkontaktierungen

● Dichtes BGA-Routing unter Gehäusen, ermöglicht durch Fan-in-Blind-Mikrovias.

● Die Signalschicht wechselt unter Komponenten, anstatt um Komponenten herumgeführt zu werden.

● Erdungsdurchkontaktierungen von äußeren Schichten direkt zu inneren Erdungsebenen ohne Durchgangsloch.

● Aufteilung der Stromversorgungsebene zur Trennung der digitalen und analogen Stromverteilung.

● Effektive Abschirmung um HF-Schaltungen und Antennen unter Verwendung von Umfangs-Erdungsdurchkontaktierungen.

● Board-Stacking-Verbindungen zwischen benachbarten PCBs in einem Modul.

● Mixed-Signal-Isolation zwischen kritischen digitalen und analogen Routen.

● Hoch-dichte Verbindungen in HDI-, Mikrowellen- und Flex-PCB-Technologien.

Kosten von Blind- und vergrabenen Durchkontaktierungen

Getentete Durchkontaktierungen sind eine Art von Durchkontaktierungen in Leiterplatten (PCBs), bei denen die Durchkontaktierungslöcher während des PCB-Herstellungsprozesses mit Lötstopplack bedeckt oder „getentet" werden. Das bedeutet, dass die Durchkontaktierungslöcher vollständig mit Lötstopplackmaterial beschichtet sind, einer Schutzschicht, die über die Kupferleiterbahnen auf der PCB aufgebracht wird, um Lötbrücken, Kurzschlüsse und andere Herstellungs- und Montageprobleme zu verhindern. Bevor man sich für die Art des Materials entscheidet, das beim Design einer Leiterplatte (PCB) verwendet werden soll, ist es entscheidend, zahlreiche verschiedene Aspekte ernsthaft zu berücksichtigen. Diese Entscheidung ist erforderlich, bevor die PCB hergestellt werden kann. Solche Überlegungen wurden auf der PCB umgesetzt:

● Die erforderliche Dichte

● Die Anzahl der Platinenschichten

● Signalgeschwindigkeit und das verfügbare Budget

● Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen sind besser für hochdichte Systeme mit vielen Schichten geeignet.

Zuverlässigkeitsüberlegungen für Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen

Mehrere Faktoren im Zusammenhang mit Zuverlässigkeit und PCB-Montage sollten bei der Verwendung von Blind- oder vergrabenen Durchkontaktierungen bewertet werden:

Galvanisierungsabdeckung: Eine vollständige Galvanisierungsabdeckung im Inneren von Blind-/vergrabenen Löchern ist entscheidend für die Zuverlässigkeit. Inspektion mit Röntgenbildgebung.

Verbindung: Das Delaminierungsrisiko steigt mit mehr Grenzflächen, die durch sequenzielle Laminierung entstehen.

Via-Füllung: Das Füllen von Blind-/vergrabenen Durchkontaktierungen verbessert die Montageausbeute und Zuverlässigkeit.

Spannung: Thermische Spannungen konzentrieren sich an Durchkontaktierungen, was eine Analyse für hoch-zuverlässige Anwendungen erfordert.

Inspektion: Fortgeschrittene Techniken wie Mikroschliff oder Thermografie helfen, vergrabene Merkmale zu verifizieren.

Nacharbeit: Die Reparatur vergrabener Netze kann ohne vollständige Demontage der Platine schwierig oder unmöglich sein.

Fazit:

Zusammenfassend sind Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen unverzichtbare Werkzeuge im Arsenal des PCB-Designers und ermöglichen die Erstellung kompakter, hoch-leistungsfähiger und hochdichter Platinen. Ihre Integration erfordert jedoch fortschrittliche Herstellungsverfahren und Designüberlegungen hinsichtlich Wärmemanagement, Zuverlässigkeit, Montage und Testzugang. Und obwohl sie mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden sein können, sind diese spezialisierten Durchkontaktierungen unverzichtbar, um den Anforderungen der modernen Elektronik gerecht zu werden. Durch das Verständnis der Unterschiede und Anwendungen der einzelnen Arten von Durchkontaktierungen können Designer ihre PCB-Designs optimieren und die beste Leistung in ihren elektronischen Produkten erzielen.