Design mit Microvias: Stack-Ups, Zuverlässigkeit und Via-Füllung

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Designer so viel Funktionalität in einen so kleinen Raum packen? Das verdanken Sie HDI-Designtechniken und Microvias im Leiterplattendesign. Die High-Density-Interconnect-(HDI-)PCB-Technologie steht an der Spitze der modernen Elektronik und ermöglicht kompakte und leistungsstarke Geräte. Diese Strukturen gibt es seit Jahren, aber sie werden in einer Vielzahl von Systemen immer häufiger eingesetzt, die mehrere Funktionen auf einer einzigen Leiterplatte erfordern.

Wenn Sie eine Größenstudie durchgeführt haben und festgestellt haben, dass Sie Leiterbahnen von 6 mil oder kleiner benötigen, um alle Ihre Komponenten auf Ihrer Leiterplatte unterzubringen. Dieser Artikel untersucht, was Microvias sind, ihre Bedeutung im HDI-Design und die Vorteile, die sie für die fortschrittliche PCB-Fertigung mit sich bringen.

Was sind Microvias?

Ein Microvia ist ein Blindloch, das in einen Leiter-Isolator-Leiter-Mehrschichtverbund gebohrt wird, um eine elektrische Verbindung durch Isolatoren in elektronischen Schaltkreisen herzustellen. Das maximale Aspektverhältnis beträgt 1:1 zwischen Lochdurchmesser und Tiefe, wobei die Gesamttiefe nicht mehr als 0,25 mm beträgt, gemessen von der Oberfläche bis zum Zielpad oder zur Ebene. Typischerweise betrachtet NCAB die Dielektrikumdicke zwischen Oberfläche und Referenzpad als 60 – 80 µm. Die Durchmesserabmessungen des Microvias liegen in einem Bereich von 80–100 Mikrometern. Das typische VERHÄLTNIS liegt zwischen 0,6:1 und 1:1.

Im Gegensatz zu traditionellen Vias, die mehrere Schichten einer Leiterplatte durchdringen, werden Microvias lasergebohrt und sind normalerweise darauf beschränkt, nur zwei benachbarte Schichten zu verbinden. Das Laserbohren von Microvias mit einem Durchmesser von weniger als 150 μm verdrängt das mechanische Bohren und nimmt heute etwa 94 % des Marktes ein. Sie können in drei Typen eingeteilt werden:

• Blind Vias
• Buried Vias
• Gestapelte oder versetzte Microvias

Lassen Sie uns mehr über sie in einem separaten Abschnitt unten erfahren.

Vergleich mit traditionellen Vias

Traditionelle Vias bieten keine Präzision und Platzersparnis. Sie sind aufgrund ihrer größeren Größe weniger für HDI-Anwendungen geeignet. Was die Platzierung von Komponenten mit feinem Raster einschränkt und den Signalverlust erhöht. Im Gegensatz dazu sind Microvias auf die miniaturisierten und hochleistungsfähigen Anforderungen von HDI-PCBs zugeschnitten.

Rolle von Microvias im HDI-PCB-Design

Microvias sind ein integraler Bestandteil von HDI-PCBs; sie erhöhen die Verbindungsdichte, ohne zusätzlichen Platz zu beanspruchen. Hier sind einige Hauptmerkmale:

1. Platzoptimierung: Microvias ermöglichen es, Komponenten näher beieinander zu platzieren, wodurch die Gesamtgröße der Leiterplatte reduziert wird.

2. Verbesserte Signalintegrität: Ihre kürzere Länge reduziert Signalverluste und unerwünschte parasitäre Komponenten, was Microvias ideal für Hochfrequenzanwendungen macht.

3. Wärmemanagement: Microvias können in Designs für eine effiziente Wärmeableitung integriert werden, um die Zuverlässigkeit von Hochleistungsgeräten zu gewährleisten.

Wie werden Microvias hergestellt?

Wie klein sind Microvias genau? Wenn Sie die meisten Designer fragen, würden sie Ihnen wahrscheinlich sagen, dass sie ein Microvia als ein Via mit einem Durchmesser von weniger als etwa 150 µm (6 mil) betrachten würden. Je nach Größe der Vias können sie mechanisch gebohrt und plattiert werden (gefolgt vom Stapeln und Pressen jeder Schicht), oder sie können mit einem Hochleistungslaser geformt werden. Letzteres Verfahren wird ständig verbessert und ist dank seines hohen Durchsatzes in der Massen-PCB-Fertigung bevorzugt. Neue Fortschritte in der Laserbohrtechnik treiben die Microvia-Größen auf bis zu 15 µm herunter. Die zwei Hauptverfahren in der Fertigung sind:

1- Bohren und Reinigen des Vias

2- Plattieren des Vias

Die Microvia-Herstellung umfasst präzise Bohr-, Reinigungs- und Plattierungsprozesse. Einige der gängigen Plattierungsmethoden sind Sputtern, elektrolytische Abscheidung oder stromlose Kupferplattierung. Was darauf abzielt, Defekte wie Hohlräume und Unebenheiten zu beseitigen, die die Haltbarkeit des Vias unter Belastung beeinträchtigen können. Lasergebohrte Microvias weisen im Vergleich zu mechanisch gebohrten weniger Defekte auf, die durch Bohrerabnutzung und Größenbeschränkungen limitiert sind.

Wichtige Schritte im Herstellungsprozess von Microvias:

1. Substratvorbereitung: Die PCB-Substratbereiche werden gereinigt und behandelt, um eine optimale Haftung zu gewährleisten.

2. Bohren: Laserbohren wird für die präzise Erstellung von Microvias eingesetzt und unterstützt hochdichte Verbindungen mit Durchmessern von nur wenigen Mikrometern.

3. Entschmieren: Restmaterial vom Bohren wird entfernt, um einen sauberen leitfähigen Pfad zu gewährleisten.

4. Metallisierung: Eine dünne Kupferschicht wird abgeschieden, normalerweise durch stromlose Plattierung, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten herzustellen.

5. Qualitätskontrolle: Fortschrittliche Materialien und optimierte Bohparameter werden verwendet, um Defekte wie unvollständiges Bohren oder schlechte Haftung zu verhindern.

Verschiedene Arten von Microvias im PCB-Design

Vorteile von Microvias

Microvias bieten erhebliche Vorteile für das PCB-Design, einschließlich verbesserter thermomechanischer Zuverlässigkeit und Platzeffizienz. Ihre kleinere Größe ermöglicht Miniaturisierung, ideal für kompakte Geräte, während Platzeinsparungen auf der Platine durch den reduzierten Bedarf an größeren Durchgangslöchern erzielt werden. Microvias verbessern die Signalintegrität in HDI-Boards durch verkürzte Leiterbahnlängen und minimierte Strahlung in Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Laserbohren reduziert Fertigungsdefekte und erhöht die Gesamtzуverlässigkeit. Darüber hinaus verbessern Microvias die HF- und EMV-Leistung und bieten Designern eine robuste Lösung für fortschrittliche, hochdichte PCB-Anwendungen. Einige Hauptvorteile zusammengefasst sind:

Miniaturisierung: Die kleine Größe von Microvias ermöglicht kompakte Designs mit mehr Funktionalität.

Verbesserte elektrische Leistung: Microvias minimieren Induktivitäts- und Kapazitätsprobleme, was sie ideal für Hochgeschwindigkeitsschaltungen macht.

Flexibilität beim Schichtstapel: Microvias ermöglichen fortschrittliche Stackups, wie Mehrfachlaminierungsprozesse, die für komplexe Designs unerlässlich sind.

Verbesserte Zuverlässigkeit: Lasergebohrte Microvias bieten höhere Präzision und reduzieren das Risiko von Defekten.

Designüberlegungen für Microvias

Es gibt mehrere Aspekte beim Bohren von Microvias für PCBs. Beim Entwurf einer Leiterplatte sollten Sie bedenken, dass das Microvia, wenn Sie ein Loch suchen, das zuverlässig plattiert werden kann, das Aspektverhältnis von 1:1 nicht überschreiten sollte. Es ist zwar wahr, dass es mit einem größeren Verhältnis gebohrt werden kann, aber es wird einfach nicht zuverlässig sein, da es wahrscheinlich zu Plattierungsdefekten führen wird. Einige weitere Designüberlegungen sind:

• Bohrtechnologie: Laserbohren ist die bevorzugte Methode zur Erstellung von Microvias aufgrund seiner Präzision und Wiederholbarkeit.
• Aspektverhältnis: Das Aspektverhältnis (Viatiefe zu Durchmesser) sollte idealerweise 1:1 betragen, um strukturelle Stabilität und Fertigbarkeit zu gewährleisten.
• Kupferplattierung: Die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Plattierung in Microvias ist wesentlich, um elektrische Konnektivität und Zuverlässigkeit zu erhalten.
• Schichtstapel: Eine ordnungsgemäße Planung der Schichtanordnung, insbesondere für gestapelte oder versetzte Microvias, ist entscheidend, um mechanische Belastung zu vermeiden.

Bei der Platzierung in mehreren Schichten muss jede Schicht, die ein Via erhält, einen zusätzlichen Laminierungsschritt erhalten. Löcher, die nicht verwendet werden, können nichtleitend gefüllt oder bei Bedarf zulackiert werden. Da Microvias so klein sind, müssen sie möglicherweise nicht gefüllt werden. Kupfer wird für die Plattierung verwendet, da ein spezielles Bad und eine Chemie für den Prozess hergestellt werden. Mit diesem Verfahren gewinnt der Hersteller mehr Flexibilität im Designprozess.

Was ist ein kupfergefülltes oder ungefülltes Via?

Microvias können entweder mit Kupfer gefüllt oder ungefüllt sein. Bei vergrabenen Microvias ist es wichtig, das Via-Loch mit Kupfer zu füllen, insbesondere wenn es zu einer Stapelung kommen wird. Wenn Hohlräume im Inneren der Via-Plattierung verbleiben, erfährt das Via eine hohe Spannungskonzentration entlang der Via-Wand, was zu einem vorzeitigen Bruch während des Reflow oder im Betrieb führen könnte. Blinde Microvias können ungefüllt bleiben, was in den frühen Tagen der Microvia-Herstellung und -Implementierung typisch war. Wenn blinde Microvias im Pad verwendet werden, sollten sie mit einem Standardverfahren gefüllt werden.

Der Plattierungsprozess für Microvias umfasst typischerweise die Verwendung von reinem Kupfer oder einem Kupfer-Epoxidharz. Er beginnt mit konformer Plattierung, gefolgt von gepulster Plattierung, um sicherzustellen, dass das Microvia mit massivem Kupfer gefüllt wird, wodurch das Risiko von Hohlräumen reduziert wird. Plattieren ohne Additive führt oft zur Bildung von Hohlräumen innerhalb des Microvias. Selbst wenn es vollständig mit Kupfer gefüllt ist, kann die Verteilung ungleichmäßig sein, insbesondere entlang der Wände und der Oberfläche, wenn keine Additive verwendet werden. Konforme Plattierung kann die ungleichmäßige Kupferabscheidung weiter verschärfen und zu potenziellen Hohlräumen beitragen.

Fazit

Microvias bieten PCB-Designern Flexibilität beim Fertigungsprozess, da Kunden Zuverlässigkeit beim Verbinden mehrerer Schichten erhalten. Bei der Auswahl von Materialien für die Leiterplatten gibt es einige Materialien, die für den Microvia-Bohrprozess besser geeignet sind. Microvias sind ein Eckpfeiler des HDI-PCB-Designs und ermöglichen die Miniaturisierung und Leistung, die in modernsten elektronischen Geräten erforderlich sind.

Microvias sind eine fortschrittliche Methode der PCB-Fertigung, und wenn Ihre Platine sie nicht benötigt, werden Sie offensichtlich bei Standard-Vias bleiben wollen, um Kosten zu reduzieren. Aber wenn Ihr Design dicht ist und Sie den zusätzlichen Platz benötigen, prüfen Sie, ob die Verwendung von Microvias helfen könnte. Wie immer ist es eine gute Idee, sich zuerst bei Ihrem Auftragsfertiger über dessen Fähigkeiten zu informieren, bevor Sie eine Leiterplatte mit Microvias entwerfen.