Já se perguntou como os designers conseguem empacotar tanta funcionalidade em um espaço tão pequeno? Você pode agradecer às técnicas de design HDI e aos microvias em projetos de circuitos impressos. A tecnologia de PCB de Interconexão de Alta Densidade (HDI) está na vanguarda da eletrônica moderna, permitindo dispositivos compactos e poderosos. Essas estruturas existem há anos, mas estão se tornando mais comuns em uma variedade de sistemas que exigem múltiplas funções em uma única placa de circuito.

Se você fez um estudo de tamanho e determinou que precisará de trilhas de 6 milésimos de polegada ou menores para acomodar todos os componentes na sua placa de circuito impresso. Este artigo explora o que são microvias, sua importância no design HDI e as vantagens que trazem para a fabricação avançada de PCB.

O que são Microvias?

Uma microvia é um furo cego perfurado em uma multicamada condutor-isolador-condutor para fornecer conexão elétrica através dos isoladores em circuitos eletrônicos. A relação de aspecto máxima de 1:1 entre o diâmetro do furo e a profundidade, com uma profundidade total de não mais que 0,25 mm, medida da superfície até a alvo ou plano. Normalmente, a NCAB considera que a espessura do dielétrico entre a superfície e a alvo de referência é de 60–80 µm. As dimensões de diâmetro da microvia têm uma faixa de 80–100 micrômetros. A relação típica está entre 0,6:1 e 1:1.

Ao contrário das vias tradicionais, que atravessam várias camadas de um PCB, as microvias são perfuradas a laser e geralmente limitam-se a interconectar apenas duas camadas adjacentes. A perfuração a laser de microvias com diâmetro inferior a 150 µm está substituindo a perfuração mecânica e agora ocupa cerca de 94% do mercado. Elas podem ser classificadas em três tipos:

• Vias Cegos (Blind Vias)
• Vias Enterrados (Buried Vias)
• Microvias Empilhados ou Escalonados

Vamos conhecer mais sobre eles em uma seção separada abaixo.

Comparação com Vias Tradicionais:

Vias tradicionais carecem de precisão e recursos de economia de espaço. São menos adequadas para aplicações HDI devido ao seu tamanho maior, o que limita o posicionamento de componentes de passo fino e aumenta a perda de sinal. Em contraste, as microvias são projetadas para as demandas miniaturizadas e de alto desempenho dos PCBs HDI.

Papel das Microvias no Design de PCB HDI

Microvias são parte integral dos PCBs HDI; elas aumentam a densidade de interconexão sem ocupar espaço extra. Aqui estão algumas características principais:

1. Otimização de Espaço: Microvias permitem que componentes sejam posicionados mais próximos, reduzindo o tamanho geral do PCB.

2. Integridade de Sinal Melhorada: Seu comprimento menor reduz perda de sinal e componentes parasitas indesejados, tornando-as ideais para aplicações de alta frequência.

3. Gestão Térmica: Microvias podem ser integradas ao design para dissipação eficiente de calor, garantindo a confiabilidade de dispositivos de alta potência.

Como as Microvias são Fabricadas?

Exatamente quão pequenas são as microvias? Se você perguntar à maioria dos designers, eles podem dizer que consideram uma microvia como um furo com diâmetro inferior a cerca de 150 µm (6 milésimos). Dependendo do tamanho dos furos, eles podem ser perfurados mecanicamente e galvanizados (seguido de empilhamento e prensagem de cada camada), ou formados com laser de alta potência. Este último processo está sendo constantemente melhorado e é preferido na fabricação de PCB em alto volume graças à sua alta produtividade. Novos avanços em técnicas de perfuração a laser estão levando os tamanhos de microvia a apenas 15 µm. Os dois principais processos de fabricação são:

1- Perfuração e Limpeza da Via

2- Galvanização da Via

A fabricação de microvias envolve processos precisos de perfuração, limpeza e galvanização. Alguns dos métodos comuns de deposição são pulverização catódica, deposição eletrolítica ou galvanização de cobre sem eletricidade, visando eliminar defeitos como vazios e protuberâncias que podem comprometer a durabilidade da via sob estresse. Microvias perfuradas a laser apresentam menos defeitos em comparação com as mecanicamente perfuradas, que são limitadas pelo desgaste da broca e restrições de tamanho.

Etapas-chave no Processo de Fabricação de Microvias:

1. Preparação do Substrato: As áreas do substrato do PCB são limpas e tratadas para garantir adesão ideal.

2. Perfuração: A perfuração a laser é utilizada para criação precisa de microvias, suportando interconexões de alta densidade com diâmetros de apenas alguns micrômetros.

3. Desemborrachamento: Material residual da perfuração é removido para garantir caminho condutor limpo.

4. Metalização: Uma fina camada de cobre é depositada, geralmente via galvanização sem eletricidade, para formar conexões elétricas entre camadas.

5. Controle de Qualidade: Materiais avançados e parâmetros otimizados de perfuração são usados para evitar defeitos como perfuração incompleta ou má adesão.

Diferentes Tipos de Microvias no Design de PCB:

Vantagens das Microvias

Microvias oferecem benefícios significativos para o design de PCB, incluindo confiabilidade termo-mecânica aprimorada e eficiência de espaço. Seu tamanho menor permite miniaturização, ideal para dispositivos compactos, ao mesmo tempo em que economiza espaço na placa ao reduzir a necessidade de furos passantes maiores. Microvias melhoram a integridade do sinal em placas HDI ao encurtar comprimentos de trilha e minimizar radiação em circuitos de alta velocidade. A perfuração a laser reduz defeitos de fabricação, aumentando a confiabilidade geral. Além disso, microvias melhoram o desempenho de RF e EMC, fornecendo aos designers uma solução robusta para aplicações avançadas de PCB de alta densidade. Algumas vantagens principais em resumo são:

Miniaturização: O pequeno tamanho das microvias permite designs compactos com mais funcionalidade.

Desempenho Elétrico Aprimorado: Microvias minimizam problemas de indutância e capacitância, tornando-as ideais para circuitos de alta velocidade.

Flexibilidade no Empilhamento de Camadas: Microvias possibilitam empilhamentos avançados, como processos de multilaminação, essenciais para designs complexos.

Confiabilidade Melhorada: Microvias perfuradas a laser oferecem maior precisão, reduzindo o risco de defeitos.

Considerações de Design para Microvias:

Existem vários aspectos sobre a perfuração de microvias para PCBs. Ao projetar uma placa de circuito, lembre-se de que, ao buscar um furo que possa ser galvanizado de forma confiável, a microvia não deve ultrapassar a relação de aspecto 1:1. Embora seja possível perfurar com uma relação maior, simplesmente não será confiável, pois provavelmente resultará em defeitos de galvanização. Outras considerações de design incluem:

• Tecnologia de Perfuração: A perfuração a laser é o método preferido para criação de microvias devido à sua precisão e repetibilidade.
• Relação de Aspecto: A relação de aspecto (profundidade da via para diâmetro) deve ser idealmente 1:1 para garantir estabilidade estrutural e fabricabilidade.
• Galvanização de Cobre: Garantir uma galvanização adequada nas microvias é essencial para manter a conectividade elétrica e a confiabilidade.
• Empilhamento de Camadas: O planejamento adequado do arranjo de camadas, especialmente para microvias empilhadas ou escalonadas, é vital para evitar estresse mecânico.

Ao posicionar em múltiplas camadas, cada camada que receber uma via precisará de uma etapa adicional de laminação. Furos que não serão usados podem ser preenchidos de forma não condutiva ou fechados com galvanização, se desejado. Como as microvias são muito pequenas, podem não precisar ser preenchidas. O cobre é usado para a galvanização, pois é criado um banho especializado e uma química específica para o processo. Com esse processo, o fabricante ganha mais flexibilidade no design.

O que é Via Preenchida ou Não Preenchida com Cobre?

Microvias podem ser preenchidas ou não com cobre. Para microvias enterradas, é importante preencher o furo da via com cobre, especialmente se houver empilhamento. Se houver vazios no interior da galvanização da via, ela sofrerá alta concentração de tensão ao longo da parede, o que pode levar à fratura prematura durante o reflow ou operação. Microvias cegas podem ser deixadas não preenchidas, o que era típico nos primeiros dias de fabricação e implementação de microvias. Se microvias cegas forem usadas em pads, elas devem ser preenchidas com um processo padrão.

O processo de galvanização para microvias geralmente envolve o uso de cobre puro ou uma resina de cobre-epóxi. Começa com galvanização conformal, seguida de galvanização pulsada para garantir que a microvia seja preenchida com cobre sólido, reduzindo o risco de vazios. Galvanização sem aditivos frequentemente leva à formação de vazios dentro da microvia. Mesmo quando totalmente preenchida com cobre, a distribuição pode ser irregular, especialmente ao longo das paredes e superfície, se aditivos não forem usados. A galvanização conformal pode ainda agravar a deposição irregular de cobre, contribuindo para possíveis vazios.

Conclusão:

Microvias oferecem flexibilidade aos designers de PCB com o processo de fabricação, pois os clientes obtêm confiabilidade ao conectar múltiplas camadas. Ao selecionar materiais para as placas de circuito impresso, existem alguns mais adequados ao processo de perfuração de microvias. Microvias são uma pedra angular do design de PCB HDI, permitindo a miniaturização e o desempenho necessários em dispositivos eletrônicos de ponta.

Microvias são um método avançado de fabricação de PCB, e se sua placa não tiver necessidade delas, obviamente você vai querer permanecer com vias padrão para reduzir custos. Mas se seu design for denso e você precisar de espaço extra, verifique se o uso de microvias pode ajudar. Como sempre, é uma boa ideia verificar primeiro com seu fabricante contratado sobre suas capacidades antes de projetar um PCB com microvias.