Переходные отверстия на печатных платах

Вместе с растущими требованиями к современному электронному оборудованию, причем не только профессионального, возрастает сложность системных решений. Электронные схемы, выполняющие все больше функций, должны одновременно монтироваться на все более мелкие платы. Конечно их производство было бы невозможно без использования очень сложных технологий. Так как же изготавливается современная печатная плата? Давайте изучим этот вопрос.

Появление печатных плат произвело революцию в сборке электронных устройств (вспомним изначальный навесной монтаж старой ламповой техники). Мало того что появилась возможность использовать автоматизацию, так еще и достигнуто значительное уменьшение размеров готового устройства. Первые печатные платы изготавливались однослойными, в них дорожки создавались путем нанесения проводящих чернил на пластину из непроводящего материала, а не путем травления меди, как это делается сегодня.

«Чернильные» дорожки заменены дорожками вытравленными со всей медной поверхности, которая в новой технологии закрывала плату. Но требования пользователей быстро росли, поэтому возникла технология, позволяющая увеличить плотность элементов, с одновременной плотностью соединений. Один слой меди не мог справиться с этой задачей, поэтому были введены двухсторонние платы. И тут возникла проблема переноса соединений с одного слоя на другой. Естественным переходом были выводы элементов, собранных сквозным методом, но реализовать таким образом абсолютно все переходы между слоями не представлялось возможным. Проблему решили введением на плату отдельных точек, через которые были продеты провода, затем припаяны к каждому слою.

Следующим этапом развития стало внедрение металлизации отверстий. Эта техника в основном используется и по сей день. Металлизация — особый процесс, при котором внутрь переходных отверстий наносится слой меди.

Сначала в плате просверливаются отверстия. Диаметры используемых сверл несколько больше (на 5 мил, то есть 0,005 дюйма), чем указано в документации и которые определяют целевые диаметры. После того как отверстия просверлены, плата очищается с использованием соответствующих химикатов. Затем её передают на станцию химического осаждения меди. В результате внутрь переходного отверстия и на поверхность платы наносится слой меди толщиной около 0,5 мил. Затем плата отправляется на станцию, где после точного нанесения на ее поверхность светочувствительной маски происходит облучение и проявление.

Производство многослойной печатной платы выглядит несколько иначе. Сердцевина платы обрабатывается в отделе сухой пленки также с использованием операции фотоэкспозиции. Если плата не имеет глухих или заглубленных переходных отверстий, склейка осуществляется в гальваническом цехе с применением фотошаблонов, операций экспонирования и травления. Используется негативный процесс, при котором свет, попадая на подложку в местах, не защищенных маской, приводит к затвердеванию. Затем в этих местах будут созданы медные дорожки.

Стандарты IPC

Стандарты IPC группируют продукты в так называемые классы: 1, 2, 3, 3А. Классы определяют точность печатной платы.

  • Класс 1, наименее требовательный, включает в себя изделия общего назначения,
  • класс 2 – изделия для специального применения,
  • класс 3 самый требовательный, в который входят, например, изделия, предназначенные для работы в суровых условиях окружающей среды. Стандарты IPC определяют критерии допустимости дефектов выявляемых при производстве печатных плат, а также указывают методы измерения и их тестирования.

Например стандарт IPC-6012 определяет допустимое смещение между внутренним и внешним отверстиями для класса 2. В классе 3 и 3А ограничений намного больше. Внешний слой должен иметь кольцо, выступающее не менее чем на 2 мил за пределы отверстия. На внутреннем слое эта разница должна быть не менее 1 мил.

При проектировании печатной платы следует помнить, что если устройство в силу применения и специфических функций должно отвечать требованиям более высокого класса, то изготовитель просверлит отверстия под металлизацию диаметром на 5 мил больше чем указано в производственной документации. Отверстие диаметром 8 мил, заявленное в документации, с подушечкой 12 мил будет неприемлемо, так как используемое сверло будет иметь диаметр на 5 мил больше. Класс 3 и 3А также должен включать кольцо с диаметром, увеличенным на 2 мил. Следует добавить, что производителю известен как желаемый позиционный допуск, так и машинный допуск, обычно ±3 мил, поэтому фактически по требованиям стандарта IPC-6012 размер площадки должен определяться с учетом всех этих факторов.

Предположим, что переходное отверстие IPC-6012 класса 3 имеет диаметр 8 мил с допуском ±3 мил. Затем необходимо будет просверлить отверстие диаметром 13,8 мил, а допуск станка плюс допуск фактического положения отверстия ± 3 мил добавят 16–18 мил к номинальному размеру (опять же, выраженному как ± 3 мил). Отсюда следует, что оно должно быть диаметром 26 мил, что не всегда возможно.

Если речь идет о простых переходных отверстиях, хорошей рекомендацией будет сразу определять диаметры с допуском ±3 мил. Таким образом, сверлом диаметром 8 мил можно было бы просверлить переходное отверстие диаметром 8 мил, и не потребовалось бы никакой компенсации и сверления большего диаметра. Это означает, что отверстие класса 3 IPC-6012 может быть всего 16…18 мил на контактную площадку или даже меньше, если это согласовано с производителем. Точность конечно высокая, но возможная.

Типы люверсов

Есть различные типы переходных отверстий. Сквозное отверстие соединяет только верхний и нижний слои печатной платы. Таким образом, оно используется для передачи сигнала с одной стороны платы на другую или создает такое соединение на многослойных платах.

Глухое переходное отверстие создает соединение между верхним слоем и одним из внутренних слоев или между нижним слоем и одним из внутренних слоев. Глухие переходные отверстия используются на платах с высокой плотностью соединений, они позволяют эффективно использовать поверхность платы. Например, на 6-ти слойной плате глухое переходное отверстие соединяет слои 1 и 2 или 1 и 5, а также может соединять слои 3 и 6. Причем для каждого глухого переходного отверстия должны быть подготовлены отдельные файлы сверления.

Обычно операцию размещения переходов для определенных пар слоев можно повторить 2-3 раза для одной стороны. Ограничением является количество циклов покрытия внешнего слоя. Например, для 10-ти слойной платы процесс может выглядеть следующим образом: сверху к слою 2, сверху к слою 3, сверху к слою 4, снизу к слою 9, снизу к слою 8 и снизу к слою 7. Если для Требуются 14, 16 или 18-ти слойные дополнительные соединения, скрытые переходные отверстия могут использоваться вместе с глухими.

Глухие отверстия можно разделить на несколько дополнительных подтипов. Последовательное глухое переходное отверстие имеет внутренний концевой слой, сформированный на сердечнике, оставляя приклеенный внешний слой в виде медного листа, который необходимо нанести после ламинирования.

Переходные отверстия с регулируемой глубиной или сквозные отверстия с обратной сушкой — это отверстия, в которых все внутренние детали формируются как обычные многослойные, а затем ламинируются как обычно. Слепое соединение с внутренним слоем создается механическим сверлением на определенную глубину. Глубина сверления может простираться до сердцевины между слоями, но не до следующего слоя за концевым слоем глухого отверстия.

Микроотверстие представляет собой отверстие очень маленького диаметра. Изготовление отверстий очень малого диаметра для переходных отверстий этого типа возможно только с помощью лазеров Nd:YAG или Nd:YLF. Малые диаметры также можно получить с помощью инфракрасных лазеров с большей глубиной и с большей длиной волны.

Лазерные микропереходы обладают и другими свойствами. Эти типы переходных отверстий выполняются на платах с высокой плотностью соединений (HDI — High Density Interconnection). Из-за формы лазерных микроотверстий их глубина обычно не превышает двух последовательных слоев. Ограничение связано с необходимостью удаления остатков испаряемого материала, образующегося при работе лазера. Переходные отверстия могут быть уложены друг на друга (один над другим) – или смещены в сторону – в шахматном порядке. Лазерные микропереходы обычно используются в устройствах, выполняющих множество функций и характеризующихся малыми габаритами, например, в мобильных телефонах, планшетах и других подобных. Заглубленные переходные отверстия — это такие, в которых отверстия просверлены машиной или лазером между внутренними слоями и не распространяются на внешние слои (как в случае с глухими переходными отверстиями).

С появлением устройств, характеризующихся высокой степенью миниатюризации и широкими функциональными возможностями, возрос спрос на печатные платы с высокой плотностью элементов и соединений. Вместе с ними появились конструкции via-in-pad, то есть люверсы внутри колодки. Их изготавливают следующими способами: сверление, гальваника (металлизация), заливка эпоксидной смолой или медью. Последней операцией является планаризация (разновидность полировки), благодаря которой получается ровная поверхность, необходимая для сборки элементов. Преимущество этой технологии заключается в получении большей упаковки компонентов, лучшего контроля температуры и устранении паразитных индуктивностей и емкостей. Всё это достигается за счет уменьшения длины пути.

Печатные платы Via-in_pad (VIPPO) в основном такие же, как и Via-inpads, за исключением того что они привязаны к контактным площадкам SMT, а не к обычным контактным площадкам. Направляющие VIPPO также используются там, где есть так называемые обратное бурение (бурение с контролируемой глубиной). Это используется для улучшения целостности сигнала. Обратное сверление заключается в частичном удалении сквозного отверстия, выполненного в виде прохода через всю толщину платкы, но которое должно заканчиваться на одном из внутренних слоев. Чтобы удалить нежелательную медь, для обратного сверления используется сверло с диаметром немного превышающим диаметр переходного отверстия.

Тепловые переходы

Тепловые переходы делаются в тех случаях, когда необходимо максимально отвести тепло от платы. Они передают тепло с одной стороны на другую и поэтому обычно располагаются непосредственно под нагревающимся элементом или как можно ближе к нему. Если следы есть только на внешних слоях, то большая часть тепла распределяется в стороны и сердцевина платы становится холоднее. Тепловые переходы также соединяют внутренние слои с поверхностью, что способствует лучшему отводу тепла от них и снижает общую температуру печатной платы.

Сшивание переходных отверстий. Техника сшивания люверсами используется для соединения двух участков меди размещенных на разных слоях. Это ряды переходных отверстий расположенных близко друг к другу. Их можно размещать по краям области или даже регулярно заполнять всю поверхность. Основная цель вшитых люверсов – минимизировать сопротивление и обеспечить короткие возвратные петли. Прошитые люверсы улучшают качество массы по всем направлениям.

Экранирующие переходы

Принцип изготовления экранирующих люверсов очень похож на ранее описанные. Отличие состоит в том, что расстояния между переходными отверстиями настолько малы, что представляют собой препятствие, которое очень трудно пройти сигналу — расстояния между переходными отверстиями становятся сравнимыми или даже меньшими, чем длина волны распространяющегося сигнала. Рассматривая распространение сигналов как электромагнитное явление можно сделать вывод, что экранирующие переходные отверстия изолируют элементы на плате. Экранирующие люверсы располагаются в один, два и даже три ряда вплотную друг к другу.

Разделительные переходные отверстия экранируют микрополосковые или полосковые линии передачи от других элементов. Но тут следует обратить внимание на расстояние между такими переходными отверстиями и защищаемыми линиями, так как слишком малые расстояния могут привести к ухудшению изоляции. Разделительные втулки, расположенные близко к краю платы, также минимизируют излучение сигналов наружу и, таким образом, обеспечивают защиту от электромагнитных помех.

Сложенные переходные отверстия

Многослойные и расположенные в шахматном порядке микропереходы изготавливаются с использованием лазеров. Сложенные переходные отверстия укладываются друг на друга в аддитивном процессе. Техника изготовления шахматных направляющих аналогична, но они смещены по горизонтали относительно друг друга. Преимуществом этих переходных отверстий является получение чрезвычайно высокой плотности соединений на плате, что особенно необходимо для плат с чипами в корпусах BGA. В таких случаях необходимо вывести большое количество дорожек, упакованных на небольшую площадь. Стыки выполняются с помощью лазерного сверления, расчерчивания, заполнения и сглаживания. Следующий слой делается путем ламинирования еще одного слоя поверх предыдущего переходного отверстия. Обычно этот процесс можно повторить 3-4 раза. Затем верхний слой выравнивается для хорошей гладкости, что предотвращает раскачивание компонентов при установке на плате.

Вот, в принципе, вся основная информация по современному изготовлению многослойных печатных плат. Конечно всё подано в максимально упрощенном виде, но этого вполне достаточно чтоб получить общее представление о процессе.