PCB中交错和堆叠过孔的设计和制造

2022-08-17

PCB中交错和堆叠过孔的设计和制造

如今，交错和堆叠的过孔已经很(hěn)好地适应了。它们独特的设计提高了密度，并提高了信号完整性和路由灵活性。通过在您的设计中加入交错和堆叠的过孔，您可(kě)以获得紧凑、高效的電(diàn)路板。

在过去的几十年里，整个電(diàn)子行业一直在迅速变化。技术领域的革命导致更多(duō)地使用(yòng)高密度互连(HDI)板。HDI為(wèi)密集區(qū)域中的更多(duō)小(xiǎo)型组件提供了多(duō)功能(néng)布線(xiàn)和高性能(néng)能(néng)力。通常，这些板上每平方英寸有(yǒu)120-160个引脚。微通孔，即交错和堆叠的通孔与这种类型的设计高度相关。在本文(wén)中，我们将分(fēn)析设计规范和约束，并探讨交错和堆叠过孔的可(kě)靠性因素。

什么是微孔？

交错和堆叠通孔是不同类型的微通孔。在进入定义和细节之前，这里是微孔的概述。

微孔提供多(duō)层板中各层之间的连接。它们的直径小(xiǎo)于机械钻孔。这增强了板上的可(kě)路由區(qū)域。首先，它们是传统通孔的微型版本，除了结构。如果您的设计需要先进的、紧密封装的電(diàn)路，微孔是最佳选择。由于寄生電(diàn)容较低，它们非常适合高速设计。

微孔和不同类型的过孔

除了使電(diàn)路板重量轻、设计紧凑外，微孔还有(yǒu)许多(duō)优点。

卓越的電(diàn)气性能(néng)

提高信号完整性

降低EMI /RFI和串扰

更小(xiǎo)的尺寸和重量

优化总成本

减少设计完成时间

提高可(kě)靠性

微孔是通过激光钻孔产生的

激光钻孔是制造微孔的合适方法，以实现具有(yǒu)更短迹線(xiàn)的高密度设计。在这种情况下，激光束会蒸发钻孔區(qū)域（根据钻孔文(wén)件）并产生孔。

此过程中的关键参数是焊盘尺寸、激光钻孔尺寸和電(diàn)介质的压出厚度。您必须保持您的激光钻孔尺寸与介電(diàn)层的最终压出厚度成比例，以充分(fēn)電(diàn)镀通孔。有(yǒu)关激光钻孔的更多(duō)详细信息，请参阅激光钻孔如何在PCB中工作？

激光钻孔微孔

钻孔和去毛刺完成后，采用(yòng)電(diàn)解沉积或化學(xué)镀铜技术进行電(diàn)镀工艺。

盲孔和埋孔的基本原理(lǐ)

交错和堆叠的过孔实现了盲孔和埋孔的概念。盲孔在一个外层与至少一个内层之间建立连接。它总是穿过電(diàn)路板的顶层或底层，但不会穿透電(diàn)路中的所有(yǒu)层。因此，它从一侧隐藏。

埋孔不与任何外层连接。它从外面完全被遮住了。这种类型的通孔穿过任意数量的内层。这些是電(diàn)镀孔，需要单独的钻孔锉。

盲埋孔

计算正确的纵横比

在执行激光钻孔时，纵横比被认為(wèi)是一个关键因素。它是用(yòng)于测量过孔可(kě)靠性和设置制造限制的参数。

从数學(xué)的角度来看，纵横比是钻孔深度与钻孔直径的比值：
AR= h/a
其中，
h= (外层介质厚度 + 铜箔厚度)= 孔深
a= 微孔直径

纵横比测量

電(diàn)镀的要求与纵横比成正比。由于装配过程中的膨胀，更多(duō)的镀层会增加破裂的风险。较低的AR可(kě)确保電(diàn)镀均匀、電(diàn)气连接出色，并提供出色的机械强度。IPC将纵横比為(wèi)1:1的微通孔定义為(wèi)完美，而纵横比為(wèi)0.75:1 的微通孔是标准的。

不同孔径和介電(diàn)层厚度的纵横比

HDI设计的主导因素是实现绝对的可(kě)靠性和至高无上的质量。2019年，IPC发出警告，纵横比越大，在反射周期中设计失败的可(kě)能(néng)性就越大。最好使用(yòng)更大的通孔直径或更薄的铜箔，甚至两者都是不错的选择。适当地，6密耳的直径足以承受几个热循环。

什么是交错过孔？

交错的通孔连接電(diàn)路板的不同层，但彼此不直接接触（单独的钻轴）。它们的位置在相邻层上是偏移的。交错的微通孔涉及更少的设计步骤。由于第二个钻孔与第一个钻孔不相邻，因此激光钻孔不需要填铜。因此，该设计包括不太复杂但耗时的过程。

交错通孔的设计。

在设计交错通孔时，激光钻孔之间的间距是最原始的问题。两个微孔中心之间的垂直距离决定了交错孔设计是否可(kě)行。垂直间距应大于微孔直径，以达到完美的交错设计。

交错通孔的可(kě)靠性

当您的PCB设计需要制造两个以上的微通孔时，交错通孔是更好的选择。它确保了设计的寿命和完美的性能(néng)。但是，当您的设计需要空间限制时，交错通孔不是正确的选择。这是因為(wèi)它们在電(diàn)路板上需要更多(duō)空间且复杂性更低。串扰问题可(kě)以忽略不计，因為(wèi)微孔彼此偏移放置。

交错的通孔倾向于在源到目的地之间的路径中引入一些不连续性。因此，它们不能(néng)满足受控阻抗的要求。这一事实使它们在超高速设计中不可(kě)取。
该表显示了交错通孔和通孔通孔在成本和引脚密度方面的比较。

交错通孔与通孔通孔成本和引脚密度。

什么是堆叠过孔？

使用(yòng)堆叠过孔制造電(diàn)路板比交错过孔涉及更多(duō)步骤。因此，它更复杂。这里有(yǒu)几个过孔堆叠在一起。它们连接不同的层并占用(yòng)更少的空间。每个通孔都经过钻孔和電(diàn)镀，然后再堆叠在另一个通孔上。顶部和底部有(yǒu)两个狭窄的环形圈。上一个表示精确配准，下一个用(yòng)于電(diàn)气连接。该设计包括三个不同的动作：

用(yòng)铜填孔

平面化

额外的成像

堆叠通孔的横截面

堆叠通孔的铜填充

堆叠的通孔填充有(yǒu)電(diàn)镀铜。它确保牢固的電(diàn)气连接并提供结构支撑。有(yǒu)时可(kě)以在沉积的铜中看到缺陷。一些障碍解释如下：

铜的不当沉积会在通孔中产生空隙。这些空隙在结构内产生局部应力。这会妨碍堆叠微孔的可(kě)靠性。

低等级的化學(xué)镀铜会导致微孔底部与其下方的目标焊盘之间的接合较差。

堆叠过孔的可(kě)靠性

堆叠通孔的主要优点是其紧凑性。在HDI電(diàn)路板中，堆叠过孔的实际布線(xiàn)确保了灵活性。此外，从信号源到负载目的地的受控阻抗保持良好。

当压力从電(diàn)介质的 z 轴施加在微孔上时，可(kě)靠性会受到影响。这是由于材料的 CTE不匹配造成的。超过玻璃化转变温度(Tg)，電(diàn)介质膨胀200 ppm，而铜膨胀高达16 ppm。因此，只要涉及一个微孔，一切都会被排序。但是当层增加到两层时，差异开始出现。随着层数增加到三，不匹配超出了可(kě)容忍的范围。因此，由于角部开裂或桶状开裂而发生故障。

使用(yòng)交错和堆叠的微孔堆叠

根据设计要求，高密度板堆叠涉及交错和堆叠的微孔。根据IPC-2226，HDI PCB 叠层包括各种标准化步骤。

i+N+i 堆叠

该结构定义為(wèi)i+N+i堆叠。这里，“i”表示与外部微孔连接的顺序层叠的层数。内部部分(fēn)与外部部分(fēn)的顶部耦合。中间核心与埋孔相连。这些掩埋通孔进一步连接到内层。

根据制造团队确定的设计规范，连续层压的数量可(kě)以是任何东西。从技术上讲，N 没有(yǒu)适当的限制，尽管它取决于层数和外层厚度。1+N+1叠层是最简单的没有(yǒu)微孔的叠层。制造厂可(kě)以选择2+N+2、3+N+3和4+N+4堆叠，包括交错和堆叠的通孔。

2+N+2叠加

最常用(yòng)的叠层是2+N+2。它以较少的引脚数和适中的高密度BGA组件提供机械支撑。有(yǒu)多(duō)个顺序层压的HDI层和一个传统的内层来完成堆叠。

顺序层压

交错和堆叠的微孔遵循顺序层压工艺。在制造过程中，一层环氧树脂预浸渍玻璃纤维板夹在铜层之间。接下来，在高温和高液压下进行层压。顺序层压涉及在铜和层压的子复合层之间添加介電(diàn)层。

这被多(duō)次使用(yòng)，以在复杂的HDI设计中结合层堆叠和通孔结构的各种组合。

交错和堆叠的孔提高了信号完整性

交错和堆叠的微孔通过减小(xiǎo)尺寸和在关键网络上提供小(xiǎo)電(diàn)流环路来提高信号完整性。它们减少了短截線(xiàn)長(cháng)度，因此将减轻信号反射的影响。下面提到了使用(yòng)交错和堆叠过孔可(kě)以避免的各种类型的噪声。