PCB中交錯和堆疊過孔的設計和制造

2022-08-17

PCB中交錯和堆疊過孔的設計和制造

如今，交錯和堆疊的過孔已經很好地適應了。它們獨特的設計提高了密度，并提高了信號完整性和路由靈活性。通過在您的設計中加入交錯和堆疊的過孔，您可以獲得緊湊、高效的電路板。

在過去的幾十年里，整個電子行業一直在迅速變化。技術領域的革命導致更多地使用高密度互連(HDI)板。HDI為密集區域中的更多小型組件提供了多功能布線和高性能能力。通常，這些板上每平方英寸有120-160個引腳。微通孔，即交錯和堆疊的通孔與這種類型的設計高度相關。在本文中，我們將分析設計規范和約束，并探討交錯和堆疊過孔的可靠性因素。

什么是微孔？

交錯和堆疊通孔是不同類型的微通孔。在進入定義和細節之前，這里是微孔的概述。

微孔提供多層板中各層之間的連接。它們的直徑小于機械鉆孔。這增強了板上的可路由區域。首先，它們是傳統通孔的微型版本，除了結構。如果您的設計需要先進的、緊密封裝的電路，微孔是最佳選擇。由于寄生電容較低，它們非常適合高速設計。

微孔和不同類型的過孔

除了使電路板重量輕、設計緊湊外，微孔還有許多優點。

卓越的電氣性能

提高信號完整性

降低EMI /RFI和串擾

更小的尺寸和重量

優化總成本

減少設計完成時間

提高可靠性

微孔是通過激光鉆孔產生的

激光鉆孔是制造微孔的合適方法，以實現具有更短跡線的高密度設計。在這種情況下，激光束會蒸發鉆孔區域（根據鉆孔文件）并產生孔。

此過程中的關鍵參數是焊盤尺寸、激光鉆孔尺寸和電介質的壓出厚度。您必須保持您的激光鉆孔尺寸與介電層的最終壓出厚度成比例，以充分電鍍通孔。有關激光鉆孔的更多詳細信息，請參閱激光鉆孔如何在PCB中工作？

激光鉆孔微孔

鉆孔和去毛刺完成后，采用電解沉積或化學鍍銅技術進行電鍍工藝。

盲孔和埋孔的基本原理

交錯和堆疊的過孔實現了盲孔和埋孔的概念。盲孔在一個外層與至少一個內層之間建立連接。它總是穿過電路板的頂層或底層，但不會穿透電路中的所有層。因此，它從一側隱藏。

埋孔不與任何外層連接。它從外面完全被遮住了。這種類型的通孔穿過任意數量的內層。這些是電鍍孔，需要單獨的鉆孔銼。

盲埋孔

計算正確的縱橫比

在執行激光鉆孔時，縱橫比被認為是一個關鍵因素。它是用于測量過孔可靠性和設置制造限制的參數。

從數學的角度來看，縱橫比是鉆孔深度與鉆孔直徑的比值：
AR= h/a
其中，
h= (外層介質厚度 + 銅箔厚度)= 孔深
a= 微孔直徑

縱橫比測量

電鍍的要求與縱橫比成正比。由于裝配過程中的膨脹，更多的鍍層會增加破裂的風險。較低的AR可確保電鍍均勻、電氣連接出色，并提供出色的機械強度。IPC將縱橫比為1:1的微通孔定義為完美，而縱橫比為0.75:1 的微通孔是標準的。

不同孔徑和介電層厚度的縱橫比

HDI設計的主導因素是實現絕對的可靠性和至高無上的質量。2019年，IPC發出警告，縱橫比越大，在反射周期中設計失敗的可能性就越大。最好使用更大的通孔直徑或更薄的銅箔，甚至兩者都是不錯的選擇。適當地，6密耳的直徑足以承受幾個熱循環。

什么是交錯過孔？

交錯的通孔連接電路板的不同層，但彼此不直接接觸（單獨的鉆軸）。它們的位置在相鄰層上是偏移的。交錯的微通孔涉及更少的設計步驟。由于第二個鉆孔與第一個鉆孔不相鄰，因此激光鉆孔不需要填銅。因此，該設計包括不太復雜但耗時的過程。

交錯通孔的設計。

在設計交錯通孔時，激光鉆孔之間的間距是最原始的問題。兩個微孔中心之間的垂直距離決定了交錯孔設計是否可行。垂直間距應大于微孔直徑，以達到完美的交錯設計。

交錯通孔的可靠性

當您的PCB設計需要制造兩個以上的微通孔時，交錯通孔是更好的選擇。它確保了設計的壽命和完美的性能。但是，當您的設計需要空間限制時，交錯通孔不是正確的選擇。這是因為它們在電路板上需要更多空間且復雜性更低。串擾問題可以忽略不計，因為微孔彼此偏移放置。

交錯的通孔傾向于在源到目的地之間的路徑中引入一些不連續性。因此，它們不能滿足受控阻抗的要求。這一事實使它們在超高速設計中不可取。
該表顯示了交錯通孔和通孔通孔在成本和引腳密度方面的比較。

交錯通孔與通孔通孔成本和引腳密度。

什么是堆疊過孔？

使用堆疊過孔制造電路板比交錯過孔涉及更多步驟。因此，它更復雜。這里有幾個過孔堆疊在一起。它們連接不同的層并占用更少的空間。每個通孔都經過鉆孔和電鍍，然后再堆疊在另一個通孔上。頂部和底部有兩個狹窄的環形圈。上一個表示精確配準，下一個用于電氣連接。該設計包括三個不同的動作：

用銅填孔

平面化

額外的成像

堆疊通孔的橫截面

堆疊通孔的銅填充

堆疊的通孔填充有電鍍銅。它確保牢固的電氣連接并提供結構支撐。有時可以在沉積的銅中看到缺陷。一些障礙解釋如下：

銅的不當沉積會在通孔中產生空隙。這些空隙在結構內產生局部應力。這會妨礙堆疊微孔的可靠性。

低等級的化學鍍銅會導致微孔底部與其下方的目標焊盤之間的接合較差。

堆疊過孔的可靠性

堆疊通孔的主要優點是其緊湊性。在HDI電路板中，堆疊過孔的實際布線確保了靈活性。此外，從信號源到負載目的地的受控阻抗保持良好。

當壓力從電介質的 z 軸施加在微孔上時，可靠性會受到影響。這是由于材料的 CTE不匹配造成的。超過玻璃化轉變溫度(Tg)，電介質膨脹200 ppm，而銅膨脹高達16 ppm。因此，只要涉及一個微孔，一切都會被排序。但是當層增加到兩層時，差異開始出現。隨著層數增加到三，不匹配超出了可容忍的范圍。因此，由于角部開裂或桶狀開裂而發生故障。

使用交錯和堆疊的微孔堆疊

根據設計要求，高密度板堆疊涉及交錯和堆疊的微孔。根據IPC-2226，HDI PCB 疊層包括各種標準化步驟。

i+N+i 堆疊

該結構定義為i+N+i堆疊。這里，“i”表示與外部微孔連接的順序層疊的層數。內部部分與外部部分的頂部耦合。中間核心與埋孔相連。這些掩埋通孔進一步連接到內層。

根據制造團隊確定的設計規范，連續層壓的數量可以是任何東西。從技術上講，N 沒有適當的限制，盡管它取決于層數和外層厚度。1+N+1疊層是最簡單的沒有微孔的疊層。制造廠可以選擇2+N+2、3+N+3和4+N+4堆疊，包括交錯和堆疊的通孔。

2+N+2疊加

最常用的疊層是2+N+2。它以較少的引腳數和適中的高密度BGA組件提供機械支撐。有多個順序層壓的HDI層和一個傳統的內層來完成堆疊。

順序層壓

交錯和堆疊的微孔遵循順序層壓工藝。在制造過程中，一層環氧樹脂預浸漬玻璃纖維板夾在銅層之間。接下來，在高溫和高液壓下進行層壓。順序層壓涉及在銅和層壓的子復合層之間添加介電層。

這被多次使用，以在復雜的HDI設計中結合層堆疊和通孔結構的各種組合。

交錯和堆疊的孔提高了信號完整性

交錯和堆疊的微孔通過減小尺寸和在關鍵網絡上提供小電流環路來提高信號完整性。它們減少了短截線長度，因此將減輕信號反射的影響。下面提到了使用交錯和堆疊過孔可以避免的各種類型的噪聲。