PCB中交錯和堆疊過(guò)孔的設計和制造

2022-08-17

PCB中交錯和堆疊過(guò)孔的設計和制造

如今，交錯和堆疊的過(guò)孔已經(jīng)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(guò)在您的設計中加入交錯和堆疊的過(guò)孔，您可以獲得緊湊、高效的電路板。

在過(guò)去的幾十年里，整個(gè)電子行業(yè)一直在迅速變化。技術(shù)領(lǐng)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(xiàn)和高性能能力。通常，這些板上每平方英寸有120-160個(gè)引腳。微通孔，即交錯和堆疊的通孔與這種類(lèi)型的設計高度相關(guān)。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(guò)孔的可靠性因素。

什么是微孔？

交錯和堆疊通孔是不同類(lèi)型的微通孔。在進(jìn)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(jìn)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(lèi)型的過(guò)孔

除了使電路板重量輕、設計緊湊外，微孔還有許多優(yōu)點(diǎn)。

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(yōu)化總成本

減少設計完成時(shí)間

提高可靠性

微孔是通過(guò)激光鉆孔產(chǎn)生的

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

此過(guò)程中的關(guān)鍵參數是焊盤(pán)尺寸、激光鉆孔尺寸和電介質(zhì)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(guān)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(xué)鍍銅技術(shù)進(jìn)行電鍍工藝。

盲孔和埋孔的基本原理

交錯和堆疊的過(guò)孔實(shí)現了盲孔和埋孔的概念。盲孔在一個(gè)外層與至少一個(gè)內層之間建立連接。它總是穿過(guò)電路板的頂層或底層，但不會(huì )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(lèi)型的通孔穿過(guò)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(shí)，縱橫比被認為是一個(gè)關(guān)鍵因素。它是用于測量過(guò)孔可靠性和設置制造限制的參數。

從數學(xué)的角度來(lái)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(zhì)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(guò)程中的膨脹，更多的鍍層會(huì )增加破裂的風(fēng)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(shí)現絕對的可靠性和至高無(wú)上的質(zhì)量。2019年，IPC發(fā)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(gè)熱循環(huán)。

什么是交錯過(guò)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(gè)鉆孔與第一個(gè)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(shí)的過(guò)程。

交錯通孔的設計。

在設計交錯通孔時(shí)，激光鉆孔之間的間距是最原始的問(wèn)題。兩個(gè)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(gè)以上的微通孔時(shí)，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(shí)，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(wèn)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(mǎn)足受控阻抗的要求。這一事實(shí)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(guò)孔？

使用堆疊過(guò)孔制造電路板比交錯過(guò)孔涉及更多步驟。因此，它更復雜。這里有幾個(gè)過(guò)孔堆疊在一起。它們連接不同的層并占用更少的空間。每個(gè)通孔都經(jīng)過(guò)鉆孔和電鍍，然后再堆疊在另一個(gè)通孔上。頂部和底部有兩個(gè)狹窄的環(huán)形圈。上一個(gè)表示精確配準，下一個(gè)用于電氣連接。該設計包括三個(gè)不同的動(dòng)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(shí)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(huì )在通孔中產(chǎn)生空隙。這些空隙在結構內產(chǎn)生局部應力。這會(huì )妨礙堆疊微孔的可靠性。

低等級的化學(xué)鍍銅會(huì )導致微孔底部與其下方的目標焊盤(pán)之間的接合較差。

堆疊過(guò)孔的可靠性

堆疊通孔的主要優(yōu)點(diǎn)是其緊湊性。在HDI電路板中，堆疊過(guò)孔的實(shí)際布線(xiàn)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(zhì)的 z 軸施加在微孔上時(shí)，可靠性會(huì )受到影響。這是由于材料的 CTE不匹配造成的。超過(guò)玻璃化轉變溫度(Tg)，電介質(zhì)膨脹200 ppm，而銅膨脹高達16 ppm。因此，只要涉及一個(gè)微孔，一切都會(huì )被排序。但是當層增加到兩層時(shí)，差異開(kāi)始出現。隨著(zhù)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(kāi)裂或桶狀開(kāi)裂而發(fā)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(jìn)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(shù)上講，N 沒(méi)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(jiǎn)單的沒(méi)有微孔的疊層。制造廠(chǎng)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(gè)順序層壓的HDI層和一個(gè)傳統的內層來(lái)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(guò)程中，一層環(huán)氧樹(shù)脂預浸漬玻璃纖維板夾在銅層之間。接下來(lái)，在高溫和高液壓下進(jìn)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(guò)減小尺寸和在關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )上提供小電流環(huán)路來(lái)提高信號完整性。它們減少了短截線(xiàn)長(cháng)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(guò)孔可以避免的各種類(lèi)型的噪聲。