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，您可以获得紧凑、高效的电路板。

在过去的几十年里，整个电子行业一直在迅速变化。技术领域的革命导致更多地使用高密度互连(HDI)板。HDI为密集区域中的更多小型组件提供了多功能布线和高性能能力。通常，这些板上每平方英寸有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。在本文中，我们将分析设计规范和约束，并探讨交错和堆叠过孔的可靠性因素。

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。

微孔提供多层板中各层之间的连接。它们的直径小于机械钻孔。这增强了板上的可路由区域。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、紧密封装的电路，微孔是最佳选择。由于寄生电容较低，它们非常适合高速设计。

微孔和不同类型的过孔

除了使电路板重量轻、设计紧凑外，微孔还有许多优点。

卓越的电气性能

提高信号完整性

降低EMI /RFI和串扰

更小的尺寸和重量

优化总成本

减少设计完成时间

提高可靠性

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，以实现具有更短迹线的高密度设计。在这种情况下，激光束会蒸发钻孔区域（根据钻孔文件）并产生孔。

此过程中的关键参数是焊盘尺寸、激光钻孔尺寸和电介质的压出厚度。您必须保持您的激光钻孔尺寸与介电层的最终压出厚度成比例，以充分电镀通孔。有关激光钻孔的更多详细信息，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，采用电解沉积或化学镀铜技术进行电镀工艺。

盲孔和埋孔的基本原理

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。它总是穿过电路板的顶层或底层，但不会穿透电路中的所有层。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。这些是电镀孔，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，纵横比被认为是一个关键因素。它是用于测量过孔可靠性和设置制造限制的参数。

从数学的角度来看，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

电镀的要求与纵横比成正比。由于装配过程中的膨胀，更多的镀层会增加破裂的风险。较低的AR可确保电镀均匀、电气连接出色，并提供出色的机械强度。IPC将纵横比为1:1的微通孔定义为完美，而纵横比为0.75:1 的微通孔是标准的。

不同孔径和介电层厚度的纵横比

HDI设计的主导因素是实现绝对的可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能性就越大。最好使用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？

交错的通孔连接电路板的不同层，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。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。这是因为它们在电路板上需要更多空间且复杂性更低。串扰问题可以忽略不计，因为微孔彼此偏移放置。

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？

使用堆叠过孔制造电路板比交错过孔涉及更多步骤。因此，它更复杂。这里有几个过孔堆叠在一起。它们连接不同的层并占用更少的空间。每个通孔都经过钻孔和电镀，然后再堆叠在另一个通孔上。顶部和底部有两个狭窄的环形圈。上一个表示精确配准，下一个用于电气连接。该设计包括三个不同的动作：

用铜填孔

平面化

额外的成像

堆叠通孔的横截面

堆叠通孔的铜填充

堆叠的通孔填充有电镀铜。它确保牢固的电气连接并提供结构支撑。有时可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靠性。

低等级的化学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。

堆叠过孔的可靠性

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

当压力从电介质的 z 轴施加在微孔上时，可靠性会受到影响。这是由于材料的 CTE不匹配造成的。超过玻璃化转变温度(Tg)，电介质膨胀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

该结构定义为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。内部部分与外部部分的顶部耦合。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，连续层压的数量可以是任何东西。从技术上讲，N 没有适当的限制，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微孔的叠层。制造厂可以选择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。有多个顺序层压的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电层。

这被多次使用，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尺寸和在关键网络上提供小电流环路来提高信号完整性。它们减少了短截线长度，因此将减轻信号反射的影响。下面提到了使用交错和堆叠过孔可以避免的各种类型的噪声。