Leiterplattenhersteller konzentrieren sich zunehmend auf die Entwicklung kleinerer Leiterplatten. Moko-Technologie wird nicht ausgelassen; wir integrieren weniger bedrahtete Komponenten und verwenden stattdessen mehr Oberflächenmontagetechnologie (SMT). Für große Durchkontaktierungen benötigen wir weniger Platz auf der Platine. Anstelle von Durchkontaktierungen verwenden wir zunehmend SMT-Bauteile. Alle unsere Leiterplatten sind für die Verwendung von Vias ausgelegt.
Eine Durchkontaktierung ist eine durchkontaktierte Bohrung in Leiterplatten, die dazu dient, eine Leiterbahn von der Oberflächenschicht der Platine ins Innere und zu anderen Schichten zu führen. Leiterplatten-Durchkontaktierungen können zur Herstellung elektrischer Verbindungen durchkontaktiert oder mechanisch gebohrt werden.
Obwohl Vias in mehrschichtigen Leiterplatten unverzichtbar sind, ist ihre Entwicklung und Herstellung eine Herausforderung. Sie bilden Pfade für den thermischen und elektrischen Fluss zwischen den verschiedenen Schichten der Leiterplatte. Vias sind im Wesentlichen Kanäle unterschiedlicher Art und Größe.
Arten von PCB über
Es gibt 5 PCB-Via-Typen. Diese sind:
1. Blind Via – Ein Blind Via ist ein Laser, der nur von einer Schicht zur nächsten führt.
2. Vergrabene Durchkontaktierung – Diese Art von Durchkontaktierung befindet sich zwischen den inneren Schichten und ist bei sequentiellen oder mehrschichtigen Projekten erforderlich.
3. Durchkontaktierung – Eine Durchkontaktierung verbindet die beiden äußeren Schichten, indem sie von oben nach unten gebohrt wird.
4. Mikrovia – Mikrovias werden mit einem Laser und nicht mechanisch gebohrt, wodurch weniger als 0.006 Zoll möglich sind.
5. Via-in-Pad – Dieses Via befindet sich innerhalb des Pads der oberflächenmontierten Komponente.
Blind Via vs. Buried Via
Buried Vias und Blind Vias dienen zur Verbindung verschiedener Lagen einer Leiterplatte. Buried Vias ermöglichen die Verbindung der inneren Lagen, da die Leiterplatte vollständig von der äußeren Umgebung der Leiterplatte verdeckt ist. Blind Vias ermöglichen gleichzeitig die Verbindung der äußeren Lagen mit einer oder mehreren inneren Leiterplattenlagen. Diese beiden Vias sind bei HDI-Leiterplatten vorteilhaft, da ihre ideale Dichte durch Vergrößerung der Leiterplatte oder Erhöhung der Leiterplattenlagen verringert wird.
PCB-Mikrovia
Mikrovias können mit Lasern gebohrt werden, da ihr Durchmesser kleiner ist als der von Durchgangslöchern. Da sich Mikrovias nur schwer mit Kupfer beschichten lassen, sind sie weniger als zwei Lagen tief. Daher erhöht sich bei kleinem Durchmesser einer Via die Durchdringungskapazität des Beschichtungsbades, wodurch eine stromlose Kupferbeschichtung entsteht.
Je nach ihrer Lage in den Platinenschichten werden Mikrovias in gestapelte, übersprungene oder versetzte Vias eingeteilt.
• Gestapelte Vias – Sie können erstellt werden, indem sie in verschiedenen Schichten übereinander gestapelt werden.
• Versetzte Durchkontaktierungen – Diese Durchkontaktierungen können über mehrere Schichten verteilt werden, sind jedoch kostspielig.
• Skip Vias können durch eine Schicht geführt werden, wobei sichergestellt wird, dass die Schicht keinen elektrischen Kontakt hat. Eine übersprungene Schicht kann daher keine elektrische Verbindung mit einer Durchkontaktierung bilden.
PCB-Via-in-Pad
Die Via-in-Pad-Methode wurde aufgrund der hohen Signalgeschwindigkeit sowie der Dicke und Dichte von Leiterplattenkomponenten entwickelt. Standard-Via-Strukturen und VIPPO ermöglichen die Routing-Fähigkeit und Integrität eines Signals.
Die Signalführung bei Standard-Vias wird vom Hersteller vom Pad zum Via geführt, um ein Eindringen von Lot zu verhindern. Ein Via-in-Pad wird im Pad der externen Montagekomponente platziert.
Dies geschieht, indem die Durchkontaktierung je nach den Anforderungen des Leiterplattenherstellers zunächst mit nichtleitendem Epoxidharz gefüllt wird. Anschließend wird die Durchkontaktierung geschlossen und die Beschichtung abgedeckt, um Platz für die Kontaktfläche zu schaffen. Dadurch erweitert sich der Signalweg und der Effekt opportunistischer Induktivität und Kapazität wird eliminiert.
Noch wichtiger ist, dass das Via-in-Pad die Größe der Leiterplatte reduziert und die Größe einer kleinen Masse beherbergt. Diese Methode eignet sich am besten für Komponenten eines BGA Footprint. Für optimale Ergebnisse ist die Durchführung des Backdrilling-Prozesses mit einem Via-in-Pad unerlässlich. Die Signalechos in den verbleibenden Teilen eines Vias werden durch Backdrilling entfernt.
Komponenten einer Leiterplatte über
a) Fass – Dies ist ein leitfähiges Rohr, das zum Füllen des infiltrierten Lochs verwendet wird.
b) Pad – Es verbindet alle Enden des Fasses mit seinen Spuren.
c) Antipad – Dies ist ein Durchgangsloch, das zum Trennen der nicht verbindenden Schicht und des Laufs verwendet wird.
Häufige Verwendung von Vias im PCB-Design
• Signalführung – Viele Leiterplatten nutzen Durchgangslöcher für die Signalführung. Dickere Leiterplatten verwenden jedoch vergrabene oder blinde Durchkontaktierungen, während bei leichteren Leiterplatten nur Mikrodurchkontaktierungen zum Einsatz kommen.
• Stromführung – Vias sind in den meisten Leiterplatten auf die Verwendung breiter Durchgangslöcher für die Strom- und Erdungsnetzführung beschränkt, obwohl auch Blindvias verwendet werden können.
• Fluchtwegverlegung – Bei größeren Oberflächenmontagekomponenten (SMT) werden für die Fluchtwegverlegung meist Durchkontaktierungen verwendet. Am häufigsten werden Mikro-Vias oder Blind-Vias für die Fluchtwegverlegung verwendet, bei massiven Gehäusen wie BGAs mit hoher Pin-Anzahl kann jedoch auch ein Via-in-Pad verwendet werden.
• Stitching – Durchkontaktierungen oder Blind Vias ermöglichen zahlreiche Verbindungen zu einer Ebene. Beispielsweise umschließt ein Metallstreifen mit aufgenähten Vias den empfindlichen Bereich der Schaltung und verbindet ihn zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen mit einer Massefläche.
• Wärmeleitung – Vias können zur Wärmeleitung von einem Bauteil durch die angeschlossene innere Ebene genutzt werden. Normalerweise erfordern thermische Vias eine dichte Sackloch-Via oder eine Durchgangsbohrung, wobei sich diese Vias in den Pads dieser Geräte befinden müssen.
Bedeutung von Vias beim PCB-Design
Bei einer einfachen Leiterplatte sind Durchkontaktierungen nicht erforderlich. Bei mehrschichtigen Leiterplatten sind Durchkontaktierungen jedoch nur erforderlich. Beim Entwurf von Leiterplatten sind Durchkontaktierungen unerlässlich, da sie:
• Hilft Ihnen, eine herausragende Komponentendichte in mehrschichtigen Platinen zu erreichen.
• Erhöhen Sie die Leiterbahndichte bei mehrlagigen Leiterplatten, da diese in verschiedenen Richtungen über- und untereinander verlegt werden können. Vias ermöglichen die Verbindung verschiedener Leiterbahnen und fungieren so als vertikale Verbindungspunkte.
• Wenn eine Durchkontaktierung nicht in den Routing-Prozess einer mehrschichtige Leiterplatte, Die Komponenten werden kompakt platziert.
• Erleichtert die Strom- und Signalübertragung zwischen den Lagen. Leiterplattenkomponenten sollten auf einer Ebene verlegt werden, wenn keine Durchkontaktierung verwendet werden soll. Noch wichtiger ist, dass die oberflächenmontierten Komponenten einer mehrlagigen Leiterplatte die Verlegung auf einer Ebene erschweren.
PCB-Designtipps für Vias
Bei der Verwendung von Durchkontaktierungen in einer Leiterplatte müssen unbedingt die folgenden Tipps beachtet werden.
• Beim Entwurf von Leiterplatten ist es notwendig, möglichst viele Via-Strukturen zu verwenden.
• Wenn Sie zwischen versetzten und gestapelten Durchkontaktierungen stapeln, berücksichtigen Sie die versetzte Anordnung der Durchkontaktierungen, da gestapelte Durchkontaktierungen gefüllt werden müssen.
• Reduzieren Sie das Seitenverhältnis so weit wie möglich, um eine hervorragende Signaleffizienz und elektrische Leistung zu erzielen. Minimieren Sie außerdem elektromagnetische Störungen, Rauschen und Übersprechen.
Es ist ratsam, kleinere Durchkontaktierungen zu verwenden, da diese;
• Ermöglicht Ihnen den Bau einer hochwertigen HDI-Platine durch Reduzierung der Induktivität und Kapazität einer Streuung.
• Füllen Sie Via-in-Pads immer, außer wenn sie sich innerhalb von Wärmeleitpads befinden.
• Bedenken Sie immer, dass die Pad-Matrix, an der das BGA befestigt ist, Sacklöcher oder Durchgangslöcher enthalten kann. Wenn Sie dies wissen, achten Sie darauf, die Durchkontaktierungen zu planarisieren und zu füllen, um eine Beeinträchtigung der Lötstellen zu vermeiden.
• Beim Entwurf von Leiterplatten ist es wichtig zu wissen, dass Durchkontaktierungen dabei helfen, die Lötverbindungen der Leiste zu sichern und zu verhindern, dass das Set thermisch blockiert wird, was die Bildung hervorragender Lötverbindungen innerhalb der QFN-Verbindungen behindert.
• Bei Wärmeleitpads sollte eine Montage statt einer Durchgangsbohrung verwendet werden. Dies lässt sich nur durch das Einbringen von Öffnungen im Fensterscheibendesign in die Lötschichtschablone oberhalb des Pads erreichen. Dadurch werden Ausgasungen und Lotverschmelzungen während des Konstruktionsprozesses vermieden.
• Achten Sie anhand der Position des BGA-Pakets immer auf einen Durchgangsabstand und die geringste Spur in den gerouteten Komponenten.
• Füllen Sie immer die Baugruppe Ihres Via-In-Pads.
• Verwenden Sie beim Zusammenbau eines Dog Bone eine vorbestimmte kurze Spur, um eine Durchkontaktierung von ihrem Pad zu trennen.
• Eine PCB-Dokumentation erfordert eine Bohrschablone mit XY-Punkten für jedes Loch und jeden Feature-Code.
Durch die Behandlung
Leiterplattenhersteller führen eine zusätzliche Behandlung der Durchkontaktierungen durch, um die thermische Leistung der Leiterplatte zu verbessern. Diese zusätzlichen Behandlungen helfen auch, verschiedene Montageprobleme wie Füllen, Abdecken, Verschließen und leitfähiges Füllen zu vermeiden. Geeignete Behandlungen der Durchkontaktierungen sind unerlässlich, da sie kostspielige Fehlerbehebungsarbeiten vermeiden.
A) Abdecken – Dies ist ein typisches Verfahren, das Hersteller zum Trocknen von Lötstoppmasken verwenden. Der Trockenfilm hat eine Dicke von 4 mm und reicht aus, um auch große Löcher effektiv abzudecken.
B) Füllen – Hersteller verwenden die nichtleitende Epoxidpaste, um normale oder vertiefte Durchkontaktierungen zu füllen. Diese gefüllten Durchkontaktierungen haben eine Dicke von wenigen Millimetern, die verhindert, dass die Lötstoppmaske das Pad erreicht. Diese Technik eignet sich hervorragend für Leiterplatten mittlerer Dichte, da die Lötstoppmaske die Gefahr von Lötbrücken zwischen Pad und Durchkontaktierung minimiert.
C) Verschließen – Bei dieser Behandlung werden die Enden der Durchkontaktierungen mit einer nichtleitenden Epoxidpaste verschlossen, um Dochtwirkung oder Lotdurchfluss während des Lötvorgangs zu verhindern. Damit das Epoxidharz das Loch effektiv bohren kann, muss der Durchmesser der Durchkontaktierung weniger als 20 mm betragen. Hersteller verwenden eine Lötstoppmaske, um die verschlossene Durchkontaktierung abzudecken.
D) Leitfähige Füllung – Leiterplattenhersteller verwenden reines Kupfer oder Epoxidharz mit Kupfer, um Mikrovias mit einer leitfähigen Paste zu füllen und so die Leitfähigkeit der Leiterplatte zu verbessern. Die leitfähige Fülltechnik kann für alle Arten von Vias verwendet werden.
Leitfähige vs. nichtleitende Via-Füllung
Leiterplattenhersteller verwenden ein einzigartiges Herstellungsverfahren namens Via Fill, um Durchkontaktierungen vollständig mit Epoxidharz zu verschließen. Einige wichtige Vorteile des Via Fillings sind:
• Erhöht die Ausbeute der Montage
• Es macht die Oberflächenmontage zuverlässiger
• Verbessert die Konsistenz, indem die Wahrscheinlichkeit von eingeschlossener Luft oder Flüssigkeit minimiert wird.
Nichtleitende Via-Füllungen leiten Strom und Wärme über kupferbeschichtete Vias. Zum Füllen der Vias wird ein spezielles Epoxidharz mit geringer Schrumpfung verwendet. Leitfähige Via-Füllungen hingegen sorgen für zusätzliche elektrische und thermische Leitfähigkeit durch Silber- oder Kupferpartikel, die über das Epoxidharz verteilt sind.
Die Wärmeleitfähigkeit einer nichtleitenden Füllung beträgt 0.25 W/mK, während die einer leitenden Füllung zwischen 3.5 und 15 W/mK liegt. Im Gegensatz dazu beträgt die Wärmeleitfähigkeit von galvanisiertem Kupfer mehr als 250 W/mK.
Obwohl eine leitfähige Via-Füllung in manchen Anwendungen oft die erforderliche Leitfähigkeit bietet, ist das Hinzufügen zusätzlicher Vias mit der nichtleitenden Paste dennoch möglich. Hervorragende thermische und elektrische Leitfähigkeit reduziert die Kosten.
Unterschied zwischen Via-Typ und Via-Durchmesser
Die Unterschiede im Via-Durchmesser bei verschiedenen Via-Typen werden in der folgenden Tabelle erläutert. Sie erläutert auch das Via-Pad, den minimalen Via-Durchmesser und den Ring eines exakten PCB-Design Layout mit einer Durchkontaktierung, basierend auf ihrer Anwendung. Darüber hinaus zeigt die Tabelle Details zu den verschiedenen Abmessungen, die für die Implementierung in der Leiterplatte erforderlich sind. Das Seitenverhältnis jedes Durchkontaktierungstyps wird ebenfalls angegeben.
Faktoren, die bei der Wahl des richtigen Vias zu berücksichtigen sind
Die Wahl einer geeigneten Durchkontaktierung für jedes PCB-Projekt ist entscheidend, da das Design der Herstellbarkeit berücksichtigt werden muss. Berücksichtigen Sie bei der Durchführung eines PCB-Projekts stets die folgenden Faktoren.
1) Via-Typ – Bestimmen Sie den besten Via-Typ für Ihr Projekt. Wenn nur eine Laminierung ohne Via-Füllung oder -Technologie verfügbar ist, können große Löcher entstehen.
2) Via-Größe – 10 mm ist die Standardgröße für PCB-Vias oder 7 mm nach der Plating-Beschichtung, wobei die Dicke der Platine die Via-Größe bestimmt. Sowohl mechanisch als auch lasergebohrte Mikrovias haben 4 mm große Löcher.
3) Via-Toleranz – Es ist wichtig, die Toleranz der Lochgröße des Vias anzugeben, obwohl die meisten PCB-Anbieter alle internen Richtlinien bereitstellen.
4) Unterstützen Sie die am besten geeignete Technologie – Wenn Sie vergrabene oder blinde Durchkontaktierungen benötigen, bitten Sie die Leiterplattenlieferanten immer, einen Stapel zu erstellen, der diese Art von Technologie unterstützt.
5) IPC-Richtlinien – Die IPC-Richtlinien für verwandte Technologien müssen strikt eingehalten werden, beispielsweise der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen gemäß den Vorgaben des Leiterplattenherstellers. Da sich die IPC-Montagerichtlinien für Militär, Klasse 2, Klasse 3 und Klasse 3DS leicht unterscheiden, ist es wichtig, diese zu berücksichtigen.
6) Ring – Da die Größe des Via-Pads sehr wichtig ist, ist es wichtig, sicherzustellen, dass das Via nach dem Bohren einen ausreichend großen Ring aufweist. Da mechanische Bohrer beim Bohren etwas wandern, kann der Ausbruchbohrer das Via bei unzureichendem Ring beschädigen.
