Освоєння шахових і стекованих переходів: передові методи проектування друкованих плат для високопродуктивної електроніки

Важливою частиною сучасного дизайну друкованої плати є свердління друкованої плати – невеликі пластинчасті отвори, які з’єднують різні шари багатошарової друкованої плати. Незважаючи на просту концепцію, наскрізні отвори можуть суттєво вплинути на продуктивність, надійність і технологічність друкованої плати, особливо якщо переходи не розроблено ретельно, наприклад, не враховуючи стандарти IPC3, не враховуючи допуски на свердління тощо, що призводить до великих отворів і малих паяльні кільця, коли техніка виробляє файли Gerber, що збільшує труднощі виробництва тощо.

У цьому вичерпному посібнику буде докладно розглянуто дві передові технології наскрізних отворів: наскрізні отвори в шаховому порядку та наскрізні отвори в стопці. Ми вивчимо їхні принципи розробки, застосування, переваги та потенційні проблеми. До кінця цієї статті розробники друкованих плат, інженери-електронники та ентузіасти технологій матимуть повне розуміння того, як використовувати ці технології для створення високопродуктивних надійних друкованих плат.

Розуміння шляхів: основи

Перш ніж занурюватися в тонкощі отворів у шаховому порядку та складених один на один, важливо створити міцну основу, ознайомившись із основами проектування отворів у друкованих платах.

Визначення шляху

Перехідний отвір (або перехідний отвір) – це гальванічний отвір, який забезпечує електричне та теплове з'єднання між різними шарами багатошарової друкованої плати . Перехідні отвори виконують кілька важливих функцій:

• Маршрутизація сигналу: Перехідні отвори дозволяють сигналам проходити між різними рівнями, уможливлюючи складну маршрутизацію в компактних конструкціях.
• Розподіл потужності: Вони допомагають розподілити живлення та заземлення по всій платі.
• Тепловий менеджмент: Перехідні отвори можуть діяти як теплопровідники, допомагаючи відводити тепло від компонентів.
• Електромагнітне екранування: Стратегічно розташовані отвори можуть створити огорожу або клітку для утримання або виключення електромагнітних полів.

Типи переходів

Існує три основних типи переходів:

• Наскрізні отвори: Проходить через усі шари друкованої плати.
• Сліпі отвори: З’єднайте зовнішній шар з одним або кількома внутрішніми шарами, але не проходьте через всю плату.
• Закопані шляхи: З'єднайте внутрішні шари, не доходячи до зовнішніх.

Кожен тип має свої переваги та випадки використання, які ми розглянемо докладніше пізніше.

Через параметри

Кілька ключових параметрів визначають характеристики переходу:

• Розмір свердла: Діаметр отвору, просвердленого для отвору.
• Розмір колодки: Діаметр мідної пластини, що оточує отвір.
• Співвідношення сторін: Відношення товщини дошки до діаметра наскрізного отвору.
• Товщина покриття: Товщина мідного покриття всередині прохідного отвору.
• Через Tenting: Процес, при якому отвір покривається паяльною маскою, щоб запобігти просочуванню припою в отвір під час складання.

Перехідні отвори в шаховому порядку: покращення цілісності сигналу та теплових характеристик

Визначення шахових переходів

Розташовані отвори передбачають розміщення кількох отворів зі зміщенням, а не безпосередньо один на одному. Таке розміщення має декілька переваг перед традиційним розміщенням.

Переваги шахових переходів

• Покращена цілісність сигналу: Зменшуючи взаємну індуктивність між отворами, розміщення в шаховому порядку допомагає підтримувати якість сигналу, особливо у високошвидкісних конструкціях.
• Покращене управління температурою: Розташовані в шаховому порядку отвори розподіляють тепло більш рівномірно по всій платі, запобігаючи локалізованим гарячим точкам.
• Підвищена надійність: шаховий візерунок зменшує навантаження на Матеріал друкованої плати, потенційно збільшуючи термін служби плати.
• Кращий розподіл потужності: Для площин живлення та заземлення шахові переходи забезпечують більш рівномірний розподіл струму.

Проектування з шаховими переходами

Впроваджуючи шахові переходи, враховуйте наступні рекомендації щодо проектування:

• Через Інтервал: обчисліть відстань між переходами на основі частот сигналу та властивостей матеріалу плати.
• Шаблон дизайну: Загальні візерунки в шаховому порядку включають трикутники та ромби. Вибирайте на основі конкретних вимог до дизайну та доступного простору.
• Перехід шару: ретельно плануйте переходи між шарами, щоб підтримувати постійний імпеданс і мінімізувати відбиття.
• Моделювання: Використовуйте симулятори електромагнітного поля, щоб оптимізувати дизайн шахового переходу для вашого конкретного застосування.

Приклад розрахунку інтервалу між прорізами

Для друкованої плати з діелектричною проникністю (Er) 4.2 і максимальною частотою 10 ГГц мінімальний проміжний відстань можна оцінити за формулою:

Цей розрахунок є відправною точкою, але фактичний відстань слід перевірити шляхом моделювання та тестування.

Удосконалені методи шахового проходу

• Маршрутизація диференціальної пари: Перехідні отвори в шаховому порядку допомагають підтримувати симетрію пари та зменшують перекіс під час маршрутизації диференціальних пар.
• Via-in-Pad: поєднання шахового переходу з технологією переходів у колодці зменшує площу друкованої плати, зберігаючи продуктивність.
• Свердління: Для дуже високочастотних додатків свердління в шаховому порядку може покращити цілісність сигналу шляхом видалення невикористаних частин перехідного отвору.
• Адаптивні візерунки: Деякі розширені інструменти проектування друкованих плат можуть автоматично генерувати оптимізовані шахові візерунки на основі цілісності сигналу та обмежень технологічності.

Виклики та міркування

Хоча шахові отвори пропонують численні переваги, вони також викликають проблеми:

• Підвищена складність дизайну: Реалізація шахових переходів вимагає ретельного планування та складних інструментів проектування.
• Виробничі міркування: Деякі виробники друкованих плат можуть мати обмеження щодо мінімального інтервалу між прохідними отворами або спеціальні вимоги до шаблонів у шаховому порядку.
• Контроль опору: Підтримка постійного імпедансу через переходи в шаховому порядку може бути складною.
• Коштувати: Збільшення складності конструкцій у шаховому порядку може призвести до вищих витрат на виробництво, особливо для виробництва великої кількості.

Стекові отвори: максимальне вертикальне з’єднання в конструкціях високої щільності

Складені отвори передбачають розміщення кількох отворів безпосередньо одне на одному, з’єднуючи три або більше шарів у вертикальний стос. Ця техніка особливо корисна в проектах з високою щільністю, де нерухомість з дощок є високою.

Переваги стекових отворів

• Космічна ефективність: Перехідні отвори займають менше горизонтального простору, що забезпечує більш компактні конструкції.
• Покращена електрична продуктивність: Прямі вертикальні з’єднання зменшують довжину шляху сигналу, потенційно покращуючи продуктивність на високих частотах.
• Покращене управління температурою: складені отвори створюють ефективні теплові шляхи від внутрішнього до зовнішнього шарів.
• Спрощені переходи між шарами: стекові переходи забезпечують більш прямий шлях для сигналів, яким потрібно пройти через кілька шарів.

Проектування за допомогою стекових переходів

Враховуйте кілька факторів під час реалізації багатошарових переходних отворів :

• Співвідношення сторін: Загальне співвідношення сторін складеної наскрізної конструкції має бути в межах технологічності. Загальним правилом є збереження співвідношення сторін нижче 10:1.
• Виклики покриття: Забезпечте послідовне покриття через високу стопку отворів. Співпрацюйте з вашим Виробник друкованих плат зрозуміти свої можливості та обмеження.
• Теплові міркування: Хоча перехідні отвори покращують керування температурою, вони можуть створювати локалізовані гарячі точки. Теплове моделювання може знадобитися для потужних конструкцій.
• Управління стресом: Різні коефіцієнти теплового розширення матеріалів підкладки з міді та друкованих плат можуть призвести до напруги в структурах, складених між собою, що має вирішальне значення для конструкцій, які піддаються термічному циклу.

Приклад розрахунку максимальної висоти стека

Припускаючи, що мінімальний розмір свердла становить 0.2 мм і максимальне співвідношення сторін 10:1, максимальна висота штабеля становитиме:

$\text{Максимальна висота} = \text{Мінімальний розмір свердла} \times \text{Максимальне співвідношення сторін} = 0.2 \text{ мм} \times 10 = 2 \text{ мм}$

Для типової друкованої плати з шарами товщиною 0.1 мм це означає укладання отворів до 20 шарів. Однак практичні обмеження часто обмежують укладання меншою кількістю шарів.

Удосконалені методи стека

• Складені мікроперехідні отвори: Для проектів із надвисокою щільністю можна використовувати складені мікроотвірки (зазвичай діаметром менше 0.15 мм), що вимагає спеціальних виробничих процесів.
• Перехідні отвори в шаховому порядку: Цей гібридний підхід поєднує в собі переваги як шахового, так і стекованого переходів, збалансовуючи вертикальне підключення та надійність.
• Заповнені переходи: Перехідні отвори можуть бути заповнені струмопровідними або непровідними матеріалами для підвищення надійності та забезпечення можливості прямого розміщення компонентів.
• Перехідні отвори, просвердлені лазером: Лазерне свердління забезпечує точніші та послідовніші результати для отворів дуже малого діаметру в складених конфігураціях.

Занепокоєння щодо надійності та стратегії пом’якшення

Багатошарові переходи можуть становити проблеми з надійністю, особливо в суворих умовах або додатках із частими температурними циклами:

• Розтріскування стовбура: різні швидкості теплового розширення міді та друкованої плати можуть призвести до напруги та можливого розтріскування стовбура.
• Порожнечі в покритті: нерівне покриття у високих структурах, складених один за одним, може створити порожнечі, що потенційно може призвести до відкритих ланцюгів.
• Відокремлення прокладок: у крайніх випадках навантаження на перехідні отвори може спричинити відокремлення прохідних прокладок від шарів друкованої плати.

Стратегії пом'якшення включають:

• Використовуйте Tear Drop Pads: додавання краплеподібних посилень до прохідних прокладок покращує механічну міцність.
• Застосування теплового розряду: Використовуйте з’єднання теплового розряду для отворів, під’єднаних до великих мідних ділянок, щоб зменшити навантаження від диференціального теплового розширення.
• Розгляньте можливість заповнення отворів: заповнення отворів струмопровідними або непровідними матеріалами покращує механічну міцність і термічну ефективність.
• Виконайте випробування на надійність: проведіть термоциклічні випробування та випробування на вібрацію, щоб перевірити надійність стекованої конструкції.

Порівняння шахових і складених переходів

Незважаючи на те, що перехідні отвори в шаховому порядку та багатошарові мають переваги перед традиційним розміщенням отворів, вони служать різним цілям і підходять для різних сценаріїв проектування.

Коли використовувати шахові переходи

Розташовані переходи особливо корисні в таких ситуаціях, як:

• Високошвидкісна маршрутизація сигналу: Знижена взаємна індуктивність допомагає підтримувати цілісність сигналу у високочастотних конструкціях.
• Електророзподільні мережі: забезпечує більш рівномірний розподіл струму в площині живлення та заземлення.
• Тепловий менеджмент: Запропонуйте кращий розподіл тепла для конструкцій, де розсіювання тепла є головною проблемою.
• Великі масиви Via: Забезпечує кращу механічну стабільність, коли в обмеженій зоні потрібно багато отворів, наприклад, для розв’язувальних конденсаторів або роз’єднання BGA.

Коли використовувати стекові переходи

Стопкові переходи найбільш вигідні в таких сценаріях, як:

• Дизайни високої щільності: забезпечте необхідні переходи шарів у мінімальному горизонтальному просторі, коли простір на дошці обмежений.
• Прямі вертикальні з'єднання: Запропонуйте найпряміший шлях для сигналів, яким потрібно швидко подолати багато шарів.
• Інтеграція пакету 3D: Забезпечте необхідні вертикальні з’єднання під час інтеграції таких компонентів, як пакети матриць або тривимірні мікросхеми.
• Покращена продуктивність сигналу: покращення якості сигналу в деяких високочастотних програмах шляхом скорочення електричного шляху.

Гібридні підходи

У багатьох розширених конструкціях друкованих плат поєднання розташованих у шаховому порядку та стекованих переходів оптимізує продуктивність, надійність і технологічність. Деякі гібридні підходи включають:

• Перехідні отвори в шаховому порядку: Чергування секцій, розташованих у стопці, і секцій, розташованих у шаховому порядку, врівноважує переваги обох методів.
• Часткове укладання: Використовуйте стековані переходи для критично важливих високошвидкісних сигналів, використовуючи зміщені переходи для розподілу потужності та менш критичних сигналів.
• Стратегії, що залежать від глибини: Застосуйте багатошарові отвори для неглибоких переходів між шарами та розташовані в шаховому порядку переходи для більш глибоких переходів.
• Оптимізація типу сигналу: Використовуйте складені переходи для диференціальних пар, щоб підтримувати симетрію пар, а для односторонніх сигналів використовуйте зміщені переходи.

Виробничі міркування для розташованих у шаховому порядку та складених отворів

Впровадження передових структур вимагає тісної співпраці з виробником друкованих плат. Основні міркування включають:

Технологія буріння

• Механічне буріння: зазвичай використовується для великих отворів (діаметром >0.2 мм). Економічно вигідний, але з обмеженнями щодо співвідношення сторін і точності позиціонування.
• Лазерне свердління: забезпечує кращу точність і можливість створювати отвори меншого розміру, особливо в конфігураціях, складених один на один.
• Послідовне ламінування: Необхідно для реалізації прихованих переходів у стекових конфігураціях.

Процеси покриття

• Безелектричне міднення: Наносить тонкий шар міді на стінки переходів, забезпечуючи провідну основу для подальшого гальванічного покриття.
• Електролітичне міднення: Збільшує товщину міді в отворах. Послідовне покриття у отворах із високим співвідношенням сторін може бути складним завданням.
• Через заповнення: Для вимогливих застосувань отвори можуть бути заповнені струмопровідними або непровідними матеріалами для підвищення надійності та планарності.

Перевірка та тестування

• Автоматична оптична перевірка (AOI): Перевіряє через розміщення та цілісність колодки.
• Рентгенологічне обстеження: Вирішальне значення для перевірки внутрішніх шарів і виявлення проблем у захованих або складених отворах.
• Рефлектометрія в часовій області (TDR): Перевіряє електричні характеристики переходів, що особливо важливо для високошвидкісних конструкцій.
• Поперечне розрізання: Метод руйнівного тестування, який використовується для перевірки якості структури та покриття.

Дизайн для виробництва (DFM) Настанови

Під час проектування друкованих плат із розташованими в шаховому порядку або в стопку переходами, враховуйте ці вказівки DFM:

• Дотримуйтеся специфікацій виробника: дотримуйтесь правил дизайну вашого виробника щодо мінімального розміру отворів, співвідношення сторін і інтервалів.
• Розглянемо кільцевий розмір кільця: Переконайтеся, що кільцеве кільце достатньо, щоб відповідати допускам на свердління та запобігати прориву.
• План реєстрації толерантності: враховуйте допуски зведення шарів до шарів під час проектування складених переходів.
• Використовуйте свердла стандартних розмірів: Використовуйте свердла стандартних розмірів, щоб зменшити витрати на виробництво, де це можливо.
• Впровадити Teardrops: Додавання крапельок до прохідних прокладок може підвищити продуктивність і надійність виробництва.

Висновок

Ступінчасті та багатошарові перехідні отвори є ключовим досягненням у технології проектування друкованих плат , що дозволяє створювати компактніші та високопродуктивні електронні пристрої. Розуміючи принципи, застосування та виробничі особливості цих передових технологій перехідних отворів, розробники друкованих плат можуть розширити межі електронного проектування. Особливо, коли плати з високою щільністю повинні використовувати мікроперехідні отвори через обмеження простору, необхідно враховувати розмір паяних з'єднань та відстань між мережами, особливо коли дотримується стандарту IPC3. Окрім відстані між різними мережами, необхідно також враховувати відстань між радіаторами однієї мережі, що спрощує створення файлів для інженерів CAM та сприяє швидшій генерації проектів.

Поширені запитання

1. Як розробники друкованих плат можуть оптимізувати файли Gerber для зменшення помилок під час обробки CAM?

Щоб мінімізувати помилки під час обробки CAM, конструктори повинні забезпечити повноту та узгодженість усіх файлів проекту. Це включає використання стандартизованих правил іменування шарів, забезпечення включення всіх необхідних шарів (наприклад, мідних шарів, маски паяння, шовкографії та файлів свердління), а також перевірку успішного проходження перевірок правил проектування ( DRC ). Виробнику також слід надати чітку документацію та інформацію про розташування шарів.

2. Які стратегії можуть використовувати дизайнери для оптимізації розміщення переходів у файлах Gerber для ефективної обробки CAM?

Дизайнери повинні прийняти послідовну стратегію розміщення, яка враховує технологічність і легкість обробки. Це включає вказівку розмірів отворів, які відповідають стандартним виробничим можливостям, дотримання достатнього інтервалу між отворами, щоб уникнути ускладнень під час свердління, а також забезпечення правильного нахилу або заповнення отворів відповідно до специфікацій конструкції. Узгодженість типів отворів (скрізні, глухі, заглиблені) та їх документація також сприяє плавній обробці CAM.

3. Як розробники друкованих плат повинні обробляти вирівнювання шарів у файлах Gerber, щоб полегшити точні операції CAM?

Точне вирівнювання шарів має вирішальне значення для точних операцій CAM. Проектувальники повинні включати чіткі реєстраційні позначки та опорні точки на всіх шарах, щоб полегшити процес вирівнювання. Забезпечення правильного масштабування та вирівнювання всіх шарів у програмному забезпеченні для проектування перед створенням файлів Gerber допомагає запобігти проблемам з перекісом під час виробництва. Крім того, надання детальної інформації про накладання шарів та цільових показників вирівнювання в документації може значно допомогти інженеру CAM.

4. Які найкращі методи визначення ширини траси та інтервалів у файлах Gerber для полегшення обробки CAM?

Щоб полегшити обробку CAM, розробники повинні дотримуватися рекомендованих виробником ширини доріжок і інтервалів. Це передбачає встановлення мінімальної ширини доріжки та відстані, які відповідають можливостям виготовлення, і забезпечення узгодженості цих параметрів у всьому проекті. Використання автоматизованих перевірок правил проектування (DRC) у програмному забезпеченні для проектування друкованих плат може допомогти зберегти ці стандарти та запобігти проблемам під час обробки CAM.

5. Як дизайнери можуть переконатися, що файли Gerber сумісні з програмним забезпеченням CAM виробника?

Сумісність між файлами Gerber і програмним забезпеченням CAM виробника можна забезпечити, дотримуючись стандартних форматів і вказівок. Розробники повинні створювати файли Gerber у форматі RS-274X, який містить вбудовану інформацію про апертуру, і надавати супровідний файл Excellon для даних свердління. Включення детального файлу readme, який пояснює структуру шару, одиниці вимірювання та будь-які спеціальні інструкції, також може допомогти інженеру CAM правильно інтерпретувати та обробляти файли.