Как при помощи переходных отверстий соединять слои печатной платы

Переходные отверстия — это миниатюрные токопроводящие каналы, которые сверлятся в печатной плате для создания электрических соединений между её слоями. По сути, переходное отверстие представляет собой вертикальный проводник в многослойной печатной плате.

Но прежде, чем углубиться в тему переходных отверстий, следует вспомнить, что представляет собой печатная плата как таковая. Печатная плата — это основа для передачи сигналов с контролируемыми параметрами. Она служит базой для соединения электронных компонентов. Её главная цель — обеспечить электрическую связь между активными и пассивными компонентами, не создавая помех другому сигналу или соединению. Таким образом, основная идея заключается в формировании сетей соединений, которые не конфликтуют между собой. Именно поэтому печатная плата — это соединение компонентов, при котором проводники не накладываются друг на друга.

Для выполнения этого условия печатные платы изготавливаются многослойными, а переходные отверстия служат для соединения слоёв между собой и обеспечения электрической непрерывности цепи. Таком образом переходные отверстия — это крошечные токопроводящие туннели, которые связывают различные слои платы, позволяя сигналам проходить сквозь них. От того, насколько точно производитель может выполнить сверловку переходных отверстий, соответствующих требованиям разработчика, во многом зависит качество и работоспособность печатной платы, поэтому всегда полезно ознакомиться с технологическими возможностями подрядчика ещё до начала проектирования платы.

AR для переходных отверстий в печатных платах (заголовок 1)

AR — это параметр, определяющий надёжность печатной платы. Он представляет собой соотношение между толщиной платы и диаметром просверленного отверстия:

AR (для сквозного отверстия) = (Толщина платы) / (Диаметр просверленного отверстия)

Поскольку микроотверстия не проходят через всю плату насквозь, AR для них рассчитывается иначе (Рис.1):

AR (для микропереходов) = (Глубина сверления) / (Диаметр просверленного отверстия)

AR играет важнейшую роль в процессе гальванической металлизации при производстве печатных плат. Раствор для металлизации должен эффективно проникать внутрь просверленных отверстий, чтобы обеспечить требуемое качество медного покрытия. В отверстиях, диаметр которых мал относительно толщины платы, может наблюдаться неравномерное или неудовлетворительное осаждение меди. Чем выше AR, тем сложнее добиться надёжной металлизации внутри переходных отверстий. Следовательно, меньший AR означает более высокую надёжность печатной платы.

В зависимости от функционального назначения существует несколько типов переходных отверстий, которые формируются в печатной плате (Рис. 2).

• Сквозные переходные отверстия (Through-hole vias) — отверстие проходит от верхнего слоя до нижнего сквозь всю плату. Соединение может быть устанавлено между верхним, нижним и внутренними слоями платы.
• Глухие переходные отверстия (Blind vias) — отверстие проходит от внешнего слоя и заканчивается на одном из внутренних слоёв. Такое отверстие не пронизывает всю плату насквозь, а соединяет её внешние слои как минимум с одним внутренним слоем. Связь может быть установлена либо от верхнего слоя до некоторого слоя в центре платы, либо от нижнего слоя до одного из средних слоёв. Другой конец отверстия после завершения прессования (ламинирования) оказывается скрытым и не виден снаружи. Именно поэтому такие отверстия называют глухими.
• Скрытые переходные отверстия (Buried vias) — эти отверстия расположены во внутренних слоях и не имеют выхода на внешние слои платы. Они соединяют между собой внутренние слои и остаются полностью скрытыми.
• Микропереходы (Microvias)

Согласно стандартам IPC, диаметр глухих и скрытых переходных отверстий не должен превышать 0,15 мм (150 микрометров).

Наиболее распространённый тип переходных отверстий — это микропереходы (µvia, µ-отверстия или микроотверстия) (рис. 3). В процессе производства печатных плат микропереходы формируются с помощью лазера и имеют меньший диаметр (до 0,1 мм) по сравнению со стандартными переходными отверстиями. Микроотверстия применяются в платах с высокой плотностью межсоединений (HDI). Глубина микропереходов обычно не превышает двух слоёв, поскольку осаждение меди внутри таких миниатюрных отверстий является технологически сложной задачей. Следует учитывать, что чем меньше диаметр отверстия, тем выше должна быть рассеивающая способность ванны гальванического процесса, чтобы обеспечить качественное химическое осаждение меди.

По своему расположению в слоях печатной платы микропереходы можно разделить на два типа: соосные и шахматные. Кроме того, существует ещё одна разновидность микропереходов — так называемые пропускающие или обходные переходы. Такой переход пропускает один слой, то есть проходит сквозь него, не создавая электрического контакта с этим конкретным слоем. Пропущенный слой не имеет электрического соединения с данным переходом. Отсюда и название.

Микропереходы улучшают электрические характеристики платы, а также позволяют миниатюризировать устройства, размещая больше функций на меньшем пространстве. Это, в свою очередь, освобождает место для микросхем с большим количеством выводов, которые используются в смартфонах и других мобильных устройствах. Применение микропереходов снижает количество слоёв в печатных платах и повышает плотность трассировки, что позволяет отказаться от обычных сквозных переходных отверстий.

Именно благодаря микропереходам разработчикам и производителям электроники удалось существенно повысить вычислительную мощность устройств. Если бы не микропереходы, мы до сих пор пользовались бы громоздким беспроводным телефоном вместо изящных маленьких смартфонов.

Иногда переходное отверстие покрывают защитной маской, чтобы оно не оставалось открытым. Такое отверстие называют тентированным.

Переходное отверстие в контактной площадке и переходное отверстие в площадке с последующей металлизацией

Рост скоростей передачи сигналов, плотности компонентов на плате и увеличение толщины печатных плат привели к необходимости применения технологии переходных отверстий в контактных площадках. Инженеры-конструкторы CAD используют переходные отверстия в контактных площадках (via-in-pad) или переходные отверстия в площадках с последующей металлизацией (VIPPO) наряду с традиционными переходными отверстиями для обеспечения требуемой трассируемости и целостности сигналов.

Итак, что же представляет собой переходное отверстие в контактной площадке? В традиционном подходе сигнальный проводник сначала отводится от контактной площадки, а уже затем подводится к переходному отверстию. Этот принцип показан на Рис 4.

Так делают, чтобы избежать затекания паяльной пасты в отверстие в процессе оплавления. В случае переходного отверстия в контактной площадке просверленное отверстие находится непосредственно под контактной площадкой. Если быть точным, оно располагается прямо внутри площадки поверхностно-монтируемого компонента. 

Сначала отверстие заполняется непроводящим эпоксидным компаундом (в зависимости от требований разработчика). Затем оно закрывается сверху и металлизируется для обеспечения проводимости (Рис. 5). Данная технология сокращает длину тракта прохождения сигнала и, как следствие, устраняет влияние паразитных индуктивности и ёмкости.

Применение переходных отверстий в площадках позволяет работать с компонентами, имеющими меньшее расстояние между выводами, и уменьшать габаритные размеры печатной платы. Эта технология идеально подходит для компонентов с корпусами BGA и является неотъемлемой частью современного производства печатных плат.

Для достижения ещё лучших результатов описанный выше метод часто комбинируют с процессом обратного сверления (Рис. 6). Обратное сверление выполняется для устранения отражений сигнала в неиспользуемой части переходного отверстия. Бесполезный отрезок металлизации отверстия высверливается, чтобы исключить любые отражения сигнала. Это гарантирует целостность сигнала.