Analyse häufiger Fehler und Prozessgrenzen beim Design von Durchkontaktierungen in mehrschichtigen Leiterplatten

Die erfolgreiche Fertigung kundenspezifischer Leiterplatten erfordert nicht nur innovative Designkonzepte, sondern auch ein tiefgreifendes Verständnis der verschiedenen Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten seitens des Herstellers. Das Via-Design als entscheidendes Element von Leiterplattenentwurf, ist für die Leistung der Leiterplatten und die Effizienz der Fertigung von entscheidender Bedeutung. Im Folgenden finden Sie unsere Analyse häufiger Fehler beim Design von Durchkontaktierungen sowie der Einschränkungen des Fertigungsprozesses.

Grundbegriffe zu Durchkontaktierungen in Mehrschicht-Leiterplatten

Beim Entwurf von Leiterplatten (PCB) sind Durchkontaktierungen ein entscheidendes Element. Einfach ausgedrückt sind Durchkontaktierungen kleine metallisierte Löcher in einer mehrschichtige Leiterplatte Sie dienen dazu, Leiterbahnen zwischen verschiedenen Schichten zu verbinden. Diese Löcher stellen nicht nur elektrische Verbindungen her, sondern dienen auch als Befestigungs- oder Positionierungslöcher für Bauteile. Je nach Herstellungsverfahren werden Vias hauptsächlich in drei Typen unterteilt: Blind-Vias, Buried-Vias und Durchkontaktierungen.

Die Funktion von Durchkontaktierungen in Mehrschicht-Leiterplatten

Elektrischer Anschluss	Bei mehrschichtigen Leiterplatten müssen die Schaltkreise zwischen den verschiedenen Schichten über Durchkontaktierungen verbunden werden. Diese Verbindungsmethode gewährleistet eine stabile Signalübertragung und verringert Signaldämpfung und Störungen.
Befestigung und Positionierung von Bauteilen	Neben elektrischen Verbindungen dienen Durchkontaktierungen auch dazu, Bauteile zu befestigen und zu positionieren. Durch das Bohren von Löchern in die Leiterplatte und das Einführen der Bauteileinsätze lassen sich Bauteile fest montieren.

gemäß den Konstruktionsvorgaben für mehrschichtige Leiterplatten

Auf Leiterplatten werden Vias häufig verwendet, um Schaltkreise auf verschiedenen Ebenen miteinander zu verbinden. Wenn Sie sich beim Layout und Entwurf der Leiterplatte nicht an die Spezifikationen für Durchkontaktierungen halten, können Vias zu einem Engpass im Fertigungsprozess werden. Die Einhaltung der Spezifikationen kann Produktionsprobleme verhindern und die Qualität sowie Zuverlässigkeit der Leiterplatte gewährleisten.

Blindlöcher vermeiden	Blindlöcher verbinden nur eine Schicht. Wenn mehrere andere Schichten durchdrungen werden müssen, müssen die inneren Teile gebohrt oder mit dem Laser gebohrt werden. Aufgrund der hohen Herstellungskosten und der Komplexität des Verfahrens sollten Blindlöcher so weit wie möglich vermieden werden.
Stellen Sie die richtigen Mezzanine- und Crossover-Einstellungen ein	Um Kurzschlüsse zwischen verschiedenen Schichten beim Leiterplattenentwurf zu vermeiden, müssen geeignete Regeln für Zwischenlagen und Durchkontaktierungen festgelegt werden. Die Regeln für Durchkontaktierungen legen den Mindestabstand zwischen den Durchkontaktierungen fest und berücksichtigen zudem bestimmte Aspekte hinsichtlich der Reihenverlegung, der Verdrahtung und des Abstands zwischen den Zwischenlagen.
Wählen Sie den richtigen Via-Typ aus	Bei der Auswahl von Durchkontaktierungen muss ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Zuverlässigkeit für den Verbraucher gefunden werden. Für die einfachsten Leiterplatten, die an beiden Enden Verbindungen erfordern, eignen sich Durchkontaktierungen mit Durchgangslöchern. Bei Leiterplatten mit hoher Bestückungsdichte können Durchkontaktierungen mit Durchgangslöchern, Blindkontaktierungen und eingebettete Durchkontaktierungen in Betracht gezogen werden.
Bohrung für Erdungsklemme	Durch die Einbindung von Erdungslösungen wie Erdungsklemmenlöchern in den Schaltplan lässt sich die elektromagnetische Verträglichkeit wirksam verbessern und die Ansammlung statischer Elektrizität verringern.

Mehrschicht-Leiterplatten in jeder beliebigen Größe gestaltet werden?

Schauen wir uns zunächst einmal an, wie die Löcher auf einer Leiterplatte hergestellt werden. Zunächst verwenden Leiterplattenhersteller in der Materialvorbereitungsphase automatische Schneidemaschinen, um große kupferkaschierte Laminate in Substrate bestimmter Größen zu schneiden, die den Produktionsanforderungen entsprechen. Anschließend bohren CNC-Bohrmaschinen präzise Löcher an den vorgesehenen Stellen in die kupferkaschierten Laminate. Da der Bohrer der Bohrmaschine rund ist, kann er nur runde Löcher bohren und keine quadratischen Löcher erzeugen.

Nehmen Geyuan Electronics Beispielsweise handelt es sich bei den für die Leiterplattenbearbeitung verwendeten Bohrern um mechanische Bohrer, deren Bohrerspezifikationen in Schritten von 0,05 mm zunehmen oder abnehmen. Ihre Rundlochbohrer reichen von 0,15 mm bis 6,30 mm, ihr kleinster Schlitzbohrer hat einen Durchmesser von 0,65 mm (geeignet für metallisierte Schlitze) und ihr kleinster Schlitzfräser hat einen Durchmesser von 1,0 mm (geeignet für nicht metallisierte Schlitze). Daher können Durchkontaktierungen beim Entwurf einer Leiterplatte nicht in beliebiger Größe ausgelegt werden.

Entwurf und Herstellung von Durchkontaktierungen für mehrschichtige Leiterplatten Prozessgrenzwertanalyse

Mechanisches Bohren und Laserbohren	Der Mindestdurchmesser eines mechanischen Bohrers beträgt in der Regel 0,3 mm; beim Laserbohren lassen sich Durchmesser von 0,15 mm oder sogar noch kleinere erzielen, was jedoch die Bearbeitungskosten erheblich erhöht.
Grenzwert für das Seitenverhältnis (Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser)	Wenn das Verhältnis von Plattendicke zu Lochdurchmesser (Tiefen-Durchmesser-Verhältnis) zu groß ist, gilt: Je kleiner das Loch, desto ungleichmäßiger ist die Kupferbeschichtung an der Lochwand. Wenn die Lochtiefe das 6-fache des Lochdurchmessers überschreitet oder das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser 10:1 übersteigt, kommt es sehr leicht dazu, dass an den Lochwänden kein Kupfer vorhanden ist, der Bohrer bricht oder die Beschichtung fehlschlägt. .
Lochabstand und Sicherheitsabstand	Wenn zwei Löcher zu nahe beieinander liegen, ist das Material beim Bohren zu dünn, und der Bohrer bricht aufgrund ungleichmäßiger Belastung. Zwischen dem Lochrand und der Verdrahtung der inneren Schicht bzw. benachbarten Löchern sollte ein Sicherheitsabstand eingehalten werden (in der Regel sollte der Abstand zwischen der Schleife und der Leiterbahn mehr als 3 mil bis 6 mil betragen).

Häufige Fehler bei der Gestaltung und Tipps

Das blinde Streben nach extrem kleinen Blendenöffnungen	Bei Nicht-Hochgeschwindigkeitsschaltungen oder herkömmlichen Mehrschichtplatinen ist der Einsatz von Mikrovias oder vergrabenen Blind-Vias höherer Ordnung nicht zwingend erforderlich, da dies sonst zu einem Rückgang der Produktionsausbeute und einem exponentiellen Kostenanstieg führen würde.
Vias und Pads können synonym verwendet werden (Vias können direkt auf Pads aufgebracht werden).	Werden Durchkontaktierungen direkt auf den Kontaktflächen der Bauteile platziert, kann dies dazu führen, dass die Lötpaste beim Reflow-Löten entlang der Durchkontaktierungen abfließt, was zu einer unzureichenden Lötverbindung oder sogar zum “Tombstone”-Phänomen bei den Bauteilen führen kann.
Der Ring ist zu klein	Ist die Breite des Kupferrings um die Lötfläche herum nicht ausreichend, kann dies leicht dazu führen, dass das Loch bricht (das Kupfer im Loch bricht) oder die Lötfläche abfällt, wenn die Bohrung nur geringfügig daneben liegt.
Abweichung bei der Ausrichtung von Blindlöchern in mehrschichtigen Bauteilen	Ist die Positioniergenauigkeit unzureichend oder kommt es beim Laminieren und Bohren von Leiterplatten mit hoher Schichtenzahl zu ungleichmäßigen thermischen Ausdehnungen und Kontraktionen, kann dies zu einer Fehlausrichtung der gestapelten Durchkontaktierungsmitten, plötzlichen Impedanzänderungen oder Signalunterbrechungen führen.

Überlegungen zur Konstruktion kleiner Bohrungen beim Design von Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

Ab welcher Größe gilt ein Loch als kleines Loch? Im Allgemeinen wird 0,3 mm als Grenzwert herangezogen; Löcher, die kleiner als 0,3 mm sind, gelten als kleine Löcher. Je kleiner die Durchkontaktierung ist, desto schwieriger ist ihre Bearbeitung, insbesondere wenn die Größe der Durchkontaktierung nahe an der Prozessgrenze liegt. Hier kommt der in der Branche gebräuchliche Begriff “Seitenverhältnis” ins Spiel. Was ist das Seitenverhältnis? Einfach ausgedrückt ist es das Verhältnis der Leiterplattenstärke zum Durchmesser der Durchkontaktierung. Je größer das Seitenverhältnis, desto höher ist der Bearbeitungsaufwand. Mit anderen Worten: Je kleiner die Durchkontaktierung, desto schwieriger ist ihre Bearbeitung.

Schwer zu galvanisieren	Je kleiner die Durchkontaktierungen werden, desto schwieriger ist es aufgrund der geringeren Öffnung, die Kupferschicht beim Galvanisieren gleichmäßig abzuscheiden, was leicht zu Problemen wie fehlendem Kupfer in der Durchkontaktierung oder fehlerhaften Durchkontaktierungen führen kann. Kurz gesagt: Je kleiner die Durchkontaktierung, desto geringer ist die Durchschlagsrate beim Kupfergalvanisieren.
Geringe Verarbeitungseffizienz	Je kürzer die effektive Länge eines Lochbohrers ist, desto weniger Leiterplatten können in derselben Charge gebohrt werden, was sich direkt auf die Produktionseffizienz auswirkt. Um einen Bruch des Bohrers zu verhindern, muss beim Bohren von Löchern die Vorschubgeschwindigkeit verringert und die Spindeldrehzahl erhöht werden. Dieser Vorgang verlängert nicht nur die Bearbeitungszeit, sondern beschleunigt auch den Verschleiß des Bohrers. Daher sollten bei der Leiterplattenkonstruktion die Durchkontaktierungsgrößen idealerweise größer als 0,3 mm sein, um die Bearbeitungseffizienz zu gewährleisten und Kosten zu senken. Pinhole-Bohrungen sollten nur in Betracht gezogen werden, wenn der Platz begrenzt ist.
Problem mit dem Außendurchmesser	Bei der Auslegung von Durchkontaktierungen oder Lötlöchern müssen die Maßvorgaben für den Innen- und Außendurchmesser berücksichtigt werden. Diese Parameter wirken sich unmittelbar auf die Herstellungsprozess von Leiterplatten. Am Beispiel von Geyuan Electronics betragen die Mindestbearbeitungsparameter für doppelseitige und mehrschichtige Leiterplatten einen Innendurchmesser von 0,15 mm und einen Außendurchmesser von 0,25 mm.
Problem der Der Schweißring ist zu klein	Ist der Löt ring zu klein, kann es während der Fertigung aufgrund von Abweichungen der Bohrgeräte und Ausrichttoleranzen zu einer Fehlausrichtung zwischen dem Bohrloch und der Mitte des Lötpads auf der Folie kommen, was zu exzentrischen Bohrlöchern führt. Diese Fehlausrichtung verringert die effektive Fläche der Lötpads, erhöht das Risiko von Fertigungsfehlern und kann sogar zu Ausfällen der elektrischen Verbindungen führen. Daher ist die richtige Auslegung der Größe des Lötkreises und die Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen entscheidend für die Gewährleistung der Qualität und Zuverlässigkeit der Leiterplatte.

Mehrschichtig Techniken zur Gestaltung von Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

Im Folgenden finden Sie Tipps zum Via-Design für mehrschichtige Leiterplatten, zusammengestellt vom Ingenieurteam von Geyuan Electronics. .

• Bei der Herstellung von Standard-Durchgangslöchern mit einem mechanischen Bohrer ist zu beachten, dass die zulässige Mindestgröße des Bohrers von der Dicke der Leiterplatte abhängt. So schreiben Leiterplattenhersteller beispielsweise in der Regel vor, dass das Seitenverhältnis ihrer Bohrlöcher 10:1 nicht überschreiten darf. Das bedeutet, dass Sie bei einer 62-mil-dicken Leiterplatte einen Bohrer mit einer Mindestgröße von 6 mil oder 0,006 Zoll verwenden sollten. Wenn Sie kleinere Löcher benötigen, sollten Sie den Einsatz von Microvias mit einem Seitenverhältnis von 1:1 in Betracht ziehen.

• Obwohl Durchkontaktierungen kurz sind, stellen sie dennoch eine messbare Leiterlänge dar, was bei strengen Anforderungen an die Signalintegrität zu Problemen führen kann. Beispielsweise würde eine Durchkontaktierung, die die beiden obersten Schichten einer zehnschichtigen Leiterplatte verbindet, acht Schichten unnötigen Metalls aufweisen, die Störungen verursachen könnten.

• Die Größe der Via-Pads ist wichtig; Sie müssen sicherstellen, dass nach dem Bohren ein ausreichend großer Ring zurückbleibt. Mechanische Bohrer schwanken beim Bohren leicht, und ohne einen ausreichenden Ring kann die Via durch einen Bohrerbruch beschädigt werden.

• In dicht bestückten Bereichen einer Leiterplatte müssen Entwickler darauf achten, dass sie Leiterbahnen oder Rückleitungswege der Masseebene nicht durch Durchkontaktierungen blockieren. Aus diesem Grund ist der Einsatz von Blind-Vias und Mikro-Vias bei der Planung von BGA-Fluchtwegen von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass jeder Pin verlegt werden kann, ohne wichtige Leiterbahnen und Ebenen unterhalb des Bauteils zu behindern. Wählen Sie versetzte Durchkontaktierungen anstelle von gestapelten Durchkontaktierungen, da gestapelte Durchkontaktierungen ein Füllen und eine Planarisierung erfordern – ein zeitaufwändiger und kostspieliger Prozess.

• Legen Sie kontrollierte Tiefen für Sacklöcher und vergrabene Löcher fest.

• Durch die Minimierung des Seitenverhältnisses von Hochgeschwindigkeits-Vias werden Signalreflexionen vermieden. Dies sorgt für eine bessere elektrische Leistung und Signalintegrität, geringeres Rauschen und weniger Übersprechen sowie eine Verringerung von EMI/RFI.

• Verwenden Sie kleinere Durchkontaktierungen, insbesondere bei HDI-Leiterplatten, um Streukapazitäten und -induktivitäten zu minimieren.

• Die Durchkontaktierungen in den Pads müssen verfüllt werden, es sei denn, sie befinden sich innerhalb der Wärmeleitpads.

• BGA-Montagepads können mithilfe von Blind-Vias und Durchkontaktierungen angeordnet werden, vorausgesetzt, diese Vias werden verfüllt und planarisiert. Werden sie nicht planarisiert, kann dies die Lötstellen beeinträchtigen.

• In das Wärmeleitpad unterhalb des QFN werden Durchgangslöcher eingebracht, um den Lötfluss zur leitfähigen Ebene zu erleichtern. Diese Durchgangslöcher sorgen für eine sichere Lötverbindung der Wärmeleitpads und verhindern so, dass das Lot während der Montage über das Gehäuse fließt. Dies kann die Qualität der Lötverbindungen an den QFN-Kontakten beeinträchtigen.

• Montagebetriebe können das Fehlen von Durchgangslöchern in den Wärmeleitpads ausgleichen, indem sie in der Lötpastenschablone über den Pads eine fensterförmige Öffnung anbringen, wodurch sich Lötzinnansammlungen und Entlüftungseffekte verringern.

• Überprüfen Sie den Mindestabstand zwischen den Leiterbahnen und Durchkontaktierungen sowie den Rändern der Leiterbahnstruktur bzw. der Ritzstruktur.

• Bei einem BGA-Gehäuse sollten Sie die Position der Durchkontaktierungen überprüfen.

• Jede Durchkontaktierung ist durch eine vordefinierte kurze Leiterbahn von ihrem Kontaktfeld getrennt. Überprüfen Sie, ob für die Durchkontaktierungen unter dem BGA eine Maskenlücke vorgesehen ist.

Qualitätskontrolle von Durchkontaktierungen in Mehrschicht-Leiterplatten

Um die Qualität von Leiterplatten-Durchkontaktierungen sicherzustellen, müssen folgende Aspekte kontrolliert werden:

Materialauswahl	Es werden hochwertige Blech- und Kupferfolienmaterialien ausgewählt, um die Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit der Durchkontaktierungen zu gewährleisten.
Verarbeitungstechnik	Zur Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Durchkontaktierungen kommen fortschrittliche Bohr- und Verkupferungsverfahren zum Einsatz.
Erkennung und Prüfung	Nach der Bearbeitung werden die Durchkontaktierungen einer strengen Prüfung und Testreihe unterzogen, darunter elektrische Leistungsprüfungen und mechanische Festigkeitsprüfungen, um sicherzustellen, dass sie den Konstruktionsanforderungen und den Einsatzanforderungen entsprechen.

Geyuan Electronics ist ein professioneller Hersteller von mehrschichtigen Leiterplatten.

Geyuan Electronics ist nun in der Lage, hochschichtige Leiterplatten mit 6 bis 32 Schichten herzustellen. Dank unserer selbst entwickelten Technologie für extrem hohe Schichtzahlen und unserer In-Pad-Via-Technologie können unsere Leiterplatten bis zu 32 Schichten aufweisen, mit einem minimalen Lochdurchmesser von 0,15 mm und einer minimalen Leiterbahnbreite sowie einem minimalen Leiterbahnabstand von 0,0762 mm, wodurch Hunderte von Laminatstrukturen unterstützt werden. Insbesondere bei allen hochschichtigen Leiterplatten mit 6 oder mehr Schichten kommt bei unserer In-Pad-Via-Technologie eine Kombination aus Harzverfüllung und galvanischer Abdeckung zum Einsatz, wodurch Durchkontaktierungen direkt auf den Pads platziert werden können, was zu einer glatteren Pad-Oberfläche und mehr Platz für die Leiterbahnführung führt. Um die Leiterplattenqualität sicherzustellen, führen wir einen Vierdraht-Niederohmtest durch, um die Kupferbeschichtung an den Durchkontaktierungswänden zu prüfen. Im Vergleich zu herkömmlichen Prüfverfahren bietet der Vierdraht-Niederohmtest eine höhere Genauigkeit und kann fehlerhafte Durchkontaktierungen besser erkennen, wodurch die Zuverlässigkeit und Qualität des Produkts gewährleistet wird. Wenn Sie einen professionellen Hersteller für mehrschichtige Leiterplatten für die Serienfertigung und kundenspezifische Anpassungen benötigen, kontaktieren Sie uns bitte, um unsere Dienstleistungen in Anspruch zu nehmen.

Zusammenfassen

Dieser Artikel fasst nicht nur die Spezifikationen für das Via-Design bei mehrschichtigen Leiterplatten zusammen, sondern analysiert auch häufige Fehler und Prozessgrenzen beim Via-Design von mehrschichtigen Leiterplatten. Ein korrektes Via-Design ist nicht nur eine Voraussetzung für die Herstellung hochwertiger mehrschichtiger Leiterplatten, sondern auch entscheidend für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit der Leiterplatten. Um die Produktionskosten zu senken und Probleme bei der Leiterplattenherstellung zu vermeiden, ist es notwendig, korrekte Spezifikationen für die Via-Auslegung und Produktionsprozesse festzulegen. Die Wahl des richtigen Via-Verfahrens ermöglicht eine bessere Anpassung an unterschiedliche Layouts und Designs und gewährleistet so die Leistung und Qualität der Leiterplatten. Wenn Sie eine Serienfertigung von mehrschichtigen Leiterplatten benötigen, Bitte wenden Sie sich an Geyuan Electronics um Hilfe.