دفن شده از طریق تکنولوژی در PCB های چند لایه: رانندگی کوچک سازی و یکپارچگی سیگنال

In the race to pack more functionality into smaller electronics—from 5G smartphones to medical implants—multilayer PCBs rely on innovative via technologies to maximize density without sacrificing performanceدر میان این موارد، دفن از طریق تکنولوژی به عنوان یک عامل مهم برجسته می شود، به مهندسان اجازه می دهد تا لایه های داخلی را بدون مصرف فضای ارزشمند در سطوح بیرونی متصل کنند.با از بین بردن سوراخ های داخل که تمام تخته را سوراخ می کنند، ویاس های دفن شده، چگالی بیشتر قطعات، مسیرهای سیگنال کوتاه تر و مدیریت بهتر حرارتی را باز می کنند.این راهنما بررسی می کند که چگونه دفن از طریق فن آوری کار می کند، مزایای آن در PCB های پیشرفته، چالش های تولید و راه حل هایی برای اطمینان از کیفیت ثابت.

راه های دفن شده چیست؟
ویاس های دفن شده مسیرهای رسانا هستند که فقط لایه های داخلی PCB چند لایه را به هم متصل می کنند و به طور کامل در هسته صفحه پنهان می شوند (هیچ گونه نوردهی در لایه های بیرونی وجود ندارد).بر خلاف ویاس های سوراخ (که تمام لایه ها را پوشش می دهند) یا ویاس های کور (که لایه های بیرونی را به لایه های داخلی متصل می کنند)، ویاس های دفن شده به طور کامل در طول لایه بندی گنجانده می شوند و آنها را در PCB نهایی نامرئی می کنند.

ویژگی های کلیدی:
1مکان: کاملاً در درون لایه های داخلی؛ بدون تماس با سطوح مس بیرونی.
2اندازه: به طور معمول 0.1 ~ 0.3mm قطر (کوچکتر از ویاس های سوراخ) ، که اجازه می دهد طرح های چگالی بالا.
3ساخت و ساز: قبل از لایه بندی در لایه های داخلی جداگانه حفاری می شود، سپس با مس پوشانده می شود و با اپوکسی یا خمیر رسانا پر می شود تا یکپارچگی ساختاری را تضمین کند.

چگونه ویاس های دفن شده طراحی PCB چند لایه را تغییر می دهند
دفن از طریق تکنولوژی به دو نقطه درد حیاتی در طراحی PCB مدرن می پردازد: محدودیت های فضایی و تخریب سیگنال.

1حداکثر کردن تراکم تخته
با محدود کردن ویاس ها به لایه های داخلی، ویاس های دفن شده لایه های خارجی را برای اجزای فعال (به عنوان مثال، BGA، QFP) و میکروویاس ها آزاد می کنند.افزایش تراکم قطعات به میزان 30٪ تا 50٪ در مقایسه با طرح هایی که فقط از ویاس های سوراخ استفاده می کنند.

مثال: یک PCB 5G 12 لایه ای با استفاده از ویاس های دفن شده می تواند 20٪ بیشتر از قطعات در همان اثر پا به عنوان یک طراحی سوراخ، امکان ماژول های ایستگاه پایه کوچکتر را فراهم کند.

2. افزایش یکپارچگی سیگنال
مسیرهای سیگنال طولانی و پیچ و تاب در طرح های سوراخ باعث از دست دادن سیگنال، crosstalk و مسائل مهم برای سیگنال های فرکانس بالا (28GHz +) می شود.ویاس های دفن شده مسیرهای سیگنال را با اتصال مستقیم لایه های داخلی کوتاه می کنند، کاهش:

a. تاخیر در گسترش: سیگنال ها بین لایه های داخلی 20 تا 30 درصد سریعتر حرکت می کنند.
b.Crosstalk: محدود کردن ردیف های با سرعت بالا به لایه های داخلی (که توسط سطوح زمینی جدا شده اند) اختلال را 40٪ کاهش می دهد.
c. عدم تطابق امپدانس: کوتاه تر از طریق stubs بازتاب در رابط های با سرعت بالا را به حداقل می رساند (به عنوان مثال، PCIe 6.0، USB4).

3بهبود مدیریت حرارتی
ویاس های دفن شده زمانی که با اپوکسی یا مس رسانا پر می شوند، به عنوان "ویاس های حرارتی" عمل می کنند و گرما را از لایه های داخلی داغ (به عنوان مثال، IC های مدیریت برق) به لایه های بیرونی یا بخاری ها منتقل می کنند.این باعث کاهش نقاط گرم در 15-25 °C در PCB های فشرده شده می شود، طول عمر قطعات را افزایش می دهد.

کاربردها: جایی که ویاس های دفن شده درخشان هستند
دفن از طریق تکنولوژی در صنایع مورد نیاز برای کوچک سازی، سرعت و قابلیت اطمینان ضروری است. در اینجا موارد استفاده کلیدی وجود دارد:
15G و مخابرات
ایستگاه های پایه و روترهای 5G نیاز به PCB هایی دارند که سیگنال های ام ام ویو 2860GHz را با حداقل از دست دادن مدیریت می کنند.

a. امکان طراحی لایه های 10+ با فاصله ردیابی تنگ (2-3 میلی متر) برای مسیرهای فرکانس بالا.
ب. پشتیبانی از مجموعه های متراکم از اجزای RF (به عنوان مثال تقویت کننده های قدرت، فیلترها) در محفظه های فشرده.
c. کاهش از دست دادن سیگنال در مدارهای شکل گیری پرتو، که برای گسترش پوشش 5G حیاتی است.

2الکترونیک مصرفی
تلفن های هوشمند، پوشیدنی ها و تبلت ها به ویاس های دفن شده برای بسته بندی ویژگی های بیشتر (کیمراها، مودم های 5G، باتری ها) در طرح های باریک تکیه می کنند:

a.یک PCB هوشمند معمولی از 812 لایه با صدها ویاس دفن شده استفاده می کند، که ضخامت آن را 0.3 mm کاهش می دهد.
ب.برق های پوشیدنی (به عنوان مثال ساعت های هوشمند) از ویاس های دفن شده برای اتصال آرایه های سنسور بدون افزایش اندازه دستگاه استفاده می کنند.

3دستگاه های پزشکی
ابزارهای پزشکی کوچک (به عنوان مثال، اندوسکوپ ها، سازنده های قلب) نیاز به PCB هایی دارند که کوچک، قابل اعتماد و سازگار با زیست هستند:

a.ویاس های دفن شده باعث می شوند که PCB های 16+ لایه در اندوسکوپ ها، سنسورهای تصویربرداری و فرستنده های داده را در شاخه های قطر 10 میلی متر قرار دهند.
ب.در دستگاه های ایجاد ضربان قلب، ویاس های دفن شده EMI را از طریق جدا کردن ردی های قدرت ولتاژ بالا از مدار های حسگر حساس کاهش می دهند.

4الکترونیک خودرو
ADAS (سیستم های پیشرفته کمک راننده) و سیستم های مدیریت قدرت EV نیاز به PCB های محکم و فشرده دارند:

الف.بخش های دفن شده 12 تا 20 لایه را در ماژول های رادار ADAS متصل می کنند و از عملکرد 77 گگاهرتز در فضاهای تنگ زیر هود پشتیبانی می کنند.
ب.در سیستم های مدیریت باتری خودرو، ویاس های دفن شده باعث بهبود رسانایی حرارتی می شوند و از گرم شدن بیش از حد در مسیرهای جریان بالا جلوگیری می کنند.

چالش های تولید ویاس های دفن شده
در حالی که ویاس های دفن شده مزایای قابل توجهی را ارائه می دهند، تولید آنها پیچیده تر از ویاس های سنتی است، که نیاز به دقت و فرآیندهای پیشرفته دارد:
1. تراز لايه
ویاس های دفن شده باید با پد های هدف در لایه های داخلی مجاور در محدوده ±5μm هماهنگ شوند تا از باز شدن یا کوتاه شدن جلوگیری شود. حتی عدم هماهنگی جزئی (10μm +) در 10+ صفحه لایه می تواند ویاس را بی فایده کند.

راه حل: تولید کنندگان از سیستم های تراز نوری خودکار (AOI) در طول لایه بندی استفاده می کنند، با اعتبارات مرجع در هر لایه برای اطمینان از دقت.

2دقت حفاری
ویاس های دفن شده نیاز به قطر های کوچک (0.1 × 0.3 میلی متر) و نسبت ابعاد بالا (عمق / قطر = 3: 1 یا بیشتر) دارند ، که حفاری مکانیکی را به دلیل فرسایش و حرکت ابزار غیر عملی می کند.

راه حل: حفاری لیزری (لیزر UV یا CO2) به دقت موقعیت ±2μm و سوراخ های تمیز و بدون سوراخ می رسد که برای ویاس های کوچک در PCB های فرکانس بالا حیاتی است.

3. یکنواختی پوشش
پوشش مس در داخل ویاس های دفن شده باید یکنواخت باشد (25μm ضخامت) برای اطمینان از رسانایی و قدرت ساختاری. پوشش نازک می تواند باعث باز شدن شود؛ پوشش ضخیم ممکن است مسیر را مسدود کند.

راه حل: پوشش مس بدون برق و سپس پوشش الکترولیتی، با نظارت بر ضخامت در زمان واقعی از طریق فلورسنت اشعه ایکس (XRF).

4هزینه و پیچیدگی
دفن از طریق تولید مراحل (حفر پیش لایه بندی ، پر کردن ، پوشش) را اضافه می کند که زمان تولید و هزینه را در مقایسه با طرح های سوراخ 20-30٪ افزایش می دهد.

راه حل: طرح های ترکیبی (جمع آوری ویاس های دفن شده برای لایه های داخلی و ویاس های کور برای لایه های بیرونی) تراکم و هزینه را برای برنامه های کاربردی متوسط متعادل می کنند.

بهترین روش ها برای دفن از طریق اجرای
برای استفاده موثر از لوله های دفن شده، این دستورالعمل های طراحی و تولید را دنبال کنید:
1طراحی برای تولید (DFM)
a. اندازه ویاس در مقابل تعداد لایه ها: برای PCB های 10+ لایه، از ویاس های دفن شده 0.15 ∼0.2 میلی متر برای تعادل تراکم و قابلیت تولید استفاده کنید. ویاس های بزرگتر (0.2 ∼0.3 میلی متر) برای 6 ∼8 صفحه لایه بهتر است.
ب. فاصله گذاری: از طریق قطر بین ویاس های دفن شده 2 × 3x را حفظ کنید تا از مشکلات عبور سیگنال و پوشش جلوگیری شود.
c. برنامه ریزی استاک اپ: هواپیماهای قدرت / زمین را در کنار لایه های سیگنال با ویاس های دفن شده قرار دهید تا محافظ و انتقال حرارتی افزایش یابد.

2انتخاب مواد
a.سربست ها: برای طرح های فرکانس بالا از لامینات FR-4 با Tg بالا (Tg ≥170 °C) یا لامینات با از دست دادن کم (به عنوان مثال Rogers RO4830) استفاده کنید، زیرا آنها در طول لامیناسیون مقاومت در برابر انحراف دارند.
مواد پرکننده: ویاس های دفن شده پر از اپوکسی برای اکثر برنامه ها کار می کنند؛ پر کردن پیست رسانا برای مدیریت حرارتی در PCB های قدرت بهتر است.

3کنترل کیفیت
a. بازرسی: از بازرسی اشعه ایکس برای تأیید از طریق پوشش ، تراز و پر کردن (بدون حفره) استفاده کنید. میکروسکشن (تحلیل قطعه متقاطع) برای یکسانی پوشش بررسی می شود.
ب.بررسی: انجام آزمایش پیوستگی بر روی 100٪ از ویاس های دفن شده با استفاده از تست کننده های هواپیمایی برای گرفتن باز یا کوتاه.

مطالعه موردی: ویاس های دفن شده در یک PCB 5G 16 لایه ای
یک تولید کننده مخابراتی پیشرو به یک PCB 16 لایه برای یک ماژول 5G mmWave نیاز داشت، با الزامات:

a. مسیرهای سیگنال 28GHz با از دست دادن <1dB در هر اینچ.
b. تراکم اجزای: 200+ اجزای در هر اینچ مربع (از جمله BGA های 0.4mm-pitch).
c. ضخامت: <2.0mm.

راه حل:

a. استفاده شده از 0.2 میلی متر ویاس های دفن شده برای اتصال لایه های سیگنال داخلی ( لایه های 3-14) ، کاهش طول مسیر سیگنال 40٪.
b.در ترکیب با ویاس های کور 0.15 میلی متری برای لایه های بیرونی (1 ′′2، 15 ′′16) برای اتصال BGA.
ج.فایوس های لیزر سوراخ شده با پوشش مس بدون برق (30μm ضخامت) و پر کردن اپوکسی.

نتیجه:

a.از دست دادن سیگنال به 0.8dB/اینچ در 28GHz کاهش یافته است.
b. ضخامت تخته به 1.8mm رسید، 10٪ کمتر از هدف.
c. بهره وری از اولین عبور از 65٪ (با استفاده از ویاس های سوراخ) به 92٪ با ویاس های دفن شده بهبود یافته است.

آینده دفن شده ها از طریق تکنولوژی
با افزایش تعداد لایه های PCB (20+ لایه) و کوچک شدن ارتفاع اجزای (<0.3 میلی متر) ، دفن از طریق فناوری برای پاسخگویی به خواسته های جدید تکامل خواهد یافت:

a.پوشک های کوچکتر: 0.05 ≈ 0.1mm قطر، با استفاده از حفاری پیشرفته لیزر.
b.3D ادغام: ویاس های دفن شده در ترکیب با میکروویاس های انباشته شده برای بسته بندی 3D، کاهش عامل فرم به میزان 50٪ در دستگاه های IoT.
c. طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: ابزارهای یادگیری ماشین برای بهینه سازی از طریق قرار دادن، کاهش crosstalk و اشتباهات تولید.

سوالات عمومی
س: چه تفاوتی بین لوله های دفن شده و لوله های کور وجود دارد؟
A: ویاس های دفن شده فقط لایه های داخلی را به هم متصل می کنند و کاملاً پنهان هستند، در حالی که ویاس های کور لایه های بیرونی را به لایه های داخلی متصل می کنند و تا حدودی در سطح صفحه دیده می شوند.

س: آیا لوله های دفن شده برای PCB های قدرتمند مناسب هستند؟
A: بله، هنگامی که با خمیر رسانا پر می شوند، ویاس های دفن شده باعث افزایش رسانایی حرارتی می شوند و می توانند جریان متوسط (تا 5A) را حمل کنند. برای قدرت بالا (10A +) ، از ویاس های دفن شده بزرگتر (0.3mm+) با پوشش مس ضخیم.

س: هزینه ی پرداختی برای ویاس های دفن شده چقدر است؟
A: ویاس های دفن شده به دلیل مراحل پردازش اضافی 20٪ تا 30٪ هزینه PCB را اضافه می کنند، اما این اغلب با کاهش اندازه صفحه و بهبود عملکرد جبران می شود.

س: آیا می توان از ویاس های دفن شده در PCB های انعطاف پذیر استفاده کرد؟
ج: بله، اما با احتیاط. ویاس های دفن شده در PCB های انعطاف پذیر (با استفاده از زیربناهای پلی آمید) نیاز به پر کردن اپوکسی نازک و انعطاف پذیر دارند تا از ترک شدن در هنگام خم شدن جلوگیری شود.

نتیجه گیری
دفن شده از طریق فناوری، سنگ بنای طراحی PCB چند لایه مدرن است، که امکان کوچک سازی و عملکرد مورد نیاز برای 5G، الکترونیک پزشکی و خودرو را فراهم می کند.در حالی که چالش های تولید وجود دارد، دقت حفاری، هزینه آنها با فرآیندهای پیشرفته (حفر لیزر، بازرسی خودکار) و طراحی مد نظر مدیریت می شوند.

برای مهندسان، کلید این است که تراکم را با قابلیت تولید متعادل کنند، استفاده از ویاس های دفن شده برای کوتاه کردن مسیرهای سیگنال و فضای آزاد بدون پیچیدگی بیش از حد تولید.با شرکای مناسب و فرآیندهای مناسب، لوله های دفن شده طراحی PCB را از یک عامل محدود کننده به یک مزیت رقابتی تبدیل می کنند.

نکته کلیدی: ویاس های دفن شده فقط یک تکنیک تولید نیستند بلکه یک کاتالیزور برای نوآوری هستند، به مهندسان اجازه می دهند ساخت کوچکتر، سریعتر،و الکترونیک قابل اطمینان تر در یک جهان به طور فزاینده ای متصل.