Machen Sie Ihre Leiterplatte mit Durchkontaktierungen zuverlässiger

Elektronikhersteller verwenden mehrschichtige Leiterplatten (Leiterplatten) sorgen dafür, dass Schaltungen weniger Platz beanspruchen. Dadurch können mehr Bauteile auf der Oberseite der Leiterplatte untergebracht werden, und es entsteht Platz für Leiterbahnen auf den inneren Schichten. Durchkontaktierungen sind die einzige Möglichkeit, elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten herzustellen. Vias sind ein wesentlicher Bestandteil des Leiterplattendesigns, sie verändern jedoch auch die Art und Weise, wie das Löten funktioniert, und können Schwachstellen verursachen. Diese Schwachstellen können die Zuverlässigkeit der gesamten Leiterplatte beeinträchtigen. Wenn Designer jedoch gute Designregeln befolgen, können sie Vias einsetzen und dennoch eine zuverlässige Leiterplatte herstellen.

Was ist eine Via?

Eine Durchkontaktierung ist ein Loch in einer Leiterplatte, das eine oder mehrere Schichten durchdringt. Der Hersteller beschichtet das Loch mit Kupfer, sodass ein Zylinder entsteht. Die Enden dieses Zylinders werden mit bestimmten Leiterbahnen auf den Schichten verbunden. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt zwischen zwei Schichten hergestellt. Wenn eine Durchkontaktierung mehrere innere Schichten durchquert, können diese inneren Schichten bei Bedarf ebenfalls mit der Durchkontaktierung verbunden werden.

Es gibt drei Haupttypen von Durchkontaktierungen: Durchkontaktierungen, vergrabene Durchkontaktierungen und Blind-Durchkontaktierungen.

• Durchkontaktierungen durchqueren die gesamte Dicke der Leiterplatte. Sie beginnen auf der obersten Schicht und enden auf der untersten Schicht. Hersteller können Durchkontaktierungen je nach Bedarf veredeln oder nicht. Wenn es die Schaltung erfordert, ermöglicht eine veredelte Durchkontaktierung die Verbindung mit anderen inneren Schichten.
• Vergrabene Durchkontaktierungen durchqueren zwei oder mehr innere Schichten. Sie sind weder auf der Ober- noch auf der Unterseite sichtbar. Wenn es die Schaltung erfordert, können die Schichten, die eine vergrabene Durchkontaktierung überspannt, miteinander verbunden werden.
• Blinddurchkontaktierungen beginnen auf der obersten oder untersten Schicht und enden auf einer inneren Schicht. Auf ihrem Weg können sie mehrere innere Schichten durchqueren und bei Bedarf mit diesen verbunden werden.

Bei Leiterplatten mit hoher Verdrahtungsdichte (HDI) und flexiblen Leiterplatten kommt eine andere Art von Durchkontaktierungen zum Einsatz, die sogenannten Mikrovias. Mikrovias sind sehr klein. Sie werden mit einem Laser gebohrt. Jede Mikrovia durchdringt in der Regel nur eine Schicht. Mikrovias können übereinander gestapelt werden, um wie Durchkontaktierungen, Blindkontaktierungen oder vergrabene Kontaktierungen zu wirken.

Größe

Eine Durchkontaktierung wird mit zunehmendem Durchmesser stabiler und leitfähiger. Größere Durchkontaktierungen weisen eine höhere mechanische Festigkeit auf. Außerdem leiten sie mehr Strom und leiten Wärme besser ab. Die Verwendung großer Durchkontaktierungen verringert jedoch die freie Fläche auf der Leiterplatte. Dies kann das Verlegen der Leiterbahnen erschweren, wenn der Platz knapp ist.

Eine gängige Faustregel lautet, eine Mindestbohrgröße von 20 mil, einen Ringabstand von 7 mil und ein maximales Seitenverhältnis von 6:1 zu verwenden. Das Seitenverhältnis ergibt sich dabei aus der Leiterplattenstärke geteilt durch den Lochdurchmesser. Wenn Sie diese Werte einhalten, lässt sich die Durchkontaktierung leichter herstellen und ist für viele Anwendungen zuverlässiger.

Hitze und mechanische Beanspruchung

Wenn sich eine Leiterplatte während der Verarbeitung oder im Betrieb erwärmt, können Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Kupfer und dem Laminat zu Spannungen führen. Die Laminatstruktur der Leiterplatte begrenzt die Ausdehnung in der Ebene der Platine, doch in der Dicke kann sich die Platine freier ausdehnen oder zusammenziehen. Das bedeutet, dass in vertikaler Richtung größere Veränderungen auftreten können.

Beispielsweise dehnt sich ein FR4-Laminat etwa viermal so schnell aus oder zieht sich zusammen wie Kupfer. Jedes Mal, wenn sich die Leiterplatte erwärmt, wird der Kupferzylinder in der Durchkontaktierung daher stark beansprucht. Ist der Kupferzylinder nicht dick genug und die Leiterplatte dick, kann sich die Leiterplatte so weit ausdehnen, dass sie den Kupferzylinder zerreißt. Für eine 20-mil-Bohrung eignet sich ein Pad-Durchmesser von 34 mil gut. Mit diesem Pad und einer ausreichenden Wandstärke ist eine maximale Leiterplattenstärke von 120 mil aus Zuverlässigkeitsgründen sinnvoll.

Lötmittelverteilung und ihre Auswirkungen

Die Platzierung einer Durchkontaktierung ist genauso wichtig wie ihre Größe. Wenn eine Durchkontaktierung zu nah an einem Lötpad platziert wird, kann dies zu Lötproblemen führen. Das Hauptproblem ist dabei das Aufsaugen des Lötzinns.

Wenn man Lötpaste auf einer Durchkontaktierung und einem Pad erhitzt, saugt die Kapillarwirkung das Lot vom Pad in den Durchkontaktierungskanal. Das Lot fließt durch die Durchkontaktierung und sammelt sich am Boden. Dadurch verbleibt auf dem Pad zu wenig oder gar kein Lot. Eine größere Durchkontaktierung saugt Lötzinn schneller und in größerer Menge auf. Eine Verbindung mit zu wenig Lötzinn kann mechanisch instabil sein und einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen.

Hier sind drei gängige Methoden, um das Auslaufen von Lötzinn zu verhindern. Jede dieser Methoden kann gut funktionieren.

1. Lötmasken-Damm:
   Bringen Sie eine Lötmaskenebene zwischen der Durchkontaktierung und dem Pad an. Die Maske wirkt als Barriere und verhindert, dass Lötzinn in die Durchkontaktierung gelangt. Um einen ausreichend breiten Maskendamm unterzubringen, müssen Entwickler die Durchkontaktierung möglicherweise weiter vom Pad entfernt platzieren. Wenn die Leiterplatte bereits dicht bestückt ist oder Hochfrequenzsignale führt, ist es unter Umständen nicht möglich, die Durchkontaktierung zu versetzen.
2. Die Durchkontaktierung mit einer Abdeckung versehen:
   Wenn Sie die Durchkontaktierung nicht versetzen oder keinen Maskendamm hinzufügen können, können Sie die Durchkontaktierung abdecken. Das Abdecken bedeutet, die Durchkontaktierung mit einer Lötmaske zu bedecken, sodass die Oberseite der Durchkontaktierung vollständig versiegelt ist. Durch das vollständige Versiegeln einer Durchkontaktierung kann verhindert werden, dass Lötzinn in sie hineinfließt. Dies verhindert jedoch auch, dass die Durchkontaktierung als Testpunkt genutzt werden kann. Außerdem können mit der Zeit Verunreinigungen in eine abgedeckte Durchkontaktierung gelangen und den Kupferzylinder korrodieren, wenn die Abdeckung nicht perfekt ist.
3. Füllen der Durchkontaktierung:
   Sie können eine Durchkontaktierung vollständig füllen, bevor Sie sie plattieren. Die Füllung kann leitfähig oder nicht leitfähig sein. Eine vollständig versiegelte, gefüllte Durchkontaktierung bietet einen besseren Schutz vor Verunreinigungen. Die Füllung verringert zudem das Risiko des Lötzinn-Wickelns während der Bestückung. Gefüllte Durchkontaktierungen sind üblich, wenn Sie eine ebene Oberfläche für die Bestückung benötigen, beispielsweise unter BGAs, oder wenn Sie eine bessere thermische oder mechanische Leistung benötigen.

Wann sollte welche Methode verwendet werden?

• Verwenden Sie eine Lötmasken-Barriere, wenn Sie die Durchkontaktierung ein wenig verschieben können und auf der Platine genügend Platz vorhanden ist. Dies ist eine kostengünstige Lösung, die bei vielen Platinen funktioniert.
• Verwenden Sie eine Tenting-Verbindung, wenn der Platz knapp ist und Sie damit leben können, dass die Durchkontaktierung nicht als Testpunkt dient. Tenting ist kostengünstiger als das Verfüllen, bietet jedoch nur begrenzten Langzeitschutz vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen.
• Verwenden Sie gefüllte Durchkontaktierungen, wenn Sie ein optimales Ergebnis erzielen möchten. Gefüllte Durchkontaktierungen sind zwar teurer, bieten jedoch eine ebene Oberfläche für die Bestückung und verhindern das Eindringen von Lötzinn und Verunreinigungen. Wenn Sie viele Leiterplatten herstellen oder wenn die Leiterplatte unter rauen Bedingungen lange halten muss, ist das Füllen eine gute Wahl.

Weitere Faktoren für die Zuverlässigkeit

Durchkontaktierungen können auch andere Teile des Designs beeinflussen. So können sie beispielsweise Wärmeableitungswege verändern und Stellen erzeugen, an denen sich Spannungen konzentrieren. Befindet sich eine Durchkontaktierung in der Nähe einer Wärmeableitung oder einer Wärmequelle, verändert dies den Wärmefluss in der Leiterplatte. Dies kann die Lebensdauer der Bauteile beeinträchtigen und die Kühlleistung eines Bauteils verändern.

Durchkontaktierungen in der Nähe von Hochgeschwindigkeits- oder HF-Leitungen können ebenfalls zu Impedanzänderungen führen. Der Durchkontaktierungszylinder und das Durchkontaktierungspad erhöhen die Kapazität und Induktivität. Entwickler müssen die Signalintegrität überprüfen, wenn sich Durchkontaktierungen auf kritischen Pfaden befinden. HDI Und Microvias sind hier hilfreich, da sie klein sind und bei richtiger Platzierung weniger Einfluss auf Hochgeschwindigkeitssignale haben.

Wenn Sie eine Leiterplatte für ein Produkt entwickeln, das vielen Temperaturwechselzyklen ausgesetzt ist, oder für ein Produkt, das strenge Zuverlässigkeitstests bestehen muss, sollten Sie berücksichtigen, wie sich die Durchkontaktierungen im Laufe der Zeit verhalten werden. Verwenden Sie nach Möglichkeit eine dickere Zylinderbeschichtung. Verwenden Sie in HDI-Designs gestapelte oder versetzte Microvias, um die Belastung einer einzelnen Beschichtung zu reduzieren. Verwenden Sie geeignete Pad-Größen, damit die Leiterplatte das Kupfer während des Reflow-Lötens oder bei Temperaturwechselbeanspruchung nicht übermäßig belastet.

Für HDI- und flexible Leiterplatten

HDI-Leiterplatten und flexible Leiterplatten Mikrovias werden häufig verwendet. Mikrovias sind klein und weisen eine geringe Induktivität auf. Dies ist bei Hochgeschwindigkeits- und hochdichten Layouts von Vorteil. Jedes Microvia erreicht in der Regel nur eine innere Schicht. Hersteller verwenden Laserbohrer, um sie herzustellen. Sie können Microvias stapeln, um mehrere Schichten auf kleinem Raum zu verbinden. Gestapelte Microvias verhalten sich wie Blind- oder Buried-Vias, wenn man sie stapelt, und sie können dazu beitragen, Platz für die Leiterbahnführung auf anderen Schichten freizuhalten.

Bei flexiblen Leiterplatten kann die mechanische Biegung in der Nähe von Durchkontaktierungen zu Beschädigungen am Gehäuse führen, wenn die Durchkontaktierung nicht korrekt platziert ist. Versuchen Sie in Biegebereichen, Durchkontaktierungen von den Hauptbiegelinien fernzuhalten. Verwenden Sie spezielle Durchkontaktierungsdesigns und geeignete Materialhandhabung, um das Risiko von Rissen beim Biegen der Leiterplatte zu verringern.

Praktische Regeln und Beispiele

• Mindestbohrdurchmesser: 20 mil. Dies ist ein üblicher Mindestwert für die Standardfertigung. Kleinere Bohrer erfordern spezielle Verfahren und sind teurer.
• Ringbreite: 7 mil. Dadurch steht rund um die Bohrung ausreichend Kupfer für eine zuverlässige Verbindung und zum Löten zur Verfügung.
• Seitenverhältnis: auf 6:1 begrenzen. Dadurch bleibt die Beschichtungsqualität hoch. Ist die Leiterplatte dicker als der für die Lochgröße empfohlene Wert, kann die Trommelbeschichtung zu dünn ausfallen und versagen.
• Beispiel: Bei einem Bohrer von 20 mil sollte ein Pad-Durchmesser von etwa 34 mil verwendet werden. Dadurch entsteht ein ausreichend großer Ringabstand. Bei Leiterplatten mit einer Dicke von bis zu 120 mil ist diese Kombination in vielen Fabriken praktikabel.

Nehmen Sie diese Regeln als Ausgangspunkt. Die Grenzwerte können je nach Hersteller leicht variieren. Sprechen Sie frühzeitig mit Ihrem Boardhersteller, damit Sie Ihre Designentscheidungen an dessen zuverlässige Fertigungsmöglichkeiten anpassen können.

Hinweise zur Montage und Prüfung

Wenn Sie Tenting oder Füllungen verwenden, sollten Sie die Testbarkeit berücksichtigen. Mit Tenting versehene Durchkontaktierungen können nicht als Testpunkte dienen. Gefüllte Durchkontaktierungen, die überplattet sind, können dennoch testbar sein, wenn die Füllung und die Oberflächenbeschichtung während der Fertigung korrekt ausgeführt werden. Wenn die Testbarkeit wichtig ist, planen Sie Testpads, Test-Durchkontaktierungen oder andere Teststrategien ein, die zu Ihrem Bestückungsprozess passen.

Wenn Sie eine Durchkontaktierung in der Nähe einer Lötfläche platzieren, sollten Sie den Lötprozess berücksichtigen. Wenn Sie viele Durchkontaktierungen unter einem großen BGA verwenden, sollten Sie erwägen, die Durchkontaktierungen zu füllen und zu plattieren und das BGA auf einer ebenen Fläche zu platzieren. Dies verringert das Risiko von Lötporen und trägt zur Wärmeableitung bei.

Sauberkeit und Korrosion

Durchkontaktierungen können Flussmittel, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen einschließen. Dies ist besonders problematisch, wenn Sie nicht perfekt ausgeführte „Tented Vias“ verwenden oder wenn Sie Durchkontaktierungen als Wärmepfade nutzen, über die während Temperaturzyklen Feuchtigkeit ein- und austritt. Führen Sie nach der Bestückung eine gründliche Reinigung durch, wenn das Design dies erfordert. Verwenden Sie zuverlässige Materialien und Oberflächen, die in der zu erwartenden Umgebung korrosionsbeständig sind. Gefüllte Durchkontaktierungen sind hier hilfreich, da sie Verunreinigungen fernhalten.

Schlussfolgerung

Durchkontaktierungen sind für mehrschichtige Leiterplatten unerlässlich. Sie ermöglichen es, mehr Bauteile zu platzieren und komplexe Leitungsnetze zu verlegen. Durchkontaktierungen verändern jedoch auch das Verhalten des Lötzinns und verursachen zusätzliche mechanische und thermische Belastungspunkte. Diese Risiken lassen sich durch gute Designregeln und die richtigen Entscheidungen in einer frühen Projektphase minimieren.

Entwickler sollten sich frühzeitig mit der Zuverlässigkeit befassen. Eine Zuverlässigkeitsstudie erhöht die Erfolgschancen, senkt die Kosten über die gesamte Produktlebensdauer, verkürzt die Markteinführungszeit und verbessert die Kundenzufriedenheit. Für ein gutes, auf Zuverlässigkeit ausgelegtes Design benötigen Sie die richtigen Mitarbeiter, die richtigen Werkzeuge und ausreichend Zeit. Planen Sie gemeinsam mit Ihrem Hersteller und Ihrem Bestückungsunternehmen die Durchkontaktierungen hinsichtlich Typ, Größe, Platzierung und Behandlung. Setzen Sie Lötmasken-Dämme, Tenting oder Durchkontaktierungsfüllung ein, wo jeweils die Methode am besten passt. Verwenden Sie Microvias für HDI- und Flex-Designs, wenn dies sinnvoll ist.