Machen Sie Ihre Leiterplatte mit Durchkontaktierungen zuverlässiger

Elektronikhersteller verwenden Mehrschicht-Leiterplatten (PCBs), damit die Schaltungen weniger Platz benötigen. Auf diese Weise können mehr Bauteile auf der Oberseite der Leiterplatte untergebracht werden, und es entsteht Platz für die Verlegung von Leiterbahnen auf den inneren Lagen. Durchkontaktierungen sind die einzige Möglichkeit, elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Lagen herzustellen. Durchkontaktierungen sind ein wichtiger Bestandteil des Leiterplattendesigns, und sie verändern auch die Funktionsweise des Lötens und können Schwachstellen verursachen. Diese Schwachstellen können die Zuverlässigkeit der gesamten Leiterplatte beeinträchtigen. Wenn die Designer jedoch gute Designregeln befolgen, können sie Durchkontaktierungen verwenden und trotzdem eine zuverlässige Leiterplatte herstellen.

Was ist ein Via?

Ein Via ist ein Loch in einer Leiterplatte, das durch eine oder mehrere Schichten geht. Der Hersteller überzieht das Loch mit Kupfer, um eine Hülse zu bilden. Die Enden der Hülse verbinden sich mit bestimmten Leiterbahnen auf den Lagen. Dadurch wird ein elektrischer Kontakt zwischen zwei Lagen hergestellt. Wenn eine Durchkontaktierung mehrere innere Lagen durchquert, können diese inneren Lagen ebenfalls mit der Durchkontaktierung verbunden werden, wenn die Schaltung dies benötigt.

Es gibt drei Haupttypen von Durchkontaktierungen: Through Vias, Buried Vias und Blind Vias.

• Durchkontaktierungen gehen durch die gesamte Plattendicke. Sie beginnen in der obersten Schicht und enden in der untersten Schicht. Die Hersteller können Durchkontaktierungen je nach Bedarf plattieren oder nicht plattieren. Wenn eine Schaltung sie benötigt, können andere innere Lagen über ein plattiertes Durchgangsloch mit ihr verbunden werden.
• Vergrabene Durchkontaktierungen durchqueren zwei oder mehr Innenlagen. Sie sind auf der Ober- oder Unterseite nicht sichtbar. Wenn die Schaltung sie benötigt, können die Schichten, die ein vergrabenes Via überspannt, mit ihnen verbunden werden.
• Blind Vias beginnen in der oberen oder unteren Schicht und enden in einer inneren Schicht. Auf dem Weg dorthin können sie mehrere Innenlagen durchqueren und sich bei Bedarf mit diesen verbinden.

HDI-Leiterplatten (High Density Interconnect) und flexible Leiterplatten verwenden eine andere Art von Durchkontaktierungen, die sogenannten Microvias. Microvias sind sehr klein. Die Hersteller bohren sie mit einem Laser. Jedes Microvia geht normalerweise nur durch eine Schicht. Die Hersteller können Microvias übereinander stapeln, so dass sie wie Durchkontaktierungen, Blindvias oder vergrabene Vias wirken.

Über Größe

Ein Via wird stärker und leitfähiger, wenn sein Durchmesser größer ist. Größere Durchkontaktierungen haben eine höhere mechanische Festigkeit. Außerdem leiten sie mehr Strom und transportieren Wärme besser ab. Durch die Verwendung großer Durchkontaktierungen verringert sich jedoch die freie Fläche auf der Leiterplatte. Dies kann das Routing erschweren, wenn der Platz knapp ist.

Eine gängige praktische Regel ist die Verwendung einer Mindestbohrgröße von 20 mil, eines Ringes von 7 mil und eines maximalen Seitenverhältnisses von 6:1. Dabei ist das Seitenverhältnis die Plattendicke geteilt durch den Lochdurchmesser. Wenn Sie diese Werte einhalten, lässt sich die Durchkontaktierung leichter herstellen und ist für viele Anwendungen zuverlässiger.

Hitze und mechanische Belastung

Wenn sich eine Leiterplatte während der Verarbeitung oder im Gebrauch erwärmt, können Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zwischen Kupfer und Laminat zu Spannungen führen. Die Laminatstruktur in der Leiterplatte begrenzt die Ausdehnung in der Ebene der Leiterplatte, aber die Leiterplatte kann über die Dicke hinweg freier schrumpfen oder wachsen. Das bedeutet, dass es in vertikaler Richtung zu größeren Veränderungen kommen kann.

Ein C4-Laminat dehnt sich zum Beispiel viermal so schnell aus wie Kupfer und schrumpft auch viermal so schnell. Jedes Mal, wenn sich die Leiterplatte erwärmt, wird die Kupfertrommel in der Durchkontaktierung stark beansprucht. Wenn die Kupferhülse nicht dick genug ist und die Leiterplatte dick ist, kann sich die Leiterplatte ausdehnen, bis sie das Kupfer durchbricht. Für einen 20-mm-Bohrer ist ein Pad-Durchmesser von 34 mm gut geeignet. Mit diesem Pad und einer guten Hülsendicke ist eine maximale Leiterplattendicke von 120 mil eine vernünftige Praxis für die Zuverlässigkeit.

Dochtwirkung des Lots und ihre Auswirkungen

Wo Sie eine Durchkontaktierung anbringen, ist ebenso wichtig wie ihre Größe. Wenn Sie ein Via zu nahe an ein Pad setzen, kann dies zu Problemen beim Löten führen. Das Hauptproblem ist die Dochtwirkung des Lots.

Wenn Sie die Lötpaste auf einem Via und einem Pad erhitzen, zieht die Kapillarwirkung das Lot vom Pad in die Via-Trommel. Das Lot bewegt sich durch das Via und sammelt sich am Boden. Dadurch bleibt auf dem Pad zu wenig oder gar kein Lötzinn zurück. Ein größeres Via saugt das Lot schneller und in größerer Menge an. Eine Verbindung mit zu wenig Lot kann mechanisch schwach sein und einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen.

Hier sind drei gängige Methoden, um die Dochtwirkung von Lot zu verhindern. Jede Methode kann gut funktionieren.

1. Lötstoppmaske:
   Legen Sie eine Lötstoppmaskenschicht zwischen das Via und das Pad. Die Maske wirkt als Barriere und hält das Lot aus dem Via heraus. Um einen ausreichend breiten Maskendamm anzubringen, müssen die Designer das Via möglicherweise weiter vom Pad entfernen. Wenn die Leiterplatte bereits dicht ist oder wenn die Leiterplatte Hochfrequenzsignale überträgt, ist es möglicherweise nicht möglich, das Via zu verschieben.
2. Zelten der Via:
   Wenn Sie die Durchkontaktierung nicht verschieben oder einen Maskendamm hinzufügen können, können Sie die Durchkontaktierung mit einem Zelt versehen. Das bedeutet, dass Sie das Via mit einer Lötstoppmaske abdecken, so dass die Oberseite des Vias vollständig versiegelt ist. Das vollständige Versiegeln eines Vias kann verhindern, dass Lot in das Via fließt. Es verhindert aber auch, dass das Via als Testpunkt verwendet wird. Außerdem können im Laufe der Zeit Verunreinigungen in ein verschlossenes Via eindringen und die Kupferspirale korrodieren, wenn der Verschluss nicht perfekt ist.
3. Füllen der Via:
   Sie können eine Durchkontaktierung vollständig füllen, bevor Sie sie überplattieren. Die Füllung kann leitend oder nicht leitend sein. Ein gefülltes Via, das vollständig versiegelt ist, bietet eine bessere Barriere gegen Verunreinigungen. Das Füllen verringert auch das Risiko, dass das Lötzinn während der Montage abfließt. Gefüllte Durchkontaktierungen sind üblich, wenn eine flache Oberfläche für die Montage benötigt wird, z. B. unter BGAs, oder wenn eine bessere thermische oder mechanische Leistung erforderlich ist.

Wann ist welche Methode anzuwenden?

• Verwenden Sie eine Lötstoppmaske, wenn Sie die Durchkontaktierung ein wenig verschieben können und die Platine Platz bietet. Dies ist eine kostengünstige Lösung und funktioniert bei vielen Platinen.
• Verwenden Sie das Tenting, wenn der Platz knapp ist und Sie akzeptieren können, dass das Via kein Prüfpunkt ist. Das Tenting ist kostengünstiger als das Füllen, bietet aber nur begrenzten langfristigen Schutz vor Feuchtigkeit und Verunreinigung.
• Verwenden Sie gefüllte Durchkontaktierungen, wenn Sie das beste Ergebnis erzielen wollen. Gefüllte Durchkontaktierungen sind teurer, aber sie bieten eine flache Oberseite für die Montage und halten Lot und Verunreinigungen fern. Wenn Sie viele Platinen herstellen oder wenn die Platine lange Zeit unter schwierigen Bedingungen bestehen muss, ist das Füllen eine gute Wahl.

Andere Zuverlässigkeitsfaktoren

Durchkontaktierungen können sich auch auf andere Teile des Entwurfs auswirken. Sie können zum Beispiel die thermischen Pfade verändern und Punkte schaffen, an denen sich Spannungen konzentrieren. Wenn sich ein Via in der Nähe einer thermischen Entlastung oder einer Wärmequelle befindet, ändert sich der Wärmefluss auf der Leiterplatte. Dies kann sich auf die Lebensdauer der Komponenten auswirken und die Kühlung eines Bauteils beeinträchtigen.

Vias in der Nähe von Hochgeschwindigkeits- oder HF-Leiterbahnen können ebenfalls Impedanzänderungen verursachen. Die Durchkontaktierung und das Durchkontaktierungspad fügen Kapazitäten und Induktivitäten hinzu. Konstrukteure müssen die Signalintegrität prüfen, wenn sich Durchkontaktierungen auf kritischen Pfaden befinden. HDI und Mikrovias helfen hier, weil sie klein sind und bei richtiger Platzierung weniger Auswirkungen auf Hochgeschwindigkeitssignale haben.

Wenn Sie eine Leiterplatte für ein Produkt bauen, das viele Wärmezyklen durchläuft, oder für ein Produkt, das strenge Zuverlässigkeitstests bestehen muss, planen Sie, wie sich die Durchkontaktierungen im Laufe der Zeit verhalten werden. Verwenden Sie, wenn möglich, dickere Barrel-Plattierungen. Verwenden Sie gestapelte oder versetzte Microvias in HDI-Designs, um die Belastung eines einzelnen Barrel zu reduzieren. Verwenden Sie die richtigen Pad-Größen, damit die Leiterplatte das Kupfer während des Reflow-Prozesses oder während thermischer Zyklen nicht überlastet.

Für HDI und flexible Platten

HDI-Platten und flexible Leiterplatten verwenden häufig Mikrovias. Microvias sind klein und haben eine geringe Induktivität. Das hilft bei hohen Geschwindigkeiten und dichten Layouts. Jede Microvia erreicht in der Regel nur eine innere Schicht. Die Hersteller verwenden Laserbohrer, um sie herzustellen. Sie können Microvias stapeln, um mehrere Schichten in einem kleinen Bereich zu verbinden. Gestapelte Microvias verhalten sich wie Blind- oder vergrabene Durchkontaktierungen, wenn sie gestapelt werden, und sie können dazu beitragen, den Routingraum auf anderen Lagen offen zu halten.

Bei flexiblen Leiterplatten kann die mechanische Biegung in der Nähe von Durchkontaktierungen das Gehäuse beschädigen, wenn die Durchkontaktierung nicht korrekt platziert ist. Versuchen Sie in flexiblen Bereichen, Durchkontaktierungen von den Hauptbiegelinien fernzuhalten. Verwenden Sie spezielle Durchkontaktierungsdesigns und Materialhandhabung, um das Risiko von Rissen zu verringern, wenn sich die Leiterplatte biegt.

Praktische Regeln und Beispiele

• Mindestbohrung: 20 mil. Dies ist ein übliches Minimum für die Standardproduktion. Kleinere Bohrungen erfordern spezielle Verfahren und kosten mehr.
• Ringförmiger Ring: 7 mil. Dies ergibt genügend Kupfer um das Loch für eine zuverlässige Verbindung und zum Löten.
• Seitenverhältnis: Begrenzung auf 6:1. Dadurch bleibt die Qualität der Beschichtung hoch. Wenn die Platine dicker ist als der empfohlene Wert für die Lochgröße, kann die Beschichtung der Trommel dünn sein und versagen.
• Beispiel: Wenn der Bohrer 20 mil hat, verwenden Sie einen Pad-Durchmesser von etwa 34 mil. Dies ergibt einen ausreichenden Ring. Bei einer Plattendicke von bis zu 120 mm ist diese Kombination in vielen Fabriken praktikabel.

Behalten Sie diese Regeln als Ausgangspunkt bei. Jede Fabrik kann leicht abweichende Grenzen haben. Sprechen Sie frühzeitig mit Ihrem Platinenhersteller, damit Sie Ihre Designentscheidungen auf das abstimmen können, was er zuverlässig tun kann.

Überlegungen zur Montage und Prüfung

Wenn Sie Tenting oder Fill verwenden, denken Sie an das Testen. Gefüllte Durchkontaktierungen können nicht als Prüfpunkte dienen. Gefüllte Durchkontaktierungen, die überplattiert sind, können dennoch getestet werden, wenn die Füllung und die Überplattierung während der Produktion korrekt gehandhabt werden. Wenn Testen wichtig ist, planen Sie Testpads, Testdurchführungen oder andere Teststrategien ein, die zu Ihrem Montageprozess passen.

Wenn Sie eine Durchkontaktierung in der Nähe eines Lötpads platzieren, planen Sie den Lötprozess mit ein. Wenn Sie viele Durchkontaktierungen unter einem großen BGA verwenden, sollten Sie in Erwägung ziehen, die Durchkontaktierungen zu füllen und zu plattieren und das BGA über eine flache Oberfläche zu legen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Lötlöchern und hilft bei der Wärmeausbreitung.

Sauberkeit und Korrosion

In Durchkontaktierungen können sich Flussmittel, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen festsetzen. Dies ist noch schlimmer, wenn die Durchkontaktierungen nicht perfekt sind oder wenn Sie sich auf Durchkontaktierungen als thermische Pfade verlassen, durch die Feuchtigkeit während der thermischen Zyklen ein- und ausströmt. Verwenden Sie eine gute Reinigung nach der Montage, wenn das Design dies erfordert. Verwenden Sie zuverlässige Materialien und Oberflächen, die in der erwarteten Umgebung korrosionsbeständig sind. Gefüllte Durchkontaktierungen helfen hier, da sie Verunreinigungen fernhalten.

Schlussfolgerung

Durchkontaktierungen sind für mehrlagige Leiterplatten notwendig. Sie ermöglichen es, mehr Teile zu platzieren und komplexe Netze zu verlegen. Aber Durchkontaktierungen verändern auch das Verhalten von Lötmitteln und führen zu zusätzlichen mechanischen und thermischen Belastungspunkten. Sie können diese Risiken mit guten Designregeln und den richtigen Entscheidungen in einem frühen Stadium des Projekts verringern.

Konstrukteure sollten sich frühzeitig mit der Zuverlässigkeit befassen. Eine Zuverlässigkeitsstudie erhöht die Erfolgschancen, senkt die Kosten während der Produktlebensdauer, verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung und verbessert die Kundenzufriedenheit. Für ein gutes Zuverlässigkeitsdesign braucht man die richtigen Leute, die richtigen Werkzeuge und genügend Zeit. Planen Sie die Art, Größe, Platzierung und Behandlung von Durchkontaktierungen mit Ihrem Hersteller und Ihrem Montagebetrieb. Verwenden Sie Lötstoppmasken, Tenting oder das Füllen von Durchkontaktierungen, wo jede Methode geeignet ist. Verwenden Sie Microvias für HDI- und Flex-Designs, wenn dies hilfreich ist.