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PCB导通孔知识(类型和工艺)

2021-4-19 17:09:33 显示全部楼层
印制电路发展至今已经有80多年了。早期的电路很简单,通常只需要一层电路,用丝网或模板印刷导电油墨形成电路图形,因此而得名“印刷电路”。一直关注技术发展趋势的人会发现近来人们对利用导电油墨制作电路图形,以形成各种挠性电路的兴趣激增,市场将其称为挠性混合电子产品(flex hybrid electronics,简称FHE)。
技术发展到将薄铜箔施加到绝缘层压板上,印刷再次被用于印制电路图形,只是这次是印刷蚀刻抗蚀剂,在经受蚀刻时保护所需的电路图形。在需要与电子元件引线连接之处,通常会在铜箔和基板上钻孔,采用焊料使之形成互连。随着电子产品的日益复杂,第二层铜被层压在绝缘材料的背面。在需要顶部和底部电路之间形成互连之处,通常被称为Z线(图1)的金属线穿过这些孔,在相对的两面焊接端部。这可以说是PCB导通孔的第一种形式。
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图1:导通孔类型,包括(A)Z线、(B)铆钉、(C)电镀导通孔、(D)埋孔、(E)盲孔、(F)堆叠孔,以及(G)错孔。
有进取心和细心的工程师利用了金属化孔实现面与面互连,推出了第二代替代品。不久之后,工程师看到了一个一个形成导通孔的局限性,意识到通过一次电镀实现层压板上所有孔互连的潜在优势。那时是在20世纪50年代,而如今该技术依然是最基本的。
随着性能需求的增加,在20世纪60年代末和70年代,改进和标准化的元件如双列直插式封装(DIP),以及电路复杂性的增加,导致了多层PCB的发展。导通孔不仅用于实现电路板一面到另一面的连接,以连接DIP和其他分立元件,还用于互连穿过多层板内层的电路,同时连接到内部电源层和接地层。
再次通过化学镀铜和电解镀铜将暴露在钻孔壁上薄铜环进行连接。它不仅可以连接到元件引线,还可以连接导通孔。因为导通孔不需要固定元件引线,可以将其做得更小,这有助于减少所需的电路板空间,同时还可提高性能。然而,越来越明显的是,随着I/O数的增加,有引线元件不仅需要更大的空间,其更大的尺寸限制了电子器件的有效性能。
20世纪80年代是表面贴装技术时代,元件引线首先被放置在元件本体的边缘,再安装在PCB表面。元件通过焊膏暂时附着在焊盘图形上,然后通过高温回流焊炉焊接到匹配的焊盘图形上,形成永久的连接。SMT使电子产品的尺寸显著减小,同时由于元件引线的间距变细,增加了引线数。很大程度上便携式电子产品时代的到来依赖于SMT,迄今仍在不断发展。电子产品的小型化也推动了导通孔设计和制造的发展,但由于焊接高温,也引发了人们对焊点和电镀互连可靠性的担忧。
为了应对所需互连的增加,制造商开始增加可实现一层或多层互连的导通孔的使用,以及层压工艺前创建电路层的埋孔。同时,也有可能创建盲孔和“半埋/半盲”导通孔,它们从表面延伸到次表层,但并不会彻底贯通电路板。机械钻孔在这个时候仍然是制造导通孔的最常用方法,但是激光们更适合微小孔,如今激光在钻孔工艺中起着重要作用。
上世纪90年代初,出现了更大的BGA和更小的CSP形式的面阵列元件。它们的开发是为了适应不断增长的I/O需求,同时也是出于成本和性能的考虑,以保持PCB尺寸不变。这一发展促进了导通孔技术的大幅度发展,并引入了新的制造工艺,包括东芝开发的埋置凸缘互连技术(buried bump interconnection technology ,简称BBIT)和松下公司开发的任意层间导通孔(any layer interstitial via hole,简称ALIVH)(图2)。
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图2:专有微通孔工艺与传统微通孔工艺的简要对比

采用这些专有微通孔技术需要授权,因此,与更传统和更通用的电镀技术相比,尚未广泛使用。这两种新技术都涉及到使用导电膏实现层与层之间的导通孔连接。BBIT(也称为B2IT)工艺的独特之处在于,它包括以锥形图形的形式连续模板印刷导电膏,在层压过程中穿透用于连接电路层的黏结聚合物。
随着I/O数的不断增加和触点间距的不断减小,在当今最先进的设计中,微导通孔(标称直径小于75μm)已越来越多地被用于缓解布线拥挤。随着时间的推移,这些微导通孔通常在积层过程中按顺序堆叠。从可靠性的角度来看,这种方法受到了质疑;一些人认为导通孔交错排布的替代方法是构建此类设计的更可靠方法(图1G)。不管采用何种设计方法,所有这些都得益于孔形成和镀铜化学/技术的不断进步,前者是通过各种用于钻微通孔的激光器其稳步改进而实现的。
为了更全面地介绍导通孔,值得一提的是实践中有趣的变化。一个过去是(现在也是)走线中的导通孔概念,这一概念在20世纪80年代早期就已经被证明了,现在也有可能使用光成像工艺制成导通孔,这可能大大降低制造复杂性,提高生产率。之所以提到这些技术,是因为那些曾经被认为早已过时的技术方法,在条件成熟时,会再次进入行业。

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