Wszystko, co musisz wiedzieć o wykorzystaniu mikroprzelotek (microvias) w PCB

Mikroprzelotki (microvias) PCB. Źródło: Everett Collection / Shutterstock.com

Czy kiedykolwiek wydawało Ci się, że masz już spore braki jeżeli chodzi o popkulturę? Sam dopiero co dowiedziałem się, że jest ktoś taki jak Lady Gaga, a było o niej głośno już kilka lat temu. Niemniej, cieszę się, że nie byłem na bieżąco. Mogę teraz cieszyć się po prostu jej muzyką, bez konieczności ciągłego oglądania zdjęć, na których ma sukienkę wykonaną z mięsa. Chociaż nie trzeba interesować się dziwnymi wyborami celebrytów, to jednak są pewne trendy, które powinno się obserwować. Jedną ze wschodzących gwiazd w świecie projektantów płytek PCB są natomiast mikroprzelotki (ang. microvias) PCB i moim zadaniem jest nie tylko przypomnieć Ci, czym one są, ale też pokazać wszystkie fantastyczne rzeczy, które mogą zrobić. Co prawda nie mogą śpiewać ani tańczyć, ale pozwalają zaoszczędzić mnóstwo miejsca na płytce, co znacznie redukuje poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Czym są mikroprzelotki (microvias PCB)?

Być może nie słyszałeś jeszcze w biurze najnowszej piosenki Lil Yatchy, ale jestem pewien, że pojęcie mikroprzelotek nie jest Ci zupełnie obce. Pozwól więc, że jeszcze bardziej poszerzę Twoją wiedzę w tym temacie.

Mikroprzelotki to oczywiście mniejsze odpowiedniki przelotek, ale jak małe są one w rzeczywistości? Większość ludzi uznaje mikroprzelotki za wszystkie przelotki o średnicy mniejszej niż 150 µm. Są one wiercone za pomocą specjalnych laserów, a technologia ta ciągle jest udoskonalana. Dzięki postępom w technice wiercenia laserowego rozmiar mikroprzelotek może wynosić już zaledwie 15 µm. Zaangażowane w proces produkcji lasery mogą jednak wiercić tylko w jednej warstwie na raz. Producenci mogą natomiast robić mikroprzelotki najpierw wiercąc je osobno, a potem układając warstwy na stos.

Dodatkową zaletą mikroprzelotek jest to, że w ich przypadku dochodzi do powstawania o wiele mniejszej ilości wad produkcyjnych, niż ma to miejsce w przypadku tradycyjnych przelotek. Dzieje się tak, ponieważ wiercenie nie pozostawia żadnego zbędnego materiału w nowo powstałych otworach. Jednak ryzyko pojawienia się wady przy platerowaniu czy lutowaniu jest już takie samo, jak w przypadku normalnych przelotek. Dlatego też bardzo istotne jest to, aby omówić kwestie osadzania i wypełniania mikroprzelotek z naszym producentem płytek. Skoro wiemy już, czym są mikroprzelotki, przejdźmy do tego, jak mogą nam one pomóc.

Mikroprzelotki  używane do projektowania płytek PCB są produkowane techniką laserową

Zaleta dodatkowej przestrzeni

Może i nigdy nie kupisz drogiego domu w Hollywood, ale w dalszym ciągu musisz mieć na uwadze aktualne ceny nieruchomości. Przestrzeń na płytce PCB to pieniądze, a mikroprzelotki (microvias PCB) pomagają obniżyć koszty produkcji. Ich niewielki rozmiar powoduje, że wybierając je kosztem normalnych przelotek, oszczędzasz sporo miejsca na projekcie swojej płytki. Pomogą one ponadto przy bardziej efektywnym wykorzystaniu przelotek w podkładkach (tzw. VIP-ów). Dodatkowo łatwiej jest je ukryć i sprawiają, że projektowanie układów o wysokiej gęstości połączeń (HDI) jest o wiele prostsze.

W codziennym życiu, VIP-y lubią być gwiazdami programów telewizyjnych, ale w przypadku płytek drukowanych przeważnie w ogóle ich nie widać. Dzięki VIP-om możesz zaoszczędzić trochę miejsca wykonując połączenia wewnątrz podkładki przy wykorzystaniu technologii montażu powierzchniowego (SMT). Zważywszy na swój niewielki rozmiar, mikroprzelotki są wręcz stworzone dla VIP-ów. Normalne przelotki są czasem zbyt duże, aby zmieściły się w podkładce przy montażu powierzchniowym, tak jak choćby matryce siatkowe z drobną podziałką (tzw. BGA). Mikroprzelotki mogą natomiast z łatwością zmieścić się wewnątrz podkładki bez powodowania późniejszych problemów przy produkcji płytki.

Być może masz pewne obawy przed wykorzystaniem zagrzebanych i ślepych przelotek w swoim projekcie płytki PCB, ale mikroprzelotki bez dwóch zdań to zmienią. Tradycyjne ślepe i zagrzebane przelotki co prawda pozwalają zaoszczędzić trochę miejsca, ale są stosunkowo trudne w produkcji. Ponieważ jednak mikroprzelotki tworzone są warstwa po warstwie, to dzięki temu doskonale nadają się właśnie do wykorzystania przy wdrażaniu zagrzebanych i ślepych przelotek. Są one również mniejsze od normalnych przelotek, co dobrze wpływa na rozmiar produkowanej płytki.

Mikroprzelotki błyszczą szczególnie przy konkretnych rozwiązaniach, takich jak na przykład przełamywanie BGA. Jak już wspomniałem wcześniej, mikroprzelotki z łatwością mieszczą się wewnątrz podkładek nawet najlepszych układów typu BGA, ułatwiając tym samym pokrywanie kanałów. I nawet jeżeli korzystasz z VIP-ów, aby zaoszczędzić tylko trochę miejsca, to nadal potrzebujesz wielu warstw, aby przenieść swoje rezultaty na inny układ. Wykorzystanie mikroprzelotek pozwala znacznie zwiększyć szerokość ścieżek ujścia, co w rezultacie pozwala zmniejszyć liczbę warstw potrzebnych do przełamania BGA.

Redukcja poziomu szumów dzięki mikroprzelotkom (microvias) PCB
Microvias PCB a  zmniejszona emisja EMI

Niektóre nowe utwory z gatunku pop nawet mi się podobają, ale i tak znaczna ich większość brzmi jak jakiś nieznośny łoskot. Nie lubię zarówno głośnej muzyki, jak i hałasu w moim układzie PCB. Z pomocą przychodzą mikroprzelotki, które pomagają zredukować przesłuch w naszych obwodach audio (Niestety jednak nie mogą już nic zrobić w przypadku za głośnej muzyki…). Mikroprzelotki są więc idealne dla wszystkich układów, które są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), tak często występujące przy układach o wysokiej prędkości i wysokim zakresie częstotliwości.

Jeśli nie zachowasz ostrożności, obwody cyfrowe o wysokiej szybkości będą emitować tyle samo szumu, co popowa stacja radiowa. Jednym z podstawowych problemów przy obwodach o wysokiej prędkości jest promieniowanie sygnału i jego odbijanie w przelotkach. Przelotki zachowują się wówczas niczym anteny dla tych hałaśliwych sygnałów. Dobrym sposobem na zmniejszenie mocy anteny jest wówczas zredukowanie jej rozmiaru. Użycie w takim przypadku mikroprzelotek sprawi, że promieniowanie sygnału zmniejszy się dzięki prostej geometrii. Kolejnym dużym problemem przy obwodach o wysokiej szybkości mogą być pozostałości po przelotkach. Odbijają one sygnał z powrotem do przewodów, tłumiąc lub nawet przerywając oryginalny sygnał. Mikroprzelotki są natomiast tworzone warstwa po warstwie i nowoczesną techniką laserową, co oznacza, że nie będzie żadnych pozostałości po ich produkcji. Chyba że pozostałości te zostaną tam umieszczone celowo, ale tego nie polecam oczywiście robić nikomu.

Doskonałym zastosowaniem dla mikroprzelotek są linie transmisyjne o wysokiej częstotliwości. Weźmy tu dla przykładu przewody mikrofalowe i falę milimetrową linii pasmowych. Są one zawieszone w dielektryku płytki i potrzebują przelotek, aby móc przełamać sygnał. Za duże przelotki wprowadzą tu zbyt wysoki poziom emisji zakłóceń elektromagnetycznych, aby mogły być użyteczne przy liniach pasmowych o wyższej częstotliwości. Mikroprzelotki będą natomiast idealne, ponieważ nie emitują zbyt dużo EMI i nie obniżają integralności sygnału przy zbyt dużym jego odbiciu.

Obwody o wysokiej częstotliwości stają się coraz bardziej popularne, a z upływem czasu będziemy ich projektować znacznie więcej. Najwyższy czas więc na to, aby opanować wykorzystanie mikroprzelotek do kontrolowania poziomu EMI na tego rodzaju płytkach.

Nie mam aż tyle czasu, aby móc dorównać Ci w znajomości gwiazd muzyki pop, ale mam nadzieję, że zrozumiałeś przynajmniej istotę wykorzystania mikroprzelotek przy projektach PCB. Te niewielkie, wiercone laserem otwory mają olbrzymi wpływ na projektowanie płytek PCB. Pomogą nie tylko zmniejszyć rozmiar układu, ale też zredukować emisję zakłóceń elektromagnetycznych.

Teraz, gdy wiesz już wszystko o mikroprzelotkach, potrzebujesz jedynie elastycznego oprogramowania do PCB, które potrafi je umiejętnie stosować. Altium Designer^® pomoże Ci ulepszyć projekt każdej płytki PCB dzięki wykorzystaniu mikroprzelotek i wielu innych, równie użytecznych narzędzi.

Masz więcej pytań dotyczących mikroprzelotek w projektach płytek PCB? Skontaktuj się z ekspertem z Altium.