HDI PCB Laser Drilling và Via Filling: Một hướng dẫn đầy đủ về kết nối mật độ cao

PCB kết nối mật độ cao (HDI) đã cách mạng hóa điện tử bằng cách cho phép các thiết bị nhỏ hơn, mạnh hơn từ điện thoại thông minh đến cấy ghép y tế.Trung tâm của công nghệ HDI nằm ở việc khoan bằng laser và thông qua các quy trình làm đầy chính xác tạo ra, kết nối đáng tin cậy giữa các lớp. Không giống như khoan cơ khí truyền thống, khoan laser tạo ra các microvias (~ 150μm đường kính) cho phép vị trí thành phần dày đặc hơn, đường dẫn tín hiệu ngắn hơn,và cải thiện hiệu suấtKhi kết hợp với bằng cách lấp đầy bằng cách sử dụng vật liệu dẫn để niêm phong các viền viền này, PCB HDI đạt được tính toàn vẹn điện, quản lý nhiệt và ổn định cơ học vượt trội.

Hướng dẫn này giải thích làm thế nào khoan laser HDI và bằng cách làm việc lấp đầy, lợi ích chính của chúng, và tại sao chúng là không thể thiếu cho điện tử hiện đại.hiểu các quy trình này là rất quan trọng để mở ra tiềm năng đầy đủ của PCB mật độ cao.

HDI PCB và Microvias là gì?
HDI PCB là các bảng mạch tiên tiến được thiết kế để hỗ trợ mật độ thành phần cao và tốc độ tín hiệu nhanh.Họ đạt được điều này thông qua các lỗ vi khuẩn nhỏ kết nối các lớp mà không chiếm quá nhiều không gianKhông giống như các ống dẫn tiêu chuẩn (trường kính ≥ 200μm, khoan cơ khí), các ống dẫn nhỏ:

Đo đường kính 50-150μm.
Kết nối các lớp liền kề (các đường mù) hoặc nhiều lớp (các đường xếp chồng lên nhau).
Loại bỏ stubs (không được sử dụng thông qua các phân đoạn) gây phản xạ tín hiệu trong thiết kế tần số cao.

Khoan bằng laser là phương pháp thực tế duy nhất để tạo ra các microvias này, vì khoan cơ khí không thể đạt được độ chính xác hoặc kích thước nhỏ cần thiết.Thông qua việc lấp đầy Ứng dụng đồng hoặc nhựa để lấp đầy các vi-rô-vi sau đó đảm bảo chúng có thể mang tín hiệu, phân tán nhiệt, và hỗ trợ lắp đặt thành phần.

Làm thế nào để khoan laser hoạt động cho HDI Microvias

Khoan laser thay thế khoan cơ khí bằng laser năng lượng cao để tạo ra microvias, cung cấp độ chính xác và kiểm soát không sánh ngang:
1Các loại laser và cách sử dụng

2. Các bước quy trình khoan
Chuẩn bị chất nền: Bảng PCB (thường là FR-4, Rogers hoặc LCP) được làm sạch để loại bỏ bụi và dầu, đảm bảo hấp thụ laser nhất quán.
Laser Ablation: Laser bắn xung ngắn (nanosecond đến picosecond) để làm bay hơi vật liệu nền, tạo ra các lỗ có tường mịn.Năng lượng xung và thời gian được hiệu chuẩn để tránh làm hỏng các lớp liền kề.
Loại bỏ mảnh vỡ: Hệ thống khí nén hoặc chân không loại bỏ mảnh vỡ khỏi lỗ, ngăn chặn mạch ngắn trong các bước tiếp theo.
Kiểm tra: Kiểm tra quang học tự động (AOI) xác minh đường kính lỗ, độ sâu và vị trí (sự khoan dung chặt chẽ như ± 5μm).

3Tại sao khoan laser đánh bại khoan cơ khí

Độ chính xác khoan bằng laser cho phép 3 × 5 lần nhiều đường viền trên mỗi inch vuông so với các phương pháp cơ học, rất quan trọng đối với lời hứa của HDI.

Thông qua việc điền: Bấm kín Microvias cho hiệu suất
Tạo ra các micro-vía chỉ là một nửa quá trình, lấp đầy chúng đảm bảo chúng hoạt động như các ống dẫn điện và nhiệt đáng tin cậy:
1. Chất liệu và phương pháp điền

Việc lấp đồng phổ biến nhất cho kết nối điện, trong khi việc lấp nhựa được sử dụng để tạo ra bề mặt phẳng để lắp đặt thành phần (dựa trên thiết kế đệm).

2. Bước từng bước thông qua quá trình lấp đầy
Loại bỏ vết bẩn: Điều trị bằng hóa chất hoặc huyết tương loại bỏ nhựa còn lại từ các bức tường, đảm bảo gắn kết mạnh với vật liệu điền.
Sự lắng đọng lớp hạt giống: Một lớp đồng mỏng (1μm) được áp dụng qua các bức tường bằng cách mạ không điện, cho phép mạ điện tiếp theo.
Việc lấp: Đối với việc lấp đồng, sơn điện tạo ra đồng bên trong đường dẫn cho đến khi nó được lấp đầy hoàn toàn.
Bề mặt phẳng: Vật liệu dư thừa được loại bỏ bằng cách nghiền cơ học hoặc khắc hóa học, để lại bề mặt phẳng với PCB.
Kiểm tra: X-quang và phân tích cắt ngang xác minh việc lấp đầy hoàn toàn (không có khoảng trống > 5% khối lượng thông qua).

3Các chỉ số chất lượng quan trọng
Việc lấp đầy không trống: Các lỗ hổng (hố không khí) trong các đường chứa đầy gây mất tín hiệu và điểm nóng nhiệt.
Độ phẳng: Độ phẳng bề mặt (≤5μm biến đổi) đảm bảo hàn thành phần đáng tin cậy, đặc biệt là cho BGA sắc nét.
Chăm sóc: Các ống dẫn đầy phải chịu chu kỳ nhiệt (-40 °C đến 125 °C) mà không bị phân mảnh, được thử nghiệm bằng IPC-TM-650 2.6.27A.

Lợi ích của việc khoan bằng laser và qua việc lấp đầy trong PCB HDI
Các quy trình này mang lại những lợi thế chuyển đổi so với sản xuất PCB truyền thống:
1. Tăng cường toàn vẹn tín hiệu
a. Đường đi ngắn hơn: Microvias giảm khoảng cách đi tín hiệu 30~50%, giảm sự chậm trễ và suy giảm trong thiết kế tốc độ cao (≥10Gbps).
b.Giảm EMI: Các đường nhỏ hơn hoạt động như các ăng-ten nhỏ hơn, cắt giảm nhiễu điện từ 20~30% so với đường thông thường.
c. Kiểm soát trở ngại: Các ống dẫn được khoan bằng laser với kích thước nhất quán duy trì trở ngại (khoan dung ± 5%), quan trọng đối với các ứng dụng 5G và mmWave.

2. Cải thiện quản lý nhiệt
a. Phân tán nhiệt: Các đường viền chứa đồng tạo ra các đường dẫn nhiệt giữa các lớp, làm giảm các điểm nóng 15 ∼ 25 °C trong các thành phần công suất cao (ví dụ: bộ xử lý).
b. Không có Stub Inductance: Các ống dẫn đầy loại bỏ các ống dẫn, hoạt động như bẫy nhiệt trong các ống dẫn truyền thống.

3Tiết kiệm không gian và thu nhỏ
a. Đặt các thành phần dày đặc hơn: Microvias cho phép nhiều thành phần hơn 2 × 3 lần trên mỗi inch vuông, thu hẹp kích thước PCB bằng 40 × 60% (ví dụ, từ 100cm2 đến 40cm2 trong điện thoại thông minh).
b. Thiết kế thông qua tấm đệm: Các đường đệm được lấp đầy dưới các tấm BGA loại bỏ sự cần thiết cho các dấu vết "dogbone", tiết kiệm không gian bổ sung.

4. Độ tin cậy cơ khí
a. Liên kết lớp mạnh hơn: Các đường viền đầy phân phối căng thẳng qua các lớp, cải thiện độ bền trong môi trường dễ rung động (ví dụ: điện tử ô tô).
b. Chống độ ẩm: Các đường kín ngăn nước xâm nhập, rất quan trọng đối với các thiết bị ngoài trời (ví dụ: cảm biến IoT).

Ứng dụng: Nơi mà laser HDI thông qua việc lấp đầy tỏa sáng
HDI PCB với đường viền được khoan bằng laser là không thể thiếu trong các ngành công nghiệp đòi hỏi thu nhỏ và hiệu suất:
1Điện tử tiêu dùng
a. Điện thoại thông minh và thiết bị đeo: Cho phép các modem 5G, nhiều camera và pin trong thiết kế mỏng. Ví dụ, một PCB điện thoại thông minh hiện đại sử dụng 10.000+ microvias để kết nối 812 lớp.
b. Máy tính xách tay và máy tính bảng: Hỗ trợ giao diện tốc độ cao (Thunderbolt 4, Wi-Fi 6E) với mất tín hiệu tối thiểu.

2Ô tô và hàng không vũ trụ
a.ADAS và Infotainment: PCB HDI với đường viền đầy chịu nhiệt độ từ -40 °C đến 125 °C trong hệ thống radar và GPS, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy.
b. Các cảm biến hàng không vũ trụ: Microvias giảm trọng lượng trong điện tử máy bay, cải thiện hiệu quả nhiên liệu trong khi xử lý tốc độ dữ liệu 100+ Gbps.

3Các thiết bị y tế
a. Có thể cấy ghép: PCB HDI tương thích sinh học nhỏ (ví dụ, bộ tạo nhịp tim) sử dụng vi mạch để phù hợp với các mạch phức tạp với khối lượng 1cm3.
Thiết bị chẩn đoán: Dữ liệu tốc độ cao từ máy MRI và siêu âm dựa trên tính toàn vẹn tín hiệu của HDI.

4. IoT công nghiệp
a. Các cảm biến và bộ điều khiển: PCB HDI nhỏ gọn với đường viền đầy hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, hỗ trợ tính toán cạnh và dữ liệu thời gian thực.

Phân tích so sánh: HDI so với PCB truyền thống

Trong khi PCB HDI tốn kém hơn, kích thước và lợi ích hiệu suất của chúng biện minh cho việc đầu tư vào các ứng dụng có giá trị cao.

Xu hướng tương lai trong khoan laser HDI và lấp đầy qua đường
Tiến bộ trong công nghệ laser và vật liệu đang đẩy mạnh khả năng HDI hơn nữa:

1Laser siêu nhanh: Laser femtosecond làm giảm tổn thương nhiệt, cho phép vi khuẩn trong các vật liệu tinh tế như polyimide (được sử dụng trong PCB HDI linh hoạt).
2In 3D của Vias: Các kỹ thuật sản xuất phụ gia đang được phát triển để in trực tiếp các đường dẫn, loại bỏ các bước khoan.
3.Đóng đầy thân thiện với môi trường: Bột đồng không chì và nhựa tái chế làm giảm tác động môi trường, phù hợp với các tiêu chuẩn RoHS và REACH.
4Kiểm tra dựa trên AI: Các thuật toán học máy phân tích qua chất lượng trong thời gian thực, giảm 30~40% khiếm khuyết.

Câu hỏi thường gặp
Q: Microvia nhỏ nhất có thể với khoan laser là bao nhiêu?
A: Máy laser tia cực tím có thể khoan microvias có đường kính nhỏ đến 50μm, mặc dù 80-100μm phổ biến hơn để cân bằng giữa độ chính xác và khả năng sản xuất.

Hỏi: Có phải các đường viền đầy đủ là cần thiết cho tất cả các PCB HDI?
A: Việc lấp đầy là rất quan trọng đối với các đường dẫn có dòng điện cao, các thành phần hỗ trợ (via-in-pad) hoặc đòi hỏi tính dẫn nhiệt.

Hỏi: Làm thế nào vi-a được khoan bằng laser hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao?
A: Các đường viền chứa đồng duy trì tính toàn vẹn trong chu kỳ nhiệt từ -40 °C đến 125 °C (1.000 chu kỳ +), làm cho chúng phù hợp với sử dụng trong ô tô và công nghiệp.

Hỏi: PCB HDI với microvias có thể được sửa chữa không?
Đáp: Việc sửa chữa hạn chế là có thể (ví dụ, làm lại các khớp hàn), nhưng các microvias tự nó rất khó sửa chữa do kích thước của chúng, làm cho kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất rất quan trọng.

Q: Những vật liệu nào tương thích với khoan laser?
A: Hầu hết các chất nền PCB đều hoạt động, bao gồm FR-4, Rogers (chất lót tần số cao), polyimide ( linh hoạt) và LCP (polyme tinh thể lỏng cho mmWave).

Kết luận
Khoan bằng laser và bằng cách điền là xương sống của công nghệ PCB HDI, cho phép các thiết bị nhỏ, mạnh mẽ xác định điện tử hiện đại.Bằng cách tạo ra các micro-via chính xác và niêm phong chúng bằng vật liệu dẫn điện, các quy trình này mang lại tính toàn vẹn tín hiệu vượt trội, quản lý nhiệt và hiệu quả không gian những lợi thế không thể thương lượng cho 5G, IoT và công nghệ y tế.

Khi các thiết bị tiếp tục co lại và yêu cầu tốc độ nhanh hơn, PCB HDI sẽ chỉ tăng tầm quan trọng.và các nhà sản xuất tận dụng các công nghệ này để duy trì cạnh tranh trong một thị trường mà đổi mới được đo bằng micrometer.

Điểm quan trọng: khoan laser HDI và bằng cách điền không chỉ là các bước sản xuất mà còn là những yếu tố tạo ra thế hệ điện tử tiếp theo, nơi kích thước, tốc độ và độ tin cậy quyết định thành công.