בתעשייה הנוכחית שבה חיבור הדדי בצפיפות גבוהה והעברת אותות במהירות גבוהה הפכו לסטנדרטיים, מבנה חור PCB אינו עוד "ערוץ מוליך" פשוט, אלא אלמנט ליבה שקובע ישירות את צפיפות החיווט, שלמות האות ותפוקת ייצור המוני. מהנדסי חומרה רבים נתקלים לעתים קרובות בפריטי אישור בחירה כגון "חורים מבעד, חורים עיוורים וחורים קבורים" בגיליון ה-EQ ההנדסי של מפעל הלוח כאשר הם מתמודדים עם חיווט צפוף BGA ועיצוב לוח ברמה גבוהה. סטיית שיקול דעת קלה עלולה להוביל לחוסר מרחב חיווט, מסלולי החזרת אותות ארוכים, ואפילו ירידה משמעותית בתפוקת הלוח הכוללת.
הגדרות ליבה והבדלים מבניים של שלושה סוגים של נקבוביות
מנקודת המבט של המהות המבנית, ההבדל הליבה בין חור דרך, חור עיוור וחור קבור טמון ב"טווח החדירה של החור בלוח", והשלושה תואמים לוגיקות עיבוד וגבולות יישום שונים:
-
דרך חור: הוא חודר ישירות מהשכבה העליונה לשכבה התחתונה, חודר לחלוטין את כל השכבות של ה-PCB, והוא מבנה החיבורים המסורתי ביותר. היגיון העיבוד שלו הוא "לחץ תחילה על כל הלוח, ולאחר מכן קדח חורים באופן מכני במכה אחת", עם שרשרת התהליך הפשוטה ביותר והעלות הנמוכה ביותר.
-
-
חור עיוור: מחבר רק את השכבה החיצונית של ה-PCB לשכבה הפנימית שצוינה, ואינו חודר לכל הלוח. ניקח לוחות של 8 שכבות ו-14 שכבות כדוגמאות, חורים עיוורים בלוחות של 8 שכבות יכולים להשיג 1-L2, 1-L3, 1-4L, 1-5L, 2-3L, 5-8L, ו-7-8L. 14 שכבות חורים עיוורים יכולים להשיג חיבורים בין-שכבתיים של 1-10L,-7L, ו-1-10L, 11-14 ליטר.
-
-
נדרשת סודיות, התמונה עובדה והיא לעיון בלבד
חור קבור: קבור לחלוטין בתוך ה-PCB מבלי להתרחב למשטח חיצוני כלשהו. לדוגמה, בלוח בן 20 שכבות, החורים הקבורים משיגים רק חיבור מ-L2 ל-L4, ולא ניתן לראות את מיקומי החורים משני צידי הלוח. היגיון העיבוד שלו הוא קודם כל לקדוח חורים למתכת, ולאחר מכן להשתתף בלמינציה. יש להשלים את כל עיבוד החורים בשלב לוח הליבה הפנימית, ואז החורים עטופים לחלוטין בתוך הלוח באמצעות תהליכי למינציה הבאים.
-
נדרשת סודיות, התמונה עובדה והיא לעיון בלבד
-
תהליך ייצור ופרמטרים מרכזיים של שלושה סוגי חורים
מבני חורים שונים מתאימים לקישורי תהליך ודיוק בקרה שונים לחלוטין, וזו גם הסיבה המרכזית להבדל העלות העצום בין לוחות רב-שכבתיים מסדר גבוה לבין לוחות דרך חורים רגילים:
-
-
תהליך דרך חור: נעשה שימוש במקדחי פלדת טונגסטן קונבנציונליים בקוטר של 0.2 מ"מ או יותר, ומהירות הציר נשלטת ב-80000 עד 150000 סיבובים לדקה. קידוח אחד יכול להשלים את עיבוד הצלחת המלא. יחס הגובה-רוחב הסטנדרטי בתעשייה נשלט בתוך 10:1, ומפעל הלוח מבטיח את יכולת ההחלפה של כימיקלים בקירות חורים באמצעות קווי ציפוי אופקיים של PTH. האחידות של עובי הנחושת יכולה לעמוד ביציבות בסטנדרטים של IPC ברמה 2 ומעלה. נכון לעכשיו, בתרחישי ייצור המוני מיינסטרים, הצמצם המינימלי של חורים דרך יכול להגיע ל-0.15 מ"מ, אך כאשר הוא נמוך מ-0.2 מ"מ, נדרשת אופטימיזציה מיוחדת של פרמטרי הציוד.
-
-
טכנולוגיית חורים עיוורים: מחולק לשני מסלולים: חורים עיוורים עמוקים בשליטה מכנית מסורתית וחורים עיוור לייזר מיינסטרים. חורים עיוורים מכניים נקדחים באמצעות ציוד קידוח בקרת עומק, עם דיוק עומק נשלט בתוך ± 0.05 מ"מ ויחס AR קונבנציונלי של 1.2:1; חורים עיוורים בלייזר מסולקים באמצעות לייזרים CO ₂ או UV, עם דיוק צמצם של ± 0.01 מ"מ וצמצם מינימלי של 3 מיל. צפיפות האנרגיה נשלטת ביציבות על 8-12 J/cm ², והשכבה הפנימית והמעגל התחתון לא ייפגעו לאורך כל התהליך. לאחר השלמת עיבוד החור העיוור בלייזר, יש צורך לייעל את קצב הזרימה וזמן ההשריה של תמיסת התרופה כדי למנוע שאריות תמיסת תרופה בחור הקצה העיוור ולהבטיח שאין חללים בשקיעת הנחושת.
-
-
-
-
תהליך הקבורה: בהתבסס כולו על עיבוד לוח ליבה דקה, הקידוח המכני מסתיים תחילה על לוח הליבה הפנימי העצמאי, ולאחר מכן מסירים את השרף המפוחם על דופן החור על ידי קידוח רטוב אשלגן פרמנגנט. לאחר מכן, עובי הנחושת על דופן החור גדל ל-10-20 מיקרומטר באמצעות שקיעת נחושת כימית וציפוי אלקטרוני על לוח מלא. לבסוף, מעגל השכבה הפנימית נחרט, ולאחר מכן הוא משתתף בלמינציה רב-שכבתית הבאה. לאורך כל התהליך, יש לשלוט במדויק על הפרמטרים של הטמפרטורה, הלחץ והזמן של הלמינציה כדי למנוע חסימה של החורים הקבורים על ידי זרימת הדבק ביריעת החצי שנרפאה, או תזוזה ועיוות של לוח הליבה הדק הנגרמים מלחץ הלמינציה.
-
מקרי יישומים טיפוסיים בתעשייה
הבחירה המשולבת של מבני נקבוביות שונים קובעת ישירות את הגבול העליון של הביצועים של המוצר הסופי. Uniwell Circuits יצרה פתרונות יישום בוגרים במספר תחומי ייצור מתקדמים:
-
24 שכבות מטוס אחורי במהירות גבוהה של שרת AI: הלוח כולו מאמץ סכמת חיבור בסיסית של "קידוח דרך חור+גב", ומצויד בחורי לייזר עיוורים בסדר 1-2 באזור שקעי ה-CPU, מצמצם את אורך נתיב ההחזרה של פין BGA ביותר מ-40%, מונע השתקפות רצינית של אותות במהירות גבוהה בערימת שאריות חור דרך, ועומד בדרישות השידור של Ser25G מעל ספירות האותות של Ser25b. אם כל העיצובים האלה משתמשים בחורים רגילים, לא רק ששטח החיווט יהיה לא מספיק לחלוטין, אלא שגם שלמות האות לא תעמוד בסטנדרטים.
-
-
-
-
16 שכבות RO4350B+RO4450F לוח חורים עיוור בתדר גבוה: באזור מודול משדר RF, נעשה שימוש בחורים עיוור לייזר L1-L2 להשגת הארקה קרובה, שליטה על השראות הטפילית של ה-via בתוך 0.1nH ומפחיתה משמעותית את אובדן ההחדרה של אותות גל מילימטר של 77GHz. אם נעשה שימוש בחור דרך רגיל, נתיב הארקה ארוך מדי יגרום לירידה של 2-3dB בהגברת האנטנה, שאינה יכולה לעמוד בדרישות מרחק הזיהוי של המכ"ם המותקן ברכב.
|
|
נדרשת סודיות, התמונה עובדה והיא לעיון בלבד
-
-
10 שכבות לוח חור קבור עיוור HDI מסדר 3: מתחת לשבב SOC של לוח האם של סמארטפון הדגל, עיצוב חור קבור עיוור+חור מוערם משמש להשגת מאוורר בצפיפות גבוהה מתוך אלפי פינים באזור BGA בגודל של ציפורן. מבלי להגדיל את מספר השכבות הכולל, משאבי החיווט גדלים ב-40%, ונתיב מיתוג שכבת האות מתקצר משמעותית, מה שמפחית את צריכת החשמל הכוללת בכ-12%.
-
מטוס אחורי לבדיקת מוליכים למחצה 26 שכבות: באזור הממשק של כרטיס הבדיקה, נעשה שימוש במספר רב של חורים קבורים כדי להשיג חיבור בין שכבות סמוכות בשכבה הפנימית, מבלי לתפוס שטח חיווט חיצוני כלשהו. אפילו עם יותר מ-20000 ערוצי חיבור על הלוח כולו, סובלנות העכבה של כל ערוצי האותות עדיין נשלטת בתוך ± 5%, ועומדת בדרישות הסנכרון הדיוק הגבוה של בדיקת שבבים. -
עקרונות הליבה של קבלת החלטות בבחירה
בפרויקטים מעשיים, אין עליונות או נחיתות מוחלטת בין שלושת סוגי החורים, רק הבדלים בתרחישי הסתגלות: לוחות בקרה תעשייתיים רגילים, לוחות אלקטרוניים צרכניים דו-שכבתיים ארבע שכבות ועיצובי חורים מלאים מועדפים כדי למקסם את בקרת העלויות תוך עמידה בדרישות הביצועים; לוחות BGA בצפיפות גבוהה ולוחות שרתים מהירים יכולים להציג משאבי חיווט לאופטימיזציה של חורים עיוור מסדר ראשון; לוחות HDI מתקדמים ומודול RF ממוזער דורשים עיצוב שילוב חורים קבור עיוור כדי להשיג את צפיפות החיבורים הגבוהה ביותר בשטח לוח מוגבל.