•••• Spis tre ci

1. Wst p.....................................................................................................................................................2

2. Technologia mikrootworów..................................................................................................................2

3. Zastosowanie i korzy ci........................................................................................................................3

4. Metodyka wyznaczania liczby warstw sygna"owych i budowy p"ytki..................................................4

5. Równomierno & wykorzystania powierzchni warstw...........................................................................6

6. Materia"y...............................................................................................................................................7

7. Konstrukcje przepustów z mikrootworami ..........................................................................................8

7.1. Budowa mikroprzepustu................................................................................................................8
7.2. Umiejscowienie mikroprzepustów na p"ytce.................................................................................9
7.3. Uk"ad przestrzenny po"/cze0 wewn/trz p"ytki............................................................................10

8. Budowa obwodów wielowarstwowych z mikrootworami..................................................................12

8.2. Konstrukcja typu II 1[C]0 lub 1[C]1...........................................................................................14

8.3. Konstrukcje typu III62[C] 670...........................................................................................................15

9. Przyk"adowe procesy technologiczne .................................................................................................16

9.1. Wariant 1: Budowa typu I 1[C]1 (rysunek 11)............................................................................16
9.2. Wariant 2: Budowa typu II 1[C]1.(rysunek 12)...........................................................................16
9.3. Wariant 3: Budowa typu II 1[C]1.(rysunek 14)...........................................................................17

Literatura:................................................................................................................................................18

Za cznik A:
Podstawowe parametry sztywnych p ytek drukowanych wykonywanych w ITR

Warszawa kwiecie0 2003

1 / 18

1. Wst p

Obwody drukowane o wysokiej g sto ci po"/cze0 HDI (High Density Interconnects) s/

obecnie projektowane w coraz wi kszych ilo ciach. Wyst puj/ca w HDI bardzo duAa liczba po"/cze0
( rednio 10 tys. cieAek i 4 tys. otworów) oraz miniaturyzacja podzespo"ów wymaga zastosowania
przepustów wykonywanych za pomoc/ mikrootworów. Wychodz/c na przeciw tym wymaganiom w
Instytucie Tele- i Radiotechnicznym rozpocz to prace nad technologi/ mikrootworów. Ten dokument
jest cz ci/ opracowa0 i zawiera wytyczne dla projektantów obwodów drukowanych i innych osób,
którzy pragn/ skorzysta& z tej technologii w swoich projektach.

2. Technologia mikrootworów

Technologia mikrootworów polega na wykonywaniu przepustów pomi dzy warstwami przy

zastosowaniu otworów o rednicy

150

1

µ

m. Dzi ki tak ma"ym przepustom radykalnie maleje

powierzchnia zajmowana przez przelotk . NaleAy teA zwróci& uwag , Ae te przepusty wykonywane s/ z
warstwy zewn trznej n do nast pnej wewn trznej n+1. Dzi ki takiemu wykonaniu zyskuje si
moAliwo & prowadzenia cieAek lub nast pnych przepustów (przelotki zagrzebane) na kolejnych
warstwach pod wykonanym przepustem.

Istnieje kilka technologii formowania mikrootworów:

•

mechaniczna

•

fotochemiczna

•

trawienie plazmowe

•

ablacja laserowa

ITR dysponuje wiertark/ laserow/ firmy Electro Scientific Industries, model 5200 z laserem

UV typu Nd:YAG pompowanym diodowo, o d"ugo ci fali 355

µ

m. Dlatego przedstawiony tu opis

dotyczy metody ablacji laserowej. Formowanie otworu za po rednictwem wi/zki laserowej przebiega
w dwóch etapach:

I. wykonanie okna w zewn trznej warstwie miedzi,
II. czyszczenie dna otworu z dielektryka przy uAyciu wi/zki o mniejszej energii.

Proces obrazuje rysunek 1.

Rysunek 1. Dwuetapowy proces formowania mikrootworu przy uAyciu wi/zki laserowej.

1 definicja mikroprzepustu wg normy IPC/JPCA-2315

Warszawa kwiecie0 2003

2 / 18

3. Zastosowanie i korzy ci

MoAna wyróAni& trzy p"aszczyzny zastosowania obwodów drukowanych z mikrootworami.

Podzia" ten wynika z potrzeb i sta"ego post pu w elektronice:

•

miniaturyzacja (elektroniczny sprz t przeno ny, telefony komórkowe, laptopy, itp.)

•

du a miejscowa g sto po cze (podzespo"y BGA, CCGA, flip-chip,

µ

BGA, itp.)

•

przemys owe systemy o wysokiej szybko ci (systemy informatyczne i telekomunikacyjne)

W kaAdej z tych p"aszczyzna za zastosowaniem mikrootworów przemawiaj/ inne kryteria. W

miniaturyzacji podstawowym aspektem stosowania mikroprzepustów jest przede wszystkim redukcja
wielko ci i wagi ko0cowego produktu poprzez projektowanie upakowanych p"ytek z elementami
wykonanymi w coraz to mniejszych rastrach.

Rysunek 2. Miniaturyzacja przy zastosowaniu mikroprzepustów.

DuAa liczba wyprowadze0 (~1500 wej &/wyj &) elementów pó"przewodnikowych, z coraz to

mniejszymi rastrami, oraz konieczno & umieszczania elementów blisko siebie (np. procesor i pami &
DRAM), wymaga wykonania na ma"ej powierzchni duAej liczby przepustów. Dzi ki swoim ma"ym
wymiarom mikrootwory wietnie si do tego nadaj/. UmoAliwiaj/ ponadto redukcj liczby warstw,
gdyA "/cz/ ze sob/ tylko jedn/ lub dwie warstwy. OcieAki moAna prowadzi& wtedy pod przepustem na
pozosta"ych warstwach. Mikrootwory ze wzgl du na swoj/ budow pozwalaj/ na prowadzenie
przepustów bezpo rednio w padzie lutowniczym, co dodatkowo redukuje powierzchni

p"ytki

potrzebn/ na przelotki.

Stosunkowo nowym polem zastosowa0 mikrootworów s/ obwody do systemów o wysokich

szybko ciach, gdzie wyróAnikiem zastosowania s/ parametry elektryczne (g"ównie impedancja). Dzi ki
ma"ym fizycznym wymiarom mikroprzepustów oraz redukcji d"ugo ci po"/cze0, uzyskuje si popraw
min. takich parametrów elektrycznych jak:

•

charakterystyka impedancji (oporno &, indukcyjno & i pojemno &),

•

straty sygna"u,

•

niskonapi ciowy sygna" róAnicowy LVDS

2

•

szumy,

•

przes"uchy,

•

czasy narastania.

2 Low Voltage Differential Signal

Warszawa kwiecie0 2003

3 / 18

Rysunek 3 przedstawia porównanie indukcyjno ci i pojemno ci klasycznej przelotki oraz

mikroprzepustu. Wida&, Ae dla mikroprzepustu warto ci te s/ dziesi ciokrotnie mniejsze.

Rysunek 3. Porównanie indukcyjno ci i pojemno ci klasycznej przelotki oraz mikroprzepustu.

3

4. Metodyka wyznaczania liczby warstw sygna#owych i budowy p#ytki

Niezmiernie waAn/ spraw/ jest oszacowanie liczby warstw i przez to okre lenie budowy

p"ytki. Zastosowanie wzorów matematycznych znacznie skraca proces projektowania (konieczno &
wielokrotnego przeprojektowywania) oraz obniAa koszty poprzez redukcj nie w pe"ni wykorzystanych
warstw. Matematyczne narz dzia do wyznaczania liczby warstw uwzgl dniaj/ w swych wzorach
parametry: elektryczne, mechaniczne, montaAowe (odleg"o ci mi dzy elementami) oraz technologiczne
(szeroko ci cieAek, odleg"o ci pomi dzy nimi). Istnieje wiele matematycznych modeli

3

do szacowania

liczby warstw, m.in.:

•

HP's Design Density Index [1]

•

Toshiba Technology Map [2]

•

Equivalent ICs per square inch [3]

•

Coors, Anderson & Seward's Statistical Wiring Length technique [4]

•

Rent's Rule techniques [5]

•

Section Crossing technique [6]

•

Geometric Approach [7]

•

Seraphim Wiring Factor [8]

KaAde z tych rozwi/za0 moAna sprowadzi& do nierówno ci:

3 przytoczone z artyku"u: “Designing large, high-speed HDI boards- the third platform” Happy Holden

Warszawa kwiecie0 2003

4 / 18

potrzebna liczba po cze elementów (Wd) < pojemno p ytki (Wc)

Liczba po"/cze0 elementów Wd to ca"kowita d"ugo & po"/cze0 wymagana do po"/czenia

wszystkich elementów w obwód elektryczny. Po okre leniu rozmiaru p"ytki, moAna wyznaczy& g sto &
wi/za0 (cm/cm

2

lub cal/cal

2

). Na ich podstawie moAna dobra& model i sprawdzi&, czy p"ytk moAna

zaprojektowa& na zadanej powierzchni.

Pojemno & p"ytki (Wc) jest to dost pna d"ugo & wi/za0 do po"/czenia wszystkich elementów.

Wp"ywaj/ na ni/:

– zasady projektowe ( cieAki, odst py, otwory, pola lutownicze, itp. które tworz/ powierzchni

pod"oAa);

– struktura (ilo & warstw sygna"owych, otwory przelotowe i zagrzebane i inne umoAliwiaj/ce

wykonanie po"/cze0);

– rodzaje cieAek (baza wymiarowa do obliczania ilo ci cieAek róAnych rodzajów);

– wydajno & warstwy (procent wykorzystania warstw przy narzuconych regu"ach).

Istniej/ modele do wyznaczania:

– po"/cze0 wyst puj/cych w uk"adach typu flip-chip lub BGA;
– po"/cze0 stworzonych przez 2 lub wi cej elementów leA/cych blisko siebie, np. CPU i pami &,

procesor DSP i uk"ady wej cia wyj cia;

– integruj/ce ca"y obwód.

PoniewaA nie zawsze wiadomo, z którym przypadkiem mamy do czynienia w danym

projekcie, zazwyczaj oblicza si kilka wariantów po"/cze0, a parametry ustala si dla najbardziej
niekorzystnego przypadku.

Metodyka obliczania p"ytki drukowanej obejmuje poniAsze etapy:

1. zebranie danych do projektu (liczba wymaganych elementów; liczba wszystkich po"/cze0)
2. za"oAenie kszta"tu p"ytki (jej powierzchni)
3. wyznaczenie g sto ci wi/za0 (cm/cm

2

lub cal/cal

2

)

4. okre lenie wydajno ci po"/cze0 wed"ug typu budowy p"ytki
5. obliczenie pojemno ci p"ytki (Wc)
6.

a) wybór naddatków projektowych i g sto ci przepustów – obliczenie ilo ci warstw
b) wybór ilo ci warstw – obliczenie naddatków projektowych i g sto ci przepustów

7. wycena projektu u wykonawców obwodów drukowanych

Odpowiednie wzory znaleY& moAna w powyAszych pozycjach oraz normie IPC/JPCA-2315 p.5.0.

Przyk"adowe wzory:

•

Obszar typu BGA – wyprowadzenia na ca"ej powierzchni uk"adu

gdzie:
l – d"ugo & cieAek (cm)
s – odst p mi dzy cieAkami (cm)
Dv – rednica padów pod przelotki (cm)
Db – rednica padów kontaktowych (cm)
G – raster (cm)
n – liczba wszystkich po"/cze0 sygna"owych I/O

•

Obszar z kilkoma rz dami wyprowadze0 dooko"a obudowy

Wzór jest identyczny jak powyAszy tylko trzeba zamiast n/2 wstawi& r (liczba rz dów

wyprowadze0).

Warszawa kwiecie0 2003

5 / 18

•

Elementy ciasno u"oAone

gdzie:
N

T

– ilo & po"/cze0 sygna"owych I/O na element

N – ilo & elementów
P

N

– ilo & po"/cze0 w sieci

P – odleg"o & mi dzy elementami – podzia"ka

Rysunek 4. Rozmieszczenie elementów.

•

Upakowanie p"ytki Wc

gdzie:

– wydajno & warstwy 35% do 80%

t – ilo & cieAek na obszarze siatki lub odst p pomi dzy dwoma cieAkami przelotowymi
l – ilo & warstw sygna"owych
g – wielko & siatki

Reasumuj/c

Wd > Wc- projekt nie moAe by& sko0czony, brak jest powierzchni na po"/czenia lub przelotki. Aby to

skorygowa&, pod"oAe musi by& wi ksze lub elementy inaczej rozmieszczone.

Wd = Wc- rozwi/zanie optymalne, ale brak moAliwo ci ewentualnych zmian w projekcie, proces

projektowania wymaga bardzo d"ugiego czasu.

Wd < Wc- najlepsze rozwi/zanie (Wc = 120% Wd); jest wystarczaj/co naddatku projektowego na

szybkie uko0czenie projektu z minimaln/ ilo ci/ wolnej powierzchni i przy niskich
kosztach

Wd << Wc- najcz ciej spotykane rozwi/zanie; bardzo szybko otrzymany projekt p"ytki drukowanej,

ale kosztem wzrostu liczby dodatkowych, ma"o wykorzystanych warstw lub
narzuconych minimalnych naddatków projektowych. Wzrost kosztów od 15% do 50%.

5. Równomierno ' wykorzystania powierzchni warstw.

ZrównowaAenie, w granicach pojedynczej warstwy, g sto ci po"/cze0 umoAliwia

zmniejszenie wichrowato ci i skr cenia p"ytki oraz podnosi jej stateczno & wymiarow/. Dlatego

cieAki powinny by& roz"oAone równomiernie na ca"ej powierzchni p"ytki, aby unikn/& potrzeby

specjalnego miedziowania w procesach galwanicznych (wzrost kosztów wytwarzania). JeAeli
powierzchnia nie jest równomiernie wype"niona, wtedy naleAy doda& specjalne miedziane obszary,
które s/ niefunkcjonalne elektrycznie na uko0czonej p"ytce, ale pozwalaj/ ujednolica& g sto &
pokrywania, daj/c jednolite grubo ci metalizacji powierzchni p"ytki .

Warszawa kwiecie0 2003

6 / 18

6. Materia#y

Istnieje wiele materia"ów pod"oAowych dla obwodów drukowanych z mikrootworami.

Uwarunkowane jest to róAnorodno ci/ wymaga0 stawianych takim p"ytkom. Wymagania te wynikaj/ z
parametrów: elektrycznych (np. duAa stabilno & dielektryczna), mechanicznych (duAa wytrzyma"o &
dla obwodów sztywnych; duAa podatno & na zginanie dla obwodów elastycznych, odporno & na szoki
termiczne, wilgo&) oraz technologicznych (podatno & na obróbk ).

Obecnie ITR dysponuje dwoma typami materia"ów. Komponenty te przeznaczone s/ do

wytwarzania obwodów sztywnych. Parametry obydwu typów materia"ów przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Parametry mechaniczne i elektryczne materia"ów na obwody z mikrootworami.

Parametr

PCL-CF-400

4

FR-4

5

Jednostki

Warto &

Rodzaj testu

Warto & Rodzaj testu

metryczne

IPC-TM-650

(lub inny)

MIL-S-

13949/04

Temperatura zeszklenia (Tg)

°

C

170

2.4.24.4

135

Temperatura rozk"adu

°

C

320

ASTMD3850

260

Wspó"czynnik rozszerzal-
no ci cieplnej X, Y, Z (CTE)

A poniAej Tg
B powyAej Tg

ppm/

°

C

60

125

2.4.24.5

60

190

Przewodno & cieplna

W/mK

0.20

ASTMD5930

Sta"a dielektryczna

A 1MHz
B 100MHz
C 1GHz

-

3.6
3.4
3.2

2.5.5.9

4.6-4.9

-

4.0-4.5

Wspó"czynnik strat
dielektrycznych (tangens)

A 1MHz
B 100MHz
C 1GHz

-

0.2
0.2
0.2

2.5.5.9

0.2

-
-

Rezystywno & obj to ciowa
dielektryka

96godz/35

°

C/90%RH

podatno & temp. wg RTI

M -cm

1.2x10

6

5x10

4

2.5.17.1

6.0x10

6

7.2x10

6

Rezystywno &
powierzchniowa dielektryka

96godz/35

°

C/90%RH

podatno & temp. wg RTI

M

2.5x10

7

4x10

4

2.5.17.1

1.3x10

6

3.7x10

7

Wytrzyma"o & napi ciowa na przebicie

skro na

kV/mm

40

2.5.6.2

39

Wytrzyma"o & na odrywanie
folii miedzianej

A 9

µ

m (1/4 oz)

B 12

µ

m (3/8 oz)

C 18

µ

m (1/2 oz)

D 35

µ

m (1 oz)

N/mm

90

105
105

-

2.4.8

-
-

140
190

Modu" Younga

GPa

3.0

2.4.18.3

Liczba Poissona

-

0.30

ASTM

Wspó"czynnik absorpcji wilgoci

%

0.50

2.6.2.1

0.36

Wytrzyma"o & na rozci/ganie

MPa

TBD

2.4.18.3

Wyd"uAenie

%

TBD

2.4.18.3

Typ palno ci (V-0 samogasn/cy)

-

V-0

UL-94

V-0

UL-94

Rdzenie wykonywane s/ na laminacie typu FR-4. Jest to Aywica epoksydowa w stanie

ca"kowicie utwardzonym wzmocniona tkanin/ szklan/. Ca"o & pokryta jest jednostronnie lub
dwustronnie warstw/ miedzi o grubo ci 18

µ

m lub 35

µ

m. Do klejenia rdzenia stosowany jest prepreg

typu FR-4. Jest to Aywica epoksydowa w stanie cz ciowego utwardzenia wzmocniona tkanin/ szklan/

4 wg karty katalogowej firmy POLYCLAD PCL-CF-400
5 wg karty katalogowej firmy ISOLA DURAVER-E-Cu quality 104 ML

Warszawa kwiecie0 2003

7 / 18

bez miedzi. Na warstwy zewn trzne, gdzie wytwarzane s/ mikrootwory, przeznaczony jest materia"
RCC firmy Polyclad typu PCL-CF-400 Cu12

µ

m/C35T/B35T. Jest to folia Cu pokryta z jednej strony

warstw/ dielektryka epoksydowego w dwóch stanach utwardzenia B (cz ciowe utwardzenie) i C
(ca"kowite utwardzenie). W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry mechaniczne i elektryczne tych
materia"ów.

W ITR prowadzone s/ prace nad wdroAeniem do produkcji nowych materia"ów.

7. Konstrukcje przepustów z mikrootworami

7.1. Budowa mikroprzepustu

Rysunek 5. Budowa mikroprzepustu.

Optymalny kszta"t mikrootworu po ablacji laserowej (rys.5) ma kszta"t lekko rozwartego

stoAka o prostych cianach. Ten kszta"t "atwo poddaje si metalizacji. PoniewaA dla wykonywanych
mikrootworów stosunek g" boko ci Ar jest stosunkowo ma"y (A

r

0,4) to poprawnym jest kszta"t

zbliAony do walca. Ociany mikrootworów po ablacji powinny by& równe i g"adkie, wolne od nalotów
stopionych lub zw glonych cz/stek oraz pozosta"o ci dielektryka na dnie. W przypadku uAycia
dielektryka z w"óknem szklanym dopuszcza si obecno & pozosta"o ci w"ókien szklanych wystaj/cych
nie wi cej niA 8

µ

m. Warstwa miedzi na dnie musi by& ci/g"a. Dopuszcza si jednak niewielkie rysy

rz du 5-7

µ

m oraz miejscowe przetopienia miedzi laserem.

Po metalizacji powierzchnia powinna by& g"adka, ci/g"a, bez nawisów oraz porów i p kni &, o

dobrej przyczepno ci. Ogólne wymagania zawiera norma IPC-6016A p.3.2.6.

Grubo & dielektryka, mierzona mi dzy doln/ i górn/ warstw/ miedzi, blisko kraw dzi

wywierconego mikrootworu, powinna wynosi& oko"o 55

µ

m

±

10%. Natomiast w przypadku, gdy w

rdzeniu wyst puj/ otwory zagrzebane, grubo & dielektryka nie powinna by& mniejsza od 30

µ

m, a

wype"nienie ich przez Aywic powinno wynosi& nie mniej niA 60% dla poziomów wykonania 2 i 3 wg
IPC-6012 A p.3.6.2.15.

Warszawa kwiecie0 2003

8 / 18

7.2. Umiejscowienie mikroprzepustów na p ytce.

Mikroprzepusty z powodzeniem moAna umieszcza& w obszarze pól lutowniczych, pod

warunkiem, iA te pola maj/ wystarczaj/c/ do tego powierzchni . Tak wykonane po"/czenia z
warstwami wewn trznymi radykalnie redukuj/ zajmowan/ powierzchni na p"ytce drukowanej (do
40% klasycznej budowy z otworami przelotowymi i redukuj/ liczb warstw o 33% []). Zalet/ tych
przepustów jest brak odp"ywania lutowia z powierzchni pola lutowniczego na drug/ stron . Wskazane
jest umieszczanie mikroprzepustów na skraju pola montaAowego. Po"oAenie takie zmniejsza ryzyko
wyst/pienia wad podczas montaAu. Przepusty, osadzane w padach uk"adu scalonego, powinny
znajdowa& si naprzemienie co w znacznym stopniu podnosi wytrzyma"o & tego obszaru p"ytki oraz
redukuje ryzyko wyst/pienia rozwarstwie0. Umieszczanie mikrootworów cz ciowo na polu
lutowniczym, a cz ciowo poza, nie jest zalecane.

Dla padów o ma"ym rastrze, gdzie pole ma niedostateczne wymiary, mikrootwory trzeba

wykonywa& na dodatkowych polach poza padem montaAowym. Pola z mikroprzepustami powinny
wtedy by& zakryte soldermask/, aby nie odp"ywa" lut na obszar przepustu.

Mikroprzepusty moAna stosowa& bezpo rednio na ko"nierzach otworów przelotowych lub

przelotek zagrzebanych. Oczywi cie pole powinno by& wtedy odpowiednio ukszta"towane lub
powi kszone.

O moAliwo ci umiejscowienia mikrootworu decyduje bezpo rednio jego rednica, która

zwi/zana jest nierozerwalnie z jego g" boko ci/.

Przy"/czenie cieAki do padu pod mikrootwór powinno by& typu "ezki.
Na rysunku 6 zilustrowano powyAsze sugestie.

Rysunek 6. Umiejscowienie mikroprzepustów: a-niezalecane; b-w polach lutowniczych, c-poza polami dla
ma"ych rastrów (uk"ad naprzenienny), d, e-przy"/cze cieAki typu "ezka, f-przepust przy ko"nierzu przelotki,
g-przepust w ko"nierzu przelotki.

Rysunek 7. Przyk"adowe zalecenia dotycz/ce uk"adów typu BGA i fine-pitch z ma"ym rastrem (czarny punkt
to mikroprzepust).

Warszawa kwiecie0 2003

9 / 18

7.3. Uk ad przestrzenny po cze wewn trz p ytki

Jak pokazuj/ typy konstrukcji p"ytek z mikrootworami moAna wyróAni& kilka typów

przestrzennego ukszta"towania po"/czenia z mikroprzepustami.

a) Typ schodkowy

Po"/czenia o uk"adzie przestrzennym w kszta"cie schodków s/ najcz ciej stosowane ze

wzgl du na prostot technologiczn/ ich wykonania. Kolejne mikrootwory "/cz/ warstwy ze sob/,
odsuwaj/c si od kraw dzi wykonanego poniAej mikrootworu. Przesuni cie moAna wykonywa& tylko
w jedn/ stron lub naprzemiennie: raz w lewo, raz w prawo. Dodatkowo moAna teA wykona& obrót
dooko"a osi prostopad"ej do powierzchni p"ytki.

Rysunek 8. Po"/czenia typu schodkowego – odprowadzenie sygna"u z uk"adu BGA.

Rysunek 9. Po"/czenia typu schodkowego – wymiary.

b) Kolumnowy typu stos (nie stosowane w ITR)

Po"/czenia typu stos polegaj/ na umieszczeniu kolejnych mikrootworów jeden nad drugim

tak, Ae ich osie pokrywaj/ si . Wtedy przed kaAd/ now/ warstw/ naleAy wype"ni& przepust past/
przewodz/ca i pometalizowa&. W ten sposób uzyskuje si pole dla kolejnego po"/czenia. Po"/czenia

Warszawa kwiecie0 2003

10 / 18

tego rodzaju moAna wykonywa& takAe bezpo rednio nad zagrzebanymi przelotkami po wcze niejszym
wype"nieniu przelotki. Konstrukcja typu stos wymaga dodatkowych materia"ów w postaci wype"niacza
oraz dodatkowych procesów technologicznych przy formowaniu po"/czenia, przez co jest
kosztowniejsza.

Rysunek 9. Po"/czenia typu stos.

Po"/czenia tego typu nie b d/ obecnie wykonywane w ITR, poniewaA wymagaj/ specjalnych

technologii. Taka budowa jest technicznie i ekonomicznie uzasadniona przy d"ugich seriach.
Po"/czenie to zosta"o przedstawione w celach poznawczych.

c) Mikroprzepust podwójny (technologia w fazie rozwoju w ITR)

MoAna wykonywa& mikrootwory bezpo rednio przez dwie warstwy. Wtedy pola

przy"/czeniowe na kolejnych warstwach s/ coraz wi ksze. Przedstawia to rysunek 10. Mikrootwory
podwójne s/ trudne w metalizacji, poniewaA wspó"czynnik wg" bno ci metalizacji A

r

jest bliski

jedno ci. Obecnie s/ prowadzone prace nad tego typu przepustami.

Rysunek 10. Mikroprzepust podwójny.

Warszawa kwiecie0 2003

11 / 18

8. Budowa obwodów wielowarstwowych z mikrootworami.

MoAliwo & opracowania prawie dowolnej konstrukcji p"ytki wielowarstwowej z

mikrootworami doprowadzi"a do wypracowania standardów. Wyznaczono 6 typów

6

budowy p"ytki

drukowanej z mikrootworami. Wi/Ae si to bezpo rednio ze z"oAono ci/ danego obwodu, a co za tym
idzie, z moAliwo ciami technologicznymi wytwórcy oraz cen/.

Przy wyznaczaniu budowy p!ytki nale#y kierowa$ si% zasad& symetrii. Podyktowane jest to

tym, iA obwody o niesymetrycznej budowie s/ podatne na duAe wypaczenie i skr cenie. Oczywi cie
moAna wykona& p"ytki o niesymetrycznej budowie, ale naleAy to ustali& z wytwórc/. Trzeba si wtedy
liczy& z moAliwo ci/ odkszta"cenia p"ytek w trakcie produkcji lub podczas montaAu. To z kolei
wprowadza niepotrzebne napr Aenia do montowanych elementów i wtedy moAe nast/pi& uszkodzenie
po"/czenia lub elementów. Zasada symetrii obowi/zuje zarówno dla prostych p"ytek typu I jak równieA
dla p"ytek z"oAonych konstrukcyjnie i technologicznie.

W jednym i drugim przypadku p"ytka ma podobn/ budow . Sk"ada si z rdzenia, na który

doprasowane s/ warstwy, w których wykonuje si mikrootwory. Rdze0 wykonany jest w klasycznej
technologii dla p"ytek wielowarstwowych. Natomiast, mozaika warstw zewn trznych z metalizacj/, w
technologii p"ytek dwustronnych

W rdzeniu mog/ znajdowa& si otwory przelotowe (przelotki) "/cz/ce poszczególne warstwy.

Po nadbudowaniu warstw zewn trznych otwory te b d/ zabudowane (zagrzebane – ang. buried). Ze
wzgl dów technologicznych wykonywania obwodów wielowarstwowych wskazane jest, aby otwory w
rdzeniu "/czy"y warstwy zewn trzne rdzenia, a nie np. warstw zewn trzn/ z trzeci/ dla rdzenia
czterowarstwowego. Do wykonania tego typu po"/czenia naleAy uAy& wtedy warstw z mikrootworami
lub rdze0 wykona& jako z"oAenie dwu (lub wi cej) p"ytek dwustronnych z metalizacj/ ( np. rysunek
14).

Mikrootwory natomiast moAna prowadzi& bezpo rednio z warstwy zewn trznej do jednej lub

dwóch kolejnych warstw wewn trznych. Ograniczone jest to wspó"czynnikiem wg" bno ci metalizacji
A

r

, okre lonym jako stosunek g" boko ci do rednicy mikrootworu nieprzekraczaj/cy warto ci 1.

W tabeli 2 podano warto ci geometryczne obwodów z mikrootworami moAliwe do wykonania

w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym. Rdze0 wykonywany jest wed"ug typowej technologii obwodów
wielowarstwowych lub dwustronnych (dla p"ytki czterowarstwowej i z metalizacj/ otworów).

6 wg normy IPC/JPCA-2315

Warszawa kwiecie0 2003

12 / 18

Tabela 2. Konstrukcja p"ytki z mikrootworami wg technologii ITR

(patrz rys. 11)

symbol

warto'$ typowa

[

µµµµ

m]

warto'$ minimalna

[

µµµµ

m]

a

+rednica dna mikrootworu (przed metalizacj )

0,75b

-

b

+rednica wej+ciowa mikrootworu (przed metalizacj )

150

-

c

+rednica padu mikrootworu na warstwie wewn0trznej

450 dla b

d

+rednica padu mikrootworu na warstwie zewn0trznej

450 dla b

e

szeroko+1 +cie2ki na warstwie zewn0trznej

200

150 (125*)

f

odst0p

izolacyjny

pomi0dzy

+cie2kami

na

warstwie

zewn0trznej

200

150 (125*)

g

+rednica padu przelotki ( h + 300

µµµµ

m)

-

600

h

+rednica otworu przelotki (przed metalizacj )

-

300

i

grubo+1 metalizacji w przelotce

25

18

j

grubo+1 warstwy dielektryka w obszarze mikrootworu

55

30**

k

grubo+1 folii pod o2owej zewn0trznej obszaru mikrootworów

18

12

l

ca kowita grubo+1 p ytki

3000

125

m

grubo+1 metalizacji w mikrootworze

12

10

n

grubo+1 metalizacji w otworze zagrzebanym

15

11

o

+rednica otworu zagrzebanego (przed metalizacj )

300

-

p

+rednica padu otworu zagrzebanego (o+300)

-

600

q

grubo+1 rdzenia z otworami zagrzebanymi

400

125

r

grubo+1 folii pod o2owej na warstwach wewn0trznych 35;

18

12

s

szeroko+1 +cie2ek na warstwach wewn0trznych

250

200 (150*)

t

odst0p

izolacyjny

pomi0dzy

+cie2kami

na

warstwie

wewn0trznej

250

200 (150*)

***

odst0p

izolacyjny

pomi0dzy

elementami

warstw

wewn0trznych a otworami metalizowanymi

300

200

****

odleg o+1 kraw0dzi padu od soldermaski

100

50 ( 0)

wspó czynnik wg 0bno+ci Ar

(k+j)/a dla mikrootworów

0,5:1

1:1

(2k+l)/h dla otworów przelotowych

4:1

8:1

(2r+q)/o dla otworów zagrzebanych

4:1

8:1

* po uzgodnieniu z wytwórc/, na krótkim odcinku
** dla rdzenia z otworami zagrzebanymi
*** parametry dotycz/ce tylko warstw wewn trznych
**** parametr dotycz/cy soldermaski (soldermaska na Ayczenie klienta moAe wchodzi& na pole lutownicze)

Warszawa kwiecie0 2003

13 / 18

8.1. Konstrukcja typu I 1[C]0 lub 1[C]1

7

Konstrukcja typu I opisuje wytworzenie pojedynczej warstwy z mikrootworami na jednej

1[C]0 lub obu 1[C]1 stronach rdzenia wykonanego w konwencjonalnej technologii obwodów
wielowarstwowych. Pod"oAe (rdze0) moAe by& sztywne lub gi tkie. MoAe zawiera& jedn/ lub wi cej
warstw przewodz/cych. W tej konstrukcji mikrootwory "/cz/ warstwy zewn trzne bezpo rednio z
leA/cymi pod nimi warstwami wewn trznymi (1 z 2 i/lub n z n-1). Pozosta"e po"/czenia wykonuje si
korzystaj/c z otworów przelotowych.

Rysunek 11. Przyk"adowa p"ytka typu I 1[C]1.

8.2. Konstrukcja typu II 1[C]0 lub 1[C]1

Konstrukcja typu II opisuje p"ytk , w której wyst puj/ mikrootwory na warstwach

zewn trznych z jednej lub obu stron oraz wyst puj/ otwory zagrzebane (ang. buried) i przelotowe.
(Otwory zagrzebane mog/ by& wst pnie wype"nione przewodz/c/ lub nieprzewodz/c/ past/ po
wcze niejszej metalizacji rdzenia - technika ta, obecnie nie jest stosowana w ITR z powodów
technologicznych). Mog/ by& takAe wype"nione ca"kowicie lub cz ciowo dielektrykiem w procesie
doklejania warstw zewn trznych. Przepusty z mikrootworami s/ zastosowane do "/czenia warstwy 1 z
2 i/lub n z n-1.

Rysunek 12 przedstawia p"ytk z dwoma otworami zagrzebanymi, przy czym obydwa s/

wype"niony cz ciowo dielektrykiem z warstw zewn trznych. Wyst puj/ tu mikrootwory z warstwy 1
do 2 i n do n-1 oraz otwór przelotowy.

Rysunek 12. Przyk"adowa p"ytka typu II 1[C]1.

7 C – core (rdze0)

Warszawa kwiecie0 2003

14 / 18

8.3. Konstrukcje typu III(2[C] ()0

Konstrukcje typu III opisuj/ obwody drukowane, w których s/ przykrywane mikrootwory oraz

mog/ wyst/pi& otwory zagrzebane i otwory przelotowe. (Otwory zagrzebane mog/ by& wst pnie
wype"nione przewodz/c/ lub nieprzewodz/c/ past/ po wcze niejszej metalizacji rdzenia - technika ta,
obecnie nie jest stosowana w ITR z powodów technologicznych). Mog/ by& takAe wype"nione
ca"kowicie lub cz ciowo dielektrykiem w procesie doklejania warstw zewn trznych.

W konstrukcjach typu trzeciego wyst puj/ dwie warstwy z mikrootworami na co najmniej

jednej stronie p"ytki. Ten wyróAnik stanowi o III typie konstrukcji. Obecnie w ITR trwaja prace nad
tego rodzaju p"ytkami, dlatego zosta" on przedstawony w tej pracy.

Rysunek 13 przedstawia p"ytk typu III o budowie 2[C]1. Na rdze0 naprasowano warstw

dielektryku z miedzi/ i wykonano mikrootwory z warstwy 2 do 3. Po metalizacji naprasowano tym
razem obustronnie warstw dielektryku z miedzi/ i wykonano mikrootwory z warstwy 1 do 2 i n do n-
1 oraz otwory przelotowe. Po ponownej metalizacji otrzymano gotow/ p"ytk .

Rysunek 13. Przyk"adowa p"ytka typu III.

Pozosta"e z 6 typów konstrukcji nie s/ przewidziane, w obecnej chwili, do wykonywania w

ITR. Ich opisy moAna znaleY& w normie IPC/JPCA-2315.

Warszawa kwiecie0 2003

15 / 18

9. Przyk#adowe procesy technologiczne

Procesy technologiczne stosowane przy wykonaniu p"ytek z mikrootworami i otworami

przelotowymi przedstawiono na podstawie p"ytki sze ciowarstwowej.

9.1. Wariant 1: Budowa typu I 1[C]1 (rysunek 11)

P"ytka zbudowana jest z dwóch laminatów dwustronnie miedziowanych sklejonych

prepregiem, tworz/cych rdze0 z doklejonymi na zewn/trz warstwami RCC. P"ytka nie zawiera
przelotek w rdzeniu (otworów zagrzebanych). Klejenie warstw przebiega w jednym procesie
prasowania.

Schemat 1. Kolejne etapy wykonania p"ytki 6 -warstwowej z mikrootworami bez przelotek zagrzebanych.

9.2. Wariant 2: Budowa typu II 1[C]1.(rysunek 12)

P"ytka sze ciowarstwowa z rdzeniem i otworami zagrzebanymi z warstwy 2 do 5 oraz

mikrootworami na warstwach zewn trznych. Otwory zagrzebane wype"nione dielektrykiem z warstw
RCC.

Rdze0 zbudowany jest z jednego laminatu dwustronnie miedziowanego z doklejonymi

warstwami zewn trznymi. W rdzeniu wykonane s/ przelotki z warstwy 2 do 5. Do warstw
zewn trznych rdzenia w drugim procesie prasowania doklejane s/ warstwy z RCC.

Schemat 2. Kolejne etapy wykonania p"ytki 6 -warstwowej z mikrootworami i przelotkami zagrzebanymi.

Warszawa kwiecie0 2003

16 / 18

wykonanie mozaiki warstw wewn trznych

prasowanie p ytki: warstwy wewn trzne i RCC

wiercenie otworów przelotowych na wiertarce CNC

metalizacja i wykonanie mozaiki warstw zewn trznych

wykonanie mikrootworów laserem

wykonanie pow ok zabezpieczaj cych

wykonanie mozaiki warstw wewn trznych w3 i w4

wiercenie otworów przelotowych w rdzeniu na wiertarce CNC

doprasowanie zewn trznych warstw rdzenia w2 i w5

metalizacja i wykonanie mozaiki warstw zewn trznych rdzenia

doprasowanie zewn trznych warstw RCC na rdze w1 i w6

wykonanie mikrootworów laserem

metalizacja i wykonanie mozaiki warstw zewn trznych

wykonanie pow ok zabezpieczaj cych

wiercenie otworów przelotowych na wiertarce CNC

9.3. Wariant 3: Budowa typu II 1[C]1.(rysunek 14)

P"ytka sze ciowarstwowa z rdzeniem i otworami zagrzebanymi wyst puj/cymi tylko z

warstwy 2 do 3 i 4 do 5 oraz mikrootworami na warstwach zewn trznych.

P"ytka zbudowana jest z dwóch laminatów dwustronnie miedziowanych. W laminatach

wykonane s/ metalizowane przelotki. Ca"o & wraz z do"oAonymi na zewn/trz warstwami RCC
sprasowano w jednym procesie.

Schemat 3. Kolejne etapy wykonania p"ytki 6 -warstwowej z mikrootworami i przelotkami zagrzebanymi.

Rysunek 14. Budowa p"ytki wg wariantu 3.

Warszawa kwiecie0 2003

17 / 18

wiercenie otworów przelotowych w laminacie

warstw 2 i 3 na wiertarce CNC

wiercenie otworów przelotowych w laminacie

warstw 4 i 5 na wiertarce CNC

metalizacja i wykonanie mozaiki na

warstwach 4 i 5

prasowanie p ytki: warstwy wewn trzne i RCC

wiercenie otworów przelotowych na wiertarce CNC

wykonanie mikrootworów laserem

metalizacja i wykonanie mozaiki warstw zewn trznych

wykonanie pow ok zabezpieczaj cych

metalizacja i wykonanie mozaiki na

warstwach 2 i 3

Literatura:

1. Happy Holden, "Segmentation of Assemblies: A Way To Predict PWB Characteristics" Proceedings

of IPC T/MRC, New Orleans, Dec. 6, 1994

2. Happy Holden, "Segmentation of Assemblies: A Way To Predict PWB Characteristics" Proceedings

of IPC T/MRC, New Orleans, Dec. 6, 1994

3. Coors,G, Anderson,P and Seward,L. "A Statistical Approach to Wiring Requirements", Proc of the

IEPS, 1990, pp. 774-783

4. W.R. Heller, C.G. Hsi, and W.F. Mikhail, "Wirability -Designing Wiring Space for Chips and Chip

Packages ", IEEE Design Test., August 1984, pp. 43-51

5. Sutherland, I.E. and Oestreicher, D. "How Big Should a Printed Circuit Board Be", IEEE trans. on

Computers, May 1973, pp. 537-542, vol. C- 22, no.5.

6. Hannemann, R.J. "Introduction: The Physical Architecture of Electronic Systems", Physical

Architecture of VLSI Systems, R. Hannemann, A.D. Kraus and M. Pecht editors, John Wiley &
Sons, New York, NY, 1994, pp. 1-21.

7. Moresco, L. "Electronic System Packaging: The Search for Manufacturing the Optimum in a Sea of

Constraints", IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, 1990,
pp.494-508, vol. 13, 1990.

8. Bakoglu, H.B. Circuits, Interconnections and Packaging for VLSI, Addison Wesley, Reading MA,

1990

Normy:
1. IPC/JPCA-2315
2. IEC 162326-4:1996

Materia"y pochodz/ce z internetu:

1. “Designing High-Density Interconnects” z firmy Merix
2. Gerald Capwell “High-Density Design with MicroStar™ BGAs. Fixed-Point DSP Applications” z

firmy Texas Instruments

3. Happy Holden “Planning PCB Design: For Fun and Profit!” , Westwood
4. Richard Charbonneau, Happy Holden “Predicting HDI Design Density”
5. Happy Holden, “Designing large, high-speed hdi boards-the third platform”, Westwood
6. Andrew Mawer ,Plastic Ball Grid Array (PBGA)” ; Motorola
7. “Manufacturing considerations” z firmy Intel
8. Larry W. Burgess, Fabrizio Pauri “Multi-Depth Laser Drilled Blind Vias for Increased Circuit

Density”, Pluritec Italia S.p.A.

9. “FBGA User’s Guide” z firmy AMD
10.“Materials for Sequential Build-up (SBU) of HDI – Microvia Organic Substrates” By Ceferino G.

Gonzalez E. I. du Pont de Nemours & Co., Inc. RTP, NC

11.Anthony Primavera, Jaydutt Joshi “The proximity of microvias to pths and its impact on the

reliability”

12.“Signal Integrity Advantages of HDI Technology” Happy Holden / Westwood/NanYa & Dr. Eric

Bogatin / GigaTest Labs

Warszawa kwiecie0 2003

18 / 18