Металлизация отверстий печатных плат в домашних условиях — пошаговая инструкция

Давайте поговорим про проектирование переходных отверстий — для серьёзной электроники их качество очень важно. В начале статьи я осветил факторы, влияющие на целостность сигнала, а потом показал примеры расчёта и тюнинга импеданса одиночных и дифференциальных переходных отверстий.

Всем привет, меня зовут Вячеслав. Я занимаюсь разработкой печатных плат 5 лет, и за это время не только прочитал множество правил и рекомендаций по трассировке, но и находил первоисточники и работал с ними.

В сложных вычислительных системах, которые разрабатывает компания YADRO, высокоскоростные сигналы на пути от передатчика к приёмнику преодолевают значительные расстояния, проходя сквозь несколько плат и делая десяток межслойных переходов. В таких условиях, каждое небрежно спроектированное переходное отверстие будет вносить свой небольшой вклад в ухудшение сигнала, и в результате интерфейс может не заработать.

Целостность сигнала

Переходные отверстия (далее п/о, англ. via) представляют собой неоднородности в линии передачи. Как и другие неоднородности, они портят сигнал. Этот эффект слабо выражен на низких частотах, однако с увеличением частоты значительно возрастает. Часто разработчики уделяют незаслуженно мало внимания структуре переходных отверстий: они могут быть скопированы из «соседнего» проекта, взяты из даташита или вообще не заданы в САПР (настройка по умолчанию).
Перед тем как использовать рассчитанную структуру, необходимо понять, почему её сделали именно такой? Слепое повторение может только навредить.

На целостность сигнала в канале при прохождении через переходные отверстия главным образом влияют следующие факторы:

• отражения сигнала из-за изменения волнового сопротивления;
• деградация сигнала вследствие паразитной ёмкости и индуктивности;
• отражения от неиспользуемого отрезка п/о при переходе на внутренний слой (далее стаб от англ. via stub);
• перекрёстные помехи (англ. Cross talks);
• помехи в шинах питания.

Рассмотрим подробнее причины этих эффектов и методы их устранения.

Фактор 1. Волновое сопротивление п/о

В идеально спроектированной плате волновое сопротивление не меняется на всем протяжении трассы, в том числе и при переходе на другой слой. В реальности это обычно выглядит примерно так:

Рисунок 1. Изменение волнового сопротивления при переходе на другой слой.

Чем лучше согласованы волновые сопротивления, тем меньше будет отражение сигнала. Как же повлиять на это?

Рассмотрим структуру п/о на плате [1].

Рисунок 2. Структура п/о на плате.

Изменяя элементы п/о, мы изменяем волновое сопротивление перехода. Наша цель – согласовать импеданс переходной структуры с импедансом проводников для минимизации отражений. Рассмотрим, как изменится импеданс при изменении элементов структуры п/о.

↑ Реализация

Вставляем развальцованную трубку в плату. Лучше, если отверстие в ПП будет максимально соответствовать наружному диаметру трубки наконечника, трубка должна входить плотно, с трудом. Максимально осаживаем пальцами. Специальную трубчатую осадку с молотком применять не стал. Получающийся в результате неполного прилегания развальцовки к плате запас, как раз и идёт на развальцовку заклёпки с другой стороны платы.

Обкусываем заклёпку заподлицо с фольгой. Как показала практика, обкусывать лучше всего бокорезами с плоскими (без фаски) режущими поверхностями.

Трубка, естественно, сжимается на резе, я пробовал, перед обкусыванием, вставлять внутрь трубки кусок обмоточного провода, но результат получился не шибко складным. Оказалось, что гораздо проще вставить со стороны развальцовки подходящее конусное шило и расправить этот сжим.

Фактор 2. Паразитная индуктивность и ёмкость

Проводники на печатной плате можно изготовить с волновым сопротивлением, лежащим в широком диапазоне, однако чаще всего это 50 Ом. С одной стороны, это связано с исторической преемственностью: импеданс 50 Ом был стандартизирован для коаксиальных кабелей как компромисс между уровнем нагрузки драйвера и потерей энергии сигнала. С другой стороны, 50-Омный проводник легко изготовить на типовой плате.
Для разработчика важным является не столько конкретное значение волнового сопротивления, сколько его постоянство на всём протяжении линии передачи.

Для того, чтобы сделать линию передачи с фиксированным значением волнового сопротивления, разработчик подбирает ширину дорожки и расстояние до опорного слоя, т.е. меняет погонную ёмкость и индуктивность линии передачи до определённой

величины.

В п/о индуктивная составляющая довольно значима. В первом приближении, мы должны, в рамках разумного, максимально снизить паразитную индуктивность, а затем менять параметры п/о для достижения заданной

емкости, и соответственно импеданса.

Чрезмерное уменьшение ёмкости п/о будет причиной локального повышения импеданса и, как следствие, отражений сигнала.

НТД о металлизации

По IPC H:d (aspect ratio) определяется, как отношение толщины (печатных плат) к минимальному диаметру просверленного отверстия (диаметру сверла).

По отечественному ГОСТ 23 751 -86 — H:d (или обратная величина — γ) определялась, как отношение толщины (печатных плат) к минимальному диаметру металлизированного отверстия, т.е. как минимум на 0,05 мм меньше (в вышедшем ему на замену ГОСТ Р 53429-2009) упоминание об «aspect ratio» отсутствует вообще.

Примечание. Тем не менее для достаточно глубокого понимания содержания статей и документов надо понимать, что отечественная норма соответствовала меньшей норме по IPC, особенно для малых диаметров (например H:d=20:1 или γ=0,05 по отечественным НТД для диаметра сверла 0,15 мм соответствует H:d=13,5:1 по IPC).

Еще один параметр, характеризующий металлизацию отверстий – распределение наносимой меди по длине отверстия (TP – англоязычная аббревиатура). Этот параметр позволяет оценить возможность техпроцесса металлизации (особенно для малых диаметров отверстия, использующих прямую металлизацию) наносить достаточную толщину столба металлизации без неадекватного сужения просвета отверстия. К сожаления отечественные НТД никак не специфицируют эту величину. На рис. 94 показаны два варианта оценки распределения:

— по IPC –наиболее точный;

— оперативный (TPMIN), часто используемый технологами – практиками для быстрой оценки.

Рис 94. Варианты расчета распределения толщины металлизации

ГОСТ 23752 специфицирует минимально допустимую среднюю толщину металлизации для двухсторонних печатных плат – 20 мкм, для многослойных печатных плат – 25 мкм.

Фактор 3. Via stub

Что происходит, когда сигнал проходит через переходное отверстие со стабом?

Рисунок 3. Переходное отверстие со стабом, резонанс на ¼ длины волны.

В нашем примере сигнал распространяется сверху вниз со слоя Top. Дойдя до внутреннего сигнального слоя, сигнал разделяется: часть движется вдоль трассы на внутреннем слое, а часть продолжает движение вниз по переходному отверстию, затем отражается от слоя Bottom. После того, как отражённый сигнал достиг внутреннего слоя, он снова разделяется, часть движется вдоль трассы, а часть возвращается к источнику.

Отражённый сигнал будет суммироваться с исходным и искажать его, что будет выражаться в сужении окна на глазковой диаграмме, и увеличении уровня вносимой потери (англ. Insertion Loss).

В худшем случае, отрезок TD окажется равным ¼ длины волны сигнала, тогда отражённый сигнал достигнет трассы на внутреннем слое с задержкой в половину периода, наложившись на исходный сигнал в противофазе.

При анализе целостности рекомендуется рассматривать полосу пропускания шириной 5 частот Найквиста. Хорошим приближением будет считать приемлемым стаб, дающий резонанс на 7 гармонике и выше [2].

Рисунок 4. График уровня вносимых потерь для п/о со стабами 0, 0.65, 1.2 мм.

На рисунке 4 изображён огромный резонанс на частотах около 24 ГГц. Мы можем сделать вывод, что, если наш сигнал работает на частоте 2–3 ГГц, мы можем себе позволить не устранять стаб, поскольку в пределах 7 гармоник «всё спокойно».

Произвести быструю оценку критичности стаба можно в калькуляторе Polar: Рисунок 5. Изображение с сайта polarinstruments.com. Длина стаба 2.5 мм допустима для сигналов с временем нарастания более 500 пс.

Чуть более точный результат дают формулы, приведённые в статье [2]. Они учитывают геометрию п/о и позволяют рассчитать поправку для диэлектрической проницаемости диэлектрика по оси Z.

Устранить стаб можно с помощью операции «обратное высверливание» (англ. Backdrilling), либо используя микропереходы (англ. blind and buried vias). Выбор зависит от особенностей проекта. Обратное высверливание проще и дешевле. После изготовления платы, сверлом большего диаметра стаб высверливается на заданную глубину. От разработчика требуется задать дополнительные отступы топологии в зоне высверливания, а также доступно для производителя указать требования по высверливанию в конструкторской документации. Современные САПР поддерживают данный функционал.

Микропереходы в первую очередь предназначены для плат высокой плотности (англ. HDI), однако в некоторых случаях их можно использовать, нивелировав дороговизну отказом от обратного высверливания и снижением количества слоёв на плате. При разработке плат HDI следует помнить некоторые особенности:

• каждый новый тип п/о увеличивает стоимость платы;
• для лазерного сверления используются специальные оптимизированные препреги, свойства которых могут отличаться;
• металлизация глухих отверстий увеличивает толщину меди на внутренних слоях.

Крайне рекомендуется заранее согласовать структуру платы с изготовителем.

Металлизация переходных отверстий в печатных платах ( часть 1, приготовление активатора)

• Отзывы о магазине (151)

Давно собирался описать процесс металлизации в подробностях, но все никак не мог завершить эксперименты с разными добавками в активатор (и их количеством), вылизывал все технологические шаги. Ну и какое-то время просто не мог окончательно определиться с тем, какой вариант описывать. После некоторых колебаний решил все-таки описывать вариант с добавкой жидкого мыла. Выбор на этот вариант пал по двум причинам: реактивы доступнее и после термолиза заготовка отмывается гораздо легче. Второй пункт особенно важен в этой технологии, поскольку городить вторую гальванику как-то не улыбалось (хотя «на коленке» я этот вариант отмывания продуктов пиролиза и попробовал). Из минусов — необходимость делать активацию быстро, но тут сложно сказать, минус это или плюс. Итак. Небольшой экскурс в теорию, историю и воздание должного людям, которые сделали этот метод доступным для любителей. В основе этого метода лежит способность некоторых соединений меди разлагаться под действием тепла с выделением металлической меди. Этот метод появился в результате работ над беспалладиевыми технологиями металлизации начатых еще во времена бывшего СССР. После развала СССР работа не была остановлена и в начале 90-х группа химиков из Новосибирского Института химии твердого тела и механохимии возглавляемая Олегом Ивановичем Ломовским получила последний патент на эту технологию. Собственно говоря, тот метод, описание которого приведено ниже, это только адаптация технологии описанной в патенте.
Еще один человек, которому надо воздать должное — пользователь JIN с форума vrtp.ru. Именно он сделал доступным для широких масс чайников в химии, вроде меня, доступный способ получения базового раствора для активатора. Ну а теперь, когда все нужные реверансы сделаны, перейду к, собственно, технологии. ВНИМАНИЕ! ВСЕ РАБОТЫ ПО ПРИГОТОВЛЕНИЮ РАСТВОРА И ОБРАБОТКЕ ПЛАТЫ ВЫПОЛНЯЮТСЯ В ПЕРЧАТКАХ! В процессе обработки в активаторе поверхности платы касаться категорически не рекомендуется, даже если руки в перчатках. Это уже забота о результате, а не о руках. В составе активатора нет сильно ядовитых веществ, но, все же, он содержит соединения меди, большинство из которых, как минимум, не полезны для здоровья. Аммиак тоже на пользу здоровью не пойдет, так что активатор следует хранить в закрытой посуде, в месте недоступном для детей и домашних животных. Для работы понадобятся следующие реактивы и приборы: Реактивы: 1. Сульфат меди (ІІ) (он же медный купорос)
Нужен именно реактив, Ч (чистый) или ЧДА (чистый для анализа)
. Можно, конечно и ХЧ (химически чистый) или ОСЧ (особо чистый), но мне такой не попадался.
Купорос, который продается в магазинах сад-огород может содержать неизвестное количество примесей.
2.
Фосфорноватистокислый кальций (он же гипофосфит кальция, он же фосфинат кальция).Тоже Ч или ЧДА
(и, конечно же, ХЧ или ОСЧ). 3. Дистиллированная вода. Вполне подойдет та, что продается в автомагазинах. 4. Аммиачная вода 25% (она же нашатырный спирт, она же гидрат аммиака, она же гидроксид аммония). Аптечный нашатырный спирт тоже подойдет, но его придется лить больше и скорректировать количество воды (сколько именно — я не считал, но, полагаю, с этой задачей из школьного курса химии справятся все). 5. Жидкое мыло. Подойдет любое, но по возможности стоит брать то, в котором поменьше всяких добавок (оно, обычно, еще и дешевле). Так же стоит отдавать предпочтение мылу с нейтральным pH, такое мыло, обычно усиленно подчеркивает этот факт на упаковке.
Инструменты и материалы: 1. Бытовые весы с разрешением хотя бы в 1 грамм (точнее, на самом деле и не нужно). 2. Две емкости в которых готовится раствор, стеклянные или пластиковые. Емкость первой где-то от литра и больше. Емкость второй — около полулитра. 3. Пластиковый судок с плотно закрывающейся крышкой. Это будет рабочая емкость в которой активатор хранится и в которой же обрабатываются платы. 4. Большая воронка для переливания жидкости, лучше пластиковая. 5. Несколько влажных салфеток для рук (если есть старые высохшие — это даже лучше). Крайне желательно подобрать такие, которые без каких-либо добавок. Салфетки перед использованием надо положить в теплое место и просушить. Эти салфетки будут использоваться для фильтрации. Поскольку осадка много, обычные бумажные салфетки не выдерживают. К тому же они впитывают слишком много жидкости и таким образом влияют на состав, что не желательно. 6. Большой шприц на 20 или (лучше) на 60мл. ВНИМАНИЕ! Заключительные этапы приготовления раствора (начиная с шага 7) лучше проводить на открытом воздухе или под вытяжкой. Все-таки, аммиак изрядно вонюч. Приготовленный раствор воняет значительно меньше и им вполне можно пользоваться в помещении. Раствор готовится так: (Для тех, кто смотрел другие рецепты, уточню, что рецепт «удвоенный» по количеству компонентов, «одинарного» маловато для удобной работы.) 1. Наливаем 140мл дистиллированой воды в первую емкость:

Для ускорения следующего шага воду желательно подогреть в микроволновке градусов до 35-40. 2. Насыпаем 30 грамм купороса:

Затем тщательно перемешиваем до полного растворения в воде. Когда весь купорос растворится, получаем вот такую жидкость голубого цвета:

3. Насыпаем 22 грамма гипофосфита кальция:

И мешаем получившуюся смесь несколько минут. Раствор быстро становится белесым, это выделяется сульфат кальция (гипс), который не растворим в воде:

4. Во вторую емкость ставим воронку, в воронку кладем салфетки:

5. Акуратно сливаем жидкость из первой емкости в воронку. При этом нужно периодически взбалтывать осадок, что бы он не остался в первой емкости. Когда фильтрация закончена получаем вот такую картину:

6. Через осадок проливаем 100 мл воды. При этом осадок становится немного белее. Дожидаемся пока вся жидкость стечет, снимаем лейку и получаем раствор гипофосфита меди в воде:

7. Добавляем с помощью шприца 40мл аммиачной воды в раствор. Если шприц большой, то это можно сделать за один раз, с 20-кой прийдется сделать два захода. Выдавливать аммиачную воду в раствор удобнее всего опустив кончик шприца прямо в раствор, это позволяет избежать разбрызгивания. Если нужно делать два захода, то между заходами кончик шприца следует ополоснуть в дистиллированой воде. Раствор мгновенно густеет и в нем появляются белые хлопья:

Медленно помешиваем раствор до полного исчезновения хлопьев и превращения раствора в однородную жидкость темно-синего цвета:

Этот раствор уже воняет значительно меньше и продолжить процесс можно в помещении, при необходимости. 8. Добавляем в раствор 5-6 мл жидкого мыла:

9. Добавляем в раствор 8-10 грамм гипофосфита кальция:

Еще раз тщательно перемешиваем. Гипофосфит не растворяется полностью, но нерастворившийся осадок тоже нужен, он будет поддерживать концентрацию ионов гипофосфита в растворе по мере использования. Продолжая помешивать переливаем раствор в рабочую емкость. При этом нужно следить, что бы осадок полностью перелился вместе с остальным раствором. Активатор готов. Активатор стабилен и может храниться долгое время. В процессе использования нужно следить за тем, что бы на дне все время был осадок гипофосфита кальция и при необходимости досыпать пару грамм. Если этого не делать, могут появляться неметаллизированные отверстия. ЧитатьЧасть 2 ( гальваника)
Автор Sergiy Yevtushenko

Оригинал статьи на сайте https://we.easyelectronics.ru

Фактор 4. Перекрёстные помехи

Перекрёстные помехи – нежелательная передача сигнала из одной линии в соседнюю. Эта передача происходит, потому что два близко расположенных проводника имеют ёмкостную и индуктивную связь.
Характер перекрёстных помех сигнальных проводников и п/о немного отличается. В п/о у сигнала нет опорного слоя, возвратные токи текут по соседним п/о, образуя большую петлю. Перекрёстные помехи сигналов в п/о обусловлены индуктивной составляющей.

Наибольшего эффекта по минимизации перекрёстных помех можно достичь, увеличив расстояние между п/о. Однако часто тополог не располагает большим пространством.

Сближение п/о в дифференциальной паре не только уменьшает занимаемую площадь, но и положительно сказывается на помехоустойчивости [3].

Общепринятый способ по минимизации перекрёстных помех между соседними сигнальными п/о — поместить экранирующее п/о между ними. При таком способе потребуется вести сигналы с шагом около 2 мм (Рисунок 6). Если места недостаточно, можно использовать меньший шаг со сдвигом (англ. Staggered pattern), как на рисунке 7. С помощью моделирования можно подобрать идеальный угол сдвига [4].

Рисунок 6. Минимизация перекрёстных помех с помощью экранирующего п/о.

Рисунок 7. Минимизацию перекрёстных помех с помощью диагонального «шахматного» сдвига.

Перекрёстные помехи можно также снизить экзотическими методами, например, длинным стабом (за счёт смещения индуктивно-ёмкостного баланса п/о) [5]. Также помехи можно уменьшить на стадии проектирования корпуса микросхемы [6].

↑ Инструмент

Кусачки, пассатижики, керн по диаметру отверстий и молоток. Конусное шило – важный инструмент в этом деле. У меня было заточенное в незапамятные времена (сейчас даже не представляю для чего), сверло – как раз впору пришлось. Ну и самое главное – многофункциональный инструмент, в домашнем обиходе именуемый «консервная банка», играющий роль наковальни.

Эксперименты показали, что получается вполне функционально, не по заводскому, конечно, но это не важно — неровные края заклёпок скрываются под припоем.

Фактор 5. Помехи в шинах питания

Помимо соседних сигнальных цепей, на качество сигнала могут оказывать помехи из внутренних слоёв.
По полигонам питания могут протекать большие токи. В силу увеличения индуктивности у краев полигонов, протекающие токи формируют краевые поля (англ. Fringing fields) по всем границам полигона, в том числе и в вырезах. Краевые поля являются источником электромагнитного излучения (англ. Edge-fired emission) в пространство. Для снижения эмиссии электромагнитного излучения, применяется правило 20H (Рисунок 8), который заключается в сужении полигона питания по отношению к полигону земли.

Рисунок 8. Краевые поля и правило 20H.

Для защиты п/о от помех, если есть возможность, необходимо увеличивать антипад на полигонах питания. Правило 20H для п/о обеспечить трудно, да и излишне, обычно рекомендуется антипад диаметром около 2 мм (Рисунок 9).

Рисунок 9. Увеличенный антипад на слоях питания

Химмеднение и прямая металлизация.

Эти химические процессы (в них не присутствует воздействие внешних источников тока) формируют проводящий подслой на диэлектрике в просверленных отверстиях, по которому впоследствии производят гальваническое наращивание меди. При этом реализуется один из основных параметров печатной платы: соотношение толщины печатной платы к минимальному диаметру сверления (H/d) при формировании достаточной толщины слоя пластичной гальванической меди на стенке отверстия. В современных высокоплотных прецизионных печатных платах это соотношение достигает 10…12/1 (а в наиболее сложных печатных плат и 20/1) – для сквозных отверстий и 1,0 — 1,2/1 (макс 1,5/1) – для глухих отверстий. Главной задачей, которая выполняется в результате этих процессов, является формирование надежных торцевых контактов.

Рис.96. Слой химмеди в районе торцевого контакта

При химмеднении в торцевом контакте металлизированного отверстия печатной платы гальваническая медь, формируемая в процессе металлизации отверстия, контактирует с фольгой внутренних слоев через прослойку осадка химической меди. Эта прослойка является самым слабым местом. По своей природе химически осажденная медь имеет рыхлую пористую структуру, способную поглощать влагу, газы, растворы электролитов и обладающую низкой механической прочностью.

Разрушение торцевого контакта при эксплуатационных воздействиях (в основном, температурных, термоциклических) происходит, как правило, по слою химической меди. Одним из главных условий формирования надежного торцевого контакта является эпитаксиальное сращивание слоя гальванической меди столба металлизации и торца фольги, которое возможно только сквозь слой химической меди толщиной не более 0,8…1 мкм (рис.96). Таким образом, при реализации процесса химического меднения возникает довольно трудно разрешимая технологическая коллизия:

— с одной стороны, для надежного покрытия всей поверхности столба отверстия хочется нанести побольше химмеди (сделать ее потолще);

— с другой стороны, толщина химмеди для формирования надежного торцевого контакта и обеспечения эпитаксиального сращивания с фольгой слоя не должна быть больше 1- 1,5 мкм.

Не хочу сказать, что эта коллизия является неразрешимой, но она требует очень глубокого изучения химизма процессов и значительных усилий для поддержания составов рабочих растворов и режимов на всех стадиях процесса.

Рис.97. Нарушение адгезии на поверхности печатных плат, связанное с утолщенным слоем химмеди. Нарушение адгезии «меди к меди»

Для примера могу привести ситуацию, которая на меня, как на человека, не имеющего фундаментального химического образования, произвела неизгладимое впечатление.

В техпроцессе химической металлизации, согласно которому мы работали много лет, ионы меди были связаны в комплексы с участием сегнетовой соли (калий-натрий виннокислый). Как выяснилось, в составе поставляемой соли могут находиться соли нескольких изомеров винной кислоты, из которых только один является комплексообразователем. Его массовая доля в производимом в РФ продукте не регламентируется и поэтому может меняться. Однако от содержания именно этого изомера напрямую зависит скорость осаждения, а следовательно, толщина слоя химической меди. При завозе каждой новой партии соли начинались проблемы с надежностью торцевых контактов. Понадобилось достаточно много времени и усилий, чтобы разобраться в причинах, отработать методики входного контроля соли. Но это всего лишь один пример одного из этапов многостадийного сложного процесса.

Проблема адгезии, связанная с увеличением толщины рыхлого, механически не прочного, газонаполненного слоя химической меди проявляется не только в районе торцевого контакта, но и по всей поверхности проводников наружного слоя, так как прослойка химмеди лежит везде, где на фольгу наносится гальваническая медь ( рис. 97).

К дополнительным недостаткам химмеднения можно отнести наличие в составе рабочих растворов и, следовательно, в сливах вредных (с очень низкими ПДК), трудно извлекаемых веществ (формалин, сегнетова соль, ЭДТА и др.).

Прямая металлизация лишена основного недостатка химмеднения – наличия дополнительного слоя между фольгой и гальванической медью. Проводящий подслой, формируемый в процессе прямой металлизации, на заключительной стадии процесса лежит только на диэлектрике. Естественно при условии его правильной реализации ( рис.98).

Рис.98. Эпитаксиальное сращивание, через прямую металлизацию в районе торцевого контакта

Кроме того к преимуществам прямой металлизации следует отнести отсутствие выделения водорода («питинга»), приводящего к образованию дефектов металлизации отверстий, особенно малого диаметра. Еще одним преимуществом является возможность реализации процесса прямой металлизации на высокопроизводительных конвейерных установках.

Переход от химической к прямой металлизации не обязательно связан с приобретением новой линии. Поскольку процесс прямой металлизации имеет меньшую стадийность, линии химической металлизации достаточны для реализации этого процесса.

Существующие процессы прямой металлизации по типу формируемых токопроводящих слоев можно разделить на 3 типа. Приведу краткие их характеристики:

1. Токопроводящий слой на основе графита. Применяется в основном для двухсторонних печатных плат. Техпроцесс компактен, дешев, высокопроизводителен. Суть процесса состоит в обработке печатных плат в тонкодисперсной суспензии графита. Частицы графита, имеющие размеры от нескольких десятков до нескольких сотен нм, адсорбируются на обрабатываемой поверхности и после высушивания приобретают проводимость за счет наличия металлической связи между атомами углерода. Углеродные частицы с медной поверхности удаляются микротравлением.

К преимуществам процессов на основе графита следует отнести их простоту, компактность, относительную дешевизну, высокую производительность. Успех процесса во многом зависит от равномерности распределения частиц по размерам в суспензии. Иными словами, частички должны быть преимущественно одного размера. Однако в ходе эксплуатации суспензии они слипаются и укрупняются. Такие укрупненные частицы дают рыхлый, отслаивающийся осадок. Адгезия гальванической меди к нему недостаточна. Поэтому периодически необходимо проводить анализ суспензии графита, который требует соответствующего оборудования. Технологическое окно процесса, обеспечивающего достаточно высокую надежность, очень узкое, что предполагает выполнение частых корректировок и удорожает данную операцию. Поэтому процесс применяется, как правило, для изготовления двухсторонних печатных плат и многослойных печатных плат бытовой техники, эксплуатирующихся в аппаратуре с коротким жизненным циклом.

Рис.99. Разделительный слой в районе торцевого контакта при нарушении технологии промежуточной промывки

2. Токопроводящий слой на основе палладия. Этот метод наиболее распространен для изготовления многослойных печатных плат, в том числе спецприменения. Его идея заключается в том , что уже на стадии активации палладий настолько диспергирован по поверхности, что образует сплошную проводящую (с полупроводниковой проводимостью) пленку без последующей стадии химического осаждения меди.

Существуют техпроцессы палладиевой прямой металлизации с разными механизмами формированиями коллоидных растворов. При этом адсорбция мицелл или промоутерного слоя происходит как на диэлектрике, так и на меди, и требует удаления этих слоев с поверхности меди активной промывкой и микротравлением для того, чтобы между фольгой и гальванической медью не оставалось разделительного слоя ( рис. 99 ).

Распределение (отношение толщины меди в центре к толщине на входе в отверстие) в процессах прямой металлизации не более 75%. Надежно реализуемое H:d (aspect ratio) для сквозных отверстий 8:1, для глухих – 1,2:1.

3. Проводящий слой на основе проводящего полимера.

Проводимость в этом методе создается путем полимеризации мономеров органических веществ, причем из-за особенностей процесса полимеризации проводимость возникает только на участках диэлектрика внутри отверстия. Для этого метода стадия микротравления и промежуточной промывки не требуется, и поэтому процессы на основе проводящих полимеров обеспечивают высокую прочность связи Cu-Cu в торцевых контактах, которая сохраняется и после многократных термовоздействий. Однако проводимость этих слоев также сравнима по величине с проводимостью слоев на основе графита и сульфида Pd. Этот метод перспективен, инновационен, но мало освоен за рубежом. И совсем не освоен в РФ.

Суммируя выше изложенное к преимуществам прямой металлизации следует отнести:

• 1. Отсутствие в рабочих растворах формалина и сильных комплексообразователей.
• 2. Короткое время создания поверхностной проводимости диэлектрика — ~15 сек.
• 3. Используемые растворы обладают высокой стабильностью и не требуют «разгона» после технологических перерывов.
• 4. Отсутствие разделительного слоя в торцевом контакте.
• 5. Возможность создания поверхностной проводимости для широкого диапазона ДЭ.
• 6. Удовлетворительная рассеивающая способность для Н:d≤10 для сквозных отверстий.
• 7. Меньший объем химических анализов.
• 8. Нет меди в сливах.

Что же выбрать: химмедь или прямую металлизацию?

Если процесс химмеднения освоен, стабилен, понятен и нормально работает в течение долгого времени, по-видимому, надо следовать рекомендации: «От добра — добра не ищут». Если же речь идет о модернизации или создании нового производства, а планируемая номенклатура и объемы изготовления печатных плат требуют существенного снижения производственных издержек, и конструкция выпускаемых печатных плат (в первую очередь H:d) допускает использование прямой металлизации, тогда, наверное, стоит остановиться на одном из процессов прямой металлизации.

Следует учитывать, что проводящие слои предварительной металлизации, формируемые всеми тремя описанными ранее методами прямой металлизации, имеют относительно маленькую толщину и полупроводниковую проводимость, при этом дальнейшее наращивание толщины при гальваническом процессе происходит от входа в отверстие к его середине. Что ограничивает максимально достижимое распределение меди и соответственно максимально достижимое H:d.

Некоторые процессы палладиевой прямой металлизации позволяют увеличивать проводимость слоя предварительной металлизации за счет увеличения плотности засева поверхности диэлектрика палладиевыми мицеллами. Это несколько улучшает распределение меди в отверстии, но при этом увеличивает расход палладия и при всем при том не позволяет достичь проводимости как у химмеди. Так при технологии химмеди, слой предварительной металлизации имеет металлическую проводимость и дальнейшее наращивание толщины происходит в направлении перпендикулярном стенок отверстия. Это позволяет реализовать высокие величины параметра распределения меди в отверстии и соответственно реализовывать существенно более высокие, чем при прямой металлизации значения H:d.

В настоящее время в производстве многослойных печатных плат для создания проводящего слоя в отверстиях используется как химмеднение, так и прямая металлизация. Проводимость диэлектрических стенок отверстий создается уже на этапе активации, которая присутствует и в процессе химмеднения, и в процессе прямой металлизации. Однако в процессе прямой металлизации стадия химического осаждения меди исключается. В связи с этим прямая металлизация лишена недостатков, свойственных химмеди, и конечно же, предпочтительна для простых многослойных печатных плат с H:d до 10:1. Продолжающееся же использование химического меднения для изготовления относительно простых многослойных печатных плат в значительной степени связано с консервативностью производителей и их нежеланием отказываться от хорошо отлаженного процесса.

При этом на большинстве производств, в особенности тех, которые заботятся о перспективах своего развития, по-видимому целесообразно принять следующую стратегию организации на этапе гальванического нанесения:

Технологические подходы

Поскольку соотношение печатных плат с большим и малым H:d (aspect ratio) соответственно ≈20%/80% целесообразно иметь 2 линии металлизации:

Высокопроизводительную — с прямой металлизацией (палладиевой или проводящими полимерами) для печатных плат с «малым» H:d≤ 8:1 (т.е для изготовления больших количеств относительно простых печатных плат). Такая линия обеспечит текущую программу и может быть основой контрактного производства.

Относительно малопроизводительную — с химмедью, с гальваническим заполнением отверстий, для печатных плат с «большим» H:d (до 20:1), вибрацией, безвоздушным перемешиванием (сопла Вентури), принудительной подачей раствора по площади заготовки (для изготовления сложных, инновационных, но достаточно дорогих печатных плат). Такая линия позволит разработчикам реализовать инновационные идеи и сократит цикл прототипирования и сроки реализации новых разработок в целом.

Расчёт импеданса одиночных переходных отверстий

Основываясь на знаниях о влиянии элементов п/о на импеданс, мы можем спроектировать своё идеальное п/о. Отличным стартом будет расчёт импеданса в калькуляторе.
У инженеров, связанных с разработкой печатных плат, популярны такие калькуляторы как Saturn PCB Design Toolkit и Polar Instruments Si9000e. Оба они позволяют быстро рассчитать импеданс одиночного п/о.

Результат полученный в данных калькуляторах сильно отличается друг от друга. Это связано с тем, что у этих инструментов разный подход.

Polar cчитает импеданс в двухмерной плоскости, где п/о пересекает полигон питания. Формулы расчёта не приведено. Опытным путём было установлено, что расчёт производится по формуле импеданса коаксиального кабеля:

Рисунок 10. Изображение с сайта polarinstruments.com

На иллюстрации указано достаточно низкое значение диэлектрической проницаемости Er1, по сравнению со стандартным. Это связано с неоднородностью структуры диэлектрика: он состоит из смолы (Er 3.2) и нитей стекловолокна (Er 6.1), поэтому имеет среднюю диэлектрическую проницаемость около 4.1. Это значение может довольно сильно локально изменяться. Так, вблизи п/о преобладает смола, поэтому значение диэлектрической проницаемости пересчитано в сторону уменьшения [7].

Saturn PCB считает импеданс по формуле:

При изменении длины п/о, значения индуктивности и ёмкости изменяются непропорционально, импеданс изменяется. Импеданс точно такого же п/о длинной 1.6 мм, Saturn PCB рассчитывает, как 128 Ом! (Рисунок 11)

Рисунок 11. Расчёт п/о в программе Saturn PCB Design Toolkit.

Сразу возникает вопрос: кому верить?

Промоделируем в трёхмерном решателе электромагнитных полей (англ 3D Solver), как это будет выглядеть на реальной 8-слойной плате толщиной 1.6 мм (Рисунок 12)

Рисунок 12. Структура перехода между слоями с отверстием для возвратного тока.

В нашем случае импеданс получился около 70 Ом. Приблизив возвратное п/о, можно добиться снижения ещё на 5 Ом. «Поиграв» с размером антипада, можно довольно точно подогнать импеданс к целевому значению (Рисунок 13).

Рисунок 13. Импеданс цепи с п/о на временной диаграмме.

В частотной области «лучшие» параметры выражаются в меньшем значении коэффициента отражения от входа (Рисунок 14).

Рисунок 14. Параметры одиночных п/о в частотной области.

Расчёт Polar оказался ближе к полученному результату. Возможно, для получения адекватного результат в Saturn PCB, требуется ввести поправки. Если у кого-то есть положительный опыт расчёта импеданса в Saturn, поделитесь в комментариях!

Технология ручного способа нанесения дорожек печатной платы

Подготовка шаблона

Бумага, на которой рисуется разводка печатной платы обычно тонкая и для более точного сверления отверстий, особенно в случае использования ручной самодельной дрели, чтобы сверло не вело в сторону, требуется сделать ее более плотной. Для этого нужно приклеить рисунок печатной платы на более плотную бумагу или тонкий плотный картон с помощью любого клея, например ПВА или Момент.

Далее плотная бумага вырезается по контуру приклеенного рисунка и шаблон для сверления готов.

Вырезание заготовки

Подбирается заготовка фольгированного стеклотекстолита подходящего размера, шаблон печатной платы прикладывается к заготовке и обрисовывается по периметру маркером, мягким простым карандашом или нанесением риски острым предметом.

Далее стеклотекстолит режется по нанесенным линиям с помощью ножниц по металлу или выпиливается ножовкой по металлу. Ножницами отрезать быстрее, и нет пыли. Но надо учесть, что при резке ножницами стеклотекстолит сильно изгибается, что несколько ухудшает прочность приклейки медной фольги и если потребуется перепайка элементов, то дорожки могут отслоиться. Поэтому если плата большая и с очень тонкими дорожками, то лучше отрезать с помощью ножовки по металлу.

Приклеивается шаблон рисунка печатной платы на вырезанную заготовку с помощью клея Момент, четыре капли которого наносятся по углам заготовки.

Так как клей схватывается всего за несколько минут, то сразу можно приступать к сверлению отверстий под радиодетали.

Расчёт импеданса дифференциальных переходных отверстий

Расчёт дифференциальных п/о аналогичен одиночным, за исключением того, что теперь у нас нет калькулятора: указанные выше инструменты не считают дифференциальные п/о. Также, теперь мы можем дополнительно изменять шаг п/о в диф. паре.
Структуру возьмём ту же: 8-слойную плату толщиной 1.6 мм. Рассмотрим 9 конфигураций п/о (Рисунок 15).

Первые 3 п/о имеют зазоры 0.125 мм и отличаются лишь расположением отверстий для возвратного тока. Все п/о с 4 и далее имеют шаг 1 мм. П/о с 6 и далее имеют увеличенный антипад (0.250 мм) и отличаются отступом отверстий для возвратного тока.

Рисунок 15. Переходные отверстия.

Рассмотрим график импеданса (Рисунок 16).

Рисунок 16. Импеданс п/о во временной области.

На графике хорошо виден «горб», который соответствует вертикальному отрезку п/о — «стакану» (англ. Via barrel).

Рассмотрев частотную зависимость коэффициента отражения VIA1-3 (Рисунок 17), видим, что несмотря на хорошие показатели на целевой частоте 6 ГГц, имеется резонанс на более низких частотах. Предпочтительней улучшить via7-9, а если не получится, то via4-5, чтобы уменьшить «горб» за счёт сдвига графиков вправо.

Рисунок 17. Коэффициент отражения от входа п/о.

Уменьшим антипад у VIA9, чтобы получить зазоры 0.125 мм. Для VIA4 уменьшим шаг п/о до 0.75 мм и рассмотрим полученный результат (Рисунок 18).

Рисунок 18. Сравнение импеданса модифицированных п/о.

В частотной области виден сдвиг графика коэффициента отражения от входа вправо (Рисунок 19).

Рисунок 19. Сравнение коэффициента отражения модифицированных п/о.

Заключительные рекомендации

Переходные отверстия в печатных платах — это сложная и неоднородная структура. Для корректного расчёта параметров необходимы дорогие 3D решатели, компетенции и значительные затраты времени.
Если нет возможности избежать использования переходов критических сигналов на другие слои, необходимо прежде всего оценить степень влияния возникших неоднородностей на целостность сигналов. Если неоднородность электрически короткая (время задержки менее 1/ 6 фронта), стаб резонирует на частотах, находящихся за пределами полосы пропускания — нет смысла тратить время и деньги на оптимизацию.

В первом приближении удобно использовать готовые структуры из даташитов или предыдущих плат, но помнить об особенностях текущего проекта.

Калькуляторы позволяют быстро оценить параметры п/о, однако используют сильно упрощённые модели, негативно влияющие на результат.

Список литературы

1. Chin, T. Differential pairs: four things you need to know about vias. Retrieved from TI E2E Community: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2015/06/10/differential-pairs-four-things-you-need-to-know-about-vias#
2. Simonovich, B. Via Stubs Demystified. Retrieved from Bert Simonovich’s Design Notes: https://blog.lamsimenterprises.com/2017/03/08/via-stubs-demystified/
3. Demystifying Vias in High-Speed PCB Design. Retrieved from Keysight Technology: https://www.keysight.com
4. K. Aihara, J. Buan, A. Nagao, T. Takada and C.C. Huang, “Minimizing differential crosstalk of vias for high-speed data transmission,” in Proc. 14th Elect. Perform. Electron. Packages and Systems, Portland, OR, Oct. 2014.
5. C.M. Nieh and J. Park, “Far-end Crosstalk Cancellation using Via Stub for DDR4 Memory Channel,” in Proc. 63rd Electronics Components and Technology Conference, Las Vegas, NV, May 2013, pp. 2035-2040.
6. H. Kanno, H. Ogura and K. Takahashi, “Surface-mountable Liquid Crystal Polymer Package with Vertical Via Transition Compensating Wire Inductance up to V-band,” in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Philadelphia, PA, June 2003, pp. 1159-1162.
7. Via Pad / Anti-Pad Impedance Calculation. Retrieved from Polar instruments https://www.polarinstruments.com/support/si/AP8178.html