تقنية الثقوب المدفونة في لوحات الدوائر المطبوعة متعددة الطبقات: قيادة التصغير وسلامة الإشارات

In the race to pack more functionality into smaller electronics—from 5G smartphones to medical implants—multilayer PCBs rely on innovative via technologies to maximize density without sacrificing performanceمن بين هذه، تدفن عن طريق التكنولوجيا تبرز كوسيلة حاسمة، مما يسمح للمهندسين لربط الطبقات الداخلية دون استهلاك مساحة قيمة على الأسطح الخارجية.عن طريق القضاء على القنوات المرورية التي تخترق اللوحة بأكملها، تفتح القنوات المدفونة كثافة مكونات أعلى، مسارات إشارة أقصر، وإدارة حرارية أفضل ‬مفتاح لأجهزة عالية التردد الحديثة عالية الموثوقية.هذا الدليل يستكشف كيفية عمليات الدفن عبر التكنولوجيا، ومزاياه في PCB المتقدمة، وتحديات التصنيع، والحلول لضمان جودة ثابتة.

ما هي القنوات المدفونة؟
الممرات المدفونة هي المسارات الموصلة التي تربط الطبقات الداخلية فقط من PCB متعدد الطبقات ، وتبقى مخفية بالكامل داخل قلب اللوحة (لا تعرض على الطبقات الخارجية).على عكس القنوات التي تمر عبر الثقب (التي تمتد عبر جميع الطبقات) أو القنوات العمياء (التي تربط الطبقات الخارجية بالطبقات الداخلية)، يتم تغليف القنوات المدفونة بالكامل أثناء الطبقة ، مما يجعلها غير مرئية في PCB النهائي.

السمات الرئيسية:
1الموقع: داخل الطبقات الداخلية بالكامل؛ لا اتصال مع الأسطح النحاسية الخارجية.
2الحجم: عادة 0.1 ∼ 0.3 ملم في القطر (أصغر من القنوات المرورية من خلال الثقب) ، مما يتيح تخطيطات عالية الكثافة.
3البناء: تم حفرها في طبقات داخلية فردية قبل التصفيف ، ثم تم طلاءها بالنحاس وملأها بالبستة الايبوكسي أو الموصلة لضمان سلامة الهيكل.

كيف تغير القنوات المدفونة تصميم PCB متعدد الطبقات
تم دفنها من خلال التكنولوجيا تعالج نقطتين صعبة حرجة في تصميم PCB الحديث: قيود المساحة وتدهور الإشارة. إليك كيفية توفير القيمة:

1زيادة كثافة اللوحة
من خلال الحصر في الشبكات الداخلية، والشبكات المدفونة تحرير الطبقات الخارجية للمكونات النشطة (مثل، BGA، QFPs) والشبكات الدقيقة،زيادة كثافة المكونات بنسبة 30٪ إلى 50٪ مقارنة مع التصاميم التي تستخدم القنوات المرورية من خلال الثقب فقط.

مثال: يمكن لـ 12 طبقة 5G PCB باستخدام vias المدفونة أن تتناسب مع 20٪ من المكونات في نفس البصمة مثل تصميم الثقب، مما يتيح وحدات محطة قاعدة أصغر.

2تحسين سلامة الإشارة
مسارات الإشارة الطويلة المتعرجة في تصاميم الثقب تسبب فقدان الإشارة والإشارات المتقاطعة والمشاكل الحرجة في الإشارات عالية التردد (28 جيجاهرتز +).القنوات المدفونة تقصير مسارات الإشارة عن طريق توصيل الطبقات الداخلية مباشرة، مما يقلل:

تأخير الانتشار: تنتقل الإشارات بسرعة 20-30٪ بين الطبقات الداخلية.
(ب) التداخل: يقلل الحد من مسارات السرعة العالية إلى الطبقات الداخلية (المعزولة من الطوابق الأرضية) من التداخل بنسبة 40٪.
c. عدم التطابق في الإعاقة: أقصر من خلال القضبان يقلل من الانعكاسات في واجهات عالية السرعة (على سبيل المثال ، PCIe 6.0، USB4).

3تحسين إدارة الحرارة
تعمل المواسير المدفونة كـ "المواسير الحرارية" عند ملئها بالأكسيد الايبوكسي الموصل أو النحاس ، ونشر الحرارة من الطبقات الداخلية الساخنة (على سبيل المثال ، وحدة التحكم في الطاقة) إلى الطبقات الخارجية أو أوعية الحرارة.هذا يقلل من النقاط الساخنة بنسبة 15-25 درجة مئوية في PCBs المعبأة بكثافة، تمديد عمر المكونات.

تطبيقات: حيث تلمع الرواسب المدفونة
الدفن عن طريق التكنولوجيا أمر لا غنى عنه في الصناعات التي تتطلب التقليص والسرعة والموثوقية.
1الجيل الخامس والاتصالات
تتطلب محطات قاعدة 5G و أجهزة التوجيه PCB التي تتعامل مع إشارات موجات ملمية 28 ′′ 60GHz مع الحد الأدنى من الخسارة.

a. تمكين تصاميم 10 + طبقة مع مسافة ضيقة بين الأثر (2 ′′ 3 مل) لمسارات عالية التردد.
دعم مجموعات كثيفة من مكونات RF (مثل مكبرات الطاقة والمرشحات) في أغلفة مضغوطة.
c. تقليل فقدان الإشارة في دوائر تشكيل الشعاع، وهو أمر بالغ الأهمية لتوسيع تغطية 5G.

2إلكترونيات المستهلك
تعتمد الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة اللوحية على الشبكات المختلفة لتجميع المزيد من الميزات (الكاميرات وموديمات الجيل الخامس والبطاريات) في تصاميم رقيقة:

a. تستخدم لوحة PCB من الهواتف الذكية نموذجية 812 طبقة مع المئات من القنوات المدفونة ، مما يقلل من سمكها بنسبة 0.3 0.5mm.
b.تستخدم الأجهزة القابلة للارتداء (مثل الساعات الذكية) الشبكات القابلة للاستقبال المدفونة لربط صفوف أجهزة الاستشعار دون زيادة حجم الجهاز.

3الأجهزة الطبية
تتطلب الأدوات الطبية المصغرة (على سبيل المثال، الأندوسكوبات، أجهزة تنظيم ضربات القلب) أن تكون PCB صغيرة وموثوقة ومتوافقة بيولوجيا:

a.الوسائل المدمّرة تسمح بـ 16+ طبقة من PCB في الأندوسكوبات، وتركيب أجهزة استشعار التصوير وأجهزة إرسال البيانات في عمود قطره 10 ملم.
في أجهزة تنظيم ضربات القلب، تقليل القنوات المدفونة إم آي إيه عن طريق عزل آثار الطاقة عالية الجهد من دوائر الاستشعار الحساسة.

4إلكترونيات السيارات
تتطلب أنظمة ADAS (أنظمة مساعدة السائق المتقدمة) وأنظمة إدارة طاقة السيارات الكهربائية أقراص PCB قوية ومدمجة:

أ.المرابطات المدفونة تربط 12-20 طبقة في وحدات رادار ADAS ، ودعم عمل 77GHz في المساحات الضيقة تحت الغطاء.
في أنظمة إدارة بطارية السيارات الكهربائية (BMS) ، تحسن القنوات المدفونة التوصيل الحراري ، مما يمنع الإفراط في التسخين في مسارات التيار العالي.

تحديات تصنيع القضبان المدفونة
في حين أن القنوات المدفونة تقدم فوائد كبيرة ، فإن إنتاجها أكثر تعقيدًا من القنوات التقليدية ، مما يتطلب دقة وعمليات متقدمة:
1محاذاة الطبقة
يجب أن تتواءم القنوات المدفونة مع وسائط الهدف على الطبقات الداخلية المجاورة في حدود ± 5 ميكرومتر لتجنب الانفتاح أو القصير. حتى عدم التوافق البسيط (10 ميكرومتر +) في ألواح الطبقات 10 + يمكن أن يجعل القنوات عديمة الفائدة.

الحل: يستخدم الشركات المصنعة أنظمة محاذاة بصرية آلية (AOI) أثناء التصفيف ، مع اعتمادات مرجعية على كل طبقة لضمان الدقة.

2الحفر الدقيق
تتطلب القنوات المدفونة قطرات صغيرة (0.1 × 0.3 ملم) ونسبًا كبيرة للجانب (عمق / قطر = 3: 1 أو أعلى) ، مما يجعل الحفر الميكانيكي غير عملي بسبب ارتداء الأدوات والانجراف.

الحل: الحفر بالليزر (ليزر الأشعة فوق البنفسجية أو CO2) يحقق دقة موضعية ± 2μm وآفات نظيفة خالية من الحفرة ◄ حاسمة للقنوات الصغيرة في أقراص PCB عالية التردد.

3. توحيد الطلاء
يجب أن يكون طلاء النحاس داخل القنوات المدفونة متجانسًا (سمكها 2550μm) لضمان التوصيل والقوة الهيكلية. يمكن أن يسبب الطلاء الرقيق فتحات ؛ قد يمنع الطلاء السميك القناة.

الحل: طلاء النحاس بدون الكهرباء تليها الطلاء بالكهرباء، مع مراقبة السماكة في الوقت الحقيقي عن طريق التوهج بالأشعة السينية (XRF).

4التكلفة والتعقيد
تدفن من خلال الإنتاج يضيف خطوات (حفر قبل الطبقة ، والملء ، والطلاء) التي تزيد من وقت التصنيع والتكلفة بنسبة 20-30٪ مقارنة بتصاميم الثقب.

الحل: التصاميم الهجينة (التي تجمع بين القنوات المدفونة للطبقات الداخلية والقنوات العمياء للطبقات الخارجية) توازن بين الكثافة والتكلفة للتطبيقات المتوسطة.

أفضل الممارسات للدفن من خلال التنفيذ
للاستفادة من القنوات المدفونة بفعالية، اتبع هذه المبادئ التوجيهية للتصميم والتصنيع:
1التصميم من أجل القدرة على التصنيع (DFM)
a.حجم الوسائط مقابل عدد الطبقات: بالنسبة لأقراص PCB ذات 10 طبقات أو أكثر ، استخدم 0.15 ′′ 0.2 ملم لتحقيق التوازن بين الكثافة والقدرة على التصنيع. والوسائط الكبيرة (0.2 ′′ 0.3 ملم) أفضل للوحات ذات 6 ′′ 8 طبقات.
ب. المسافة: الحفاظ على قطر 2 × 3 × عبر القنوات المدفونة لتجنب مشاكل الإشارة والطلاء.
c. تخطيط التراكم: وضع الطائرات الكهربائية/الأرضية بجانب طبقات الإشارة ذات الشبكات المدفونة لتعزيز الدرع ونقل الحرارة.

2اختيار المواد
a.الملفات: استخدم FR-4 عالي Tg (Tg ≥170 °C) أو المصفوفات ذات الخسائر المنخفضة (على سبيل المثال ، Rogers RO4830) لتصاميم عالية التردد ، لأنها تقاوم التشوه أثناء التصفيف.
مواد التعبئة: تعمل القنوات المدفونة المملوءة بالإيبوكسي لمعظم التطبيقات ؛ ملء البستة الموصلة أفضل للإدارة الحرارية في أقراص PCB القوية.

3مراقبة الجودة
الفحص: استخدم فحص الأشعة السينية للتحقق من خلال التصفية والمحاذاة والملء (لا وجود للفراغات). التحقق من توحيد التصفية عن طريق التقطيع الأصغر (تحليل المقطع العرضي).
اختبار: إجراء اختبار الاستمرارية على 100٪ من القنوات المدفونة باستخدام اختبارات المسبار الطائر للقبض على المفتوحات أو السراويل القصيرة.

دراسة حالة: مسارات مدفونة في 16 طبقة 5G PCB
احتاج أحد الشركات الرائدة في مجال الاتصالات إلى 16 طبقة من الأقراص الصلبة للوحدة 5G mmWave ، مع متطلبات:

مسارات إشارة على مستوى 28 جيجاهرتز مع خسارة < 1 ديسيبل لكل بوصة.
ب. كثافة المكونات: أكثر من 200 مكون لكل بوصة مربعة (بما في ذلك BGA بقوة 0.4 ملم).
السماكة: <2.0 ملم.

الحل:

a.استخدمت مسارات مدفونة مسافة 0.2 ملم لربط طبقات الإشارة الداخلية (الطبقات 3-14) ، مما يقلل من طول مسار الإشارة بنسبة 40٪.
b.مجمعة مع 0.15mm القنوات العمياء للطبقات الخارجية (1 ′′ 2، 15 ′′ 16) لربط BGA.
c.المرابضات التي يتم حفرها بالليزر مع طبقة من النحاس غير الكهربائي (30μm سمك) وملء البوكسي.

النتيجة:

a.خسارة الإشارة خفضت إلى 0.8dB/inch عند 28GHz.
ب. تم تحقيق سمك اللوحة عند 1.8 ملم ، أقل من الهدف بنسبة 10 ٪.
ج: تحسنت نسبة الوصول الأولى من 65% (باستخدام القنوات المرورية) إلى 92% مع القنوات المدفونة.

مستقبل المدفونين من خلال التكنولوجيا
مع زيادة عدد طبقات PCB (20+ طبقة) وتقلص مساحة المكونات (<0.3mm) ، سيتطور التكنولوجيا المدفونة عبر التكنولوجيا لتلبية الطلبات الجديدة:

a.المرابط الصغيرة: 0.05 ∼ 0.1 ملم قطر المرابطة، تم تمكينها من خلال حفر الليزر المتقدم.
التكامل الثلاثي الأبعاد: القنوات المدمّرة مع القنوات المجهرية المتراكمة للتعبئة الثلاثية الأبعاد، مما يقلل من عامل الشكل بنسبة 50٪ في أجهزة إنترنت الأشياء.
c. التصميم القائم على الذكاء الاصطناعي: أدوات التعلم الآلي لتحسين من خلال التثبيت ، والحد من الصوت المتقاطع وأخطاء التصنيع.

الأسئلة الشائعة
س: كيف تختلف القنوات المدفونة عن القنوات العمياء؟
ج: لا تربط القنوات المدفونة إلا الطبقات الداخلية وهي مخفية تمامًا ، بينما تربط القنوات العمياء الطبقات الخارجية بالطبقات الداخلية وهي مرئية جزئيًا على سطح اللوحة.

س: هل المنفذات المدفونة مناسبة لـ PCBs ذات الطاقة العالية؟
ج: نعم، عند ملئها بالمعجون الموصل، فإن القنوات المدفونة تعزز الموصلات الحرارية ويمكن أن تحمل تيارات معتدلة (حتى 5A).3mm+) مع طبقة نحاسية سميكة.

س: ما هي علاوة التكلفة للشاشات المدفونة؟
ج: يضيف القوائم المدفونة 20٪ إلى 30٪ من تكاليف PCB بسبب خطوات المعالجة الإضافية ، ولكن غالبًا ما يتم تعويض ذلك بتقليل حجم اللوحة وتحسين الأداء.

السؤال: هل يمكن استخدام القنوات القابلة للدفن في أقراص PCB المرنة؟
ج: نعم، ولكن بحذر. تتطلب القنوات المدفونة في PCBs المرنة (باستخدام رُكائز البوليميد) ملء إيبوكسي رقيق ومرن لتجنب الشقوق أثناء الانحناء.

الاستنتاج
التكنولوجيا المدفونة هي حجر الزاوية لتصميم PCB متعدد الطبقات الحديث، مما يتيح التقليص والأداء اللازم لـ 5G والإلكترونيات الطبية والسيارات.في حين أن تحديات التصنيع موجودة، دقة الحفر، التكلفة، يمكن إدارتها مع العمليات المتقدمة (حفر الليزر، الفحص الآلي) والتصميم مدروس.

بالنسبة للمهندسين، المفتاح هو تحقيق التوازن بين الكثافة والقدرة على التصنيع، والاستفادة من القنوات المدفونة لتقصير مسارات الإشارة والمساحة الحرة دون تعقيد الإنتاج بشكل مفرط.مع الشريك المناسب والعمليات، القنوات المدفونة تحول تصميم PCB من عامل محدود إلى ميزة تنافسية.

خلاصة مهمة: القنوات المدفونة ليست مجرد تقنية تصنيع فهي محفز للابتكار، مما يسمح للمهندسين ببناء أصغر وأسرع،والإلكترونيات الأكثر موثوقية في عالم متصل بشكل متزايد.