Wie und wo Durchkontaktierungen im PCB-Design eingesetzt werden

Der Begriff Durchkontaktierung (oder Bohrung) bezeichnet eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Lagen einer Leiterplatte. Die Durchkontaktierung ist im Grunde eine kleine Bohrung durch die Leiterplattenlaminate, die eine oder mehrere benachbarten Lagen durchlaufen. Die Bohrung wird innen mit Kupfer abgedeckt (durch galvanischen Prozess, Nieten oder Einlegen eines kleinen Rohrs aus leitfähigem Material), wodurch eine elektrische Verbindung im Isoliermaterial entsteht, das die Leiterplattenlagen trennt.

Je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung kann eine Elektronikkarte Durchkontaktierungen benötigen, die alle Lagen des Lagenaufbaus durchlaufen, nur eine der beiden äußersten Schichten oder nur zwei oder mehr interne Leiterplattenschichten. Wie wir später in diesem Artikel sehen werden, gibt es auch eine bestimmte Kategorie von Durchkontaktierungen, die als thermische Durchkontaktierungen bekannt sind, deren Funktion darin besteht, die von den Komponenten erzeugte Wärme abzuleiten.

Es ist auch wichtig zu betonen, dass Durchkontaktierungen nicht mit PTH(Plated Through Hole)-Bohrungen verwechselt werden sollten, die normalerweise für den elektrischen Anschluss von Durchgangskomponenten auf der Leiterplatte verwendet werden. Die PTH-Bohrungen, die größere Abmessungen als die Durchkontaktierungen haben, können auch verwendet werden, um eine mechanische Verbindung auf der Platine einiger Komponenten, wie z. B. Steckverbinder, herzustellen. Abbildung 1 zeigt einen Teil der Leiterplatte mit SMD(Surface Mount Device)-Komponenten, bei dem eine große Anzahl von Durchkontaktierungen zu sehen ist.

Abbildung 1: Durchkontaktierungen auf einer Leiterplatte

Arten von Durchkontaktierungen

Durchkontaktierungen können in drei Hauptklassen eingeteilt werden, basierend auf ihrer Position innerhalb des Lagenaufbaus und der Anzahl der Lagen, die sie durchlaufen:

• Durchgangsbohrung: Diese Durchkontaktierung durchläuft alle Lagen der Leiterplatte, einschließlich der beiden äußeren Seiten der Leiterplatte. Sie haben in der Regel größere Abmessungen als die anderen Durchkontaktierungen und sind einfacher zu erzeugen, da der Bohrvorgang nicht an der gewünschten Stelle angehalten werden muss.
• Vergrabene Durchkontaktierung: In diesem Fall liegt die Durchkontaktierung in der Leiterplatte und ist somit frei von Verbindungen zu den äußeren Lagen. Bei einer mehrlagigen Platine muss die Innenbeschichtung einer vergrabenen Durchkontaktierung unbedingt abgeschlossen werden, bevor die beiden äußeren Lagen auf die Platine aufgetragen werden. Vergrabene Durchkontaktierungen sind auch sehr nützlich, um das PCB-Seitenverhältnis zu reduzieren, das heißt, das Verhältnis zwischen der Dicke der Leiterplatte und dem Durchmesser der Durchkontaktierung.
• Blinde Durchkontaktierung: Diese Durchkontaktierungen beginnen an einer der äußeren Seiten der Leiterplatte und durchlaufen eine oder mehrere interne Lagen, ohne jedoch mit der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte zu verbinden. Aus Sicht der Fertigung bereiten blinde Durchkontaktierungen einige Schwierigkeiten, da es notwendig ist, genau zu bestimmen, wann der Bohrvorgang gestoppt werden muss, um die gewünschte Tiefe zu erreichen. Blinde Durchkontaktierungen sind sehr nützlich, um die Anzahl der Kontakte zwischen einer internen und externen Schicht zu erhöhen, mit einer möglichen Reduzierung der Leiterbahnanzahl und somit der Endkosten der Leiterplatte.

Aus dem obigen geht hervor, dass das Vorhandensein von Durchkontaktierungen theoretisch auch mit bloßem Auge nachgewiesen werden kann, da sie von Licht durchzogen werden können, während dies bei vergrabenen und blinden Durchkontaktierungen nicht möglich ist. Die drei Durchkontaktierungsklassen sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Arten von Durchkontaktierungen

Die Entwicklung elektronischer Komponenten hin zu einer immer größeren Integrationsdichte mit einer konsequenten Zunahme der Anzahl von Verschaltungsstiften hat die Akzeptanz beim Design von Durchkontaktierungen bestimmt, die direkt auf den BGA(Ball Grid Array)-Pads, auch als Via-in-Pad bekannt, aufgebracht werden. Für Leiterplattenhersteller sind Via-in-Pads ein Vorteil, da sie den für herkömmliche Durchkontaktierungen erforderlichen Platz auf der Leiterplatte reduzieren und so zu Platinen mit geringerer Größe führen. Via-in-Pads können jedoch Probleme bei der Leiterplattenfertigung aufweisen. Insbesondere kann der Lötprozess dazu führen, dass sich die Bohrung füllt und somit unbrauchbar wird. Aus diesem Grund ist es allgemein ratsam, die Anzahl der Via-in-Pads zu minimieren.

Microvias

Microvias stellen eine eigene Klasse von Durchkontaktierungen dar, die im Gegensatz zu den bisherigen Typen ausschließlich auf Leiterplatten mit einer hohen Anzahl von Verschaltungen (HDI) verwendet werden. Es ist gängige Praxis anzunehmen, dass wir von Microvias sprechen können, wenn der Durchmesser der Bohrung kleiner oder gleich 150 µm ist. Der IPC-Standard hat jedoch die Definition von Microvia im Jahr 2013 überarbeitet und definiert sie jetzt als eine Bohrung mit einem Größenverhältnis (Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Bohrung und seiner Tiefe) von eins. Darüber hinaus darf die Tiefe einer Microvia niemals den Wert von 0,25 mm überschreiten. Um so kleine Löcher zu erhalten, ist es notwendig, eine Lasermikroperforation zu verwenden, ein Prozess in kontinuierlicher Weiterentwicklung, der potenziell Microvias mit einem Durchmesser von weniger als 15 µm erzeugen kann. Die Lasermikroperforation, die zwangsläufig zusätzliche Kosten verursacht, wird normalerweise vor dem Lagenlaminierungsprozess durchgeführt.

Wie in Abbildung 3 gezeigt, haben Microvias eine typische Kegelform, ein Aspekt, der den Prozess der Wandbeschichtung in Inneren erheblich vereinfacht. Jede einzelne Microvia kann maximal zwei benachbarte Lagen durchlaufen. Die umfassende Verbreitung von mobilen und tragbaren Geräten wie Smartphones und Wearables hat zu einer Evolution von Microvia von einer einzigen Einheit zu komplexeren Strukturen geführt, die aus mehreren Microvias bestehen. Wenn das Leiterplattendesign Durchkontaktierungen erfordert, die mehrere Lagen durchlaufen, können Microvias in der gestapelten Konfiguration überlappt werden. Eine alternative Konfiguration zur vorherigen ist die gestaffelte, bei der die auf benachbarten Lagen aufgetragenen Microvias voneinander versetzt werden.

Abbildung 3: Struktur und Arten von Microvias

Im Vergleich zu normalen Durchkontaktierungen haben Microvias den Vorteil, die Leiterplattengröße bei Platinen mit einer hohen Anzahl von Kontakten zu reduzieren. Darüber hinaus sind Microvias besonders nützlich in einigen Anwendungen wie BGA-Breakout mit einem Abstand von 0,65 µm. In Audioschaltungen reduzieren Microvias das Nebensprechphänomen und bieten in Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen einen besseren Schutz vor elektromagnetischen Interferenzen. Die Strahlungswirkung, die durch die besondere geometrische Struktur der Durchkontaktierung bestimmt wird, die sich wie eine echte Antenne verhalten kann, ist bei Microvias letztendlich viel geringer als bei herkömmlichen Durchkontaktierungen.

Microvias sind jedoch nicht frei von Problemen oder Defekten, welche die Zuverlässigkeit der Elektronikkarte beeinträchtigen können. Das Hauptproblem ist das Auftreten von ICD (Interconnect Defects) in der Nähe der internen Beschichtung der Bohrungen, die bei hohen Temperaturen zu Stromkreisunterbrechungen und anderen intermittierenden Problemen führen kann.

Thermische Durchkontaktierungen

Aktive Komponenten wie leistungselektronische Geräte (einschließlich MOSFETs, Dioden und Leistungsmodule), Hochleistungsmikroprozessoren und Hochfrequenzkomponenten entwickeln eine beträchtliche Menge an Wärme, die durch den Einsatz von thermischen Durchkontaktierungen besser abgeführt werden kann.

Die meisten Leiterplatten basieren auf FR‑4, einem relativ preiswerten Material, das jedoch einen hohen thermischen Widerstand besitzt. In der Folge bildet sich in der Nähe der Komponente Wärme, was zu einem hohen Temperaturanstieg und der möglichen Bildung von Hitzepunkten führt. Thermische Durchkontaktierungen, die in direktem Kontakt mit den aktiven Komponenten stehen, begünstigen eine bessere Wärmeübertragung, sodass die Komponente bei niedrigeren Betriebstemperaturen so nahe wie möglich an der Umgebungstemperatur arbeiten kann. Um effektiv zu sein, müssen thermische Durchkontaktierungen so nah wie möglich an (vorzugsweise unter) jener Komponente platziert werden, die Wärme erzeugt. Da jeder Wärmepfad eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das FR‑4-Substrat hat, verringert das Platzieren von mehr Wärmepfaden den thermischen Widerstand der Struktur und kann mehr Wärme übertragen. Thermische Durchkontaktierungen haben auch eine gewisse Induktivität, daher ist es vorzuziehen, mehr Durchkontaktierungen parallel zu platzieren, um sie mit der Erdebene zu verbinden, um einen Rückweg mit geringerer Induktivität zu ermöglichen.

Hinsichtlich der physikalischen Struktur sind thermische Durchkontaktierungen in der Regel vom Typ Durchgangskontaktierung. Der Wärmepfad verhält sich daher wir ein Rohr, das die Wärme einer Komponente, die auf einer der Oberflächenlagen platziert ist, in die innersten Lagen übertragen kann. Die thermischen Kanäle sind auch mit einer Lötmaske auf der Rückseite der Platine abgedeckt, um zu verhindern, dass das Lot durch die Bohrungen fließt.

Die Bestimmung der Anzahl, Größe und Positionierung von thermischen Durchkontaktierungen wird heute durch die Verfügbarkeit von Softwaretools erleichtert, die in der Lage sind, eine thermische Analyse des Stromkreises unter den verschiedenen Betriebsbedingungen und mit unterschiedlichen Umgebungstemperaturwerten durchzuführen.

18/11/2021