Via, czyli długa historia małej przelotki
| TechnikaPierwsze układy elektroniczne montowano na tzw. drabinkach. Były to tekstolitowe listewki z przynitowanymi do nich metalowymi oczkami. Do oczek lutowano wyprowadzenia elementów elektronicznych: rezystorów, kondensatorów, cewek itp., a połączenia wykonywano drucianymi mostkami lub elastycznymi przewodami. Rewolucję w zakresie technik montażu układów elektronicznych zapoczątkowały obwody drukowane. Mogłoby się wydawać, że idea jest tak prosta, że niewiele da się w niej zmienić, a jednak...
Obwody drukowane są używane w przemyśle elektronicznym od około 80 lat. Początkowo były to płytki jednowarstwowe. Technika ich wytwarzania opierała się na drukowaniu układu ścieżek przy użyciu przewodzących atramentów. To stąd pochodzi nazwa "obwód drukowany". Technika drukowania sieci połączeń atramentami przewodzącymi szybko zdobyła popularność, co zaowocowało powstaniem nowej odmiany obwodów elastycznych nazwanych "Flex hybryd electronics" (FHE).
Kolejnym etapem rozwoju były laminaty wykonane z materiału nieprzewodzącego z nałożoną na ich powierzchni warstwą miedzi. Ponownie sięgnięto po technikę druku, z tym że w nowej technologii drukowane były maski ochronne wyznaczające przebieg ścieżek. Zabezpieczały one te warstwy miedzi, które nie były trawione w następnym etapie cyklu produkcyjnego. W płytce wiercono otwory przechodzące przez warstwę miedzi i laminat w punktach, w których elementy elektroniczne powinny być dołączane do ścieżek. Połączenia były lutowane. W miarę udoskonalania technologii na laminat nanoszono warstwy miedzi po obu stronach. Wymagała tego coraz większa złożoność układów elektronicznych. Tam, gdzie zachodziła potrzeba połączenia górnej i dolnej warstwy miedzi, wiercono otwór i umieszczano w nim kawałek przewodu, lutując go po obu stronach płytki. Takie połączenie często nazywano "Z" (rys. 1). Można uznać, że był to pierwowzór stosowanych obecnie przelotek.
Metoda łączenia dwóch warstw miedzi na laminacie szybko została doceniona przez inżynierów, pojawił się nawet pomysł wprowadzenia metalowych oczek (nitów) na wzór tych, które były stosowane w dziurkach butów. Można wręcz mówić o drugiej generacji przelotek w obwodach drukowanych.
Wraz ze wzrostem stopnia upakowania elementów elektronicznych rosła również liczba przelotek na płytkach. Lutowanie ich sztuka po sztuce stawało się dość męczące i pracochłonne. Zaczęto myśleć o jakiejś innej technice, która pozwalałaby wykonać wszystkie przelotki na płytce w jednej operacji technologicznej. Było to w latach 50. XX wieku, ale można powiedzieć, że pomysł ten funkcjonuje do dziś.
Pojawienie się w latach 60.–70. XX w. układów scalonych, a wraz z nimi obudów DIL/DIP (dual-in-line, dual-in-line package) oraz miniaturyzacja wielu innych elementów elektronicznych wymuszała konieczność dalszego ulepszania technologii wytwarzania obwodów drukowanych. Pojawiły się płytki wielowarstwowe. Pewnym wyzwaniem stało się więc opracowanie przelotek, które łączyłyby nie tylko warstwy zewnętrzne płytki, ale też warstwy wewnętrzne. Warstwy wewnętrzne wykorzystywano do rozprowadzania zasilania i płaszczyzny masy.
Połączenia między warstwami wykonywano techniką miedziowania bezprądowego i elektrolitycznego. Uzyskiwano tą metodą nie tylko możliwość łączenia ze sobą elementów lutowanych do warstw zewnętrznych, ale też łączenia ich z siecią połączeń na warstwach wewnętrznych. Wymiary tej części przelotek, do których nie były lutowane komponenty elektroniczne, można było zmniejszyć. Dzięki temu w jeszcze większym stopniu uzyskiwano miniaturyzację całej płytki.
Opracowanie metalizowanych przelotek nie rozwiązało wszystkich problemów. Na rynku pojawiało się coraz więcej układów scalonych dużej skali integracji, przede wszystkim cyfrowych. Układy te miały dużą liczbę wyprowadzeń, przez co klasyczne obudowy przeznaczone do montażu przewlekanego zajmowały dużą część powierzchni płytki. Półprzewodnikowe struktury takich układów umieszczano więc w zupełnie innych obudowach, które nie miały klasycznych wyprowadzeń przewlekanych przez otwory w płytce. Coraz powszechniej – był to początek lat 80. XX w. – zaczęto stosować elementy w obudowach przeznaczonych do montażu powierzchniowego. Były one lutowne do punktów lutowniczych znajdujących się tylko na jednej wierzchniej warstwie obwodu drukowanego. Elementy były nakładane poprzez odpowiednio przygotowane maski na pady (punkty lutownicze) z użyciem pasty lutowniczej. Użycie masek powodowało, że pasta pokrywała tylko punkty, w których miał być wykonany lut. Proces lutowania przebiegał w wysokotemperaturowym piecu rozpływowym. Pasta pod wpływem temperatury topniała, a po ostygnięciu tworzyła trwałe połączenie lutowane.
Nowoczesne elementy elektroniczne oraz technologia montażu SMT znacząco przyczyniły się do miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Powstawało coraz więcej urządzeń przenośnych. Nowe technologie montażu ułatwiły prace projektowe, ale pojawiły się też wątpliwości dotyczące niezawodności elementów. Powodem tych wątpliwości była wysoka temperatura niezbędna podczas procesu lutowania SMT.
Wracamy do przelotek. Projektanci, dążąc do upraszczania sobie pracy, chcieli, by istniała możliwość wykonywania połączeń nie tylko przez wszystkie warstwy płytki, ale też tylko pomiędzy wybranymi warstwami wewnętrznymi lub łączenia warstwy zewnętrznej z wybranymi warstwami wewnętrznymi. Powstały więc przelotki typu zagrzebanego, umożliwiające realizację tych wymagań. Przelotki takie powstają przed procesem laminowania. Tą techniką możliwe było wykonywanie wszystkich rodzajów przelotek, zarówno zaślepionych, jak i półzaślepionych oraz półzagrzebanych. Przelotki zagrzebane łączyły tylko warstwy wewnętrzne i nie były widoczne na powierzchni płytki. Nadal stosowano mechaniczne metody wiercenia otworów pod przelotki, ale pojawiło się nowe narzędzie, które z jeszcze większą precyzją mogło wykonywać takie zadania. Był to oczywiście laser. Za jego pomocą możliwe było wykonywanie otworów o bardzo małych średnicach. Metody laserowe są stosowane do dziś.
Na początku lat 90. pojawiły się elementy w nowych obudowach, w których wyprowadzenia były rozłożone matrycowo, nie na krawędziach obudowy, lecz na całej jej powierzchni. Były to obudowy BGA (Ball Grid Array) lub mniejsze CSP (Chip- Scale Package). Wdrażanie ich wiązało się z koniecznością uwzględniania dalszej stale rosnącej liczby wyprowadzeń układów scalonych. Jednocześnie starano się o to, by nie zwiększać rozmiarów obudów. Wraz z tymi obudowami rosła gęstość połączeń na PCB, w efekcie czego konieczne były dalsze prace nad technologią otrzymywania przelotek. Powstały nawet standardy opracowane przez Toshibę (technologia przelotek zagrzebanych – buried bump interconnection technology (BBIT)) i Panasonic (any layer interstitial via hole (ALIVH)) – rysunek 2. Niestety, technologie te wymagają licencji, przez co nie cieszą się dużym zainteresowaniem producentów pozostających często przy tradycyjnych metodach wytwarzania mPCB. W obu technologiach przelotki pomiędzy poszczególnymi warstwami są wykonywane z użyciem past lutowniczych. W unikatowym procesie BBIT, nazywanym często również B2IT, sekwencyjnie umieszczano pastę przewodzącą w punktach, w których powinny znaleźć się przelotki. Pasta przybierała kształt stożków, które przebijały warstwę wiążącą rozdzielającą warstwy ze ścieżkami, powstającą w procesie laminacji.
Wraz ze wzrostem liczby wyprowadzeń układów scalonych i zmniejszaniu rastra wyprowadzeń coraz większego znaczenia nabierają mikroprzelotki, których średnice są rzędu 350 μm. Są one coraz częściej używane do upraszczania sieci połączeń w coraz bardziej zaawansowanych konstrukcjach urządzeń elektronicznych.
Wraz z ulepszaniem technologii wytwarzania przelotek ulegał zmianie sposób umieszczania ich na płytkach wielowarstwowych. Coraz częściej ustawiano je bezpośrednio jedna pod drugą (rys. 3e). Jest to jednak metoda, która wzbudza szereg wątpliwości, jeśli chodzi o niezawodność. Jako bardziej niezawodna uznawana jest konfiguracja naprzemienna (rys. 3f). Porównując dzisiejsze obwody drukowane z ich pierwowzorami, o których była m.in. mowa na początku, dochodzimy do wniosku, że tak znaczny postęp był możliwy dzięki doświadczeniu nabywanemu w zakresie chemii (laminowanie, powlekanie miedzią), a także dzięki rozwojowi narzędzi używanych do produkcji PCB. Największe znaczenie ma laserowe wiercenie otworów o średnicach mierzonych w mikrometrach.
W ciągu 80 lat istnienia obwodów drukowanych ich wygląd uległ niewyobrażalnej zmianie. Technologie produkcji PCB zmieniały się wraz z rozwojem podzespołów elektronicznych, a głównym czynnikiem napędowym była miniaturyzacja. Pojawiały się technologie, np. via-in-trace, które w zasadzie nie przyjęły się w większej skali. Dziś trudno sobie wyobrazić płytkę drukowaną bez przelotek. Nawet na względnie prostych PCB może być ich kilkaset. Obecnie potrafi- my robić przelotki o rozmiarach mikrometrycznych, ciekawe, jak bardzo można jeszcze udoskonalać tę technologię. Jak będą wyglądały obwody drukowane za kolejnych 80 lat?
Jarosław Doliński
Źródło: Joe Fjelstad – "A Brief History of Electrical Vias in PCBs", Design007 Magazine, Nov. 2020
