Miniaturizace elektroniky: Jak malé mohou být dnešní spoje?

Miniaturizace elektroniky již dávno není pouze otázkou menších součástek. Skutečnou výzvou se stává jejich vzájemné propojení. Moderní procesory, FPGA, paměti DDR5 nebo vysokorychlostní komunikační rozhraní disponují stovkami až tisíci vývodů, které musí být na omezené ploše spolehlivě propojeny bez negativního vlivu na integritu signálu.

Miniaturizace elektroniky vyžaduje mikrootvory

Právě zde nastupuje microvia technologie, která představuje jeden ze základních pilířů moderních HDI desek plošných spojů. Laserem vrtané mikrootvory dnes umožňují vytvářet propojení o velikosti pouhých několika desetin milimetru a posouvají hranice návrhu PCB směrem, který byl ještě před několika lety prakticky nemožný. Miniaturizace elektroniky klade nové nároky na výrobní technologie PCB.

Jak malé tedy mohou být dnešní spoje? A kde leží skutečné technologické limity výroby?

Co je microvia?

Microvia, nebo-li mikrootvor je velmi malý propojený otvor mezi jednotlivými vrstvami desky plošných spojů. Na rozdíl od klasických prokovených otvorů (PTH), které procházejí celou deskou, propojuje microvia zpravidla pouze dvě sousední vrstvy.

Podle současných standardů IPC je microvia definována nejen svým průměrem, ale především poměrem hloubky k průměru (aspect ratio ≤ 1:1) a maximální hloubkou přibližně 0,25 mm. Dřívější definice stanovovala maximální průměr 150 µm, ale s trendem miniaturizace elektroniky, je průměr zmenšuje.

Výroba probíhá pomocí UV nebo CO₂ laserů, které dokáží vytvářet otvory s mimořádnou přesností bez mechanického namáhání materiálu.

Proč klasické vias přestávají stačit

Ještě před dvaceti lety byly standardem mechanicky vrtané otvory o průměru 0,3–0,5 mm. Dnes však konstruktéři navrhují zařízení obsahující:

• procesory s více než 3000 vývody,
• BGA pouzdra s roztečí 0,4 mm nebo dokonce 0,3 mm,
• vysokorychlostní sběrnice PCIe Gen5 a Gen6,
• USB4,
• DDR5,
• 112G PAM4 nebo Ethernet 800G.

U těchto aplikací, které především odrážejí trend miniaturizace elektroniky, již klasické prokovené otvory zabírají příliš mnoho prostoru. Zároveň klasické prokovené otvory vytvářejí nežádoucí elektrické vlastnosti, které mohou negativně ovlivnit kvalitu přenosu signálu.

Microvias tento problém řeší.

Jak malé mohou být miktorotvory?

michaela.krnakova@gatema.czUpravit profil

To je otázka, na kterou neexistuje jediná odpověď. Zvlášť ne, pokud vezmeme v potaz stále rostoucí požadavek na miniaturizace elektroniky.

Velikost závisí na:

• použité technologii výrobce,
• materiálu PCB,
• tloušťce dielektrika,
• požadované spolehlivosti,
• třídě kvality podle IPC.

Typické výrobní hodnoty dnešních HDI PCB jsou přibližně:

Špičkoví výrobci dnes zvládají vrtání otvorů kolem 50 µm, avšak takové rozměry jsou vyhrazeny především pro velmi náročné aplikace v oblasti polovodičových pouzder nebo substrátů IC. U běžných průmyslových HDI PCB představuje průměr kolem 75–100 µm rozumný kompromis mezi miniaturizací, výrobní výtěžností a dlouhodobou spolehlivostí.

Proč jsou mikrootovry elektricky výhodnější?

Výhody nejsou pouze mechanické.

Kratší propojení znamená:

• nižší indukčnost,
• nižší parazitní kapacitu,
• menší odrazy signálu,
• nižší přeslechy,
• lepší integritu signálu,
• jednodušší řízení impedance.

Ve srovnání s klasickými prokovenými otvory mohou mít microvias přibližně desetkrát nižší parazitní elektrické parametry, což je významné zejména u vysokorychlostních digitálních rozhraní.

To je jeden z hlavních důvodů, proč se microvias dnes používají téměř ve všech moderních mobilních telefonech, serverech nebo síťových zařízeních.

Výroba mikrootvorů

Na rozdíl od klasických otvorů nevznikají microvias mechanickým vrtáním. Nejčastěji se používají CO₂ lasery nebo UV (ultrafialové) lasery, které dokážou vytvořit otvory o průměru pouhých desítek mikrometrů s vysokou přesností.

Laserový paprsek postupně odstraňuje materiál dielektrické vrstvy (procesem zvaným laserová ablace) až k měděné fólii spodní vrstvy, která slouží jako přirozená zarážka. Díky tomu lze vytvořit velmi přesný otvor bez mechanického namáhání materiálu a s minimálními výrobními tolerancemi.

Proces obvykle zahrnuje:

1. sekvenční laminaci
2. laserové vrtání,
3. chemické čištění otvoru,
4. metalizaci,
5. galvanické pokovení mědí,
6. případné zaplnění otvoru mědí nebo speciální výplní,
7. zarovnání povrchu.

Právě přesnost jednotlivých kroků rozhoduje o výsledné kvalitě celé HDI desky.

Každé zmenšení něco stojí

S rostoucí miniaturizací prudce narůstá technologická náročnost výroby.

Výrobce musí zvládnout:

• přesnější registraci vrstev,
• menší tolerance vrtání,
• kvalitnější mědění otvorů,
• dokonalejší kontrolu laserového procesu,
• detailnější optickou kontrolu,
• rentgenovou inspekci.

U miniaturizace elektroniky současně klesá výrobní výtěžnost a zvyšují se požadavky na kontrolu kvality. Proto není cílem navrhovat co nejmenší microvias, ale co nejmenší rozměry, které jsou pro danou aplikaci skutečně potřebné.

Kde se microotvory používají?

Dnes prakticky všude tam, kde rozhoduje hustota propojení nebo vysoká přenosová rychlost, nebo striktní požadavek na velikost PCB s ohledem na miniaturizace elektroniky.

Typické aplikace zahrnují:

• smartphony,
• notebooky,
• AI akcelerátory,
• servery,
• síťová zařízení,
• automobilovou elektroniku,
• radarové systémy,
• zdravotnickou techniku,
• leteckou a kosmickou elektroniku.

S nástupem výkonných procesorů a stále jemnějších BGA pouzder se význam microvias dále zvyšuje.

Budoucnost: Ještě menší propojení

Vývoj nekončí.

Výrobci PCB dnes pracují s technologiemi umožňujícími:

• jemnější laserové vrtání,
• užší vodiče a mezery,
• vyšší hustotu propojení,
• vícevrstvé HDI konstrukce,
• hybridní materiály s nízkými ztrátami.

Současně se rozvíjejí nové materiály pro build-up vrstvy i přesnější výrobní procesy podle standardů IPC pro HDI. Tyto technologie podporují návrh stále výkonnější elektroniky při zachování spolehlivosti.

Závěr

Microvia technologie v kombinaci s trendem miniaturizace elektroniky, představuje jednu z nejdůležitějších inovací v oblasti výroby desek plošných spojů za posledních dvacet let. Díky laserově vrtaným propojením o průměrech kolem 75–100 µm – a v některých specializovaných aplikacích i přibližně 50 µm – umožňuje navrhovat kompaktnější, výkonnější a elektricky efektivnější zařízení, než jaká byla možná s klasickými prokovenými otvory. Je však zřejmé, že se trend miniaturizace elektroniky prosadí více a velikosti microvia mohou být do budoucna ještě drobnější.

Je však důležité si uvědomit, že miniaturizace elektroniky a mikrootvorů, není cílem samo o sobě. Úspěšný návrh HDI PCB spočívá v nalezení rovnováhy mezi hustotou propojení, elektrickými vlastnostmi, výrobními možnostmi a dlouhodobou spolehlivostí. Právě proto se microvias staly nepostradatelnou součástí moderní elektroniky – od spotřebních zařízení přes automobilový průmysl až po letectví a kosmické aplikace.