Giống như các cửa hàng phần cứng cần quản lý và trưng bày đinh và ốc vít thuộc nhiều loại, số liệu, vật liệu, chiều dài, chiều rộng và bước, v.v., thiết kế PCB cũng cần quản lý các đối tượng thiết kế như lỗ, đặc biệt là trong thiết kế mật độ cao.Các thiết kế PCB truyền thống có thể chỉ sử dụng một vài lỗ xuyên khác nhau, nhưng các thiết kế kết nối mật độ cao (HDI) ngày nay yêu cầu nhiều loại và kích cỡ lỗ xuyên khác nhau.Mỗi lỗ thông cần phải được quản lý để sử dụng chính xác, đảm bảo hiệu suất bo mạch tối đa và khả năng sản xuất không có lỗi.Bài viết này sẽ giải thích chi tiết về nhu cầu quản lý các lỗ xuyên qua mật độ cao trong thiết kế PCB và cách đạt được điều này.

Các yếu tố thúc đẩy thiết kế PCB mật độ cao 

Khi nhu cầu về các thiết bị điện tử nhỏ tiếp tục tăng lên, các bảng mạch in cung cấp năng lượng cho các thiết bị này phải thu nhỏ lại để vừa với chúng.Đồng thời, để đáp ứng yêu cầu nâng cao hiệu suất, các thiết bị điện tử phải bổ sung thêm nhiều thiết bị và mạch điện trên bo mạch.Kích thước của thiết bị PCB không ngừng giảm và số lượng chân ngày càng tăng, do đó bạn phải sử dụng các chân nhỏ hơn và khoảng cách gần hơn để thiết kế, điều này khiến vấn đề trở nên phức tạp hơn.Đối với các nhà thiết kế PCB, điều này tương đương với việc chiếc túi ngày càng nhỏ hơn trong khi ngày càng chứa được nhiều thứ hơn trong đó.Các phương pháp thiết kế bảng mạch truyền thống nhanh chóng đạt đến giới hạn của chúng.

Để đáp ứng nhu cầu bổ sung thêm nhiều mạch hơn cho kích thước bo mạch nhỏ hơn, một phương pháp thiết kế PCB mới đã ra đời – Kết nối mật độ cao, hay HDI.Thiết kế HDI sử dụng các kỹ thuật sản xuất bảng mạch tiên tiến hơn, chiều rộng đường nhỏ hơn, vật liệu mỏng hơn và các lỗ siêu nhỏ mù và được chôn hoặc được khoan bằng laser.Nhờ các đặc tính mật độ cao này, nhiều mạch có thể được đặt trên một bo mạch nhỏ hơn và cung cấp giải pháp kết nối khả thi cho các mạch tích hợp nhiều chân.

Có một số lợi ích khác của việc sử dụng các lỗ mật độ cao này: 

Các kênh nối dây:Vì các lỗ mù và lỗ chôn sâu cũng như lỗ siêu nhỏ không xuyên qua lớp ngăn xếp, điều này tạo ra các kênh nối dây bổ sung trong thiết kế.Bằng cách bố trí các lỗ xuyên khác nhau một cách có chiến lược, các nhà thiết kế có thể nối dây các thiết bị với hàng trăm chân cắm.Nếu chỉ sử dụng các lỗ xuyên tiêu chuẩn, các thiết bị có nhiều chân như vậy thường sẽ chặn tất cả các kênh đi dây bên trong.

Tính toàn vẹn của tín hiệu:Nhiều tín hiệu trên các thiết bị điện tử nhỏ cũng có các yêu cầu cụ thể về tính toàn vẹn tín hiệu và các lỗ xuyên không đáp ứng các yêu cầu thiết kế như vậy.Những lỗ này có thể tạo thành ăng-ten, gây ra sự cố EMI hoặc ảnh hưởng đến đường truyền tín hiệu trở lại của các mạng quan trọng.Việc sử dụng lỗ mù và lỗ chôn hoặc lỗ siêu nhỏ giúp loại bỏ các vấn đề tiềm ẩn về tính toàn vẹn tín hiệu do sử dụng lỗ xuyên.

Để hiểu rõ hơn về các lỗ xuyên này, chúng ta hãy xem xét các loại lỗ xuyên khác nhau có thể được sử dụng trong các thiết kế mật độ cao và ứng dụng của chúng.

Loại và cấu trúc của các lỗ kết nối mật độ cao 

Lỗ thông là một lỗ trên bảng mạch kết nối hai hoặc nhiều lớp.Nói chung, lỗ truyền tín hiệu do mạch mang từ một lớp của bảng đến mạch tương ứng trên lớp kia.Để dẫn tín hiệu giữa các lớp dây, các lỗ được mạ kim loại trong quá trình sản xuất.Theo mục đích sử dụng cụ thể, kích thước của lỗ và miếng đệm là khác nhau.Các lỗ xuyên nhỏ hơn được sử dụng để nối dây tín hiệu, trong khi các lỗ xuyên lớn hơn được sử dụng để nối dây nguồn và nối đất hoặc để giúp làm nóng các thiết bị quá nóng.

Các loại lỗ trên bảng mạch

xuyên qua lỗ

Lỗ xuyên là lỗ xuyên tiêu chuẩn đã được sử dụng trên các bảng mạch in hai mặt kể từ khi chúng được giới thiệu lần đầu tiên.Các lỗ được khoan cơ học xuyên qua toàn bộ bảng mạch và được mạ điện.Tuy nhiên, lỗ khoan tối thiểu có thể được khoan bằng máy khoan cơ học có những hạn chế nhất định, tùy thuộc vào tỷ lệ khung hình của đường kính mũi khoan với độ dày tấm.Nói chung, khẩu độ của lỗ xuyên qua không nhỏ hơn 0,15 mm.

Lỗ mù:

Giống như lỗ xuyên, các lỗ được khoan cơ học nhưng với nhiều bước chế tạo hơn, chỉ một phần tấm được khoan khỏi bề mặt.Các lỗ mù cũng phải đối mặt với vấn đề giới hạn kích thước bit;Nhưng tùy thuộc vào phía nào của bảng mà chúng ta có thể đi dây phía trên hoặc phía dưới lỗ mù.

hố chôn:

Các lỗ chôn, giống như lỗ mù, được khoan cơ học, nhưng bắt đầu và kết thúc ở lớp bên trong của tấm ván chứ không phải trên bề mặt.Lỗ xuyên này cũng yêu cầu các bước sản xuất bổ sung do cần phải được gắn vào chồng tấm.

lỗ nhỏ

Lỗ thủng này được loại bỏ bằng tia laser và khẩu độ nhỏ hơn giới hạn 0,15 mm của mũi khoan cơ học.Bởi vì các lỗ siêu nhỏ chỉ trải dài trên hai lớp liền kề của bảng mạch nên tỷ lệ khung hình làm cho các lỗ có sẵn để mạ nhỏ hơn nhiều.Các lỗ siêu nhỏ cũng có thể được đặt trên bề mặt hoặc bên trong bảng.Các vi lỗ thường được lấp đầy và mạ, về cơ bản là được ẩn đi và do đó có thể được đặt trong các quả bóng hàn phần tử gắn trên bề mặt của các bộ phận như mảng lưới bóng (BGA).Do khẩu độ nhỏ nên miếng đệm cần thiết cho lỗ vi mô cũng nhỏ hơn nhiều so với lỗ thông thường, khoảng 0,300 mm.

Theo yêu cầu thiết kế, các loại lỗ khác nhau ở trên có thể được cấu hình để chúng hoạt động cùng nhau.Ví dụ, các vi lỗ có thể được xếp chồng lên nhau với các vi lỗ khác, cũng như với các lỗ bị chôn vùi.Những lỗ này cũng có thể được đặt so le.Như đã đề cập trước đó, các lỗ vi mô có thể được đặt trong các miếng đệm có chốt phần tử gắn trên bề mặt.Vấn đề tắc nghẽn dây điện còn được giảm bớt hơn nữa do không còn cách định tuyến truyền thống từ tấm gắn trên bề mặt đến ổ cắm quạt.