Wie viel Strom kann eine Microvia tragen?

Ein sehr kleiner Ring

Eine Mikrovia ist lasergebohrt und blind, wodurch zwei benachbarte Schichten miteinander verbunden werden. IPC-2226 definiert ihn anhand der Geometrie: 0,15 mm Durchmesser oder weniger, mit einem Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser von 1:1 oder besser.

Wie bei jeder plattierten Durchkontaktierung handelt es sich bei dem Kupfer um einen dünnwandigen Ring, nicht um einen Stecker:

Eine 100-µm-Mikrovia mit einer 18-µm-Beschichtung ergibt 0,00464 mm² — etwa ein Fünftel einer Durchgangsöffnung von 0,3 mm.

Deshalb taucht die aktuelle Frage überhaupt auf. Und sie hat eine wirklich überraschende Antwort.

Es hat einen geringeren Widerstand als eine Durchgangsöffnung

Der Widerstand ist $\rho L / A$, und die Dauer gewinnt entscheidend.

• 100 µm Microvia, 75 µm tief: 0,284 mΩ
• Durchgangsloch 0,3 mm, Platine 1,6 mm: 1,30 mΩ

Ein Fünftel der Kupferfläche, aber nur etwa 5% der Länge, sodass der Widerstand am Ende mehr als viermal niedriger ist. Microvias eignen sich hervorragend für die Stromversorgung in HDI-Aufbauten, und die Vorstellung, dass ein kleinerer Via-Anschluss schlechter sein muss, ist bei Gleichstrom schlichtweg falsch.

Zwei Antworten zur aktuellen Kapazität

IPC-2221 gibt die Stromkapazität des Leiters wie folgt an:

mit $A$ in Quadratmeilen. Die Exponenten ergeben sich aus einer Anpassung an gemessene trace-Daten. Die Konstante $k$ kodiert, wie leicht Wärme entweicht: 0,024 für interne Leiter, die in Laminat vergraben sind, 0,048 für externe Leiter auf einer äußeren Oberfläche — eine Leistungsreduzierung um den Faktor zwei, wenn sie vergraben sind.

Welcher Wert auf eine Mikrovia zutrifft, ist wirklich zweideutig.

Es ist vergraben, was für 0,024 spricht. Es ist aber auch nur 50—100 µm lang und an beiden Enden mit Kupferpolstern verbunden, die die Wärme weitaus besser leiten als Laminat, was für 0,048 spricht.

Für Microvia mit 100 µm bei 10 °C gilt Folgendes:

• Interne Klasse: 0,276 A
• Externe Klasse: 0,552 A

Die meisten HDI-Designregeln geben 0,5 bis 1 A pro Mikrovia vor, was an der Obergrenze oder leicht darüber liegt. Das ist angesichts des Kühlkörpers des Pads nicht unangemessen, aber Sie sollten wissen, dass Sie sich eher am optimistischen Ende des Modells befinden als bequem im konservativen.

Das Fass ist nicht das, was versagt

Hier ist der Teil, der die ganze Frage neu formuliert.

Modellieren Sie den Zylinder als Leitungspfad:$\theta = L/(k_{Cu} A)$ ergibt etwa 42 °C/W. Bei 0,25 A beträgt die Verlustleistung 0,018 mW, der Anstieg im stationären Zustand beträgt also 0,0007 °C.

Sieben Zehntausendstel Grad. Die IPC-2221-Kapazitätsangabe und der tatsächliche Anstieg der Zylindertemperatur beschreiben völlig unterschiedliche Dinge, und sie stimmen um Größenordnungen nicht überein.

Was tatsächlich fehlschlägt, ist die Target-Pad-Schnittstelle. Bei Temperaturschwankungen zieht die Ausdehnung des Dielektrikums auf der Z-Achse das beschichtete Gehäuse weg von dem Pad, auf dem es landet. Die Zuverlässigkeit von Microvia wird durch Temperaturschocktests gemäß IPC-TM-650 2.6.27 bestätigt, nicht durch eine aktuelle Formel.

Behandeln Sie die IPC-2221-Nummer also als Leitplanke für Beschichtung und Elektromigration, nicht als Temperaturprognose. Der Mechanismus, an dem es angebracht war — ein langer Leiter, der entlang seiner Länge Wärme ableitet — ist hier nicht der Mechanismus, der funktioniert.

Geometrieeinschränkungen, die tatsächlich binden

Seitenverhältnis. IPC-2226 begrenzt Tiefe zu Durchmesser auf 1:1 und die meisten Hersteller bevorzugen 0, 75:1. Darüber hinaus verjüngt sich das lasergebohrte Loch zu stark, als dass die Beschichtungschemie das Zielpad mit gleichmäßiger Dicke erreichen könnte, und die dünne Beschichtung an der Unterseite wird zur Bruchstelle. Diese Beschränkung trifft lange vor dem Strom zu. Mindestbeschichtung. IPC-6012 Klasse 2 erlaubt ein Minimum von 18 µm gegenüber einem Durchschnitt von 20 µm. Die Kapazität skaliert als Fläche bis zur Potenz 0,725, also bei der Konstruktion muss das Minimum berücksichtigt werden. Stromdichte. Oberhalb von etwa 100 A/mm² werden Elektromigration und Hohlräume bei der Beschichtung zu einem Problem, das keine Berechnung des Temperaturanstiegs ergeben hat. Eine einzelne Mikrovia von 100 µm erreicht diesen Wert bei etwa 0,46 A.

Gestapelt statt versetzt

Gestapelte Mikrovias sorgen für einen kürzeren Pfad mit geringerem Widerstand und sparen Platz. Sie sind auch die häufigste Ursache für HDI-Ausfälle bei Temperaturschwankungen, da die gestapelten Schnittstellen die Belastung akkumulieren.

Versetzen Sie sie, wo es das Layout zulässt, mit einem festen Polster zwischen den Schichten. IPC-6012 Klasse 3/A stellt spezifische Anforderungen an gestapelte Strukturen, gerade weil sie die Schwachstelle sind.

Wenn Sie aufgrund der Routingdichte stapeln müssen, ist das eine Zuverlässigkeitsentscheidung, keine Routing-Entscheidung, und sie sollte mit demjenigen getroffen werden, der den Qualifizierungsplan besitzt.

Dimensionierung einer Schiene

Für 2 A bei Verwendung der konservativen 0,276 A pro Durchkontaktierung: mindestens acht Durchkontaktierungen, zehn mit Spielraum für Abweichungen bei der Beschichtung und ungleichmäßige Stromverteilung. Der Strom verteilt sich nicht gleichmäßig über einen Cluster — die Durchkontaktierung, die dem eingehenden Strom am nächsten ist, nimmt mehr als ihren Anteil auf.

Ein enger Cluster unter dem Pad ist gängige Praxis und bringt Ihnen auch den Widerstandsvorteil: Zehn parallel geschaltete Mikrovias entsprechen 0,028 mΩ, was praktisch ein Kurzschluss ist.

Der Microvia-Stromkapazitätsrechner meldet beide IPC-Klassen, Zylinderfläche, Widerstand für einzelne Durchkontaktierungen und Arrays, Stromdichte, Selbsterwärmung und IPC-2226-Seitenverhältnisprüfungen.