マイクロビアはどのくらいの電流を流すことができますか？

# #非常に小さな環状

マイクロビアにはレーザードリル加工が施され、隣接する2つの層をつなぐブラインド加工が施されています。IPC-2226では、直径0.15 mm以下、深さと直径の比が 1:1 以上の形状で定義されています。

他のメッキビアと同様に、銅はプラグではなく薄壁の環状になっています。

18 µmのメッキを施した100 µmのマイクロビアでは、0.00464mm²が得られます。これは、0.3 mmのスルーホールビアの約5分の1です。

だからこそ、現在の疑問が浮かび上がってくるのです。そして、それには本当に意外な答えがあります。

スルーホールビアよりも抵抗が少ないです

抵抗は$\rho L / A$で、長期間の抵抗が決定的に勝ちます。

-100 µm マイクロビア、深さ75 µm: 0.284 MΩ -0.3 mm スルーホールビア、1.6 mm ボード:1.30 mΩ

銅面積の5分の1ですが、長さの約5％しかないため、抵抗は4倍以上低くなります。マイクロビアはHDIスタックアップの電力供給に優れており、ビアが小さいほど悪くなるに違いないという直感は、DCにとってはまったく間違っています。

現在の容量に関する2つの答え

IPC-2221では導体の電流容量を次のように求めています。

$A $を平方ミルで表したもの。指数は、測定された$トレース データへの近似から得られます。定数 k$は、熱がどれだけ逃げやすいかを表しています。ラミネートに埋め込まれた内部導体の場合は0.024、外面の外部導体の場合は0.048、埋め込みの場合は2倍のディレーティングです。

どちらがマイクロビアに当てはまるかは、まったくあいまいです。

0.024を主張して埋もれてしまった。しかし、長さはわずか50～100 µmで、両端が銅のパッドに接着されています。銅パッドはラミネートよりも熱伝導がはるかに優れており、0.048とされています。

10 °C 上昇時の 100 µm マイクロビアの場合:

-内部クラス:0.276 A -外部クラス:0.552 A

ほとんどのHDI設計ルールでは、マイクロビア1個あたり0.5～1Aを想定していますが、これは上限値かそれより少し上です。パッドのヒートシンクを考えると無理はありませんが、保守的なモデルに楽に入っているというよりも、楽観的なモデルの終わりに近づいていることを知っておく価値があります。

バレルは失敗するものではない

これが質問全体を再構成する部分です。

バレルを伝導経路としてモデル化します。$\theta = L/(k_{Cu} A)$では約 42 °C/W、0.25 A での損失は 0.018 mW なので、定常状態での上昇は 0.0007 °C になります。

7 万分の 1 度です。IPC-2221の容量値と実際のバレルの温度上昇はまったく異なることを説明しており、桁違いに一致しません。

実際に失敗するのは、ターゲットパッドのインターフェースです。サーマルサイクルでは、誘電体のZ軸膨張によってメッキバレルが着地したパッドから引き離されます。マイクロビアの信頼性は、現在の公式ではなく、IPC-TM-650 2.6.27に基づく熱衝撃試験によって認定されます。

したがって、IPC-2221の数値は、温度予測ではなく、メッキとエレクトロマイグレーションのガードレールとして扱ってください。それが取り付けられたメカニズム、つまりその長さに沿って熱を放出する長い導体は、ここで動作するメカニズムではありません。

実際に拘束されるジオメトリコンストレイント

アスペクト比 IPC-2226 のキャップは深さ対直径が 1:1 で、ほとんどの製造業者は0. 75:1 を好みます。それを超えると、レーザードリル穴の先細りが鋭すぎて、めっきの化学的性質が均一な厚さでターゲットパッドに到達できず、底面の薄いメッキが故障点になります。この制約は、電流よりもずっと前に影響します。 メッキの最小値 IPC-6012 クラス 2 では、平均 20 µm に対して最小で 18 µm が許容されます。容量は面積の 0.725 のべき乗に比例するので、最小値を考慮して設計してください。 電流密度 約100 A/mm²を超えると、エレクトロマイグレーションとメッキボイドが問題になり、温度上昇の計算では明らかになりません。100µmのマイクロビア1つが約0.46Aでこれに当たります。

スタッキングとスタッガード

マイクロビアを積み重ねると、経路が短く抵抗が小さくなり、配線面積が節約されます。また、積層インターフェイスには応力が蓄積されるため、サーマルサイクル下で最も一般的な HDI 障害モードでもあります。

レイヤー間にしっかりしたパッドを置いて、レイアウトの許す限りずらして配置してください。IPC-6012 Class 3/Aでは、スタック構造に特定の要件が追加されています。なぜなら、スタック構造は弱点だからです。

配線密度のためにスタックする必要がある場合、それはルーティングの決定ではなく信頼性の決定であり、認定プランの所有者に委ねるべきです。

レールのサイズ調整

ビアあたり0.276Aという控えめな2Aの場合、最低でも8個のビアで、10個のビアにはめっきのばらつきや不均一な電流分担のための余裕があります。電流はクラスタ全体に均等に分散されません。流入電流に最も近いビアは、その分よりも多くの電流を消費します。

パッドの下に密集するのが標準的な方法ですが、抵抗の利点もあります。10個のマイクロビアを並列に接続すると0.028mΩになり、実質的に短くなります。

マイクロビア電流容量計算ツール は、IPCクラス、バレル面積、シングルビアおよびアレイの抵抗、電流密度、自己発熱、IPC-2226のアスペクト比チェックの両方を報告します。