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마이크로비아 전류 용량 계산기

DC 저항, 전압 강하, 전류 밀도, 자체 발열 및 IPC-2226 종횡비 검사를 통해 배럴 단면적에서 레이저로 드릴링한 마이크로비아 전류 용량을 계산합니다. IPC-2221

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공식 참조

A = \pi\, t\,(D - t), \qquad I = k\,\Delta T^{0.44} A_{\text{mil}^2}^{0.725}, \qquad k = \begin{cases} 0.024 & \text{internal} \\ 0.048 & \text{external} \end{cases}

참고: IPC-2221B (conductor current capacity); IPC-2226 (HDI design, microvia definition and aspect ratio); IPC-6012 (plating thickness classes); IPC-TM-650 2.6.27 (microvia thermal shock)

A— 도금 배럴 단면 (얇은 벽 고리) (mm² / mil²)

D— 레이저로 드릴링된 마이크로비아 직경 (mm)

t— 배럴 도금 두께 (µm)

L— 마이크로비아 깊이 (유전체 두께) (mm)

ΔT— 주변 온도보다 높은 온도 상승 허용 (°C)

k— IPC-2221 도체 클래스 상수

공식

A = \pi\, t\,(D - t), \qquad I = k\,\Delta T^{0.44} A_{\text{mil}^2}^{0.725}, \qquad k = \begin{cases} 0.024 & \text{internal} \\ 0.048 & \text{external} \end{cases}

참고: IPC-2221B (conductor current capacity); IPC-2226 (HDI design, microvia definition and aspect ratio); IPC-6012 (plating thickness classes); IPC-TM-650 2.6.27 (microvia thermal shock)

A— 도금 배럴 단면 (얇은 벽 고리) (mm² / mil²)

D— 레이저로 드릴링된 마이크로비아 직경 (mm)

t— 배럴 도금 두께 (µm)

L— 마이크로비아 깊이 (유전체 두께) (mm)

ΔT— 주변 온도보다 높은 온도 상승 허용 (°C)

k— IPC-2221 도체 클래스 상수

J— 배럴의 전류 밀도 (A/mm²)

작동 방식

마이크로비아는 인접한 두 레이어를 연결하는 레이저로 드릴링된 블라인드 비아입니다.IPC-2226 은 공정이 아닌 기하학적 구조로 정의합니다. 즉, 직경 0.15mm 이하, 깊이 대 직경 종횡비가 1:1 이상입니다.구리는 구멍을 뚫은 벽에 쌓여 반경 $D/2 - t$ 부터 $D/2$ 까지의 영역을 차지하기 때문에 도금된 배럴은 벽이 얇은 고리 모양입니다.따라서 전도 면적은 $A = \pi t (D - t)$ 이며, 18µm 도금이 적용된 100µm 마이크로비아의 경우 이는 약 0.00464mm²에 불과합니다. 이는 0.3mm 스루홀 비아가 제공하는 것의 약 5분의 1에 해당합니다.이 숫자가 적기 때문에 전류 용량에 대한 질문이 아예 없습니다.

IPC-2221 도체 전류 용량은 $I = k \Delta T^{0.44} A^{0.725}$ , $A$ 단위는 제곱밀 단위입니다.지수는 측정된 트레이스 데이터에 피팅한 값이며, 하위 선형 면적 의존성은 도체가 넓을수록 냉각 표면과 거리가 더 멀다는 것을 반영합니다. $k$ 상수는 열이 얼마나 쉽게 빠져나가는지를 나타냅니다. IPC는 라미네이트에 묻힌 내부 도체에 대해 0.024를 지정하고 외부 표면에 있는 외부 도체에 대해 0.048을 지정합니다. 즉, 묻힌 경우 2배 감소됩니다.

마이크로비아에 어떤 값이 적용되는지는 정말 모호하며, 이 계산기는 다른 척하지 않고 두 값을 모두 보고합니다.0.024를 주장하며 마이크로비아 한 마리가 묻혔습니다.하지만 길이도 50~100 µm에 불과하며 양쪽 끝이 구리 패드에 접합되어 라미네이트보다 열을 훨씬 잘 전도하므로 0.048이라는 주장이 있습니다.측정된 마이크로비아 용량은 일반적으로 두 범위 사이이며, 마이크로비아당 0.5—1A의 예산을 책정하는 일반적인 HDI 설계 규칙은 상위 한계 근처에 있습니다.

자체 발열 출력이 더 중요한 포인트입니다.DC 저항은 $R = \rho(T) L / A$ 이며, $L$ 마이크로비아는 매우 작기 때문에 밀리옴 미만으로 출력됩니다. 이는 구리가 훨씬 적음에도 불구하고 길이가 우세하기 때문에 스루홀 비아보다 몇 배 더 낮습니다.그러면 배럴을 열 저항 $\theta = L/(k_{Cu} A)$ 의 전도 경로로 모델링하면 실제 전류에서 천분의 일 도의 정상 상태 상승을 얻을 수 있습니다.고장난 것은 배럴이 아닙니다.실패한 것은 타겟 패드 인터페이스입니다. 열 순환 시 유전체의 z축 팽창으로 인해 도금된 배럴이 닿은 패드에서 멀어지며 마이크로비아의 신뢰성은 전류 공식이 아닌 IPC-TM-650 2.6.27에 따른 열 충격 테스트를 통해 검증되었습니다.IPC-2221 수치를 측정된 온도를 예측하는 것이 아니라 도금 및 일렉트로마이그레이션 가드레일로 취급하십시오.

계산 예제

제공: 0.1mm 마이크로비아, 18µm 배럴 도금, 깊이 0.075mm, 허용 상승 10°C, 설계 전류 0.25A, 싱글 비아, 주변 온도 25°C 1단계: 배럴 단면적

A = \pi t (D - t) = \pi \times 18 \times 10^{-6} \times (100 - 18) \times 10^{-6}

= \pi \times 18 \times 82 \times 10^{-12} = 4.636990756698534 \times 10^{-9}

m²

= 0.004636990756698534

mm²

IPC-2221 예상 단위로 환산: $\frac{4.63699 \times 10^{-9}}{6.4516 \times 10^{-10}} = 7.18736$ mil²

2단계: IPC-2221 전류 용량, 두 클래스 모두

I_{internal} = 0.024 \times 10^{0.44} \times 7.18736^{0.725} = 0.024 \times 2.754229 \times 4.178702 = 0.2761999651813298

I_{external} = 0.048 \times 2.754229 \times 4.178702 = 0.5523999303626596

마이크로비아에 대한 정직한 답은 0.28A에서 0.55A 사이입니다.

3단계: 25°C에서의 DC 저항

\rho = \rho_{20}[1 + \alpha(T - 20)] = 1.724 \times 10^{-8} \times [1 + 0.00393 \times 5] = 1.757877 \times 10^{-8}

Ω·m

R = \frac{\rho L}{A} = \frac{1.757877 \times 10^{-8} \times 75 \times 10^{-6}}{4.636991 \times 10^{-9}} = 2.8432393 \times 10^{-4}\ \Omega = 0.28432393316623417

mΩ 4단계: 0.25A에서의 낙하 및 소멸

V = IR = 0.25 \times 2.8432393 \times 10^{-4} = 0.07108098329155854

P = I^2 R = 0.0625 \times 2.8432393 \times 10^{-4} = 0.017770245822889635

밀리와트 5단계: 배럴 자체 가열

\theta = \frac{L}{k_{Cu} A} = \frac{75 \times 10^{-6}}{385 \times 4.636991 \times 10^{-9}} = 42.011

°C/W

\Delta T = P \theta = 1.7770 \times 10^{-5} \times 42.011 = 0.0007465480051396345

°C

칠만 분의 일 정도입니다.IPC-2221 용량 제한과 실제 배럴 온도 상승은 완전히 다른 두 가지를 설명합니다.

6단계: 형상 및 밀도 검사

J = \frac{I}{A} = \frac{0.25}{0.004636991} = 53.914

A/mm²

가로 세로 비율 $= \frac{0.075}{0.1} = 0.75$ — 대부분의 제작자가 선호하는 값이며 1:1 IPC-2226 한도 이내입니다.

결과: 비아당 보수적인 용량은 0.28A, 낙관적 용량은 0.55A, 저항은 0.284 mΩ 이며 자체 발열은 무시할 수 있는 수준입니다.2A 레일의 경우 8~10개의 마이크로비아를 사용하십시오.

실용적인 팁

✓일반적인 HDI 관행에서 마이크로비아 100마이크로미터당 약 0.5A의 예산을 책정한 다음 여기에서 두 가지 한계에 모두 맞는지 확인하십시오.요구 사항이 외부 등급 수치보다 높으면 상수에 대해 논쟁하는 대신 비아를 추가하십시오.
✓손으로 스케일링하는 대신 배열 출력을 사용하십시오.저항은 N으로 나누고 용량은 N으로 곱하지만 병렬 마이크로비아 간의 전류 공유는 완벽하게 균등하지 않으므로 20~ 30% 의 여유를 유지하세요.
✓마이크로비아는 전력 공급 측면에서 매우 우수합니다. 마이크로비아는 길이가 짧기 때문에 단면적은 작지만 스루홀 비아보다 저항이 낮습니다.한계는 기계적 신뢰성이지 전기적 성능은 아닙니다.
✓가능하면 가로 세로 비율을 0.75:1 이하로 유지하십시오.수율과 장기 신뢰성에 가장 큰 영향을 미치는 것은 단일 지오메트리 파라미터이며 설계 시 비용이 전혀 들지 않습니다.
✓전류 밀도와 총 전류를 확인하십시오.제곱밀리미터당 약 100A를 초과할 경우 온도 상승 계산으로는 알 수 없는 일렉트로마이그레이션 및 도금 보이드가 문제가 됩니다.

흔한 실수

✗얇은 벽 고리 대신 전체 천공 영역 pi-D-Squared-over-4 사용 - 표준 마이크로비아는 단단한 구리 플러그가 아닌 속이 빈 도금된 배럴이며, 확실한 가정에 따르면 면적이 약 5배 이상 과대됩니다.
✗IPC-2221 용량을 측정된 온도 예측으로 간주하는 것은 배럴 단면에 적용되는 경험적 추적 규칙입니다.계산기는 이 온도와 실제 배럴 자체 발열량을 모두 보여 주는데, 온도 차이가 수십 배나 되는 데에는 이유가 있습니다.
✗종횡비를 무시하면 레이저로 뚫은 구멍이 너무 가파르게 가늘어져 도금 화학 물질이 대상 패드에 균일하게 도달할 수 없으며, 베이스의 얇은 도금은 현재 공식에 나와 있는 것과 상관없이 실패점이 됩니다.
✗마이크로비아를 적층하여 고전류 경로의 라우팅 영역을 절약합니다. 적층형 인터페이스는 열-기계적 스트레스를 축적하며 열 사이클링에서 가장 일반적인 HDI 장애 모드입니다.레이아웃이 허용하는 곳에 시차를 두고 배치하세요.
✗공칭 도금 두께로 설계 — IPC-6012 Class 2는 평균 20마이크로미터 대비 최소 18마이크로미터를 허용하고 용량은 면적에 따라 0.725 출력까지 확장되므로 최악의 경우 도금을 고려하여 설계할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

100 마이크로미터 마이크로비아는 얼마나 많은 전류를 전달할 수 있습니까?

18마이크로미터 도금 및 10°C 상승으로 보수적인 내부 도체 수치는 약 0.28A이고 외부 도체 경계는 약 0.55A입니다. 대부분의 HDI 설계 규칙의 예산은 마이크로비아당 0.5~1A이며, 이는 상한선 또는 약간 위에 위치합니다. 패드가 열을 얼마나 잘 흡수하는지 고려하면 합리적이지만 한계 근방에서 검증해 볼 가치가 있습니다.

마이크로비아의 저항이 스루홀 비아보다 낮은 이유는 무엇입니까?

저항은 rho 곱하기 길이를 면적으로 나눈 값이므로 장기 저항이 승리하기 때문입니다.마이크로비아는 0.3mm 스루홀 비아의 구리 면적의 약 5분의 1을 차지하지만 길이는 약 5% 에 불과하므로 결국 저항이 몇 배 낮아집니다.마이크로비아가 HDI 스택업의 전력 공급에 탁월한 이유가 바로 여기에 있습니다.

계산기에 온도 상승이 거의 나타나지 않는 이유는 무엇입니까?

배럴은 실제로 열 병목 현상이 아니기 때문입니다.0.25A에서는 손실량이 0.02mW 미만이고 패드로의 전도 경로가 매우 짧습니다.IPC-2221 용량 수치는 배럴 단면에 적용된 경험적 추적 규칙으로 의도적으로 보수적입니다. 측정된 온도를 예측한 것이 아니라 도금 및 일렉트로마이그레이션 가드레일로 취급하십시오.

마이크로비아는 어떤 종횡비를 가질 수 있습니까?

IPC-2226 은 직경 대비 깊이를 1:1 로 설정하며 대부분의 제작자는 0.75:1 이하를 선호합니다.그 외에도 레이저로 뚫은 구멍은 너무 가파르게 가늘어져 도금 화학 물질이 균일한 두께로 대상 패드에 도달할 수 없으며, 베이스의 얇은 도금은 신뢰성의 실패점이 됩니다.

고전류를 위해 마이크로비아를 쌓아두거나 스태거해야 합니까?

가능한 곳에 비틀거리며 배치하세요.적층형 마이크로비아는 저항이 낮은 경로를 더 짧게 만들고 라우팅 영역을 절약하지만 적층된 인터페이스는 열-기계적 스트레스를 축적하며 열 사이클링에서 가장 흔한 HDI 장애 모드입니다.레이어 사이에 단단한 패드가 있는 스태거드 마이크로비아는 훨씬 더 견고합니다.

2A 레일에 필요한 마이크로비아는 몇 개입니까?

섭씨 10도 상승에서 비아당 보수적인 0.28A를 사용할 경우 2A에는 8개의 비아가 필요합니다. 최대 10개의 비아로 반올림하면 도금 변동과 불균일한 전류 공유에 대한 여유가 생깁니다.패드 아래에 촘촘한 클러스터를 설치하는 것이 일반적이며, 어레이 저항과 전압 강하 출력을 통해 전달된 레일의 정확도를 동시에 확인할 수 있습니다.

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