❓ Stacked или staggered: как расположение микропереходов влияет на надёжность HDI-платы?

При проектировании многослойных HDI-плат микропереходы можно располагать друг над другом (stacked) или со смещением относительно друг друга (staggered). Оба варианта позволяют соединять несколько последовательных слоёв платы. Однако с точки зрения надёжности между ними есть существенные различия.

🔶 Stacked — микропереходы друг над другом
Такая конструкция позволяет экономить место на плате, что особенно важно при высокой плотности монтажа, например под корпусами BGA с малым шагом выводов.
Для формирования многоуровневой структуры нижние микропереходы заполняются медью, после чего на них формируются следующие уровни.

❕Но у этого решения есть недостаток: при термических нагрузках механические напряжения воздействуют сразу на несколько последовательно расположенных соединений. Особенно уязвимым местом является граница между медным заполнением микроперехода и контактной площадкой нижележащего слоя.

При нагреве и охлаждении из-за различий коэффициентов теплового расширения меди и диэлектрика возникают механические напряжения. Если соединение меди в этой области недостаточно прочное, возможно образование трещины или расслоения.

🔶 Staggered — микропереходы со смещением
В этом случае микропереходы соседних уровней располагаются не друг над другом, а соединяются через проводники или контактные площадки промежуточных слоёв. Такая конструкция занимает больше места, зато позволяет избежать вертикального расположения нескольких микропереходов в одной точке.

✅ В результате снижается зависимость надёжности всей цепочки от качества заполнения и межслойных соединений в единой вертикальной структуре. При прочих равных staggered обычно обеспечивает больший запас технологической надёжности.

🔶 Насколько критична разница?

В одном из исследований, опубликованных в материалах IPC APEX EXPO, сравнивали стойкость stacked и staggered к термоциклированию. После предварительного воздействия шести циклов нагрева до 260 °C образцы испытывали при температуре 190 °C.

Результаты оказались весьма показательными:
— Staggered: в среднем 887 циклов до отказа.
— Stacked: 3 цикла до отказа.

Разумеется, эти цифры относятся к конкретным испытанным конструкциям и не означают, что любой stacked-микропереход разрушится после трёх циклов. Тем не менее они хорошо показывают, насколько существенно конструкция может влиять на надёжность.

❕Самое неприятное в подобных дефектах — они могут оставаться скрытыми. Плата успешно проходит электрический контроль на заводе, но после нескольких циклов оплавления припоя в микропереходе появляется нарушение соединения. Более того, при охлаждении контакт между повреждёнными участками меди может частично восстанавливаться. Поэтому дефект не всегда обнаруживается обычной проверкой электрической целостности. Именно этой проблеме IPC посвятила документ IPC-WP-023, а в 2019 году выпустила отдельное отраслевое предупреждение.

✅ Что рекомендуем?
Если плотность трассировки позволяет, предпочтительнее использовать микропереходы со смещением. Если необходима структура stacked, следует особенно внимательно относиться к количеству уровней и качеству заполнения медью.