Надежность многослойных печатных плат Опции

[Barklay]

Количество слоев печатной платы как-нибудь влияет на её надежность?
И как оценить возможные потери в надёжности при увеличении слоев?

[shdv]

В отрыве от полного анализа задачи такое сравнение не имеет смысла.
Если при введении многослойной платы получается, что вы заменили целый блок содержащий объёмный монтаж с несколькими платами на одну плату с несколькими слоями, то надежность решения в целом может быть получена значительно выше.

В отрыве от технологии изготовления платы и методов контроля тоже рассматривать что либо смысла не имеет.
К примеру двусторонняя плата изготовленная в замшелой лаборатории без маски сильно отличается от платы с любым количеством слоев при производстве на современном оборудовании.

В отрыве от аспектов конструирования тоже нельзя рассматривать этот вопрос.
Если вам нужна высокая надежность, конструируйте надёжную топологию, считайте толщину проводников, теплоотвод и прочие моменты грамотно.

[V_G]

Из общих соображений - да, влияет. Более сложная система менее надежна, чем аналогичная простая.
Опять-таки из общих соображений: чем больше переходных отверстий, тем ниже надежность. Чем выше ток в проводниках внутренних слоев платы (они в худших условиях по охлаждению), тем ниже надежность.
А вот про связывающие эти параметры коэффициенты ничего не скажу, не знаю.

[Sagittarius]

присоединюсь к вопросу ТС с уточнением: схема на микроконтроллере одна, но вариант сделать плату больше по габаритам но ДПП и микросхемы в LQFP или маленькую МПП на 4-х слоях с BGA корпусами , отвод тепла достаточный в любом варианте. Производителя считаем соблюдающим технологии. Будет потеря надежности?

[shdv]

При соблюдении технологии и при всех правильных конструктивных решениях потеря надёжности если и будет, то настолько незначительная, что сотни тысяч разработчиков об этом даже не думают используя многослойки в очень ответственных приложениях.
Есть особые требования к перегрузкам, к климатике? Опять же это больше конструкторские вопросы чем вопрос о количества слоёв.
Тут есть более веские обстоятельства - финансовые. Многослойка дороже.

[Barklay]

В отрыве от полного анализа задачи такое сравнение не имеет смысла.
Если при введении многослойной платы получается, что вы заменили целый блок содержащий объёмный монтаж с несколькими платами на одну плату с несколькими слоями, то надежность решения в целом может быть получена значительно выше.

Нет, блок не меняется. Условия примерно таковы: изготовить 4-хслойку по 5-му классу (0.1 / 0.1) или 6...8-ми слойку по 4-му (0.2/0.2 или даже 0.25/0.25).

В отрыве от технологии изготовления платы и методов контроля тоже рассматривать что либо смысла не имеет.
К примеру двусторонняя плата изготовленная в замшелой лаборатории без маски сильно отличается от платы с любым количеством слоев при производстве на современном оборудовании.

Изготовление на одном и том же заводе, т.е. технология как бы одна.

В отрыве от аспектов конструирования тоже нельзя рассматривать этот вопрос.
Если вам нужна высокая надежность, конструируйте надёжную топологию, считайте толщину проводников, теплоотвод и прочие моменты грамотно.

Тут опять же - остальные все условия как бы сохраняются идентичными, т.е. =const, переменной становится только количество слоёв.

Из общих соображений - да, влияет. Более сложная система менее надежна, чем аналогичная простая.

Что считать усложнением - увеличение класса точности, или увеличение количества слоёв при более низком классе точности?

Опять-таки из общих соображений: чем больше переходных отверстий, тем ниже надежность. Чем выше ток в проводниках внутренних слоев платы (они в худших условиях по охлаждению), тем ниже надежность.

Количество переходных. Да, по общим соображениям, чем их больше, тем хуже... Но не факт, что в 4-х слойке их окажется меньше, чем в 8-ми. По крайней мере, это не достаточно очевидный посыл.

[shdv]

BGA - это уже как правило печатная плата - многослойка :-)
Вопрос сравнения надежности в вашем случае не критичен.

[KykyryzzZ]

Изготовление на одном и том же заводе, т.е. технология как бы одна.

Если изготовление только в конкретном месте, то для начала нужно выяснить что позволяет делать их производство, а потом под него и плату разводить. Если оборудование позволяет изготовить и четвертый и пятый классы точности с одинаковым уровнем качества, тогда без разницы.

[Александр77]

Условия примерно таковы: изготовить 4-хслойку по 5-му классу (0.1 / 0.1) или 6...8-ми слойку по 4-му (0.2/0.2 или даже 0.25/0.25).
Изготовление на одном и том же заводе, т.е. технология как бы одна.
Тут опять же - остальные все условия как бы сохраняются идентичными, т.е. =const, переменной становится только количество слоёв.
Что считать усложнением - увеличение класса точности, или увеличение количества слоёв при более низком классе точности?

Где-то в рекомендациях было написано, не надо упускать возможность выполнить плату по более низкому классу.
Думаю в вашем случае 8 слоев 0,2 будут лучше 4 слоев 0,1.
У меня плата 8 слоев 0,1, по цене вышла 23тыщи за платку...

[jks]

Зависимость цены от количества слоев, сложности и технологии примерно следующая:



Изготовление по более низкому классу при большем количестве слоев не дает оптимальный результат.
Как правило дополнительные слои появляются из-за предельного использования существующих слоев в рамках текущего класса точности.
Дополнительные слои добавляют дополнительные проблемы.
Увеличение толщины платы неизбежно приводит к увеличению диаметра переходных отверстий для сохранения aspect ratio (для сквозных).
При использовании слепых и скрытых отверстий количество слоев наращивать нет смысла.
Надо переходить на более современные технологии.

Оптимальное количество не более 8.

PS: 100um/100um это вчерашний день.

 IPC_2226.pdf ( 2.1 мегабайт ) Кол-во скачиваний: 8483


 impact_of_microvia_in_pad_design_on_void_formation.pdf ( 664.56 килобайт ) Кол-во скачиваний: 326


Сообщение отредактировал jks - Jun 1 2012, 12:59

[kimi1]

Очень интерес в вопросе в другом аспекте: вдруг схематики ошиблись или еще что... Нужно порезать проводник, скажем в 6 слое при 8 слойке, врядли кто сделает. Ззато при двух слоях, взяли скальпель и порезали.

[AlexandrY]

Количество слоев печатной платы как-нибудь влияет на её надежность?
И как оценить возможные потери в надёжности при увеличении слоев?

Безусловно чем больше слоев тем надежней плата.
Меньше проводников останется на внешних слоях, т.е. меньше вероятность обрывов или замыканий от механических и химических воздействий.
Лучшее согласование волновых сопротивлений.
Меньшая восприимчивость к электромагнитным помехам.
Меньше шумов от самой платы.

[KykyryzzZ]

Очень интерес в вопросе в другом аспекте: вдруг схематики ошиблись или еще что... Нужно порезать проводник, скажем в 6 слое при 8 слойке, врядли кто сделает. Ззато при двух слоях, взяли скальпель и порезали.

Схему необходимо проверять на этапе разработки, а с таким подходом (там подрезать, тут нарастить) за серьезный проект не стоит браться. Да и в конце концов ошибки правятся при последующих ревизиях.

[jks]

Основные типы дефектов, которые влияют на надежность многослойных печатных плат.

1. Замыкания в одном слое.
2. Межслойные замыкания через диэлектрик
3. Обрыв переходного отверстия.
4. Расслоение диэлектрика или отклеивание меди.
5. Параллельное смещение внутренних слоев при нагревании (текучесть диэлектрика)

Дополнительно могут влиять и другие факторы, например:

Для плат с BGA компонентами внутренние дефекты паяных соедениний или непропай.
Ошибки проектирования:
нарушение температурного режима,
неудачное размещение и метод закрепления тяжелых компонентов,
неудачный способ и место закрепления печатной платы в изделии.
И прочие факторы характерные для обычных плат.

Существуют особенности технологического характера:
1. Ошибки совмещения слоев в сквозных переходных отверстиях (при малых диаметрах).
2. Применение слепых и скрытых переходных.
При большом количестве разнотипных переходов и количества слоев увеличивается количество операций для склеивания различных слоев.
Соответственно увеличивается ошибка совмещения слоев. Необходимо либо делать переходные большего диаметра либо улучшать точность совмещения.
3. Большие габариты и толщина платы увеличивают погрешность совмещения слоев, из-за того что при прессовании слои незначительно расползаются и абсолютная
ошибка увеличивается.
4. Слишком высокое значение апертурного отношения
5. Качество материла диэлектрика
6. Не сбалансированное распределение меди в слое что может привести короблению платы.
7. Нарушение режима пайки.
...

Количество переходных отверстий может уменьшить, а может и увеличить надежность.
Тут надо применять аппарат теории надежности.

Если в одной цепи несколько последовательных переходных, то надежность цепи меньше той в которой их нет вовсе.
Но если в другой цепи переходных в два раза больше, а соединены они попарно параллельно, то надежность такой цепи
будет выше первой (в которой переходных в 2раза меньше).
Причем это относительное увеличение надежности не зависит от того двухслойная плата или многослойная.

На надежность переходных в основном влияют условия эксплуатации: температурные и вибрационные деформации, химические воздействия окружающей среды.
Из-за отличия в температурном коэффициенте расширения меди и материала диэлектрика при толстом диэлектрике и малом переходном, деформации
могут разрвать переходное уже при пайке. И в холодном состоянии будет сухой контакт, который будет проявляться как случайный сбой только при повышенных
температурах или вибрациях.

В многослойной плате сквозное переходное состоит из соединенных последовательно коротких переходов (если внутренние КП не удалены), на каждый из которых
действует меньшее усилие растяжения. Соответственно надо учитывать вероятность отказа в зоне упругих и зоне пластических деформаций.
Эту информацию может дать только испытательный стенд.

Основные места образования трещин в переходных отверстиях многослойных плат.


Поищите в интернете книгу Printed circuits handbook by Clyde F. Coombs,
Часть 13. Надежность.
Там много полезной информации.


Думаю как-то так.

[AlexandrY]

Основные типы дефектов, которые влияют на надежность многослойных печатных плат...

Особенно фантастически звучит

2. Межслойные замыкания через диэлектрик
5. Параллельное смещение внутренних слоев при нагревании (текучесть диэлектрика)

Это что, серьезно кто-то учитывает для плат 4...5 го класса?

По моему большинство перечисленных рисков не относятся к поднятому вопросу.

[jks]

Особенно фантастически звучит

2. Межслойные замыкания через диэлектрик
5. Параллельное смещение внутренних слоев при нагревании (текучесть диэлектрика)

Это что, серьезно кто-то учитывает для плат 4...5 го класса?

Согласен, что похоже на фантастику.

In 1976,Aaron Der Marderosian at Raytheon, while studying measling, crazing, and delamination,
examined the reliability of multilayer PWBs by applying a DC voltage between ground
planes and conductor traces (see Fig. 56.5).3 Test coupons were biased at 100 V and aged at 65°C
and 95 percent RH for 10 days. Based on the results, Der Marderosian reported a failure that
he termed the ”punch thru” phenomenon. This is similar to the ”thru substrate shorts” reported
by Delaney.2 To study this failure further, Der Marderosian obtained test coupons from three
different vendors biasing some at 100 V DC, others at 100 V AC, and a third group was unbiased.
Since ”punch thru” was observed only when DC bias was applied, Der Marderosian
concluded that this failure was due to electrochemically initiated metal migration. He
reported that the number of incidents of ”punch thru” decreased as aging voltage was
decreased. The addition of a urethane conformal coating appeared to accelerate, not suppress,
the problem.



http://www.hkpca.org/ptxCms/website/hkpca2...b502e96b715.pdf
http://130.207.195.147/Portals/2/12.pdf
http://www.parkelectro.com/parkelectro/ima...F%20Article.pdf

Возможно что это достаточное редкое явление, характерное для высоких электрических напряжений.
Но для тонких препрегов 3-5 милс вполне может иметь место и для достаточно низких напряжений 3-5В при повышенных температурах,
при которых миграция ионов усиливается. Хотя я сам с таким явлением пока не встречался.

5. Параллельное смещение внутренних слоев при нагревании (текучесть диэлектрика)
Если плата достаточно габаритная, то абсолютное смещение каких-то участков может быть большим.
Реально происходит если у диэлектрика низкая температура стеклования Tg или температурный режим пайки не выдержан.

ПС:
Вопросы надежности, живучести и безотказности надо рассматривать с точки зрения стоимости отказа.
Понятное дело что нет смысла учитывать все возможные или "не возможные" события отказа в устройствах бытового или коммерческого назначения,
где основной критерий это стоимость изделия, а не стоимость отказа.

Сообщение отредактировал jks - Jun 4 2012, 15:49