Proizvođači elektronike koriste Višeslojne tiskane pločice (PCB-ovi) kako bi krugovi zauzimali manje prostora. To im omogućava da postave više dijelova na gornju stranu ploče, a također ostavlja prostor za provođenje tragova na unutrašnjim slojevima. Vije su jedini način za uspostavljanje električnih veza između različitih slojeva. Vije su ključni dio dizajna ploče, a također mijenjaju način lemljenja i mogu dodati slabe tačke. Te slabe tačke mogu smanjiti pouzdanost cijele ploče. Ali ako dizajneri prate dobra pravila dizajna, mogu koristiti vias i i dalje napraviti pouzdanu štampanu pločicu.
Šta je via?
Via je otvor u tiskanoj pločici (PCB) koji prolazi kroz jedan ili više slojeva. Proizvođač obloži otvor bakrom kako bi formirao cilindar. Krajevi cilindra povezuju se s određenim tragovima na slojevima. To omogućava električni kontakt između dva sloja. Ako via prolazi kroz nekoliko unutrašnjih slojeva, ti slojevi se također mogu povezati s viom kad god to krug zahtijeva.
Postoje tri glavne vrste prolaza: prolazi od početka do kraja, zakopani prolazi i slijepi prolazi.
- Prohodne rupe prolaze kroz punu debljinu ploče. Počinju na gornjem sloju i završavaju na donjem sloju. Proizvođači mogu obložiti ili ne obložiti prohodne rupe prema potrebi. Kada to krug zahtijeva, obložena prohodna rupa omogućava povezivanje drugih unutrašnjih slojeva s njom.
- Ugrađene vias prelaze preko dva ili više unutrašnjih slojeva. Nisu vidljive ni na gornjoj ni na donjoj strani. Kada to krug zahtijeva, slojevi koje ugrađena via povezuje mogu se spojiti na nju.
- Slijepe vijase počinju na gornjem ili donjem sloju i završavaju na unutrašnjem sloju. Usput mogu prelaziti preko nekoliko unutrašnjih slojeva i po potrebi se s njima povezati.
HDI PCB-ovi i fleksibilni PCB-ovi koriste drugi tip vijice nazvan mikrovijice. Mikrovijice su vrlo male. Proizvođači ih buše laserom. Svaka mikrovijica obično prolazi kroz samo jedan sloj. Proizvođači mogu složiti mikrovijice jedna na drugu kako bi djelovale kao prolazne, slijepe ili zakopane vijice.
Putem veličine
Via postaje jača i provodljivija kada je njen promjer veći. Veće viae imaju veću mehaničku čvrstoću. Također provode više struje i bolje odvode toplinu. Međutim, korištenje velikih viaea smanjuje slobodnu površinu na ploči. To može otežati usmjeravanje tragova kada je prostor ograničen.
Uobičajeno praktično pravilo je koristiti minimalni promjer bušenja od 20 mil, prstenasti prsten od 7 mil i maksimalni omjer stranica 6:1. Ovdje je omjer stranica debljina ploče podijeljena promjerom rupe. Ako se držite ovih vrijednosti, via će biti lakša za izradu i pouzdanija za mnoge primjene.
Toplinska i mehanička napetost
Kada se PCB zagrije tokom obrade ili upotrebe, razlike u koeficijentu toplinske ekspanzije (CTE) između bakra i laminata mogu stvoriti naprezanje. Struktura laminata u PCB-u ograničava širenje u ravnini ploče, ali se ploča može slobodnije skupljati ili širiti kroz debljinu. To znači da se u vertikalnom smjeru može dogoditi veća promjena.
Na primjer, FR4 laminat se širi ili skuplja otprilike četiri puta brže od bakra. Dakle, svaki put kada se ploča zagrije, bakrena cijev u via osjeća veliki napon. Ako bakrena cijev nije dovoljno debela, a PCB je debeo, ploča se može širiti dok ne razbije bakar. Za bušilicu od 20 mil, promjer pad-a od 34 mil je dobar. Sa ovim pad-om i dobrom debljinom cijevi, maksimalna debljina ploče od 120 mil je razumna praksa za pouzdanost.
Usisavanje kalaja i njegovi efekti
Gdje postavite via je jednako važno kao i njena veličina. Postavljanje via preblizu padu može uzrokovati probleme sa lemom. Glavni problem je usisavanje lemova.
Kada zagrijete pastu za lemljenje na via i pad, kapilarna akcija uvlači kalaj s pada u cijev via. Kalaj prolazi kroz via i nakuplja se na dnu. Time pad ostaje s premalo kalaja ili bez njega. Veći via će uvlačiti kalaj brže i u većoj količini. Spoj s premalo kalaja može biti mehanički slab i imati veću električnu otpornost.
Evo tri uobičajena načina za zaustavljanje upijanja kalaja. Svaki od njih može dobro funkcionirati.
- Brana za lemnu masku:
Postavite sloj maske za lemljenje između via-e i pad-a. Maska djeluje kao barijera i sprječava ulazak kalaja u via-u. Da bi se postavio dovoljno širok prsten maske, dizajneri možda moraju pomjeriti via-u dalje od pad-a. Ako je ploča već gusto popunjena ili prenosi visokofrekventne signale, možda neće biti moguće pomjeriti via-u. - Šatorisanje na putu:
Ako ne možete premjestiti via ili dodati masku za brtvljenje, možete postaviti šator na via. Šatoriranje znači prekrivanje via slojem maske za lemljenje tako da je vrh via potpuno zapečaćen. Potpuno brtvljenje via može spriječiti protok kalaja u njega. Međutim, to također sprječava da se via koristi kao testna tačka. Također, s vremenom nečistoće mogu dospjeti u šatoriranu via i korodirati bakrenu cijev ako šator nije savršen. - Popunjavanje via:
Možete potpuno napuniti via prije nego što na njega postavite komponente. Popunjavanje može biti provodljivo ili nevodljivo. Potpuno zapečaćena ispunjena via pruža bolju barijeru protiv nečistoća. Popunjavanje također smanjuje rizik od upijanja kalaja (solder wicking) tijekom sklapanja. Ispunjene vias su uobičajene kada je potrebna ravna površina za sklapanje, na primjer ispod BGA, ili kada su potrebne bolje toplinske ili mehaničke performanse.
Kada koristiti svaku metodu
- Koristite barijeru maske za lemljenje kad god možete pomjeriti viju malo i kad na ploči ima mjesta. Ovo je jeftino rješenje koje radi na mnogim pločama.
- Koristite tenting kada je prostor ograničen i možete prihvatiti da via nije testna tačka. Tenting je jeftiniji od popunjavanja, ali ima ograničenja u dugoročnoj zaštiti od vlage i kontaminacije.
- Koristite popunjene via-e kada vam je potreban najbolji rezultat. Popunjene via-e su skuplje, ali pružaju ravan vrh za montažu i sprječavaju prodor kalaja i nečistoća. Ako izrađujete mnogo ploča ili ako ploča mora dugo izdržati u teškim uvjetima, popunjavanje je dobar izbor.
Ostali faktori pouzdanosti
Viae također mogu utjecati na druge dijelove dizajna. Na primjer, mogu promijeniti toplotne putove i stvoriti točke u kojima se koncentrira naprezanje. Kada je via blizu toplotnog otpuštanja ili izvora topline, mijenja se način na koji toplina struji kroz ploču. To može utjecati na vijek trajanja komponenti i promijeniti učinkovitost hlađenja dijela.
Vije u blizini traka visokih brzina ili RF traka također mogu uzrokovati promjene impedanse. Vijačni cilindar i pad vije dodaju kapacitivnost i indukativnost. Dizajneri moraju provjeriti integritet signala kada su vije na kritičnim putevima. HDI i mikrovia pomažu ovdje jer su male i imaju manji utjecaj na signale visoke brzine kada su pravilno postavljene.
Kada projektujete ploču za proizvod koji će doživjeti mnogo toplotnih ciklusa ili za proizvod koji mora proći stroge testove pouzdanosti, planirajte kako će se via-veze ponašati tokom vremena. Koristite deblju barrel plating gdje god možete. U HDI dizajnima koristite složene ili pomaknute mikrovia-veze kako biste smanjili naprezanje na jednoj barrel-vezi. Koristite odgovarajuće veličine padova kako ploča ne bi preopterećivala bakar tokom reflow-a ili toplotnih ciklusa.
Za HDI i fleksibilne ploče
HDI ploče i fleksibilne štampane pločice Koristite mikrovije često. Mikrovije su male i imaju nisku indukanciju. To pomaže pri visokim brzinama i gustim rasporedima. Svaka mikrovija obično doseže samo jedan unutrašnji sloj. Proizvođači koriste lasersko bušenje da bi ih napravili. Mogu složiti mikrovije kako bi povezali nekoliko slojeva na malom prostoru. Složene mikrovije ponašaju se poput slijepih ili zakopanih vijki kada ih složite, i mogu pomoći da prostor za rute ostane otvoren na drugim slojevima.
Za fleksibilne ploče, mehaničko savijanje u blizini vias može oštetiti barrel ako via nije pravilno postavljena. U fleksibilnim područjima nastojte držati vias podalje od glavnih linija savijanja. Koristite posebne dizajne vias i obradu materijala kako biste smanjili rizik od pucanja pri savijanju ploče.
Praktična pravila i primjeri
- Minimalni promjer bušenja: 20 mil. Ovo je uobičajeni minimum za standardnu proizvodnju. Manje promjere bušenja zahtijevaju posebne procese i skuplje su.
- Prstenasti prsten: 7 mil. Ovo osigurava dovoljno bakra oko rupe za pouzdanu vezu i lemljenje.
- Omjer stranica: ograničenje na 6:1. Ovo održava kvalitetu pozlatnog sloja visokom. Ako je ploča deblja od preporučene vrijednosti za veličinu rupe, pozlatni sloj u cijevi može biti tanak i može otkazati.
- Primjer: ako je bušilica 20 mil, koristite promjer podloge od oko 34 mil. To osigurava dovoljno prstenastog prostora. Za ploču debljine do 120 mil ova kombinacija je primjenjiva u mnogim tvornicama.
Koristite ova pravila kao polaznu osnovu. Svaka tvornica može imati nešto drugačije granice. Rano razgovarajte sa svojim proizvođačem ploča kako biste prilagodili dizajnerske odluke onome što oni mogu pouzdano izvesti.
Razmatranja pri sklapanju i testiranju
Ako koristite tenting ili popunjavanje, razmislite o testiranju. Tentirane viase ne mogu služiti kao sondne tačke. Popunjene viase koje su presvučene pločom i dalje mogu biti testirane ako se popunjavanje i gornja pločica pravilno obrađuju tokom proizvodnje. Ako je testiranje važno, planirajte testne padove, testne viase ili druge strategije testiranja koje odgovaraju vašem procesu sklapanja.
Kada postavite via blizu lemne pločice, planirajte proces lemljenja. Ako koristite mnogo via ispod velikog BGA, razmislite o ispunjavanju i pozlatnom presvlačenju via te o tome da BGA land bude na ravnoj površini. To smanjuje rizik od rupa u lemu i pomaže pri toplinskoj raspodjeli.
Čistoća i korozija
Viae mogu zadržati magnetni tok, vlagu i druge nečistoće. To je još gore kada imate tentirane viae koje nisu savršene ili kada se oslanjate na viae kao toplotne puteve koji tokom toplotnih ciklusa prenose vlagu unutra i van. Koristite temeljito čišćenje nakon sklapanja kada dizajn to zahtijeva. Koristite pouzdane materijale i završne obrade koje otporuju koroziji u očekivanom okruženju. Ispunjene viae ovdje pomažu jer sprječavaju ulazak nečistoća.
Zaključak
Vije su neophodne za višeslojne tiskane pločice. Omogućavaju postavljanje više komponenti i usmjeravanje složenih mreža. Međutim, vije također mijenjaju ponašanje kalaja i stvaraju tačke mehaničkog i toplotnog naprezanja. Ove rizike možete smanjiti dobrim pravilima dizajna i pravim odabirima na samom početku projekta.
Dizajneri bi trebali rano proučiti pouzdanost. Studija pouzdanosti povećava šanse za uspjeh, smanjuje troškove tokom životnog vijeka proizvoda, skraćuje vrijeme izlaska na tržište i poboljšava zadovoljstvo kupaca. Za dobar dizajn pouzdanosti potrebni su vam pravi ljudi, pravi alati i dovoljno vremena. Planirajte viae u pogledu tipova, veličina, pozicioniranja i obrade sa svojim proizvođačem i pogonom za sklapanje. Koristite brane za lemnu masku, prekrivanje (tenting) ili punjenje viaa tamo gdje je svaka metoda primjenjiva. Koristite mikrovia za HDI i fleksibilne dizajne kada to pomaže.
