Výrobci elektroniky používají vícevrstvé desky s plošnými spoji (PCB), aby obvody zabíraly méně místa. To jim umožňuje umístit více součástek na horní stranu desky a také získat prostor pro vedení stop na vnitřních vrstvách. Vias jsou jediným způsobem, jak vytvořit elektrická spojení mezi různými vrstvami. Vias jsou klíčovou součástí návrhu desky a také mění způsob pájení a mohou přidat slabá místa. Tato slabá místa mohou snížit spolehlivost celé desky. Pokud však konstruktéři dodržují správná pravidla návrhu, mohou použít průchodky a přesto vytvořit spolehlivou desku plošných spojů.
Co je to via?
Průchodka je otvor v desce plošných spojů, který prochází jednou nebo více vrstvami. Výrobce tento otvor pokryje mědí a vytvoří tak průchodku. Konce průchodky se připojují k určitým stopám na vrstvách. Tím se vytvoří elektrický kontakt mezi dvěma vrstvami. Pokud průchodka protíná několik vnitřních vrstev, mohou se tyto vnitřní vrstvy k průchodce také připojit, když to obvod potřebuje.
Existují tři hlavní typy průchodek: průchozí průchodky, zakopané průchodky a slepé průchodky.
- Průchodky procházejí celou tloušťkou desky. Začínají v horní vrstvě a končí ve spodní vrstvě. Výrobci mohou průchodky podle potřeby pokovit nebo nepokkovit. Pokud to obvod potřebuje, umožňuje pokovená průchodka připojení dalších vnitřních vrstev.
- Zapuštěné průchodky protínají dvě nebo více vnitřních vrstev. Nejsou viditelné na horní ani spodní straně. Když to obvod potřebuje, mohou se k němu připojit vrstvy, které zakopaná průchodka překlenuje.
- Slepé průchodky začínají v horní nebo spodní vrstvě a končí ve vnitřní vrstvě. Cestou mohou křížit několik vnitřních vrstev a v případě potřeby se k nim připojit.
DPS s vysokou hustotou propojení (HDI) a flexibilní DPS používají jiný typ průchodek, tzv. mikroúseků. Mikropropojky jsou velmi malé. Výrobci je vrtají laserem. Každá mikrovarianta obvykle prochází pouze jednou vrstvou. Výrobci mohou mikrodrážky skládat na sebe, aby fungovaly jako průchozí, slepé nebo zakopané průchodky.
Prostřednictvím velikosti
Průchodka je silnější a vodivější, když je její průměr větší. Větší průchodky mají vyšší mechanickou pevnost. Vedou také větší proud a lépe odvádějí teplo. Použitím velkých průchodek se však zmenšuje volná plocha na desce. To může při nedostatku místa ztížit směrování.
Běžným praktickým pravidlem je použití minimální velikosti vrtáku 20 milimetrů, prstence 7 milimetrů a maximálního poměru stran 6:1. Poměr stran je zde tloušťka desky dělená průměrem otvoru. Pokud se budete držet v těchto hodnotách, bude se průchodka snadněji vyrábět a bude spolehlivější pro mnoho použití.
Tepelné a mechanické namáhání
Když se deska plošných spojů během zpracování nebo používání zahřívá, mohou rozdíly v koeficientu tepelné roztažnosti (CTE) mezi mědí a laminátem vytvářet napětí. Struktura laminátu v desce plošných spojů omezuje roztažnost v rovině desky, ale deska se může v tloušťce volněji smršťovat nebo zvětšovat. To znamená, že ve vertikálním směru může dojít k větším změnám.
Například laminát fr4 se rozpíná nebo smršťuje přibližně čtyřikrát rychleji než měď. Takže pokaždé, když se deska zahřeje, měděný válec v průchodce pocítí velké napětí. Pokud měděný válec není dostatečně silný a pokud je deska plošných spojů tlustá, může se deska rozpínat, až se měď přetrhne. Pro 20milimetrový vrták se dobře hodí průměr podložky 34 milimetrů. S touto podložkou a dobrou tloušťkou hlavně je maximální tloušťka desky 120 mil rozumným postupem pro spolehlivost.
Odvody pájky a jejich účinky
Na umístění průchozího zařízení záleží stejně jako na jeho velikosti. Umístění průchodky příliš blízko podložky může způsobit problémy s pájením. Hlavním problémem je odvádění pájky.
Při zahřátí pájecí pasty na průchodce a podložce se pájka kapilárním proudem dostává z podložky do průchodky. Pájka prochází průchodkou a shromažďuje se na dně. Na podložce tak zůstává příliš málo pájky nebo není pájka vůbec. Větší průchodka odvádí pájku rychleji a ve větším množství. Spoj s příliš malým množstvím pájky může být mechanicky slabý a mít vyšší elektrický odpor.
Zde jsou tři běžné způsoby, jak zastavit odkapávání pájky. Každý z nich může fungovat dobře.
- Přehrada pájecí masky:
Mezi průchodku a podložku naneste vrstvu pájecí masky. Maska slouží jako bariéra a zabraňuje pronikání pájky do průchodky. Aby bylo možné umístit dostatečně širokou masku, budou možná konstruktéři muset průchodku posunout dále od podložky. Pokud je deska již hustá nebo pokud deska přenáší vysokofrekvenční signály, nemusí být možné průchodku posunout. - Stanování přes:
Pokud nemůžete průchodku přesunout nebo přidat masku hráze, můžete průchodku umístit do stanu. Zakrytí znamená zakrytí průchodky pájecí maskou tak, aby byl vrchol průchodky zcela utěsněn. Úplné utěsnění průchodky může zabránit tomu, aby do ní tekla pájka. Zabrání však také tomu, aby se průchodka používala jako testovací bod. Pokud není stan dokonale uzavřen, mohou se do průchodky časem dostat nečistoty a způsobit korozi měděného válce. - Naplnění via:
Před pokovením můžete via zcela zaplnit. Výplň může být vodivá nebo nevodivá. Zcela zaplněná průchodka, která je zcela uzavřená, poskytuje lepší bariéru proti nečistotám. Výplň také snižuje riziko zavadnutí pájky při montáži. Vyplněné průchodky se běžně používají, když potřebujete rovný povrch pro montáž, například pod BGA, nebo když potřebujete lepší tepelné nebo mechanické vlastnosti.
Kdy použít jednotlivé metody
- Pokud můžete průchodku trochu posunout a na desce je místo, použijte přehradu pájecí masky. Jedná se o levné řešení, které funguje u mnoha desek.
- Stanování používejte, pokud máte málo místa a můžete se smířit s tím, že via není testovací bod. Stanování je levnější než plnění, ale má své limity pro dlouhodobou ochranu před vlhkostí a kontaminací.
- Pokud potřebujete nejlepší výsledek, použijte vyplněné průchodky. Vyplněné průchodky jsou dražší, ale poskytují plochý vrchol pro montáž a zabraňují přístupu pájky a nečistot. Pokud vyrábíte mnoho desek nebo pokud musí deska dlouho vydržet v náročných podmínkách, je vyplňování dobrou volbou.
Další faktory spolehlivosti
Průchodky mohou ovlivnit i další části konstrukce. Mohou například měnit tepelné cesty a vytvářet místa, kde se koncentruje napětí. Pokud se průchodka nachází v blízkosti tepelné úlevy nebo zdroje tepla, mění se způsob toku tepla v desce. To může mít vliv na životnost součástek a může se změnit způsob chlazení.
Změny impedance mohou způsobit také průchodky v blízkosti vysokorychlostních nebo VF tras. Průchodka a podložka průchodky přidávají kapacitu a indukčnost. Pokud se průchodky nacházejí na kritických trasách, musí konstruktéři kontrolovat integritu signálu. HDI a mikrotrubičky zde pomáhají, protože jsou malé a při správném umístění mají menší vliv na vysokorychlostní signály.
Při konstrukci desky pro výrobek, který bude vystaven mnoha tepelným cyklům, nebo pro výrobek, který musí projít přísnými testy spolehlivosti, naplánujte, jak se budou průchodky chovat v průběhu času. Pokud můžete, použijte silnější pokovení. V konstrukcích HDI používejte stohované nebo odstupňované mikropropojky, abyste snížili namáhání jediného válce. Používejte správné velikosti podložek, aby deska nepřetěžovala měď při přetavování nebo při tepelném cyklování.
Pro HDI a flexibilní desky
Desky HDI a flexibilní desky plošných spojů hodně používat mikrovias. Mikrovodiče jsou malé a mají nízkou indukčnost. To pomáhá při vysokých rychlostech a hustém uspořádání. Každé mikrovodiče obvykle zasahují pouze do jedné vnitřní vrstvy. Výrobci k jejich výrobě používají laserové vrtáky. Mikrovlákna mohou skládat na sebe a propojit tak několik vrstev na malé ploše. Stohované mikrovývody se při jejich stohování chovají jako slepé nebo zakopané průchodky a mohou pomoci udržet volný prostor pro směrování v jiných vrstvách.
U ohebných desek může mechanický ohyb v blízkosti průchodek poškodit hlaveň, pokud není průchodka správně umístěna. V ohybových oblastech se snažte udržet průchodky mimo hlavní ohybové linie. Používejte speciální konstrukce průchodek a manipulaci s materiálem, abyste snížili riziko prasknutí při ohybu desky.
Praktická pravidla a příklady
- Minimální vrtání: 20 mil. To je běžné minimum pro standardní výrobu. Menší vrtáky vyžadují speciální postupy a jsou dražší.
- Prstencový kroužek: 7 mil. To poskytuje dostatek mědi kolem otvoru pro spolehlivé spojení a pájení.
- Poměr stran: omezení na 6:1. Tím se udržuje vysoká kvalita pokovení. Pokud je deska tlustší než doporučená hodnota pro velikost otvoru, může být pokovení válce tenké a může selhat.
- Příklad: pokud je vrták 20 milimetrů, použijte podložku o průměru přibližně 34 milimetrů. Tím získáte dostatečně velký kroužek. Pro desku o tloušťce až 120 mil je tato kombinace použitelná v mnoha továrnách.
Tato pravidla si ponechte jako výchozí bod. Každá továrna může mít mírně odlišné limity. Promluvte si s výrobcem desek včas, abyste mohli přizpůsobit výběr konstrukce tomu, co dokáže spolehlivě provést.
Montáž a testování
Pokud používáte stanování nebo výplň, přemýšlejte o testování. Stanové průchodky nemohou sloužit jako sondážní body. Vyplněné průchodky, které jsou pokovené, mohou být stále testovatelné, pokud se při výrobě správně zachází s výplní a vrchním pokovením. Pokud je testování důležité, naplánujte testovací podložky, testovací průchodky nebo jiné testovací strategie, které odpovídají vašemu montážnímu procesu.
Pokud umístíte průchodku do blízkosti pájecí plošky, počítejte s procesem pájení. Pokud pod velkou BGA používáte hodně průchodek, zvažte vyplnění a pokovení průchodek a zhotovení BGA na rovném povrchu. Snížíte tak pravděpodobnost vzniku pájecích dutin a pomůžete s tepelným šířením.
Čistota a koroze
Vias může zachycovat flux, vlhkost a další nečistoty. To je ještě horší, pokud máte stanové průchodky, které nejsou dokonalé, nebo pokud se spoléháte na průchodky jako na tepelné cesty, kterými se vlhkost během tepelných cyklů dostává dovnitř a ven. Pokud to konstrukce potřebuje, používejte po montáži kvalitní čištění. Používejte spolehlivé materiály a povrchové úpravy, které odolávají korozi v očekávaném prostředí. Zde pomáhají vyplněné průchodky, protože zabraňují přístupu nečistot.
Závěr
U vícevrstvých desek plošných spojů jsou nutné průchodky. Umožňují umístit více součástek a směrovat složité sítě. Průchodky však také mění chování pájky a přidávají mechanicky a tepelně namáhaná místa. Tato rizika můžete snížit pomocí správných návrhových pravidel a správných rozhodnutí na počátku projektu.
Konstruktéři by měli spolehlivost studovat včas. Studie spolehlivosti zvyšuje šanci na úspěch, snižuje náklady po celou dobu životnosti výrobku, zkracuje dobu uvedení na trh a zvyšuje spokojenost zákazníků. Pro kvalitní návrh spolehlivosti potřebujete správné lidi, správné nástroje a dostatek času. Naplánujte s výrobcem a montážní firmou typy via, velikosti, umístění a ošetření. Používejte přehrady pájecí masky, stanování nebo vyplňování průchodek tam, kde se každá metoda hodí. Pokud to pomůže, použijte mikropropojky pro HDI a flex konstrukce.
