Elektronikproducenter bruger Flerlags printplader (PCB'er) for at få kredsløb til at fylde mindre. Det giver dem mulighed for at placere flere dele på oversiden af printet, og det giver også plads til at køre spor på de indre lag. Vias er den eneste måde at lave elektriske forbindelser mellem forskellige lag. Vias er en vigtig del af printdesignet, og de ændrer også, hvordan lodning fungerer, og kan tilføje svage punkter. Disse svage punkter kan sænke hele printets pålidelighed. Men hvis designerne følger gode designregler, kan de bruge vias og stadig lave et pålideligt printkort.
Hvad en via er?
En via er et hul i et printkort, der går gennem et eller flere lag. Producenten beklæder hullet med kobber, så der dannes en tønde. Enderne af tønden forbindes med specifikke spor på lagene. På den måde skabes der elektrisk kontakt mellem to lag. Hvis en via krydser flere indre lag, kan de indre lag også forbindes til via'en, når kredsløbet har brug for det.
Der er tre hovedtyper af vias: gennemgående vias, nedgravede vias og blinde vias.
- Gennemgående vias går gennem hele pladetykkelsen. De starter i det øverste lag og slutter i det nederste lag. Producenter kan plotte eller ikke plotte gennemgående vias efter behov. Når et kredsløb har brug for det, lader en plated through via andre indre lag forbinde sig til det.
- Nedgravede vias krydser to eller flere indre lag. De er ikke synlige på toppen eller bunden. Når kredsløbet har brug for det, kan lagene, som en nedgravet via spænder over, forbindes til det.
- Blinde vias starter i det øverste eller nederste lag og slutter i et indre lag. Undervejs kan de krydse flere indre lag og kan forbindes til dem, når det er nødvendigt.
High density interconnect (HDI) PCB'er og fleksible PCB'er bruger en anden via-type kaldet microvias. Microvias er meget små. Producenterne borer dem med en laser. Hver microvia går normalt kun gennem ét lag. Producenterne kan stable microvias oven på hinanden, så de fungerer som gennemgående, blinde eller nedgravede vias.
Via størrelse
En via bliver stærkere og mere ledende, når dens diameter er større. Større vias har højere mekanisk styrke. De fører også mere strøm og flytter varmen bedre. Men brugen af store vias reducerer det frie areal på printet. Det kan gøre routing sværere, når pladsen er trang.
En almindelig praktisk regel er at bruge en mindste borestørrelse på 20 mil, en ringformet ring på 7 mil og et maksimalt størrelsesforhold på 6:1. Her er størrelsesforholdet pladetykkelsen divideret med hullets diameter. Hvis du holder dig inden for disse værdier, bliver via'en lettere at lave og mere pålidelig til mange formål.
Varme og mekanisk belastning
Når et printkort opvarmes under bearbejdning eller brug, kan forskelle i varmeudvidelseskoefficienten (CTE) mellem kobber og laminatet skabe spændinger. Laminatstrukturen i printet begrænser udvidelsen i printets plan, men printet kan krympe eller vokse mere frit gennem tykkelsen. Det betyder, at der kan ske flere ændringer i den lodrette retning.
For eksempel udvider eller krymper et fr4-laminat cirka fire gange så hurtigt som kobber. Så hver gang printet opvarmes, udsættes kobberrøret i via'en for en masse stress. Hvis kobberrøret ikke er tykt nok, og hvis printet er tykt, kan printet udvide sig, indtil det knækker kobberet. Til et 20 mil-bor fungerer en 34 mil-paddiameter godt. Med denne pad og en god cylindertykkelse er en maksimal pladetykkelse på 120 mil en rimelig praksis for pålidelighed.
Loddetråde og deres virkninger
Hvor du sætter en via, betyder lige så meget som dens størrelse. Hvis man sætter en via for tæt på en pad, kan det give loddeproblemer. Det største problem er loddetinnet.
Når du opvarmer loddepasta på en via og en pad, trækker kapillærvirkningen loddetinnet fra pad'en ind i viaen. Loddet bevæger sig gennem via'en og samler sig i bunden. Det efterlader paden med for lidt eller slet intet loddetin. En større via vil suge loddetinnet hurtigere og mere af det. En samling med for lidt loddemetal kan være mekanisk svag og have højere elektrisk modstand.
Her er tre almindelige måder at stoppe loddetinnet på. Hver måde kan fungere godt.
- Loddemaskens dæmning:
Læg et lag loddemaske mellem viaen og puden. Masken fungerer som en barriere og holder loddetinnet ude af via'en. For at få plads til en maske, der er bred nok, kan det være nødvendigt at flytte via'en længere væk fra pad'en. Hvis printet allerede er tæt, eller hvis printet bærer højfrekvente signaler, er det måske ikke muligt at flytte via'en. - Teltning af via:
Hvis du ikke kan flytte via'en eller tilføje en maskedæmning, kan du tappe via'en. Teltning betyder at dække via'en med loddemaske, så via'ens top er helt forseglet. Hvis man forsegler en via helt, kan man forhindre loddetinnet i at flyde ind i den. Men det forhindrer også via'en i at blive brugt som testpunkt. Desuden kan forurenende stoffer trænge ind i en via med telt over tid og korrodere kobberrøret, hvis teltet ikke er perfekt. - Fylder via'en:
Du kan fylde en via helt op, før du pletterer over den. Fyldet kan være ledende eller ikke-ledende. En fyldt via, der er helt forseglet, giver en bedre barriere mod forurening. Fyldning reducerer også risikoen for, at loddetinnet siver ud under monteringen. Fyldte vias er almindelige, når man har brug for en flad overflade til montering, f.eks. under BGA'er, eller når man har brug for bedre termisk eller mekanisk ydeevne.
Hvornår skal man bruge hver metode?
- Brug en loddemaskedam, når du kan flytte via'en en smule, og der er plads på printet. Det er en billig løsning, som virker på mange print.
- Brug teltning, når pladsen er trang, og du kan acceptere, at via'en ikke er et testpunkt. Teltning er billigere end fyldning, men det har sine begrænsninger, når det gælder langsigtet beskyttelse mod fugt og forurening.
- Brug fyldte vias, når du har brug for det bedste resultat. Fyldte vias koster mere, men de giver en flad top til montering og holder loddetin og forurening ude. Hvis du laver mange kort, eller hvis kortet skal holde længe under hårde forhold, er fyldning et godt valg.
Andre pålidelighedsfaktorer
Vias kan også påvirke andre dele af designet. De kan f.eks. ændre de termiske baner og skabe punkter, hvor stress koncentreres. Når en via er tæt på en termisk aflastning eller en varmekilde, ændrer det, hvordan varmen strømmer i printet. Det kan påvirke komponenternes levetid og kan ændre, hvor godt en del afkøles.
Vias nær højhastighedsspor eller RF-spor kan også forårsage impedansændringer. Via-tønden og via-pad'en tilføjer kapacitans og induktans. Designere skal tjekke signalintegriteten, når vias er på kritiske stier. HDI og mikrovias hjælper her, fordi de er små og har mindre indflydelse på højhastighedssignaler, når de er placeret rigtigt.
Når du bygger et kort til et produkt, der skal udsættes for mange varmecykler, eller til et produkt, der skal bestå strenge pålidelighedstests, skal du planlægge, hvordan viaerne vil opføre sig over tid. Brug tykkere barrel plating, når du kan. Brug stablede eller forskudte mikrovias i HDI-designs for at reducere stress på en enkelt barrel. Brug de rigtige padstørrelser, så printet ikke overbelaster kobberet under reflow eller under termisk cykling.
Til HDI og fleksible plader
HDI-kort og fleksible printkort bruger mikrovias meget. Mikrovias er små og har lav induktans. Det hjælper med høj hastighed og tætte layouts. Hver microvia når normalt kun et indre lag. Producenterne bruger laserbor til at lave dem. De kan stable microvias for at forbinde flere lag i et lille område. Stablede microvias fungerer som blinde eller nedgravede vias, når man stabler dem, og de kan hjælpe med at holde plads til routing åben i andre lag.
På fleksible print kan den mekaniske bøjning i nærheden af vias skade tønden, hvis viaen ikke er placeret korrekt. I flexområder skal du forsøge at holde vias ude af de vigtigste bøjningslinjer. Brug særlige via-designs og materialehåndtering for at reducere risikoen for revner, når printet bøjes.
Praktiske regler og eksempler
- Minimumsboring: 20 mil. Dette er et almindeligt minimum for standardproduktion. Mindre bor kræver særlige processer og koster mere.
- Ringformet ring: 7 mil. Dette giver nok kobber omkring hullet til en pålidelig forbindelse og til lodning.
- Billedformat: Begræns til 6:1. Dette holder pletteringskvaliteten høj. Hvis pladen er tykkere end den anbefalede værdi for hulstørrelsen, kan tøndebelægningen være tynd og fejle.
- Eksempel: Hvis boret er 20 mil, skal du bruge en pudediameter på ca. 34 mil. Det giver en tilstrækkelig ring. Til en plade med en tykkelse på op til 120 mil er denne kombination brugbar på mange fabrikker.
Brug disse regler som udgangspunkt. Hver fabrik kan have lidt forskellige grænser. Tal med din tavleproducent tidligt, så du kan matche designvalg med, hvad de kan gøre pålideligt.
Overvejelser om montering og testning
Hvis du bruger tenting eller fill, skal du tænke på testning. Teltede vias kan ikke fungere som probepunkter. Fyldte vias, der er belagt, kan stadig testes, hvis fyldningen og belægningen håndteres korrekt under produktionen. Hvis testning er vigtig, skal du planlægge testpuder, testvias eller andre teststrategier, der passer til din montageproces.
Når du placerer en via i nærheden af en loddepude, skal du planlægge loddeprocessen. Hvis du bruger mange vias under en stor BGA, kan du overveje at fylde og plettere viaerne og få BGA'en til at lande på en flad overflade. Det mindsker risikoen for hulrum i loddet, og det hjælper med den termiske spredning.
Renlighed og korrosion
Vias kan fange flux, fugt og andre forurenende stoffer. Det er værre, når du har vias, der ikke er perfekte, eller når du bruger vias som termiske stier, der flytter fugt ind og ud under termiske cyklusser. Brug god rengøring efter montering, når designet har brug for det. Brug pålidelige materialer og overflader, der modstår korrosion i det forventede miljø. Fyldte vias hjælper her, fordi de holder forurenende stoffer ude.
Konklusion
Vias er nødvendige for PCB'er med flere lag. De giver dig mulighed for at placere flere dele og dirigere komplekse net. Men vias ændrer også, hvordan loddetinnet opfører sig, og de tilføjer mekaniske og termiske stresspunkter. Du kan reducere disse risici med gode designregler og med de rigtige valg tidligt i projektet.
Designere bør undersøge pålideligheden tidligt. En pålidelighedsundersøgelse øger chancen for succes, sænker omkostningerne i løbet af produktets levetid, forkorter tiden til markedet og forbedrer kundetilfredsheden. For at lave et godt pålidelighedsdesign har du brug for de rigtige mennesker, de rigtige værktøjer og tid nok. Planlæg via-typer, størrelser, placering og behandling sammen med din producent og dit montagehus. Brug loddemaskedæmninger, teltning eller via-fyldning, hvor hver metode passer. Brug microvias til HDI- og flex-designs, når det hjælper.
