Οι κατασκευαστές ηλεκτρονικών χρησιμοποιούν πολυστρωματικές πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) για να καταλαμβάνουν τα κυκλώματα λιγότερο χώρο. Αυτό τους επιτρέπει να τοποθετούν περισσότερα εξαρτήματα στην επάνω πλευρά της πλακέτας και δίνει επίσης χώρο για την τοποθέτηση ιχνών στις εσωτερικές στρώσεις. Τα vias είναι ο μόνος τρόπος για να γίνουν ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων. Τα vias αποτελούν βασικό μέρος του σχεδιασμού της πλακέτας και αλλάζουν επίσης τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η συγκόλληση και μπορούν να προσθέσουν αδύναμα σημεία. Αυτά τα αδύναμα σημεία μπορούν να μειώσουν την αξιοπιστία ολόκληρης της πλακέτας. Αλλά αν οι σχεδιαστές ακολουθούν σωστούς κανόνες σχεδιασμού, μπορούν να χρησιμοποιούν vias και να εξακολουθούν να κατασκευάζουν μια αξιόπιστη πλακέτα.
Τι είναι το via;
Ένα via είναι μια οπή σε μια πλακέτα PCB που περνάει μέσα από ένα ή περισσότερα στρώματα. Ο κατασκευαστής επικαλύπτει την οπή με χαλκό για να σχηματίσει ένα βαρέλι. Τα άκρα του βαρελιού συνδέονται με συγκεκριμένα ίχνη στα στρώματα. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ηλεκτρική επαφή μεταξύ δύο στρωμάτων. Εάν ένα via διασχίζει πολλά εσωτερικά στρώματα, αυτά τα εσωτερικά στρώματα μπορούν επίσης να συνδεθούν με το via όταν το κύκλωμα το χρειάζεται.
Υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι via: διαμπερή vias, θαμμένα vias και τυφλά vias.
- Οι διαμπερείς οπές διαπερνούν όλο το πάχος της πλακέτας. Ξεκινούν από το επάνω στρώμα και καταλήγουν στο κάτω στρώμα. Οι κατασκευαστές μπορούν να τοποθετούν ή να μην τοποθετούν διαμπερή vias ανάλογα με τις ανάγκες. Όταν ένα κύκλωμα το χρειάζεται, ένα επιχρισμένο through via επιτρέπει σε άλλα εσωτερικά στρώματα να συνδεθούν σε αυτό.
- Τα θαμμένα vias διασχίζουν δύο ή περισσότερα εσωτερικά στρώματα. Δεν είναι ορατά στο πάνω ή στο κάτω μέρος. Όταν το κύκλωμα το χρειάζεται, τα στρώματα που διασχίζει ένα θαμμένο via μπορούν να συνδεθούν με αυτό.
- Τα τυφλά vias ξεκινούν από το επάνω ή το κάτω στρώμα και καταλήγουν σε ένα εσωτερικό στρώμα. Κατά τη διαδρομή τους μπορούν να διασχίσουν διάφορα εσωτερικά στρώματα και να συνδεθούν με αυτά όταν χρειάζεται.
Τα PCB υψηλής πυκνότητας διασύνδεσης (HDI) και τα εύκαμπτα PCB χρησιμοποιούν έναν άλλο τύπο διέλευσης που ονομάζεται microvias. Τα microvias είναι πολύ μικρά. Οι κατασκευαστές τις τρυπούν με λέιζερ. Κάθε microvias περνάει συνήθως μέσα από ένα μόνο στρώμα. Οι κατασκευαστές μπορούν να συσσωρεύουν microvias το ένα πάνω στο άλλο για να λειτουργούν σαν διαμπερή, τυφλά ή θαμμένα vias.
Μέσω μεγέθους
Ένα via γίνεται ισχυρότερο και πιο αγώγιμο όταν η διάμετρός του είναι μεγαλύτερη. Τα μεγαλύτερα vias έχουν μεγαλύτερη μηχανική αντοχή. Μεταφέρουν επίσης περισσότερο ρεύμα και μεταφέρουν καλύτερα τη θερμότητα. Αλλά η χρήση μεγάλων vias μειώνει την ελεύθερη επιφάνεια στην πλακέτα. Αυτό μπορεί να δυσχεράνει τη δρομολόγηση όταν ο χώρος είναι περιορισμένος.
Ένας κοινός πρακτικός κανόνας είναι η χρήση ενός ελάχιστου μεγέθους τρυπανιού 20 mil, ενός δακτυλιοειδούς δακτυλίου 7 mil και ενός μέγιστου λόγου διαστάσεων 6:1. Εδώ ο λόγος διαστάσεων είναι το πάχος της πλάκας διαιρούμενο με τη διάμετρο της οπής. Εάν διατηρήσετε αυτές τις τιμές, το via θα είναι ευκολότερο να κατασκευαστεί και θα είναι πιο αξιόπιστο για πολλές χρήσεις.
Θερμότητα και μηχανική καταπόνηση
Όταν ένα PCB θερμαίνεται κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας ή της χρήσης, οι διαφορές στον συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) μεταξύ του χαλκού και του ελάσματος μπορεί να δημιουργήσουν τάσεις. Η δομή του ελάσματος στην πλακέτα PCB περιορίζει τη διαστολή στο επίπεδο της πλακέτας, αλλά η πλακέτα μπορεί να συρρικνωθεί ή να μεγαλώσει πιο ελεύθερα μέσω του πάχους. Αυτό σημαίνει ότι η κατακόρυφη κατεύθυνση μπορεί να δει περισσότερες αλλαγές.
Για παράδειγμα, ένα έλασμα fr4 διαστέλλεται ή συρρικνώνεται περίπου τέσσερις φορές πιο γρήγορα από το χαλκό. Έτσι, κάθε φορά που η πλακέτα θερμαίνεται, ο χάλκινος σωλήνας στα via αισθάνεται μεγάλη πίεση. Εάν ο χάλκινος κύλινδρος δεν είναι αρκετά παχύς, και εάν η πλακέτα είναι παχιά, η πλακέτα μπορεί να επεκταθεί μέχρι να σπάσει ο χαλκός. Για ένα τρυπάνι των 20 mil, η διάμετρος του pad των 34 mil λειτουργεί καλά. Με αυτό το pad και ένα καλό πάχος βαρελιού, ένα μέγιστο πάχος πλακέτας 120 mil είναι μια λογική πρακτική για την αξιοπιστία.
Διαρροή συγκόλλησης και τα αποτελέσματά της
Το πού τοποθετείτε ένα via έχει σημασία όσο και το μέγεθός του. Η τοποθέτηση ενός via πολύ κοντά σε ένα pad μπορεί να προκαλέσει προβλήματα συγκόλλησης. Το κύριο ζήτημα είναι η διαρροή συγκόλλησης.
Όταν θερμαίνετε την πάστα συγκόλλησης σε ένα via και ένα pad, η τριχοειδής δράση τραβάει την κόλληση από το pad στο βαρέλι του via. Η κόλληση κινείται μέσα στο via και συγκεντρώνεται στον πυθμένα. Αυτό αφήνει το pad με πολύ λίγη κόλληση ή καθόλου κόλληση. Ένα μεγαλύτερο via θα απορροφήσει το συγκολλητικό πιο γρήγορα και περισσότερο από αυτό. Μια ένωση με πολύ λίγη κόλληση μπορεί να είναι αδύναμη μηχανικά και να έχει υψηλότερη ηλεκτρική αντίσταση.
Ακολουθούν τρεις συνηθισμένοι τρόποι για να σταματήσετε την διαρροή συγκόλλησης. Κάθε τρόπος μπορεί να λειτουργήσει καλά.
- Φράγμα μάσκας συγκόλλησης:
Τοποθετήστε ένα στρώμα μάσκας συγκόλλησης μεταξύ του via και του pad. Η μάσκα λειτουργεί ως φράγμα και κρατάει τη συγκόλληση έξω από το via. Για να χωρέσει ένα φράγμα μάσκας που είναι αρκετά ευρύ, οι σχεδιαστές μπορεί να χρειαστεί να μετακινήσουν το via πιο μακριά από το pad. Εάν η πλακέτα είναι ήδη πυκνή ή εάν η πλακέτα μεταφέρει σήματα υψηλής συχνότητας, ενδέχεται να μην είναι δυνατή η μετακίνηση του via. - Σκηνοθετώντας το via:
Εάν δεν μπορείτε να μετακινήσετε το via ή να προσθέσετε ένα φράγμα μάσκας, μπορείτε να τοποθετήσετε το via σε σκηνή. Η τοποθέτηση σκηνής σημαίνει την κάλυψη του via με μάσκα συγκόλλησης, έτσι ώστε η κορυφή του via να είναι πλήρως σφραγισμένη. Η πλήρης σφράγιση ενός via μπορεί να εμποδίσει τη ροή κόλλησης μέσα σε αυτό. Αλλά εμποδίζει επίσης το via να χρησιμοποιηθεί ως σημείο δοκιμής. Επίσης, οι μολυσματικοί παράγοντες μπορούν να εισέλθουν σε ένα τεντωμένο via με την πάροδο του χρόνου και να διαβρώσουν τον χάλκινο κύλινδρο, εάν η τέντα δεν είναι τέλεια. - Γεμίζοντας το via:
Μπορείτε να γεμίσετε ένα via εντελώς πριν το επιμεταλλώσετε. Το γέμισμα μπορεί να είναι αγώγιμο ή μη αγώγιμο. Ένα γεμισμένο via που σφραγίζεται πλήρως παρέχει καλύτερο φράγμα έναντι των ρύπων. Η πλήρωση μειώνει επίσης τον κίνδυνο διαρροής συγκόλλησης κατά τη συναρμολόγηση. Τα γεμισμένα vias χρησιμοποιούνται συνήθως όταν χρειάζεστε μια επίπεδη επιφάνεια για συναρμολόγηση, για παράδειγμα κάτω από BGAs, ή όταν χρειάζεστε καλύτερη θερμική ή μηχανική απόδοση.
Πότε να χρησιμοποιήσετε κάθε μέθοδο
- Χρησιμοποιήστε ένα φράγμα μάσκας συγκόλλησης όταν μπορείτε να μετακινήσετε λίγο το via και η πλακέτα έχει χώρο. Αυτή είναι μια λύση χαμηλού κόστους και λειτουργεί για πολλές πλακέτες.
- Χρησιμοποιήστε τη σκηνή όταν ο χώρος είναι περιορισμένος και μπορείτε να δεχτείτε ότι το via δεν είναι σημείο δοκιμής. Η τοποθέτηση σκηνών έχει χαμηλότερο κόστος από την πλήρωση, αλλά έχει όρια για τη μακροπρόθεσμη προστασία από την υγρασία και τη μόλυνση.
- Χρησιμοποιήστε γεμισμένα vias όταν χρειάζεστε το καλύτερο αποτέλεσμα. Τα γεμισμένα vias κοστίζουν περισσότερο, αλλά δίνουν μια επίπεδη κορυφή για τη συναρμολόγηση και κρατούν το συγκολλητικό υλικό και τους ρύπους έξω. Εάν κατασκευάζετε πολλές πλακέτες ή εάν η πλακέτα πρέπει να αντέξει για μεγάλο χρονικό διάστημα σε δύσκολες συνθήκες, η πλήρωση είναι μια καλή επιλογή.
Άλλοι παράγοντες αξιοπιστίας
Τα vias μπορούν επίσης να επηρεάσουν άλλα μέρη του σχεδίου. Για παράδειγμα, μπορούν να αλλάξουν τις θερμικές διαδρομές και να δημιουργήσουν σημεία όπου συγκεντρώνεται η πίεση. Όταν ένα via βρίσκεται κοντά σε μια θερμική ανακούφιση ή μια πηγή θερμότητας, αλλάζει τον τρόπο ροής της θερμότητας στην πλακέτα. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων και μπορεί να αλλάξει το πόσο καλά ψύχεται ένα εξάρτημα.
Τα βύσματα κοντά σε ίχνη υψηλής ταχύτητας ή ίχνη RF μπορούν επίσης να προκαλέσουν αλλαγές αντίστασης. Το βαρέλι και το μαξιλάρι του via προσθέτουν χωρητικότητα και επαγωγή. Οι σχεδιαστές πρέπει να ελέγχουν την ακεραιότητα του σήματος όταν τα vias βρίσκονται σε κρίσιμες διαδρομές. HDI και τα microvias βοηθούν εδώ επειδή είναι μικρά και έχουν μικρότερο αντίκτυπο στα σήματα υψηλής ταχύτητας όταν τοποθετούνται σωστά.
Όταν κατασκευάζετε μια πλακέτα για ένα προϊόν που θα υποστεί πολλούς κύκλους θερμότητας ή για ένα προϊόν που πρέπει να περάσει από αυστηρές δοκιμές αξιοπιστίας, σχεδιάστε πώς θα συμπεριφέρονται τα vias με την πάροδο του χρόνου. Χρησιμοποιήστε παχύτερες επιμεταλλώσεις βαρελιών όταν μπορείτε. Χρησιμοποιήστε στοιβαγμένα ή κλιμακωτά microvias σε σχέδια HDI για να μειώσετε την καταπόνηση σε ένα μόνο βαρέλι. Χρησιμοποιήστε τα κατάλληλα μεγέθη pad, ώστε η πλακέτα να μην καταπονήσει υπερβολικά το χαλκό κατά τη διάρκεια της επαναπλήρωσης ή κατά τη διάρκεια της θερμικής ανακύκλωσης.
Για πλακέτες HDI και εύκαμπτες πλακέτες
πλακέτες HDI και εύκαμπτα PCBs χρησιμοποιώ συχνά microvias. Τα microvias είναι μικρά και έχουν χαμηλή αυτεπαγωγή. Αυτό βοηθά σε υψηλές ταχύτητες και πυκνές διατάξεις. Κάθε microvia φτάνει συνήθως μόνο σε ένα εσωτερικό στρώμα. Οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν τρυπάνια λέιζερ για την κατασκευή τους. Μπορούν να στοιβάζουν microvias για να συνδέσουν πολλά στρώματα σε μια μικρή περιοχή. Τα στοιβαγμένα microvias λειτουργούν σαν τυφλά ή θαμμένα vias όταν τα στοιβάζετε και μπορούν να βοηθήσουν να διατηρηθεί χώρος δρομολόγησης ανοιχτός σε άλλα στρώματα.
Στις εύκαμπτες πλακέτες, η μηχανική κάμψη κοντά στα vias μπορεί να βλάψει τον κύλινδρο αν το via δεν τοποθετηθεί σωστά. Στις περιοχές κάμψης, προσπαθήστε να κρατάτε τα vias μακριά από τις κύριες γραμμές κάμψης. Χρησιμοποιήστε ειδικά σχέδια via και χειρισμό υλικών για να μειώσετε τον κίνδυνο ρωγμών όταν η πλακέτα λυγίζει.
Πρακτικοί κανόνες και παραδείγματα
- Ελάχιστη διάτρηση: 20 mil. Αυτό είναι ένα κοινό ελάχιστο όριο για την τυπική παραγωγή. Τα μικρότερα τρυπάνια χρειάζονται ειδικές διεργασίες και κοστίζουν περισσότερο.
- Δακτυλιοειδής δακτύλιος: 7 mil. Αυτό δίνει αρκετό χαλκό γύρω από την οπή για αξιόπιστη σύνδεση και συγκόλληση.
- Αναλογία διαστάσεων: όριο 6:1. Αυτό διατηρεί την ποιότητα της επιμετάλλωσης υψηλή. Εάν η πλακέτα είναι παχύτερη από τη συνιστώμενη τιμή για το μέγεθος της οπής, η επιμετάλλωση του βαρελιού μπορεί να είναι λεπτή και να αποτύχει.
- Παράδειγμα: εάν το τρυπάνι είναι 20 mil, χρησιμοποιήστε διάμετρο μαξιλαριού περίπου 34 mil. Αυτό δίνει αρκετό δακτύλιο δακτυλίου. Για μια πλακέτα πάχους έως 120 mil, αυτός ο συνδυασμός είναι εφαρμόσιμος σε πολλά εργοστάσια.
Κρατήστε αυτούς τους κανόνες ως σημεία εκκίνησης. Κάθε εργοστάσιο μπορεί να έχει ελαφρώς διαφορετικά όρια. Μιλήστε νωρίς με τον κατασκευαστή της πλακέτας σας, ώστε να μπορέσετε να ταιριάξετε τις σχεδιαστικές επιλογές με το τι μπορούν να κάνουν αξιόπιστα.
Σκέψεις συναρμολόγησης και δοκιμών
Εάν χρησιμοποιείτε σκηνικό ή γέμισμα, σκεφτείτε τις δοκιμές. Τα τεντωμένα vias δεν μπορούν να λειτουργήσουν ως σημεία ελέγχου. Τα γεμισμένα vias που είναι επιμεταλλωμένα μπορούν ακόμα να είναι δοκιμαστικά, εάν το γέμισμα και η επιμετάλλωση της κορυφής χειρίζονται σωστά κατά την παραγωγή. Εάν η δοκιμή είναι σημαντική, σχεδιάστε μαξιλαράκια δοκιμής, δοκιμαστικά vias ή άλλες στρατηγικές δοκιμής που ταιριάζουν στη διαδικασία συναρμολόγησης.
Όταν τοποθετείτε ένα via κοντά σε ένα σημείο συγκόλλησης, σχεδιάστε τη διαδικασία συγκόλλησης. Εάν χρησιμοποιείτε πολλά vias κάτω από ένα μεγάλο BGA, σκεφτείτε να γεμίσετε και να επιμεταλλώσετε τα vias και να κάνετε το BGA να εδράζεται πάνω σε μια επίπεδη επιφάνεια. Αυτό μειώνει την πιθανότητα κενών συγκόλλησης και βοηθάει στη θερμική εξάπλωση.
Καθαριότητα και διάβρωση
Τα vias μπορούν να παγιδεύσουν ροή, υγρασία και άλλους ρύπους. Αυτό είναι χειρότερο όταν έχετε τεντωμένα vias που δεν είναι τέλεια ή όταν βασίζεστε στα vias ως θερμικά μονοπάτια που μετακινούν την υγρασία μέσα και έξω κατά τη διάρκεια θερμικών κύκλων. Χρησιμοποιήστε καλό καθαρισμό μετά τη συναρμολόγηση, όταν το σχέδιο το χρειάζεται. Χρησιμοποιήστε αξιόπιστα υλικά και φινιρίσματα που αντιστέκονται στη διάβρωση στο αναμενόμενο περιβάλλον. Τα γεμισμένα vias βοηθούν εδώ, επειδή κρατούν τους ρύπους έξω.
Συμπέρασμα
Τα vias είναι απαραίτητα για πολυστρωματικά PCB. Σας επιτρέπουν να τοποθετήσετε περισσότερα εξαρτήματα και να δρομολογήσετε πολύπλοκα δίκτυα. Αλλά τα vias αλλάζουν επίσης τη συμπεριφορά της κόλλησης και προσθέτουν σημεία μηχανικής και θερμικής καταπόνησης. Μπορείτε να μειώσετε αυτούς τους κινδύνους με καλούς κανόνες σχεδιασμού και με τις σωστές επιλογές νωρίς στο έργο.
Οι σχεδιαστές πρέπει να μελετούν την αξιοπιστία από νωρίς. Μια μελέτη αξιοπιστίας αυξάνει τις πιθανότητες επιτυχίας, μειώνει το κόστος κατά τη διάρκεια ζωής του προϊόντος, συντομεύει το χρόνο διάθεσης στην αγορά και βελτιώνει την ικανοποίηση των πελατών. Για να κάνετε μια καλή μελέτη αξιοπιστίας χρειάζεστε τους κατάλληλους ανθρώπους, τα κατάλληλα εργαλεία και αρκετό χρόνο. Σχεδιάστε μέσω τύπων, μεγεθών, τοποθέτησης και επεξεργασίας με τον κατασκευαστή σας και τον οίκο συναρμολόγησης. Χρησιμοποιήστε φράγματα μάσκας συγκόλλησης, σκηνοθεσία ή γέμισμα via όπου ταιριάζει η κάθε μέθοδος. Χρησιμοποιήστε microvias για σχέδια HDI και flex όταν αυτό βοηθάει.
