Các nhà sản xuất thiết bị điện tử sử dụng Bo mạch in nhiều lớp (PCBs) giúp mạch điện chiếm ít không gian hơn. Điều này cho phép đặt nhiều linh kiện hơn trên mặt trên của bảng mạch và cũng tạo không gian để chạy đường dẫn trên các lớp bên trong. Vias là cách duy nhất để tạo kết nối điện giữa các lớp khác nhau. Vias là phần quan trọng trong thiết kế bảng mạch và cũng ảnh hưởng đến quá trình hàn, đồng thời có thể tạo ra các điểm yếu. Các điểm yếu này có thể làm giảm độ tin cậy của toàn bộ bảng mạch. Tuy nhiên, nếu các nhà thiết kế tuân thủ các quy tắc thiết kế tốt, họ vẫn có thể sử dụng vias và tạo ra một PCB đáng tin cậy.
Via là gì?
Một lỗ via là một lỗ trên bảng mạch in (PCB) đi qua một hoặc nhiều lớp. Nhà sản xuất phủ đồng lên lỗ để tạo thành một ống đồng. Hai đầu của ống đồng kết nối với các đường dẫn cụ thể trên các lớp. Điều này tạo ra kết nối điện giữa hai lớp. Nếu lỗ via đi qua nhiều lớp bên trong, các lớp bên trong đó cũng có thể kết nối với lỗ via khi mạch cần thiết.
Có ba loại lỗ thông qua chính: lỗ thông qua xuyên qua, lỗ thông qua chôn ngầm và lỗ thông qua mù.
- Các lỗ thông qua (vias) đi qua toàn bộ độ dày của bảng mạch. Chúng bắt đầu từ lớp trên cùng và kết thúc ở lớp dưới cùng. Nhà sản xuất có thể mạ hoặc không mạ các lỗ thông qua tùy theo nhu cầu. Khi mạch cần, lỗ thông qua được mạ cho phép các lớp bên trong kết nối với nó.
- Các lỗ vias chôn ngầm đi qua hai hoặc nhiều lớp bên trong. Chúng không hiển thị trên lớp trên cùng hoặc lớp dưới cùng. Khi mạch cần, các lớp mà lỗ vias chôn ngầm đi qua có thể kết nối với nó.
- Các lỗ mù bắt đầu từ lớp trên cùng hoặc lớp dưới cùng và kết thúc tại một lớp bên trong. Trên đường đi, chúng có thể đi qua nhiều lớp bên trong và có thể kết nối với chúng khi cần thiết.
Bo mạch in (PCB) có kết nối mật độ cao (HDI) và bo mạch in linh hoạt sử dụng một loại lỗ thông (via) khác gọi là microvia. Microvia có kích thước rất nhỏ. Các nhà sản xuất khoan chúng bằng tia laser. Mỗi microvia thông thường chỉ đi qua một lớp duy nhất. Các nhà sản xuất có thể xếp chồng các microvia lên nhau để hoạt động như lỗ thông xuyên qua, lỗ thông mù hoặc lỗ thông chôn.
Kích thước Via
Khi đường dẫn (via) có đường kính lớn hơn, nó sẽ trở nên cứng cáp và dẫn điện tốt hơn. Các đường dẫn có đường kính lớn hơn có độ bền cơ học cao hơn. Chúng cũng có khả năng dẫn dòng điện lớn hơn và tản nhiệt tốt hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng các đường dẫn có đường kính lớn sẽ làm giảm diện tích trống trên bảng mạch. Điều này có thể khiến việc bố trí mạch trở nên khó khăn hơn khi không gian hạn chế.
Một quy tắc thực tế phổ biến là sử dụng kích thước lỗ khoan tối thiểu là 20 mil, vòng tròn annular có độ dày 7 mil và tỷ lệ khía cạnh tối đa là 6:1. Ở đây, tỷ lệ khía cạnh được tính bằng cách chia độ dày bảng mạch cho đường kính lỗ. Nếu tuân thủ các giá trị này, lỗ via sẽ dễ dàng gia công hơn và đáng tin cậy hơn cho nhiều ứng dụng.
Nhiệt độ và ứng suất cơ học
Khi mạch in (PCB) bị nóng lên trong quá trình gia công hoặc sử dụng, sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa đồng và vật liệu nền có thể gây ra ứng suất. Cấu trúc vật liệu nền trong PCB hạn chế sự giãn nở theo mặt phẳng của bảng mạch, nhưng bảng mạch có thể co lại hoặc giãn nở tự do hơn theo chiều dày. Điều này có nghĩa là hướng thẳng đứng có thể trải qua sự thay đổi lớn hơn.
Ví dụ, vật liệu laminate FR4 giãn nở hoặc co lại nhanh gấp bốn lần so với đồng. Vì vậy, mỗi khi bảng mạch nóng lên, ống đồng trong lỗ via sẽ chịu áp lực lớn. Nếu ống đồng không đủ dày và bảng mạch dày, bảng mạch có thể giãn nở đến mức làm gãy ống đồng. Đối với lỗ khoan 20 mil, đường kính pad 34 mil là phù hợp. Với pad này và độ dày ống đồng tốt, độ dày tối đa của bảng mạch 120 mil là một thực hành hợp lý để đảm bảo độ tin cậy.
Quá trình hút chì và tác động của nó
Vị trí đặt lỗ via quan trọng không kém gì kích thước của nó. Đặt lỗ via quá gần với pad có thể gây ra vấn đề về hàn. Vấn đề chính là hiện tượng hàn lan.
Khi hàn chì lên lỗ via và pad, hiện tượng mao dẫn sẽ kéo chì từ pad vào thân lỗ via. Chì di chuyển qua lỗ via và tích tụ ở đáy. Điều này khiến pad còn quá ít chì hoặc thậm chí không có chì nào. Một lỗ via lớn hơn sẽ hút chì nhanh hơn và nhiều hơn. Một mối hàn có quá ít chì có thể yếu về mặt cơ học và có điện trở cao hơn.
Dưới đây là ba cách phổ biến để ngăn chặn hiện tượng chảy chì. Mỗi cách đều có thể hoạt động hiệu quả.
- Màng che hàn:
Đặt một lớp mặt nạ hàn giữa lỗ via và pad. Lớp mặt nạ này hoạt động như một rào cản, ngăn không cho hàn xâm nhập vào lỗ via. Để lắp đặt một lớp mặt nạ có độ rộng đủ, các nhà thiết kế có thể cần di chuyển lỗ via xa hơn khỏi pad. Nếu bảng mạch đã quá dày đặc hoặc nếu bảng mạch truyền tải tín hiệu tần số cao, có thể không thể di chuyển lỗ via. - Lắp đặt lều trên đường:
Nếu bạn không thể di chuyển lỗ via hoặc thêm lớp che chắn, bạn có thể che phủ lỗ via bằng lớp che chắn hàn. Che phủ lỗ via có nghĩa là phủ lớp che chắn hàn lên lỗ via để phần trên của lỗ via được bịt kín hoàn toàn. Việc bịt kín hoàn toàn lỗ via có thể ngăn chặn hàn chảy vào bên trong. Tuy nhiên, điều này cũng ngăn cản việc sử dụng lỗ via làm điểm kiểm tra. Ngoài ra, các tạp chất có thể xâm nhập vào lỗ via đã được che phủ theo thời gian và gây ăn mòn thùng đồng nếu lớp che phủ không hoàn hảo. - Đổ đầy lỗ via:
Bạn có thể lấp đầy hoàn toàn một lỗ via trước khi mạ phủ lên nó. Chất lấp đầy có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện. Một lỗ via được lấp đầy và bịt kín hoàn toàn sẽ tạo ra một rào cản tốt hơn chống lại các chất ô nhiễm. Việc lấp đầy cũng giảm thiểu nguy cơ hàn chảy trong quá trình lắp ráp. Lỗ via được lấp đầy thường được sử dụng khi cần bề mặt phẳng cho quá trình lắp ráp, ví dụ như dưới các BGA, hoặc khi cần cải thiện hiệu suất nhiệt hoặc cơ học.
Khi nào nên sử dụng từng phương pháp
- Sử dụng lớp phủ hàn (solder mask dam) khi bạn có thể di chuyển lỗ via một chút và bảng mạch có đủ không gian. Đây là một giải pháp tiết kiệm chi phí và hiệu quả cho nhiều loại bảng mạch.
- Sử dụng phương pháp hàn chì (tenting) khi không gian hạn chế và bạn có thể chấp nhận rằng điểm hàn không phải là điểm kiểm tra. Phương pháp hàn chì có chi phí thấp hơn so với phương pháp hàn kín (filling), nhưng nó có giới hạn về khả năng bảo vệ lâu dài chống lại độ ẩm và ô nhiễm.
- Sử dụng lỗ vias được lấp đầy khi bạn cần kết quả tốt nhất. Lỗ vias được lấp đầy có chi phí cao hơn, nhưng chúng cung cấp bề mặt phẳng cho quá trình lắp ráp và ngăn chặn hàn và tạp chất xâm nhập. Nếu bạn đang sản xuất nhiều bảng mạch hoặc bảng mạch phải hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt trong thời gian dài, việc lấp đầy lỗ vias là một lựa chọn tốt.
Các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ tin cậy
Các lỗ via cũng có thể ảnh hưởng đến các phần khác của thiết kế. Ví dụ, chúng có thể thay đổi đường dẫn nhiệt và tạo ra các điểm tập trung ứng suất. Khi một lỗ via nằm gần khu vực giải nhiệt hoặc nguồn nhiệt, nó sẽ thay đổi cách nhiệt lưu thông trên bảng mạch. Điều này có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của linh kiện và thay đổi hiệu quả làm mát của bộ phận.
Các lỗ via gần các đường dẫn tín hiệu tốc độ cao hoặc đường dẫn RF cũng có thể gây ra sự thay đổi trở kháng. Vỏ lỗ via và pad lỗ via làm tăng điện dung và cảm ứng. Các nhà thiết kế phải kiểm tra tính toàn vẹn tín hiệu khi các lỗ via nằm trên các đường dẫn quan trọng. Chỉ số Phát triển Con người (HDI) Và các lỗ vi mạch (microvias) có tác dụng ở đây vì chúng có kích thước nhỏ và ít ảnh hưởng đến tín hiệu tốc độ cao khi được đặt đúng vị trí.
Khi thiết kế mạch in cho sản phẩm phải chịu nhiều chu kỳ nhiệt hoặc phải vượt qua các bài kiểm tra độ tin cậy nghiêm ngặt, hãy lập kế hoạch về cách các lỗ vias sẽ hoạt động theo thời gian. Sử dụng lớp mạ thùng dày hơn khi có thể. Sử dụng các lỗ vias xếp chồng hoặc xen kẽ trong thiết kế HDI để giảm áp lực lên một lỗ thùng duy nhất. Sử dụng kích thước pad phù hợp để mạch in không gây quá tải cho đồng trong quá trình hàn chảy hoặc trong chu kỳ nhiệt.
Đối với HDI và bảng mạch linh hoạt
Bảng HDI và Bo mạch in linh hoạt Sử dụng nhiều microvias. Microvias có kích thước nhỏ và có độ tự cảm thấp. Điều này giúp cải thiện tốc độ cao và bố trí mạch dày đặc. Mỗi microvia thường chỉ kết nối với một lớp bên trong. Các nhà sản xuất sử dụng máy khoan laser để tạo ra chúng. Họ có thể xếp chồng microvias để kết nối nhiều lớp trong một khu vực nhỏ. Khi xếp chồng, microvias hoạt động giống như các lỗ vias bị che khuất hoặc chôn ngầm, và chúng có thể giúp giữ không gian bố trí mạch mở trên các lớp khác.
Đối với bảng mạch linh hoạt, lực uốn cơ học gần các lỗ via có thể gây hư hỏng cho bảng mạch nếu các lỗ via không được đặt đúng vị trí. Trong các khu vực uốn cong, hãy cố gắng tránh đặt các lỗ via trên các đường uốn cong chính. Sử dụng thiết kế lỗ via đặc biệt và xử lý vật liệu để giảm nguy cơ nứt vỡ khi bảng mạch uốn cong.
Quy tắc thực tiễn và ví dụ
- Kích thước lỗ khoan tối thiểu: 20 mil. Đây là kích thước tối thiểu thông thường cho sản xuất tiêu chuẩn. Các lỗ khoan nhỏ hơn yêu cầu quy trình đặc biệt và có chi phí cao hơn.
- Vòng tròn hình vòng: 7 mil. Điều này đảm bảo có đủ đồng xung quanh lỗ để đảm bảo kết nối đáng tin cậy và thuận tiện cho việc hàn.
- Tỷ lệ khung hình: giới hạn ở 6:1. Điều này giúp duy trì chất lượng mạ cao. Nếu bảng mạch dày hơn giá trị khuyến nghị cho kích thước lỗ, lớp mạ thùng có thể mỏng và có thể bị hỏng.
- Ví dụ: Nếu đường kính mũi khoan là 20 mil, hãy sử dụng đường kính đệm khoảng 34 mil. Điều này đảm bảo có đủ vòng tròn annular. Đối với bảng mạch có độ dày lên đến 120 mil, sự kết hợp này có thể áp dụng được tại nhiều nhà máy.
Hãy xem các quy tắc này như điểm khởi đầu. Mỗi nhà máy có thể có giới hạn hơi khác nhau. Hãy thảo luận với nhà sản xuất bảng mạch sớm để có thể lựa chọn thiết kế phù hợp với khả năng sản xuất đáng tin cậy của họ.
Các yếu tố cần xem xét trong quá trình lắp ráp và kiểm tra
Nếu bạn sử dụng vias có nắp che hoặc vias được lấp đầy, hãy cân nhắc việc kiểm tra. Vias có nắp che không thể hoạt động như điểm kiểm tra. Vias được lấp đầy và mạ phủ bên trên vẫn có thể kiểm tra được nếu quá trình lấp đầy và mạ phủ được xử lý đúng cách trong quá trình sản xuất. Nếu việc kiểm tra là quan trọng, hãy lập kế hoạch cho các pad kiểm tra, vias kiểm tra hoặc các chiến lược kiểm tra khác phù hợp với quy trình lắp ráp của bạn.
Khi đặt một lỗ vias gần một pad hàn, hãy lập kế hoạch cho quá trình hàn. Nếu bạn sử dụng nhiều lỗ vias dưới một BGA lớn, hãy xem xét việc lấp đầy và mạ các lỗ vias và đặt BGA trên một bề mặt phẳng. Điều này giảm thiểu nguy cơ xuất hiện các lỗ hổng hàn và giúp cải thiện khả năng tản nhiệt.
Sự sạch sẽ và ăn mòn
Các lỗ vias có thể giữ lại chất hàn, độ ẩm và các tạp chất khác. Tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn khi các lỗ vias được che phủ không hoàn hảo, hoặc khi bạn sử dụng các lỗ vias làm đường dẫn nhiệt để di chuyển độ ẩm ra vào trong các chu kỳ nhiệt. Nên thực hiện vệ sinh kỹ lưỡng sau khi lắp ráp khi thiết kế yêu cầu. Sử dụng vật liệu và lớp phủ đáng tin cậy có khả năng chống ăn mòn trong môi trường dự kiến. Các lỗ vias được lấp đầy giúp ngăn chặn tạp chất xâm nhập.
Kết luận
Các lỗ vias là thành phần cần thiết cho bảng mạch in nhiều lớp (PCB). Chúng cho phép bạn đặt nhiều linh kiện hơn và định tuyến các mạch phức tạp. Tuy nhiên, các lỗ vias cũng ảnh hưởng đến cách hàn hoạt động và tạo ra các điểm stress cơ học và nhiệt. Bạn có thể giảm thiểu các rủi ro này bằng cách áp dụng các quy tắc thiết kế tốt và đưa ra các lựa chọn phù hợp ngay từ giai đoạn đầu của dự án.
Nhà thiết kế nên nghiên cứu độ tin cậy từ sớm. Nghiên cứu độ tin cậy giúp tăng khả năng thành công, giảm chi phí trong suốt vòng đời sản phẩm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường và nâng cao sự hài lòng của khách hàng. Để thực hiện thiết kế độ tin cậy tốt, bạn cần có đội ngũ phù hợp, công cụ phù hợp và đủ thời gian. Lập kế hoạch về loại, kích thước, vị trí và xử lý với nhà sản xuất và nhà lắp ráp của bạn. Sử dụng các rào cản mặt nạ hàn, che phủ hoặc lấp đầy lỗ thông qua khi mỗi phương pháp phù hợp. Sử dụng microvias cho thiết kế HDI và linh hoạt khi điều đó có lợi.
