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Introduzione
I fori passanti (vias) sui PCB sono uno dei componenti più importanti della moderna tecnologia di progettazione dei circuiti stampati. Questo articolo esaminerà i nove tipi principali di fori passanti per PCB, le loro caratteristiche, i loro utilizzi e il ruolo che svolgono nella creazione di layout di PCB stabili ed efficienti.
Qual è lo scopo di un via nei PCB?
Un via su PCB è semplicemente un piccolo foro praticato nel circuito stampato. Collega tra loro i vari strati della scheda. Il foro è rivestito di rame, in modo che la corrente possa attraversarlo. Crea una connessione elettrica tra gli strati. I progetti di PCB multistrato richiedono i via. Questi facilitano sia le connessioni elettriche che quelle termiche. Non tutti i via sono uguali: alcuni attraversano l'intero spessore della scheda, mentre altri collegano solo pochi strati. Le dimensioni e la forma di un via dipendono dal progetto. I via possono essere rotondi o non rotondi, grandi o piccoli. Anche il posizionamento dei via è molto importante. Un posizionamento errato può causare rumore elettrico o problemi di segnale. Un corretto posizionamento dei via influisce anche sulle prestazioni termiche.
PCB tramite tipi
Sono necessari tipi diversi per esigenze diverse nella progettazione. Se sai quale tipo di via si adatta, ottimizzerai spazio, prestazioni e affidabilità.
Foro passante Via
I fori passanti (through hole vias) sono fori che attraversano l'intero spessore del circuito stampato. Attraverso di essi, collegano gli strati superiore e inferiore del circuito. I segnali elettrici vengono trasmessi tra gli strati tramite fori metallizzati. I fori passanti sono semplici ed economici. Il problema, tuttavia, è che occupano più spazio sul PCB. Sono ideali per progetti meno complessi.
- Foro passante placcato Via – Collega elettricamente gli strati del PCB. Il rame riveste il foro per trasportare la corrente tra gli strati. Puoi usare questo tipo per instradare segnali o potenza per progetti multistrato.
- Foro passante non placcato Via – Non ha un rivestimento conduttivo. Puoi usarlo per scopi meccanici. Fornisce supporto senza collegare elettricamente gli strati. Comune per esigenze di montaggio o strutturali.
Via cieca
Uno strato esterno di un PCB può essere collegato a uno strato interno tramite vie cieche . Queste vie non collegano l'intera scheda. La riduzione dello spazio e il miglioramento della qualità del segnale sono ottenuti grazie a queste vie. La progettazione ad alta densità fa spesso uso di vie cieche. Queste possono essere realizzate tramite foratura laser o meccanica. La produzione di vie cieche dipende fortemente dalla precisione della profondità di foratura.
- Foto-definita Blind Via – Realizzato in resina. Si lamina resina fotosensibile su un nucleo per crearlo. Questo nucleo contiene strati di segnale sepolti o aerei di potenza.
- Laminazione sequenziale Blind Via – Comporta la creazione di strati passo dopo passo. Un laminato sottile viene forato, inciso e placcato come un PCB a due lati. Quindi, viene laminato con il resto degli strati del PCB.
- Profondità controllata tramite cieco – Questi sono fori parzialmente forati. Devi forare a una profondità specifica invece che attraverso la tavola. Il foro viene poi placcato per la connessione elettrica.
- Cieco forato al laser Via – Questi fori sono precisi e puliti. Un laser crea il foro, collegando uno strato esterno a uno interno. Il foro non attraversa l'intero PCB.
Via sepolta
Le vie interrate si trovano tra gli strati interni del PCB . Non sono visibili né dall'esterno né dall'interno. Collegano due o più strati interni. Un vantaggio delle vie interrate è che contribuiscono alla compattezza del design del PCB, offrendo maggiore spazio per il routing sugli strati esterni. La loro realizzazione richiede una stratificazione e una foratura di precisione.
Microvia
Nella progettazione moderna di PCB, i microvias sono piccoli fori che collegano due strati adiacenti del circuito stampato. Questi fori vengono realizzati con precisione tramite laser. Grazie alle loro dimensioni ridotte, rappresentano dispositivi salvaspazio nei circuiti ad alta densità. I circuiti stampati HDI (High Density Interconnect) possono sempre includere microvias, garantendo così prestazioni ottimali in progetti compatti e avanzati.
Accatastato tramite
È allineato verticalmente a via impilate che collegano più strati. Le via cieche o interrate sono queste. Le sovrapposizioni sono perfette e richiedono una fabbricazione ad alta precisione. Le via sfalsate sono più economiche delle via impilate. Sono utilizzate in progetti multistrato complessi. Risparmia spazio mantenendo connessioni affidabili.
Via sfalsata
Gli strati sono collegati senza sovrapposizione tramite via sfalsate. Ma sono distanziati, il che li rende facili da produrre. Le via impilate sono più convenienti di queste via. I progetti meno complessi utilizzano via sfalsate. Ciò consente comunque la connessione di dispositivi in modo affidabile con un uso relativamente efficiente dello spazio del PCB.
Salta tramite
Le vie di questo tipo attraversano più strati, ma ne bypassano altri nel mezzo. Possono essere interrate, cieche o entrambe. I progetti di routing possono essere flessibili attraverso queste vie. È possibile usare le vie skip se non è necessario collegare alcuni strati. Nelle schede multistrato e HDI vengono spesso usate.
Vie a Pad
Questi tipi di via vengono posizionati direttamente sotto i pad dei componenti. Dissipano meglio il flusso termico e riducono i percorsi di instradamento. Le via sono spesso utilizzate sotto i BGA e i componenti di potenza. Se la via non viene riempita correttamente, la saldatura può fluire al suo interno. Ciò può causare saldature scadenti e giunzioni deboli. Un riempimento adeguato garantisce affidabilità e prestazioni migliori.
Via riempita
Questi fori passanti sono completamente riempiti con materiali conduttivi o non conduttivi. La conduttività elettrica e termica è migliorata grazie al riempimento conduttivo. Il foro passante viene riempito con un materiale non conduttivo in modo che aria o liquidi non penetrino al suo interno. I fori passanti riempiti prevengono l'affidabilità e la formazione di crepe nei PCB . Offrono inoltre un miglioramento delle prestazioni per applicazioni esigenti.
- Riempito di rame Via – Un via riempito con rame conduttivo. Ideale per applicazioni ad alta corrente o potenza.
- Riempito di polimero conduttivo Via – Migliora la conduttività termica. Garantisce inoltre una connessione elettrica stabile.
- Via riempita non conduttiva – Un foro che non trasporta corrente. Impedisce ai contaminanti di entrare nel foro. Comune in progetti delicati.
Considerazioni importanti sui Vias
Aspect Ratio
Il rapporto di aspetto del via è il rapporto tra larghezza e profondità. Anche lo spessore della placcatura e la conduzione elettrica del via sono influenzati. I trapani meccanici funzionano meglio con un rapporto di 10:1 o inferiore. In quelli più piccoli, potresti aver bisogno di microvia con un rapporto inferiore.
Anello anulare
Rame attorno a un foro passante. Dopo la foratura, mantiene la connessione sicura. Le connessioni deboli sono il risultato di un anello troppo piccolo. Dovresti sempre lasciare abbastanza rame per evitare di avere problemi.
Integrità del segnale
Il modo in cui i segnali si propagano attraverso il PCB può essere influenzato dai via. Interferenze o rumore possono essere causati da sezioni di via non utilizzate. Le prestazioni possono essere migliorate rimuovendo il metallo in eccesso o praticando fori sul retro. L'integrità del segnale è garantita da una progettazione adeguata.
Densità di routing
Le vie diventano dei blocchi sui percorsi critici nelle aree affollate dei PCB. Sotto componenti con pin alti come i BGA, questo è comune. L'uso di vie cieche o microvie può liberare spazio di routing. Considera attentamente come pianificherai, per evitare la congestione.
Tramite dimensione o dimensioni
La quantità di spazio che occupa il tuo progetto ha un effetto basato sulle dimensioni dei fori. I fori più piccoli fanno risparmiare spazio ma richiedono forature avanzate. Sono più facili da produrre e costano meno. Scegli una dimensione adatta alle tue esigenze e al tuo budget.
Spessore di placcatura
La resistenza e la conduttività del via dipendono dallo spessore della placcatura . Una placcatura più spessa riduce i costi ma migliora il flusso di corrente. Una placcatura più sottile può comportare un risparmio, ma con una minore durata. Scegliete il giusto compromesso in base alla vostra applicazione.
Layout PCB
La funzionalità e l'affidabilità della tua scheda sono influenzate dal posizionamento delle vie. Ciò può causare un layout scadente che causa una perdita di segnale o percorsi bloccati. Le prestazioni sono migliorate con stub più corti e un buon posizionamento delle vie. Pianifica in anticipo, in modo da non incorrere in problemi di layout.
Materiali utilizzati per i Fori Via
Il rame è spesso utilizzato per realizzare le vie per la sua conduttività. L'epossidico argentato, l'alluminio o il tungsteno sono alternative. Tuttavia, ogni materiale offre punti di forza unici come costo o resistenza. Scegline uno che funzioni nell'ambiente e nell'applicazione del tuo PCB.
Suggerimenti per la progettazione di PCB per Via
· Fori passanti sfalsati su fori passanti impilati
Utilizzare via sfalsate per evitare riempimento e costi aggiuntivi. Sono più facili e affidabili delle via impilate.
· Utilizzare la profondità controllata per vie cieche e interrate
La profondità controllata ti aiuta a perforare con precisione lo strato giusto. Garantisce che i fori ciechi e interrati funzionino come previsto.
· Ridurre al minimo i rapporti di aspetto per i fori passanti ad alta velocità
Mantenere bassi i rapporti d'aspetto per ridurre i problemi di segnale. Ciò migliora le prestazioni e riduce le interferenze.
· Optare per vie più piccole nelle schede HDI
Le schede HDI funzionano meglio con via più piccole. Le via più piccole riducono la capacità parassita e l'induttanza, migliorando il flusso del segnale. Queste via consentono inoltre di risparmiare spazio per progetti densi.
· Riempi Via-in-Pads
Riempire i via-in-pad per evitare problemi di saldatura durante l'assemblaggio. I via riempiti migliorano le connessioni elettriche e l'affidabilità. Evitare di lasciare i fori dei via aperti, specialmente sotto componenti importanti.
· Planarizzazione dei fori per le disposizioni dei pad BGA
Per una saldatura uniforme, i pad BGA con vie di interconnessione devono essere planarizzati. Le vie di interconnessione irregolari possono indebolire i giunti di saldatura e causare problemi. Le vie cieche e passanti nei pad BGA devono essere riempite con cura.
· Incorporare i pad termici sotto i QFN
I fori passanti per i pad termici sotto i QFN migliorano la dissipazione del calore e il flusso della saldatura. Questi fori fissano il pad termico e impediscono che si muova durante l'assemblaggio.
· Considerare le regolazioni dello stencil della pasta saldante
La mancanza di vie termiche può causare accumuli di saldatura o degassamento. Regolare lo stencil della pasta saldante con disegni a finestre per risolvere questo problema. Ciò garantisce una distribuzione uniforme della saldatura e previene difetti.
· Controllare la distanza dai bordi fresati/segnati
Mantenere le vie e le tracce libere da bordi fresati o rigati. La distanza minima impedisce danni durante la produzione o l'uso. Pianificare il layout del PCB per mantenere la spaziatura corretta.
· Ispezionare i via per i pacchetti BGA
Controllare il posizionamento e la qualità delle vie sotto i package BGA. Le vie mal allineate possono causare problemi di saldatura. Ispezionare i progetti per la corretta spaziatura e copertura della maschera.
· Convalidare i progetti a osso di cane
I design dog-bone separano i via dai pad con tracce corte. Assicurarsi che la maschera di saldatura copra i via sotto i layout BGA. Una copertura mancante può causare contatti elettrici indesiderati.
· Rispettare le tolleranze VIA del PCB
Segui le tolleranze standard per i via nel tuo progetto PCB. Controlla le dimensioni, la clearance e le dimensioni dell'anello anulare per la precisione. Rispettando queste misure, il tuo PCB soddisfa gli standard IPC.
Limitazioni e considerazioni nella progettazione di Via
Implicazioni sui costi
Microvias e via in pad rappresentano un tipo avanzato di via che costa di più. Richiede foratura laser e passaggi di placcatura molto precisi. Ha anche attrezzature speciali, che hanno le loro spese di produzione. Queste possono accumularsi rapidamente, specialmente con schede complesse. Un'attenta pianificazione del tuo design può aiutarti a bilanciare i costi.
Complessità di produzione
La produzione di via è un processo estremamente preciso. I guasti elettrici sono causati da forature non allineate o da un riempimento incompleto. Questi problemi non si manifestano necessariamente subito, ma possono portare a problemi a lungo termine. Ancora più difficili da realizzare sono le via avanzate, come quelle impilate o riempite.
Problemi di affidabilità
Le vie di interconnessione più piccole e la maggiore densità di connessioni comportano problemi di affidabilità. Nel tempo, piccoli difetti nelle vie possono causare guasti. Questo è particolarmente pericoloso per applicazioni critiche come dispositivi medici o apparecchiature aerospaziali . Per resistere alle sollecitazioni, è fondamentale che le vie siano robuste e ben realizzate. La coerenza è essenziale per evitare costose riparazioni o sostituzioni.
Sfide e soluzioni per la gestione termica
I moderni progetti di PCB richiedono un controllo efficace del calore. Più velocemente funzionano i componenti, più calore viene prodotto. Rimuovendo il calore dalle parti sensibili, i via termici aiutano. Se non li hai, il surriscaldamento potrebbe danneggiare la tua scheda o ridurne la durata. Ma con un attento posizionamento dei via termici le cose possono funzionare senza problemi.
Come determinare i requisiti di via corretti per il tuo PCB
La scelta dei fori passanti dipenderà dalle dimensioni e dallo scopo del PCB. Per PCB di grandi dimensioni , e soprattutto per dispositivi più datati, potrebbero essere necessari componenti a foro passante. Se si dispone di schede di grandi dimensioni realizzate secondo standard precedenti, questi sono la soluzione migliore. I componenti a foro passante, infatti, occupano più spazio sui dispositivi più piccoli. I circuiti stampati compatti sono la scelta ideale per i microfori ciechi, in quanto ottimizzano lo spazio e gestiscono bene il segnale. I PCB più piccoli, con microfori, sono più costosi, ma solitamente i vantaggi derivanti dall'utilizzo di un PCB di dimensioni ridotte, con microfori, superano il costo aggiuntivo.
Quando utilizzare vie più piccole
In alcuni progetti dovresti pensare a via più piccole. Le via più piccole possono far risparmiare spazio superficiale se il tuo PCB ha molte parti o reti, ma strati moderati. Ciò significa che c'è spazio per il routing e i componenti sugli strati superiori. Le tracce sottili su alcune schede con più strati potrebbero dover adattarsi a via più piccole. Tuttavia, le microvia sono spesso necessarie per interconnettere i BGA a passo fine. Se non hai le microvia, potresti non raggiungere le sfere interne del BGA. Le via più piccole tagliano le interferenze e i segnali sono più affidabili. Sebbene siano un lavoro extra, possono comportare migliori prestazioni della scheda e fanno risparmiare spazio.
Domande frequenti sui tipi di PCB Via
Che cosa è il riempimento tramite tipo 7?
Utilizzato per i design via-in-pad. La pasta non conduttiva viene trasportata nei fori via e poi indurita. Viene poi appiattita, placcata e resa saldabile. Questo è un ottimo modo per risparmiare spazio sui PCB ad alta densità. In questo modo si garantisce che i componenti avranno pad lisci per i componenti e che l'affidabilità sarà buona. E puoi utilizzarlo quando hai bisogno di un design PCB compatto ed efficiente.
Qual è lo standard IPC per i fori passanti dei PCB?
I fori passanti per PCB devono rispettare importanti regole stabilite dallo standard IPC-6012 . Questo standard descrive i parametri accettabili in termini di progettazione e produzione dei fori passanti. Alcuni di questi parametri si basano sulle dimensioni dell'anello anulare e sullo spessore della placcatura. Lo standard prevede diversi livelli di "Classe", dalla Classe 1 alla Classe 3. La classe più rigorosa è la Classe 3, da utilizzare in applicazioni ad alta affidabilità. Una caratteristica fondamentale dell'anello anulare è la sua resistenza meccanica. La sua funzione è quella di circondare il foro passante e impedire la delaminazione. Lo standard specifica anche lo spessore di placcatura necessario per i fori passanti.
Perché le microvia sono la scelta preferita nei PCB HDI?
Avere microvia migliora elettricamente il tuo PCB. Ciò aiuta a rendere la scheda più piccola. Una densità di routing più elevata è possibile con un numero inferiore di livelli di routing utilizzando il routing basato su microvia. Ciò significa che puoi accorciare le vie through hole. Aiutano anche ad aumentare la potenza di elaborazione e le prestazioni. I problemi di breakout BGA diventano più facili da gestire con le microvia. Fondamentale nella progettazione di PCB compatti e ad alte prestazioni.
In termini di gestione termica, in che modo i fori passanti contribuiscono alla dissipazione del calore nei progetti ad alto consumo energetico?
Diversi componenti tendono a scaldarsi, i via aiutano a trasferire il calore. Dirigono il calore verso parti più fredde sul PCB. Sotto dove viene generato il calore, sono stati posizionati i via termici. Tuttavia, i materiali in questi via servono a migliorare il flusso di calore. Questo mantiene il PCB fresco e non si surriscalda.
Come posso utilizzare i percorsi ciechi e interrati nel mio progetto?
Nella produzione di PCB , per ogni strato sono presenti due fogli di rame. Questi fogli sono posizionati all'interno di un nucleo dielettrico e separati l'uno dall'altro. Si tratta dei fori ciechi e interrati che collegano i diversi strati del progetto. Nel software di progettazione è possibile specificare quali strati collegare, ma ciò non eliminerà i progetti non realizzabili.
Conclusione
In questo articolo del blog di PCBTok , abbiamo fornito una panoramica dettagliata su 9 diversi tipi di via per PCB, come via passanti, via cieche, via interrate, microvia e altri ancora. Abbiamo descritto il loro scopo e le considerazioni di progettazione relative al loro impatto su aspetti quali la densità di instradamento, l'integrità del segnale e la gestione termica. L'articolo includeva anche le migliori pratiche per la scelta del set di via più adatto alla progettazione di PCB.
