Via-in-Pad

Hvad er Via-in-Pad?

Via-in-Pad er en avanceret gennemhulsteknologi, der anvendes i højtytheds PCB-design. Dens kernefunktion er at integrere det belagte gennemhul (PTH) direkte i komponentens loddepunkt, opnå elektrisk forbindelse ved at aflevere ledende materialer som kobber i hullet og dække hullet med loddemaske for at sikre loddesikkerheden.

I modsætning til traditionelle gennemgående huller er traditionelle PTH'er normalt placeret i ikke-loddende områder uden for komponentpadsene og skal forbindes til padsene via ekstra spor; mens Via-in-Pad udelader denne del af overgangskonstruktionen, så gennemhullet og padet kan integreres direkte. Dette design virker som at åbne en 'direkte forbindelse' i midten af padet, hvilket markant forkorter signaloverførselsvejen og reducerer signalforsinkelse og tab. Set ud fra en praktisk værdiperspektiv er fordelene ved via-in-pad koncentreret omkring to aspekter: pludsmæssig udnyttelse og forbedret ydeevne: ved at integrere gennemhullet i padet reduceres pladsen til ledningsføring på PCB'en, hvilket gør det lettere at gøre produktet mindre; samtidig reducerer den forkortede signalvej risikoen for impedansændringer og forbedrer signaintegriteten.

Denne teknologi stiller dog højere krav til produktionsprocessen: Det er nødvendigt at præcist kontrollere borepræcisionen (huldiameter er typisk ≤0,3 mm) og elektropladerens ensartethed for at sikre en pålidelig forbindelse mellem kobberlaget i hulvæggen og pælen; nogle designs kræver også, at hullerne fyldes med harpiks og planeres, så der undgås bobler eller koldesloddeforbindelser under lodning. Derfor er produktionsomkostningerne højere end ved traditionel PTH, og den anvendes derfor typisk i scenarier med høj tæthed og krav til ydeevne.

Designvejledning for Via-in-Pad

Anvendelsen af via-in-pad skal vurderes ud fra en kombination af PCB-layoutets tæthed og komponentkarakteristika. Nedenfor er nogle designanbefalinger til specifikke scenarier:

1. Scenarier hvor via-in-pad ikke er påkrævet

Efter at have afsluttet fandesignet i startfasen af PCB-rutning, hvis indre lag-rutning kan opnås ved hjælp af konventionelle viaer, er der ikke behov for at bruge via-in-pad. Tag BGA-pakkede enheder som eksempel: når fandesignvejen er placeret i den centrale zone mellem pads, kan effektiv rutning opnås ved at optimere via- og rutningsparametre. De typiske designstandarder er som følger:

• Viameter: 0,15–0,2 mm
  
• Rutningsbredde: 3–4 mil (ca. 0,076–0,102 mm)
  
• Ringbredde: 0,3–0,4 mm
  

Ud fra ovenstående parametre, når BGA-pin-afstanden er større end 0,35 mm, er der tilstrækkelig plads mellem pads til at rumme konventionelle viaer og rutning, og fandesignet kan gennemføres uden at skulle bruge via-in-pad. I denne situation vil et traditionelt design bedre at balancere omkostninger og procespålidelighed.

2. Scenarier hvor Via-in-Pad anbefales

Når komponentets pindafstand er for lille til at opnå konventionel fandout, bliver via-in-pad et nødvendigt valg. For eksempel er afstanden mellem padderne på højt integrerede BGA-pakker meget snæver, og konventionelle vias og baner kan ikke placeres på grund af størrelsesbegrænsninger. I sådan en situation skal vias integreres direkte i padderne, og der åbnes for indre eller nederste lag til forbindelseskanaler via Via-in-Pad for at undgå signalforsinkelser eller layoutfejl forårsaget af forstuvning i banerne.

Kort fortalt er Via-in-Pads kerneanvendelse at løse 'flaskehalsen i tilslutningen under højt integrerede layouts'. Ved design skal man først vurdere gennemførelsesmulighederne ud fra pindafstanden og parametrene for fandout, og derefter beslutte, om man skal anvende denne teknik for at opnå den optimale balance mellem ydeevne, omkostninger og producibilitet.

Den centrale værdi af Via-in-Pad i BGA-pakning

Ved BGA-enheder med lavt antal pind kan en konventionel fæn-out-design opfylde ledningskravene uden at skulle bruge Via-in-Pad. Når BGA imidlertid har et stort antal pind, vil et stort antal fæn-out-vier hurtigt optage det begrænsede ledningsareal og skabe trængsel i signalvejen. I sådanne tilfælde kan integrering af vier i Via-in-Pad kombinere de oprindeligt uafhængige "pads + vias" til én, hvilket markant frigiver plads på PCB-overfladen og skaber betingelser for højtydens ledning.

Især når BGA's pindafstand reduceres til under 0,3 mm, er der ikke nok plads mellem padderne til at rumme konventionelle vier og ledninger, og Via-in-Pad bliver et nøgleelement for at bryde ledningsflasker. Ved at indlejre vierne inde i padderne kan signalet direkte ledes til de indre eller nederste lag og derved undgå signalforsinkelser eller korsforstyrrelser, der skyldes trængsel på samme lag.

Den nøglerolle, som Via-in-Pad spiller i placeringen af filterkondensatorer

I højhastighedskredsløbsdesign placeres filterkondensatorer almindeligvis tæt på BGA-enheder for at undertrykke strøj og sikre signalintegritet. Hvis der dog bruges et stort antal konventionelle gennemgående huller inde i BGA'en, vil hulområdet på bagsiden "kæmpe om territoriet" med kondensatorpadderne, hvilket fører til, at kondensatoren ikke kan placeres tæt på chipbenene.

Via-in-Pad kan helt undgå rumlige konflikter med de bagsidens kondensatorer ved at integrere gennemgående huller i BGA-padderne, og sikre, at filterkondensatorerne kan placeres "tæt" under eller ved kanten af BGA'en, og dermed forkorte strømforsyningsvejen og forbedre filtreringseffektiviteten. Dette er afgørende for stabiliteten af højfrekvente og højhastighedskredsløb.

Betydelige fordele ved Via-in-Pad:

1. Frigiv PCB-rutefelt: Den integrerede design af gennemgående huller og loddepletter kan reducere overfladepladsforbruget med over 30 %, hvilket er især velegnet til højdensitets, miniaturiserede designs såsom smartphone-moderkort og industrielle styremoduler.
2. Forbedre køling og elektrisk ydeevne: Til højtydende komponenter såsom processorer og strømchips kan Via-in-Pad reducere termisk modstand, fremskynde varmeledning til mellem- eller kølelaget og undgå lokal overophedning; samtidig kan de forkortede strøm-/signalveje reducere parasitisk induktans og modstand, og derved mindske signaldæmpning og spændingsfald.
3. Forbedre layout fleksibilitet: Løs problemet med 'utilstrækkelig forbindelseskanaler' under højdensitetspakning, hvilket gør layout af komplekse kredsløb såsom flerkanals RF-moduler mere fleksibelt.

Potentielle begrænsninger ved Via-in-Pad:

1. Øget proceskompleksitet: Specielle processer såsom hulfyldning og overfladeflatning er påkrævet, hvilket kræver højere borepræcision og elektroplateringsjævnhed og er mere udsat for fejl såsom bobler i hullerne og overfladeforhævelser.
2. Øgede produktionsomkostninger: Specielle processer vil øge PCB-omkostningerne med 15-30 %, og produktionscyklussen vil blive forlænget på grund af ekstra kvalitetsinspektioner og reparationer.

Anvendelsesnoter

• Ved anvendelse af Via-in-Pad til BGA er det nødvendigt tydeligt at kræve, at hulrummet inde i gennemhullet fyldes med harpiks og underkastes overfladebehandling med elektroplatering for at sikre, at padens overflade er flad og opfylder kravene til BGA-svejsningens planparallelitet, ellers kan det let føre til kold lodning.
  
• Hvis designet kræver, at alle gennemhuller skal fyldes med harpiks, skal gennemhullerne til overflademonterede komponenter behandles i henhold til Via-in-Pad-standardet for at undgå ufyldte gennemhuller, som kan påvirke lodningen eller pålideligheden.