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Via-in-Pad ist eine fortschrittliche Durchkontaktierungstechnologie, die in hochdichten Leiterplatten eingesetzt wird. Die Kernfunktion besteht darin, das gewinkelte Durchgangsloch (PTH) direkt in den Pad des SMD-Bauteils zu integrieren. Der elektrische Anschluss erfolgt durch Ablagerung leitfähiger Materialien wie Kupfer im Durchgangsloch. Das Loch wird anschließend mit Lötstopplack abgedeckt, um die Lötzuverlässigkeit sicherzustellen.
Im Gegensatz zu traditionellen Durchkontaktierungen sind herkömmliche PTHs üblicherweise in nicht-lötenden Bereichen außerhalb der Bauteilepads angeordnet und müssen über zusätzliche Leiterbahnen mit den Pads verbunden werden; während Via-in-Pad auf diese Übergangsstruktur verzichtet und das Durchgangsloch direkt mit dem Pad integriert. Dieses Design wirkt wie ein "direkter Kanal", der in der Mitte des Pads geöffnet wird und dadurch den Signalübertragungsweg erheblich verkürzen kann, was zu reduzierten Signalverzögerungen und -verlusten führt. Aus Sicht des praktischen Werts konzentrieren sich die Vorteile von Via-in-Pad auf zwei Aspekte: optimierte Platznutzung und verbesserte Leistung: indem das Durchgangsloch in das Pad eingebettet wird, lässt sich der Platzbedarf für die Leiterbahnen auf der Leiterplatte verringern, was zur Miniaturisierung des Produkts beiträgt; gleichzeitig reduziert der verkürzte Signalweg das Risiko von Impedanzsprüngen und verbessert die Signalintegrität.
Diese Technologie stellt jedoch höhere Anforderungen an den Fertigungsprozess: Es ist notwendig, die Bohrgenauigkeit präzise zu steuern (Bohrdurchmesser ist üblicherweise ≤0,3 mm) und die Elektroplattierung gleichmäßig zu halten, um eine zuverlässige Verbindung zwischen der Kupferschicht der Bohrwand und dem Pad sicherzustellen; einige Designs erfordern zudem, dass die Bohrungen mit Harz gefüllt und abgeflacht werden, um Blasen oder kalte Lötstellen während des Schweißens zu vermeiden. Daher ist die Herstellungskosten höher als bei herkömmlichen PTH-Verfahren und wird üblicherweise in Szenarien mit hohen Dichte- und Leistungsanforderungen bevorzugt.
Die Anwendung von Via-in-Pad muss umfassend in Kombination mit der PCB-Bestückungsdichte und den Bauteilmerkmalen beurteilt werden. Im Folgenden sind Designempfehlungen für spezifische Szenarien aufgeführt:
Nach Abschluss des Fan-Out-Designs in der frühen Phase der Leiterplatten-Routing, falls das Innenlagen-Routing durch konventionelle Vias realisiert werden kann, besteht keine Notwendigkeit, Via-in-Pad zu verwenden. Am Beispiel von BGA-Gehäusen lässt sich bei Vorhandensein des Fan-Out-Pfads in der zentralen Fläche zwischen den Pads eine effiziente Verdrahtung durch Optimierung der Via- und Routing-Parameter erreichen. Die typischen Designstandards sind wie folgt:
Basierend auf den oben genannten Parametern ist bei einem Abstand der BGA-Pins von mehr als 0,35 mm der Raum zwischen den Pads ausreichend, um konventionelle Vias und Leiterbahnen unterzubringen, und das Fan-Out kann ohne Verwendung von Via-in-Pad abgeschlossen werden. In diesem Fall ermöglicht ein traditionelles Design eine bessere Balance zwischen Kosten und Prozesszuverlässigkeit.
Wenn der Abstand zwischen den Komponentenpins zu gering ist, um ein konventionelles Fan-Out zu ermöglichen, wird Via-in-Pad zu einer notwendigen Wahl. Beispielsweise ist der Abstand zwischen den Pads von hochdichten BGA-Gehäusen eng bemessen, und konventionelle Vias sowie Leiterbahnen können aufgrund von Größenbeschränkungen nicht angeordnet werden. In einem solchen Fall müssen die Vias direkt in die Pads integriert werden, und über Via-in-Pad werden Verdrahtungskanäle auf inneren oder unteren Schichten erschlossen, um Signalverzögerungen oder Layout-Fehler aufgrund von Verdrahtungsstaus zu vermeiden.
Kurz gesagt, die Kernanwendung von Via-in-Pad besteht darin, das "Verdrahtungsengpassproblem bei hochdichter Layoutanordnung" zu lösen. Bei der Konstruktion ist es erforderlich, zunächst die Machbarkeit anhand des Pinabstands und der Fan-Out-Parameter zu bewerten und danach zu entscheiden, ob diese Technik angewandt werden soll, um das optimale Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und Fertigbarkeit zu erreichen.
Bei BGA-Bauelementen mit geringer Anzahl an Anschlüssen (Low-Pin-Count) kann das konventionelle Fan-Out-Design die Routing-Anforderungen erfüllen, ohne auf Via-in-Pad angewiesen zu sein. Wenn jedoch das BGA eine große Anzahl an Anschlüssen aufweist, belegen eine große Anzahl von Fan-Out-Vias schnell den begrenzten Platz für das Routing und führen zu Verstopfungen im Signalpfad. In diesem Fall ermöglicht die Integration der Vias in Via-in-Pad, die ursprünglich unabhängigen „Pads + Vias“ zu einer Einheit zusammenzufassen, wodurch deutlich mehr Platz auf der PCB-Oberfläche gewonnen und die Voraussetzungen für hochdichtes Routing geschaffen werden.
Besonders wenn der Abstand zwischen den BGA-Anschlüssen auf weniger als 0,3 mm reduziert wird, bleibt zwischen den Pads nicht genügend Platz, um konventionelle Vias und Leiterbahnen unterzubringen. In einem solchen Fall wird Via-in-Pad zu einem entscheidenden Mittel, um die Engpässe im Routing zu überwinden. Durch das Einbetten der Vias innerhalb der Pads können Signale direkt zu den inneren oder unteren Schichten geleitet werden, um Signalverzögerungen oder gegenseitige Störungen durch überfüllte Leiterbahnen auf derselben Schicht zu vermeiden.
Bei der Hochgeschwindigkeits-Schaltkreisgestaltung werden Filterkondensatoren üblicherweise in der Nähe von BGA-Bauelementen platziert, um Stromrauschen zu unterdrücken und die Signalintegrität sicherzustellen. Wenn jedoch eine große Anzahl konventioneller Durchkontaktierungen innerhalb des BGA verwendet wird, entsteht auf der Rückseite zwischen den Durchkontaktierungsflächen und den Kondensatorpads ein regelrechter "Flächenwettbewerb", wodurch die Kondensatoren nicht mehr in unmittelbarer Nähe zu den Chip-Pins untergebracht werden können.
Via-in-Pad kann räumliche Konflikte mit den Rückseitenkondensatoren vollständig vermeiden, indem die Durchkontaktierungen direkt in die BGA-Pads integriert werden. Dadurch ist es möglich, die Filterkondensatoren direkt unterhalb oder am Rand des BGA-Bauelements "dicht an dicht" zu platzieren, was den Strompfad verkürzt und die Filtereffizienz verbessert. Dies ist für die Stabilität von Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen von entscheidender Bedeutung.
1. Letztendlich mehr Platz für die Leiterplattenverdrahtung: Das integrierte Design von Durchkontaktierungen und Pads kann den Flächenbedarf um über 30 % reduzieren, was besonders für hochdichte und miniaturisierte Designs wie Smartphone-Mainboards und Industriesteuerungsmodulen geeignet ist.
2. Verbesserte Wärmeableitung und elektrische Leistungsfähigkeit: Bei leistungsstarken Bauelementen wie Prozessoren und Leistungschips kann Via-in-Pad den Wärmewiderstand verringern, die Wärmeleitung zur Innenlage oder zur Kühllage beschleunigen und lokales Überhitzen vermeiden; gleichzeitig ermöglicht der verkürzte Leistungs-/Signalleitungsweg eine Reduzierung der parasitären Induktivität und des Widerstands, wodurch Signalverluste und Spannungsabfall abnehmen.
3. Höhere Layoutflexibilität: Löst das Problem der "unzureichenden Verdrahtungskanäle" bei hochdichter Verpackung und ermöglicht dadurch eine einfachere Anordnung komplexer Schaltungen wie mehrkanaliger RF-Module.
1. Erhöhte Prozesskomplexität: Besondere Verfahren wie das Füllen von Bohrungen und das Glätten von Oberflächen sind erforderlich, welche eine höhere Bohrgenauigkeit und gleichmäßige Elektroplattierung erfordern und anfällig für Defekte wie Blasen in den Bohrungen und Oberflächenvertiefungen sind.
2. Höhere Herstellungskosten: Besondere Verfahren erhöhen die PCB-Kosten um 15 % bis 30 %, und der Produktionszyklus verlängert sich aufgrund zusätzlicher Qualitätskontrollen und Nacharbeit.
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