سوراخ در پد

Via-in-Pad چیست؟

Via-in-Pad یک فناوری پیشرفته یاتاقانی (through-hole) در طراحی برد مداری با تراکم بالا است. ویژگی اصلی آن، ادغام سوراخ‌های فلزی (PTH) درون پد خودکار قطعات نصب‌شونده روی سطح (SMD) است. این فناوری اتصال الکتریکی را از طریق رسوب مواد هادی مانند مس در داخل سوراخ ایجاد کرده و سوراخ را با ماسک لحیم‌کاری می‌پوشاند تا اطمینان از قابلیت اطمینان لحیم‌کاری فراهم شود.

برخلاف سوراخ‌های معمولی، PTHهای سنتی معمولاً در مناطق غیر از محل لحیم‌کاری و خارج از پدهای قطعه قرار می‌گیرند و نیازمند اتصال به پدها از طریق مسیرهای اضافی هستند؛ در حالی که Via-in-Pad این بخش از ساختار انتقالی را حذف کرده و اجازه می‌دهد تا سوراخ عبوری و پد به‌صورت مستقیم ادغام شوند. این طراحی گویی یک «کانال مستقیم» را در مرکز پد باز می‌کند که می‌تواند مسیر انتقال سیگنال را به‌طور قابل توجهی کوتاه کرده و از تأخیر و اتلاف سیگنال بکاهد. از دیدگاه ارزش عملی، مزایای Via-in-Pad در دو جنبه اصلی متمرکز شده‌اند: بهره‌برداری از فضا و بهبود عملکرد: با جاسازی سوراخ عبوری درون پد، فضای مورد نیاز برای مسیرکشی روی برد مدار چاپی (PCB) کاهش یافته و این امر در کوچک کردن محصول کمک زیادی می‌کند؛ هم‌زمان، مسیر کوتاه‌تر سیگنال، خطر ناپیوستگی امپدانس را کاهش داده و در نتیجه یکپارچگی سیگنال بهبود می‌یابد.

با این حال، این فناوری نیازمندی‌های بیشتری از نظر فرآیند تولید دارد: لازم است دقت در حفاری (قطر سوراخ معمولاً ≤ ۰٫۳ میلی‌متر) و یکنواختی لایه‌گذاری الکتریکی به‌دقت کنترل شود تا اتصال قابل اعتماد بین لایه مسی دیواره سوراخ و پد فراهم شود؛ برخی از طراحی‌ها همچنین نیازمند پرکردن سوراخ‌ها با رزین و صاف‌کردن آنها هستند تا از ایجاد حباب یا اتصالات لحیم سرد در هنگام جوشکاری جلوگیری شود. بنابراین، هزینه تولید آن از PTH سنتی بیشتر است و معمولاً در سناریوهایی با نیازمندی‌های بالا در چگالی و عملکرد ترجیح داده می‌شود.

راهنمای طراحی برای Via-in-Pad

کاربرد Via-in-Pad باید با توجه به چگالی طراحی PCB و ویژگی‌های قطعات ترکیبی ارزیابی شود. در ادامه پیشنهادات طراحی برای سناریوهای خاص آورده شده است:

۱. سناریوهایی که در آن استفاده از Via-in-Pad الزامی نیست

پس از تکمیل طراحی فن‌اوت در مرحله اولیه مسیریابی PCB، اگر مسیریابی لایه داخلی بتوسط ویاهای معمولی قابل انجام باشد، نیازی به استفاده از ویا-در-پد (via-in-pad) نیست. به عنوان مثال، برای دستگاه‌های بسته‌بندی شده با BGA، زمانی که مسیر فن‌اوت در ناحیه مرکزی بین پدها قرار داشته باشد، می‌توان با بهینه‌سازی پارامترهای ویا و مسیریابی، به مسیریابی کارآمد دست یافت. استانداردهای طراحی معمول به شرح زیر است:

• قطر ویا: 0.15–0.2mm
  
• عرض مسیر: 3–4mil (حدود 0.076–0.102mm)
  
• عرض حلقه: 0.3–0.4mm
  

بر اساس پارامترهای فوق، زمانی که فاصله بین پین‌های BGA بیشتر از 0.35mm باشد، فضای بین پدها به اندازه کافی وجود دارد تا بتواند ویاهای معمولی و مسیر را در خود جای دهد و فن‌اوت بدون اتکا به ویا-در-پد انجام شود. در این حالت، انتخاب یک طراحی سنتی می‌تواند تعادل بهتری بین هزینه و قابلیت اطمینان فرآیند ایجاد کند.

2. مواردی که استفاده از ویا-در-پد پیشنهادی است

هنگامی که فاصله‌ی پین‌های قطعه بسیار کوچک باشد و این امر باعث دشواری در انجام فن‌اوت معمولی شود، استفاده از Via-in-Pad یک انتخاب لازم خواهد بود. به عنوان مثال، فاصله بین پد‌های بسته‌های BGA با تراکم بالا باریک است و به دلیل محدودیت‌های اندازه‌ای، نمی‌توان از ویاهای معمولی و تریس‌ها استفاده کرد. در این حالت، باید ویاها را به طور مستقیم درون پد‌ها قرار داد و کانال‌های راه‌هایدی از طریق Via-in-Pad را در لایه‌های داخلی یا پایینی باز کرد تا از تاخیرهای سیگنال یا شکست طراحی ناشی از تراکم راه‌یابی جلوگیری شود.

در مجموع، کاربرد اصلی Via-in-Pad حل کردن «بطری گردن باریک راه‌یابی در طراحی با تراکم بالا» است. در هنگام طراحی، ابتدا باید امکان‌پذیری آن را از طریق پارامترهای فاصله‌گذاری پین و فن‌اوت ارزیابی کرد و سپس تصمیم گرفت که آیا استفاده از آن مناسب است یا خیر تا تعادل بهینه‌ای بین عملکرد، هزینه و قابلیت ساخت حاصل شود.

ارزش اصلی Via-in-Pad در بسته‌بندی BGA

در مورد دستگاه‌های BGA با تعداد پین کم، طراحی فن‌اوت معمولی می‌تواند نیازهای راه‌اندازی را بدون اتکا به Via-in-Pad برآورده کند. با این حال، هنگامی که BGA دارای تعداد زیادی پین است، تعداد زیادی فن‌اوت از طریق‌ها به سرعت فضای محدود راه‌اندازی را اشغال می‌کنند و باعث ایجاد ازدحام در مسیر سیگنال می‌شوند. در این حالت، ادغام راه‌های عبور در Pad به صورت Via-in-Pad می‌تواند ترکیبی از "پدها + راه‌های عبور" که قبلاً مستقل بودند را ایجاد کند و به طور قابل توجهی فضای سطح PCB را آزاد کند و زمینه‌سازی برای راه‌اندازی با تراکم بالا شود.

به ویژه زمانی که فاصله پین BGA کمتر از 0.3 میلی‌متر شود، فضای بین پدها به اندازه کافی برای جای دادن راه‌های عبور و مسیرهای معمولی وجود ندارد و Via-in-Pad به یکی از روش‌های کلیدی برای غلبه بر محدودیت راه‌اندازی تبدیل می‌شود. با جاسازی راه‌های عبور درون پدها، سیگنال می‌تواند به طور مستقیم به لایه‌های داخلی یا پایینی هدایت شود و از تاخیر سیگنال یا تداخل متقابل ناشی از راه‌اندازی متراکم در یک لایه جلوگیری کند.

نقش کلیدی Via-in-Pad در طراحی خازن‌های فیلتر

در طراحی مدارهای با سرعت بالا، خازن‌های فیلتر معمولاً در مجاورت دستگاه‌های BGA قرار داده می‌شوند تا نویز تغذیه را سرکوب کرده و یکپارچگی سیگنال را تضمین کنند. با این حال، اگر تعداد زیادی از سوراخ‌های عبوری معمولی در داخل BGA استفاده شود، منطقه سوراخ عبوری در پشت با پد خازن به "رقابت برای فضا" می‌پردازد و در نتیجه قرار دادن خازن را در مجاورت پین‌های تراشه غیرممکن می‌کند.

Via-in-Pad می‌تواند به طور کامل از تداخل فضایی با خازن‌های پشتی جلوگیری کند، با ادغام سوراخ‌های عبوری درون پد BGA، اطمینان حاصل می‌کند که خازن‌های فیلتر می‌توانند "نزدیک" زیر یا در لبه BGA قرار گیرند، مسیر تغذیه را کوتاه کرده و کارایی فیلتر کردن را افزایش می‌دهد. این موضوع برای ثبات مدارهای با فرکانس و سرعت بالا ضروری است.

مزایای قابل توجه Via-in-Pad:

۱. آزاد کردن فضای سیم‌کشی PCB در نهایت: طراحی یکپارچه چاهک‌ها و پدها می‌تواند اشغال فضای سطحی را بیش از ۳۰٪ کاهش دهد، که به‌ویژه برای طراحی‌های با دانسیته بالا و کوچک‌شده مانند مادربورد گوشی‌های هوشمند و ماژول‌های کنترل صنعتی مناسب است.
۲. بهبود عملکرد گرمایی و الکتریکی: برای دستگاه‌های توان بالا مانند پردازنده‌ها و تراشه‌های قدرت، Via-in-Pad می‌تواند مقاومت گرمایی را کاهش داده، انتقال گرما به لایه‌های داخلی یا لایه‌های انتقال دهنده گرما را تسریع کند و از گرم شدن محلی جلوگیری کند؛ در عین حال، مسیرهای کوتاه‌شده برق/سیگنال می‌توانند القای الکتریکی و مقاومت را کاهش داده، افت سیگنال و ولتاژ را کم کنند.
۳. افزایش انعطاف‌پذیری طراحی: رفع مشکل "کمبود کانال‌های سیم‌کشی" در بسته‌بندی با دانسیته بالا، امکان طراحی مدارهای پیچیده مانند ماژول‌های RF چندکاناله را با آسایش بیشتری فراهم کند.

محدودیت‌های بالقوه Via-in-Pad:

۱. افزایش پیچیدگی فرآیند: فرآیندهای خاصی مانند پر کردن سوراخ و هموار کردن سطح مورد نیاز است که دقت بیشتر در مته‌کاری و یکنواختی در استحاله الکترولیتی را می‌طلبد و این امر باعث بروز عیوبی مانند حباب در سوراخ‌ها و فرورفتگی سطحی می‌شود.
۲. افزایش هزینه‌های تولید: فرآیندهای خاص باعث افزایش ۱۵ تا ۳۰ درصدی هزینه‌های PCB می‌شوند و چرخه تولید نیز به دلیل انجام اضافی آزمایش‌های کیفیت و کارهای اصلاحی افزایش می‌یابد.

یادداشت های کاربرد

• برای Via-in-Pad که در BGA استفاده می‌شود، لازم است به وضوح مشخص شود که داخل سوراخ را باید با رزین پر کرد و تحت پوشش الکترولیتی سطحی قرار داد تا اطمینان حاصل شود که سطح پد صاف است و نیازمندی‌های هم‌سطحی برای جوشکاری BGA را برآورده می‌کند، در غیر این صورت احتمال بروز جوش سرد زیاد است.
  
• در صورتی که طراحی نیازمند پر کردن تمامی سوراخ‌های عبوری با رزین باشد، سوراخ‌های عبوری دستگاه‌های نصب سطحی باید مطابق استاندارد Via-in-Pad پردازش شوند تا از بروز مشکلات جوشکاری یا کاهش قابلیت اطمینان به دلیل عدم پر شدن سوراخ‌ها جلوگیری شود.