Vij u pločici

Što je Via-in-Pad?

Via-in-Pad je napredna tehnologija provrtanja korištena u dizajnu visokog gustoće PCB-a. Njezina jezgra je integracija metaliziranog provrta (PTH) direktno u pad površinske montažne komponente, ostvaruje električnu vezu deponiranjem vodljivih materijala poput bakra unutar provrta, a zatim pokriva provrt solder maskom kako bi se osigurala pouzdanost lemljenja.

Za razliku od tradicionalnih provrta, tradicionalni PTH-ovi su obično smješteni u područjima izvan pločica za lemljenje i potrebno ih je povezati s pločicama putem dodatnih traga; dok Via-in-Pad izbjegava ovu prijelaznu strukturu, omogućavajući da provrt i pločica budu izravno integrirani. Ovaj dizajn djeluje kao da se u sredini pločice otvori "izravni kanal", što može znatno skratiti put signalne prijenosne staze i smanjiti kašnjenje i gubitak signala. S praktičnog stajališta, prednosti via-in-pad tehnologije fokusirane su na dva aspekta: korištenje prostora i poboljšanje performansi: ugradnjom provrta unutar pločice smanjuje se potreban prostor za vođenje traga na ploči, što doprinosi miniaturizaciji proizvoda; istovremeno, skraćena signalna staza smanjuje rizik od naglog promjenjivanja impedancije i poboljšava cjelovitost signala.

Međutim, ova tehnologija postavlja veće zahtjeve na proces proizvodnje: potrebno je točno kontrolirati točnost bušenja (promjer rupe je obično ≤0,3 mm) i jednoličnost elektrolitičkog pokrivanja kako bi se osigurala pouzdana veza između bakrene folije na zidu rupe i kontaktne površine; neki dizajni također zahtijevaju da se rupe napune smolom i izravnaju kako bi se izbjegle mjehurići ili hladni lemnih spojeva tijekom lemljenja. Stoga, njegova proizvodna cijena je viša u odnosu na tradicionalnu PTH te se obično koristi u scenarijima s visokom gustoćom i zahtjevima za visokih performansama.

Smjernice za dizajn otvora na kontaktima (Via-in-Pad)

Primjenu otvora na kontaktima treba sveobuhvatno procijeniti u kombinaciji s gustoćom rasporeda pločice (PCB) i karakteristikama komponenti. U nastavku su dane preporuke za dizajn za određene scenarije:

1. Scenariji u kojima nije potreban otvor na kontaktu (Via-in-Pad)

Nakon dovršetka dizajna ventilatora u ranom stupnju usmjeravanja PCB-a, ako se usmjeravanje unutarnjeg sloja može ostvariti putem konvencionalnih vijaka, nije potrebno koristiti via-in-pad. Uzmi primjer uređaja u BGA kućištu, kada je put ventilatora smješten u središnji dio između pločica, učinkovito usmjeravanje može se postići optimizacijom parametara vijaka i usmjeravanja. Tipični standardi dizajna su sljedeći:

• Promjer vijka: 0,15–0,2 mm
  
• Širina usmjeravanja: 3–4 mila (oko 0,076–0,102 mm)
  
• Širina prstena: 0,3–0,4 mm
  

Na temelju gore navedenih parametara, kada je razmak između BGA pina veći od 0,35 mm, prostor između pločica je dovoljan za smještaj konvencionalnih vijaka i usmjeravanje, a ventilator se može dovršiti bez potrebe za via-in-pad-om. U ovom slučaju, odabir tradicionalnog dizajna bolje je izbalansirati troškove i pouzdanost procesa.

2. Scenariji u kojima se preporučuje via-in-pad

Kada je razmak između priključaka komponente premalo, pa je teško postići konvencionalni isticaj, ugradnja vija u kontaktne površine postaje nužan izbor. Na primjer, prostor između kontaktne površine paketa BGA visoke gustoće je uski, pa zbog ograničenja veličine nije moguće rasporediti konvencionalne vije i trake. U tom slučaju, viji moraju biti izravno integrirani u kontaktne površine, a kanali za povezivanje na unutarnjem ili donjem sloju otvaraju se pomoću vija u kontaktne površine kako bi se izbjegli kašnjenja signala ili neuspjeh u smještanju uzrokovani gužvom u povezivanju.

Kratko rečeno, ključna primjena vija u kontaktne površine je rješavanje "bottlenecka u povezivanju pri visokogustoćnom rasporedu". Kod projektiranja, prvo je potrebno procijeniti izvedivost kroz razmak priključaka i parametre isticaja, a zatim odlučiti koristiti li ovu tehniku kako bi se postigao optimalan balans između performansi, troškova i proizvodljivosti.

Ključna vrijednost vija u kontaktne površine u BGA pakiranju

Za BGA komponente s malim brojem izvoda, konvencionalni fan-out dizajn može zadovoljiti zahtjeve za povezivanje bez korištenja vijev u kontakt pločicama (Via-in-Pad). Međutim, kada BGA komponenta ima velik broj izvoda, velik broj fan-out vijev brzo zauzima ograničeni prostor za povezivanje, što rezultira gužvom u signalnim putovima. U tom slučaju, ugradnja vijev u kontakt pločice (Via-in-Pad) može kombinirati dosadašnje neovisne "pločice + vijevi" u jedno, značajno oslobađajući prostor na PCB ploči i stvarajući uvjete za visokokvalitetno povezivanje.

Posebno kada razmak između izvoda BGA komponente padne ispod 0,3 mm, ne postoji dovoljno prostora između pločica za smještanje konvencionalnih vijev i trasa, pa postaje ključna uporaba vijev u kontakt pločicama (Via-in-Pad) za prevladavanje ograničenja u povezivanju. Ugradnjom vijev unutar pločica, signali se mogu izravno usmjeriti u unutarnje ili donje slojeve, čime se izbjegavaju signalni kašnjenja ili međusobne smetnje uzrokovane gužvom na istom sloju.

Ključna uloga vijev u kontakt pločicama (Via-in-Pad) u izvedbi filtar kondenzatora

U projektiranju visokofrekventnih sklopova, filtar kondenzatori su obično smješteni blizu BGA komponenata kako bi se prigušio šum u napojnim vodovima i osigurala integritet signala. Međutim, ako se unutar BGA komponente koristi velik broj konvencionalnih prolaza kroz pločicu (through-holes), područje prolaza na stražnjoj strani će "natjecati se za prostor" s površinama za lemljenje kondenzatora, što rezultira nemogućnošću smještanja kondenzatora blizu izvoda čipa.

Via-in-Pad potpuno izbjegava prostorne sukobe s kondenzatorima na stražnjoj strani time što integrira prolaze kroz pločicu unutar BGA površina, čime se osigurava da filtar kondenzatori mogu biti smješteni "blizu" ispod ili na rubu BGA komponente, skraćujući put napojnog signala i poboljšavajući učinkovitost filtriranja. Ovo je ključno za stabilnost visokofrekventnih i brzih sklopova.

Značajne prednosti tehnologije Via-in-Pad:

1. Konačno oslobađanje prostora za ožičenje PCB-a: Integrirani dizajn prolaza i kontaktne površine može smanjiti zauzeće površine za više od 30%, što je posebno prikladno za visokogustoćne i miniaturizirane dizajne poput matičnih ploča pametnih telefona i industrijskih kontrolnih modula.
2. Poboljšanje hlađenja i električnih svojstava: Za visokofrekventne komponente poput procesora i energetskih čipa, Via-in-Pad može smanjiti termalnu otpornost, ubrzati vođenje topline prema unutarnjem sloju ili sloju za hlađenje i izbjeći lokalno pregrijavanje; istovremeno, skraćena putanja napajanja/signala može smanjiti parazitnu induktivnost i otpornost, te time smanjiti slabljenje signala i pad napona.
3. Poboljšanje fleksibilnosti dizajna: Rješava problem nedostatka kanala za ožičenje kod visokogustoćnog pakiranja, čime se olakšava izrada kompleksnih krugova poput višekanalnih RF modula.

Potencijalne ograničenja kod Via-in-Pad:

1. Povećana složenost procesa: Potrebni su posebni procesi poput punjenja rupa i izravnavanja površine, koji zahtijevaju veću točnost bušenja i jednolikost elektrolitičkog pokrivanja, a skloni su greškama poput mjehurića u rupama i udubina na površini.
2. Povećane proizvodne cijene: Posebni procesi povećat će cijene PCB-a za 15%-30%, a zbog dodatnih kontrola kvalitete i popravaka produžit će se i vremenski rok proizvodnje.

Napomene o primjeni

• Kod uporabe prolaza kroz kontakt (Via-in-Pad) za BGA, nužno je jasno zahtijevati da se unutrašnjost vijeka napuni smolom i da se podvrgne elektrolitičkom pokrivanju površine kako bi se osigurala ravna površina pločice i sukladnost s zahtjevima planarnosti za lemljenje BGA, u protivnom je lako izazvati hladno lemljenje.
  
• Ako dizajn zahtijeva da se sva provrtanja popune smolom, provrtanja na površinski montiranoj komponenti moraju se obraditi prema standardu Via-in-Pad kako bi se izbjegla nepopunjena provrtanja koja mogu uticati na zavarivanje ili pouzdanost.