Via-in-Pad

Apa itu Via-in-Pad?

Via-in-Pad adalah teknologi lubang tembus tingkat lanjut yang digunakan dalam desain PCB berkepadatan tinggi. Fitur utamanya adalah mengintegrasikan lubang tembus berlapis (PTH) langsung ke dalam landa komponen mount permukaan, mencapai koneksi listrik dengan mendeposisikan material konduktif seperti tembaga di dalam lubang tembus, serta menutup lubang dengan masker solder untuk memastikan keandalan pengelasan.

Berbeda dengan lubang biasa (through-holes), lubang tembus tradisional (PTH) biasanya ditempatkan di area non-penyolderan di luar landasan komponen, dan memerlukan jalur tambahan untuk menghubungkannya dengan landasan; sedangkan Via-in-Pad menghilangkan struktur transisi ini, sehingga lubang tembus dapat langsung terintegrasi dengan landasan. Rancangan ini seolah membuka "saluran langsung" di tengah landasan, yang dapat memperpendek jalur transmisi sinyal secara signifikan serta mengurangi keterlambatan dan kehilangan sinyal. Dari sudut pandang nilai praktis, keunggulan via-in-pad terutama terletak pada dua aspek berikut: pemanfaatan ruang dan peningkatan kinerja: dengan menanamkan lubang tembus ke dalam landasan, penggunaan ruang wiring pada PCB dapat dikurangi, sehingga membantu memperkecil ukuran produk; sekaligus, jalur sinyal yang lebih pendek dapat mengurangi risiko perubahan impedansi secara mendadak dan meningkatkan integritas sinyal.

Namun, teknologi ini menuntut proses manufaktur yang lebih tinggi: diperlukan pengendalian akurasi pengeboran secara presisi (diameter lubang biasanya ≤0,3mm) dan keseragaman pelapisan logam agar dapat menjamin koneksi yang andal antara lapisan tembaga pada dinding lubang dan landasan; beberapa desain juga mengharuskan lubang diisi dengan resin dan diratakan untuk menghindari gelembung atau sambungan solder dingin selama proses penyolderan. Oleh karena itu, biaya produksinya lebih tinggi dibandingkan PTH konvensional, dan biasanya dipilih untuk skenario dengan kebutuhan kepadatan dan kinerja tinggi.

Pedoman Desain Via-in-Pad

Penerapan via-in-pad perlu dinilai secara menyeluruh dengan mempertimbangkan kepadatan tata letak PCB dan karakteristik komponen. Berikut adalah rekomendasi desain untuk skenario tertentu:

1. Skenario di mana via-in-pad tidak diperlukan

Setelah menyelesaikan desain fan-out pada tahap awal routing PCB, jika routing lapisan dalam dapat dicapai melalui via konvensional, tidak perlu menggunakan via-in-pad. Sebagai contoh, pada perangkat dengan kemasan BGA, ketika jalur fan-out berada di area tengah antar pad, routing yang efisien dapat dicapai dengan mengoptimalkan parameter via dan routing. Standar desain khasnya adalah sebagai berikut:

• Diameter via: 0,15–0,2mm
  
• Lebar jalur: 3–4mil (sekitar 0,076–0,102mm)
  
• Lebar cincin: 0,3–0,4mm
  

Berdasarkan parameter di atas, ketika jarak pin BGA lebih besar dari 0,35mm, ruang antar pad sudah cukup untuk menampung via dan jalur konvensional, serta fan-out dapat diselesaikan tanpa mengandalkan via-in-pad. Pada kondisi ini, memilih desain tradisional dapat memberikan keseimbangan yang lebih baik antara biaya dan keandalan proses.

2. Situasi di mana Via-in-Pad direkomendasikan

Ketika jarak antar pin komponen terlalu kecil, sehingga sulit mewujudkan fan-out konvensional, penggunaan via-in-pad menjadi pilihan yang diperlukan. Contohnya, pada paket BGA berkepadatan tinggi, ruang antar landasan (pad) sempit, sehingga via dan jalur konvensional tidak dapat dipasang karena keterbatasan ukuran. Dalam hal ini, via perlu langsung diintegrasikan ke dalam pad, dan saluran pengkabelan pada lapisan dalam atau bawah dibuka melalui Via-in-Pad untuk menghindari keterlambatan sinyal atau kegagalan tata letak akibat kemacetan pengkabelan.

Singkatnya, aplikasi inti dari via-in-pad adalah menyelesaikan "bottleneck pengkabelan pada tata letak berkepadatan tinggi". Dalam perancangan, perlu terlebih dahulu mengevaluasi kelayakannya melalui parameter jarak pin dan fan-out, lalu memutuskan apakah akan menggunakannya untuk mencapai keseimbangan optimal antara kinerja, biaya, dan kemungkinan produksi.

Nilai inti Via-in-Pad dalam pengemasan BGA

Untuk perangkat BGA dengan jumlah pin sedikit, desain fan-out konvensional dapat memenuhi kebutuhan pengkabelan tanpa harus bergantung pada Via-in-Pad. Namun, ketika BGA memiliki jumlah pin yang besar, sejumlah besar via fan-out akan dengan cepat mengisi ruang pengkabelan yang terbatas, menyebabkan kemacetan pada jalur sinyal. Pada saat ini, mengintegrasikan via ke dalam Via-in-Pad dapat menggabungkan "pads + vias" yang sebelumnya terpisah menjadi satu kesatuan, sehingga secara signifikan membebaskan ruang permukaan PCB dan menciptakan kondisi untuk pengkabelan berkepadatan tinggi.

Terutama ketika jarak antar pin BGA dikurangi hingga kurang dari 0,3 mm, tidak ada cukup ruang di antara pads untuk menampung via konvensional dan jalur pengkabelan, dan Via-in-Pad menjadi sarana utama untuk mengatasi hambatan pengkabelan. Dengan menanamkan via di dalam pads, sinyal dapat langsung diarahkan ke lapisan dalam atau bawah untuk menghindari keterlambatan sinyal atau gangguan silang yang disebabkan oleh padatnya pengkabelan pada lapisan yang sama.

Peran utama Via-in-Pad dalam tata letak kapasitor filter

Dalam desain sirkuit kecepatan tinggi, kapasitor filter biasanya ditempatkan dekat dengan perangkat BGA untuk menekan derau daya dan memastikan integritas sinyal. Namun, jika sejumlah besar lubang tembus konvensional digunakan di dalam BGA, area lubang tembus di bagian belakang akan "berkompetisi memperebutkan ruang" dengan landasan kapasitor, sehingga menyebabkan ketidakmampuan menempatkan kapasitor dekat dengan pin chip.

Via-in-Pad dapat sepenuhnya menghindari konflik spasial dengan kapasitor di bagian belakang dengan cara mengintegrasikan lubang tembus ke dalam landasan BGA, memastikan bahwa kapasitor filter dapat ditempatkan "dekat" di bawah atau di tepi BGA, memperpendek jalur daya dan meningkatkan efisiensi penyaringan. Hal ini sangat penting bagi stabilitas sirkuit frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi.

Keunggulan signifikan dari Via-in-Pad:

1. Pada akhirnya melepaskan ruang kabel PCB: Desain terpadu antara lubang tembus dan landasan dapat mengurangi penggunaan ruang permukaan lebih dari 30%, sangat cocok untuk desain berdensitas tinggi dan berukuran kecil seperti motherboard smartphone dan modul kontrol industri.
2. Meningkatkan performa termal dan listrik: Untuk perangkat berdaya tinggi seperti prosesor dan chip daya, Via-in-Pad dapat mengurangi hambatan termal, mempercepat konduksi panas ke lapisan dalam atau lapisan pendingin, serta menghindari panas berlebih lokal; sekaligus, jalur daya/sinyal yang lebih pendek dapat mengurangi induktansi dan hambatan parasit, menekan redaman sinyal dan penurunan tegangan.
3. Meningkatkan fleksibilitas tata letak: Mengatasi permasalahan "saluran kabel tidak mencukupi" pada pengemasan berdensitas tinggi, sehingga tata letak sirkuit kompleks seperti modul RF multi-saluran menjadi lebih fleksibel.

Batasan potensial dari Via-in-Pad:

1. Kompleksitas proses meningkat: Memerlukan proses khusus seperti pengisian lubang dan perataan permukaan, yang membutuhkan akurasi pengeboran dan keseragaman pelapisan logam yang lebih tinggi, serta rentan terhadap cacat seperti gelembung dalam lubang dan depresi permukaan.
2. Biaya manufaktur meningkat: Proses khusus akan menambah biaya PCB sebesar 15%-30%, dan siklus produksi menjadi lebih panjang karena adanya inspeksi kualitas tambahan dan pekerjaan ulang.

Catatan Aplikasi

• Untuk Via-in-Pad yang digunakan pada BGA, harus jelas disyaratkan bahwa bagian dalam lubang tembus diisi dengan resin dan diberi lapisan elektroplating pada permukaannya untuk memastikan permukaan land semakin rata dan memenuhi persyaratan coplanarity pada proses soldering BGA, jika tidak akan mudah menyebabkan cold soldering.
  
• Jika desain mensyaratkan seluruh lubang tembus harus diisi dengan resin, maka lubang tembus untuk perangkat pemasangan permukaan harus diproses sesuai standar Via-in-Pad untuk menghindari lubang tembus yang tidak terisi yang dapat mempengaruhi kualitas soldering atau keandalan.