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Via-in-Pad è una tecnologia avanzata di foro passante utilizzata nella progettazione di PCB ad alta densità. La sua caratteristica principale è l'integrazione del foro metallico (PTH) direttamente nel pad del componente SMD, realizzando la connessione elettrica depositando materiali conduttivi come il rame nel foro, e coprendo il foro con maschera di saldatura per garantire l'affidabilità della saldatura.
A differenza dei tradizionali fori passanti, i PTH tradizionali sono solitamente disposti in aree non saldabili esterne ai pad dei componenti e devono essere collegati ai pad attraverso tracce aggiuntive; al contrario, il Via-in-Pad elimina questa struttura di transizione, permettendo di integrare direttamente il foro passante con il pad. Questo tipo di progettazione è come aprire un "canale diretto" al centro del pad, riducendo notevolmente il percorso di trasmissione del segnale e diminuendo il ritardo e la perdita del segnale. Dal punto di vista del valore pratico, i vantaggi del via-in-pad si concentrano su due aspetti principali: utilizzo dello spazio e miglioramento delle prestazioni: integrando il foro passante all'interno del pad, si riduce lo spazio necessario per il cablaggio sulla scheda PCB, favorendo la miniaturizzazione del prodotto; allo stesso tempo, il percorso del segnale più breve riduce il rischio di variazioni improvvise di impedenza e migliora l'integrità del segnale.
Tuttavia, questa tecnologia richiede maggiori prestazioni nel processo di produzione: è necessario controllare con precisione l'accuratezza della foratura (il diametro del foro è generalmente ≤0,3 mm) e l'uniformità della placcatura, al fine di garantire una connessione affidabile tra lo strato di rame della parete del foro e il pad; alcuni design richiedono inoltre che i fori vengano riempiti con resina e livellati per evitare bolle o giunti freddi durante la saldatura. Pertanto, il relativo costo di produzione è superiore rispetto a quello dei tradizionali PTH e viene generalmente preferito in scenari con elevata densità e requisiti di alte prestazioni.
L'applicazione del via-in-pad deve essere valutata complessivamente in combinazione con la densità del layout PCB e le caratteristiche dei componenti. Di seguito sono riportate le raccomandazioni di progettazione per scenari specifici:
Dopo aver completato la progettazione del fan-out nella fase iniziale del routing PCB, se il routing degli strati interni può essere realizzato utilizzando via convenzionali, non è necessario utilizzare via-in-pad. Prendendo come esempio dispositivi con package BGA, quando il percorso di fan-out si trova nell'area centrale tra i pad, è possibile ottenere un routing efficiente ottimizzando i parametri delle via e del routing. Gli standard tipici di progettazione sono i seguenti:
Sulla base dei parametri sopra indicati, quando il passo tra i pin BGA è maggiore di 0,35 mm, lo spazio tra i pad è sufficiente per ospitare via e routing convenzionali, e il fan-out può essere completato senza dover dipendere dalle via-in-pad. In questo caso, scegliendo una progettazione tradizionale si può ottenere un migliore equilibrio tra costo e affidabilità del processo.
Quando il passo tra i pin del componente è troppo ridotto, rendendo difficile ottenere un fan-out tradizionale, la tecnica via-in-pad diventa una scelta necessaria. Ad esempio, lo spazio tra i pad dei pacchetti BGA ad alta densità è stretto, e i vias e le tracce convenzionali non possono essere disposti a causa delle limitazioni di dimensione. In questo caso, i vias devono essere integrati direttamente nei pad e i canali di cablaggio degli strati interni o inferiori vengono aperti tramite Via-in-Pad, per evitare ritardi di segnale o errori di layout causati da congestione del cablaggio.
In sintesi, l'applicazione principale del via-in-pad è risolvere il "collo di bottiglia del cablaggio in presenza di layout ad alta densità". Nella progettazione, è necessario valutare innanzitutto la fattibilità attraverso il passo dei pin e i parametri di fan-out, per decidere in seguito se adottarla al fine di raggiungere il miglior equilibrio tra prestazioni, costi e producibilità.
Per i dispositivi BGA con un ridotto numero di pin, una progettazione convenzionale a ventaglio può soddisfare le esigenze di cablaggio senza dover ricorrere ai pad con via. Tuttavia, quando il BGA presenta un elevato numero di pin, un gran numero di via a ventaglio occupa rapidamente lo spazio limitato disponibile per il cablaggio, causando congestione nel percorso dei segnali. In questo caso, integrando le via nei pad con via, è possibile unire i tradizionali "pad + via" indipendenti in un unico elemento, liberando significativamente lo spazio superficiale della PCB e creando le condizioni per un cablaggio ad alta densità.
In particolare, quando il passo dei pin BGA scende al di sotto di 0,3 mm, non vi è sufficiente spazio tra i pad per ospitare le via e le tracce convenzionali, e i pad con via diventano un mezzo essenziale per superare il collo di bottiglia del cablaggio. Incorporando le via all'interno dei pad, i segnali possono essere diretti direttamente agli strati interni o inferiori, evitando ritardi di segnale o interferenze incrociate causate dal cablaggio affollato sullo stesso strato.
Nella progettazione di circuiti ad alta velocità, i condensatori di filtro vengono generalmente posizionati vicino ai dispositivi BGA per sopprimere il rumore di alimentazione e garantire l'integrità del segnale. Tuttavia, se all'interno del BGA vengono utilizzati un gran numero di fori passanti tradizionali, l'area dei fori passanti sul retro entrerà in "competizione" con i pad dei condensatori, rendendo impossibile posizionare il condensatore vicino ai pin del chip.
Via-in-Pad può evitare completamente i conflitti spaziali con i condensatori sul retro integrando i fori passanti direttamente nei pad del BGA, assicurando che i condensatori di filtro possano essere posizionati "vicini" sotto o lungo il bordo del BGA, riducendo il percorso di alimentazione e migliorando l'efficienza del filtraggio. Questo è cruciale per la stabilità dei circuiti ad alta frequenza e ad alta velocità.
1. Liberare definitivamente lo spazio per il cablaggio PCB: La progettazione integrata di fori passanti e pad può ridurre l'occupazione di spazio superficiale di oltre il 30%, risultando particolarmente adatta per progetti ad alta densità e miniaturizzati, come le schede madri degli smartphone e i moduli di controllo industriale.
2. Migliorare la dissipazione del calore e le prestazioni elettriche: Per dispositivi ad alta potenza come processori e chip di alimentazione, il Via-in-Pad può ridurre la resistenza termica, accelerare la conduzione del calore verso gli strati interni o verso gli strati di dissipazione, evitando surriscaldamenti localizzati; allo stesso tempo, il percorso di alimentazione/segnale abbreviato riduce l'induttanza e la resistenza parassite, attenuando la perdita di segnale e la caduta di tensione.
3. Migliorare la flessibilità del layout: Risolve il problema critico dei "canali di cablaggio insufficienti" in presenza di componenti ad alta densità, rendendo il layout di circuiti complessi, come i moduli RF multicanale, più agevole.
1. Maggiore complessità del processo: Sono richiesti processi speciali come il riempimento dei fori e l'appiattimento delle superfici, che richiedono una maggiore precisione di foratura e una distribuzione uniforme della galvanizzazione, ed è più probabile che si verifichino difetti come bolle nei fori e avvallamenti superficiali.
2. Aumento dei costi di produzione: I processi speciali aumenteranno i costi dei PCB del 15%-30%, e il ciclo di produzione sarà prolungato a causa di ulteriori ispezioni di qualità e interventi di riparazione.
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