Via-in-pad

Wat is Via-in-Pad?

Via-in-Pad is een geavanceerde through-hole technologie die wordt gebruikt in high-density PCB ontwerp. De kernfunctie hiervan is het integreren van het gegalvaniseerde through-hole (PTH) direct in de pad van het surface mount component, waarbij de elektrische verbinding wordt gerealiseerd door geleidende materialen zoals koper in het through-hole af te zetten, en het gat wordt bedekt met soldermask om de lasbetrouwbaarheid te garanderen.

In tegenstelling tot traditionele through-holes zijn traditionele PTH's meestal geplaatst in niet-gelasteerde gebieden buiten de componentpads en moeten ze worden verbonden met de pads via extra banen; terwijl Via-in-Pad deze overgangsstructuur weglaat, waardoor het through-hole en de pad direct kunnen worden geïntegreerd. Dit ontwerp is te vergelijken met het openen van een "directe verbinding" in het midden van de pad, wat het signaaltransmissiepad aanzienlijk kan verkorten en signaalvertraging en -verlies kan verminderen. Vanuit een praktisch oogpunt zijn de voordelen van via-in-pad vooral te vinden in twee aspecten: ruimtebenutting en prestatieverbetering: door het through-hole in de pad te integreren, kan de routingsruimte op de PCB worden verkleind, wat bijdraagt aan de miniaturisering van het product; tegelijkertijd vermindert het verkorte signaalpad het risico op impedantietrillingen en verbetert de signaalintegriteit.

Deze technologie stelt echter hogere eisen aan het productieproces: het is noodzakelijk om de boorgenauwkeurigheid nauwkeurig te beheersen (de gatdiameter is meestal ≤0,3 mm) en de uniformiteit van de elektrolytische bedekking, om een betrouwbare verbinding te garanderen tussen de koperlaag van de gatwand en de pad; sommige ontwerpen vereisen ook dat de gaten met hars worden gevuld en gevlakt, om te voorkomen dat er tijdens het solderen luchtbellen of koude soldeerverbindingen ontstaan. Daarom is de productiekost hoger dan die van traditionele PTH, en wordt het meestal toegepast in situaties met hoge dichtheid en hoge prestatie-eisen.

Ontwerprichtlijnen voor Via-in-Pad

Het gebruik van via-in-pad moet worden beoordeeld in combinatie met de dichtheid van de PCB-layout en de kenmerken van de componenten. Hieronder volgen ontwerpanbevelingen voor specifieke scenario's:

1. Scenario's waarin via-in-pad niet vereist is

Na het voltooien van de ventilator-uitontwerp in het vroege stadium van PCB-routering, indien de interne laagroutering kan worden gerealiseerd via conventionele via's, is er geen noodzaak om via-in-pad te gebruiken. Neem bijvoorbeeld apparaten met BGA-verpakking: wanneer het ventilator-uitpad zich bevindt in het centrale gebied tussen de pads, kan efficiënte routering worden bereikt door de via- en routeringsparameters te optimaliseren. De typische ontwerpnormen zijn als volgt:

• Viadiameter: 0,15–0,2mm
  
• Routeringsbreedte: 3–4mil (ongeveer 0,076–0,102mm)
  
• Ringbreedte: 0,3–0,4mm
  

Op basis van bovenstaande parameters, wanneer de pinafstand van de BGA groter is dan 0,35mm, is de ruimte tussen de pads voldoende om conventionele via's en routering te accommoderen, en kan de ventilator-uit worden voltooid zonder te vertrouwen op via-in-pad. Op dat moment kan met een traditioneel ontwerp beter worden voldaan aan de balans tussen kosten en procesbetrouwbaarheid.

2. Scenario's waarin Via-in-Pad wordt aanbevolen

Wanneer de afstand tussen de pinnen van een component te klein is, waardoor het moeilijk wordt om een conventionele ontvlechting te realiseren, wordt via-in-pad een noodzakelijke keuze. Bijvoorbeeld, de ruimte tussen de pads van high-density BGA-packages is vaak te klein, waardoor conventionele vias en banen vanwege de beperkte afmetingen niet kunnen worden geplaatst. In dergelijke gevallen moeten de vias direct in de pads worden geïntegreerd, en worden via via-in-pad de benodigde verbindingskanalen op de binnenste of onderste lagen geopend, om signaalvertragingen of lay-outfouten als gevolg van verbindingsdichtheid te voorkomen.

Kortom, de kernaanwendung van via-in-pad is om het 'verbindingsbottleneck onder high-density lay-out' op te lossen. Tijdens het ontwerp is het noodzakelijk om eerst de haalbaarheid te beoordelen aan de hand van de pin-afstand en de ontvlechtingsparameters, om daarna te beslissen of via-in-pad moet worden toegepast om het optimale evenwicht te bereiken tussen prestaties, kosten en producteerbaarheid.

De kernwaarde van via-in-pad in BGA-verpakkingen

Voor BGA-apparaten met een laag aantal pinnen kan een conventionele fan-out lay-out de verbindingsvereisten voldoen zonder gebruik te maken van Via-in-Pad. Echter, wanneer het BGA-apparaat een groot aantal pinnen heeft, zullen vele fan-out via's snel de beperkte verbindingsruimte in beslag nemen, wat leidt tot congestie in de signaalpaden. Op dat moment kan het integreren van de via's in Via-in-Pad de oorspronkelijk afzonderlijke "pads + via's" combineren tot één geheel, waardoor de oppervlakte van de PCB aanzienlijk wordt vrijgemaakt en voorwaarden worden gecreëerd voor hoogdichtheidsverbindingen.

Vooral wanneer de afstand tussen de BGA-pinnen kleiner is dan 0,3 mm, is er onvoldoende ruimte tussen de pads om conventionele via's en traces te plaatsen, en wordt Via-in-Pad een sleuteltechniek om het bottleneck in de verbindingsmogelijkheden te doorbreken. Door de via's in de pads te integreren, kunnen signalen direct naar binnenste of onderste lagen worden geleid, waardoor signaalvertragingen of kruisinterferentie door overbevolkte verbindingen op dezelfde laag worden vermeden.

De sleutelrol van Via-in-Pad in de lay-out van filtercondensatoren

In hoogfrequente printplaatontwerpen worden filtercondensatoren meestal dicht bij BGA-componenten geplaatst om voedingsruis te onderdrukken en de signaalintegriteit te garanderen. Echter, indien een groot aantal conventionele via's binnen de BGA wordt gebruikt, zal het via-gebied aan de onderkant "grondgebied concurreren" met de condensatorpads, waardoor het niet mogelijk is de condensator dicht bij de chipaansluitingen te plaatsen.

Via-in-Pad kan ruimtelijke conflicten met de condensatoren aan de onderkant volledig vermijden door de via's te integreren in de BGA-pads, zodat de filtercondensatoren "dicht op elkaar" kunnen worden geplaatst onder of aan de rand van de BGA, waardoor het voedingspad wordt verkort en de filterefficiëntie wordt verbeterd. Dit is cruciaal voor de stabiliteit van hoogfrequente en hoogfrequent circuits.

Aanzienlijke voordelen van Via-in-Pad:

1. PCB-bedradingruimte definitief vrijgeven: Het geïntegreerde ontwerp van doorverbindingen en pads kan het oppervlaktegebruik met meer dan 30% verminderen, wat bijzonder geschikt is voor hoge dichtheid en miniaturisatie, zoals smartphone moederborden en industriële regelmodules.
2. Verbeterde koeling en elektrische prestaties: Voor high-power apparaten zoals processoren en powerchips kan Via-in-Pad de thermische weerstand verminderen, de warmtegeleiding naar de binnenste laag of koellagen versnellen en lokale oververhitting voorkomen; tegelijkertijd kan het verkorte stroom/signaalpad de paracitische inductie en weerstand verminderen, signaalverzwakking en spanningsval verminderen.
3. Verbetere lay-outflexibiliteit: Het oplossen van het probleem "onvoldoende bedradingkanalen" onder hoge dichtheid verpakking, waardoor de lay-out van complexe schakelingen zoals multikanaal RF modules meer ruimte biedt.

Mogelijke beperkingen van Via-in-Pad:

1. Verhoogde procescomplexiteit: Er zijn speciale processen vereist, zoals het vullen van gaten en het egaliseren van oppervlakken, wat een hogere boorgnauwkeurigheid en elektrolytische plating uniformiteit vereist, en is gevoelig voor defecten zoals luchtbellen in de gaten en oppervlakteverlagingen.
2. Verhoogde productiekosten: Speciale processen zullen de PCB-kosten met 15%-30% verhogen, en de productietijd wordt verlengd door aanvullende kwaliteitscontroles en herwerkzaamheden.

Toepassingsnotities

• Voor Via-in-Pad gebruikt voor BGA, dient duidelijk te worden vereist dat het binnenste van het doorverbindinggat wordt gevuld met hars en wordt onderworpen aan oppervlakte-elektroplating behandeling, om zo een vlak padoppervlak te garanderen dat voldoet aan de coplanariteitseisen voor BGA-soldeer, anders kan dit gemakkelijk leiden tot koude soldeerverbindingen.
  
• Indien het ontwerp vereist dat alle doorverbindinggaten worden gevuld met hars, moeten de doorverbindinggaten van het oppervlaktemontagedevice volgens de Via-in-Pad-standaard worden verwerkt, om te voorkomen dat ongevulde gaten het soldeerproces of de betrouwbaarheid negatief beïnvloeden.