Via-in-Pad

Hva er Via-in-Pad?

Via-in-Pad er en avansert gjennomkoblingsteknologi som brukes i høytetthets PCB-design. Dens kjernetrekk er å integrere den beplatede gjennomgående hullet (PTH) direkte i padet til komponenten for overflatemontering, oppnå elektrisk tilkobling ved å deponere ledende materialer som kobber i gjennomhullet, og dekke hullet med loddekladd for å sikre loddeforbindelsesreliabilitet.

I motsetning til tradisjonelle gjennomgående hull, er tradisjonelle PTH-er vanligvis plassert i ikke-lødeområder utenfor komponentpadene og må kobles til padene via ekstra spor; mens Via-in-Pad utelater denne delen av overgangskonstruksjonen, og lar gjennomhullet og padet bli direkte integrert. Dette designet er som å åpne en "direkte kanal" i midten av padet, noe som kan redusere signallengden betydelig og dermed minske signalforsinkelse og tap. Ut fra et praktisk verdisperspektiv er fordelene med via-in-pad konsentrert i to hovedaspekter: utnyttelse av plass og ytelsesforbedring: ved å integrere gjennomhullet inn i padet, reduseres plassen som trengs til ledninger på PCB-en, noe som bidrar til å gjøre produktet mindre; samtidig reduserer den forkortede signallengden risikoen for impedansforandringer og forbedrer signallintegriteten.

Denne teknologien stiller imidlertid høyere krav til produksjonsprosessen: det er nødvendig å nøyaktig kontrollere boringens nøyaktighet (hull diameter er vanligvis ≤0,3 mm) og jevnheten av elektroplateringen for å sikre en pålitelig forbindelse mellom kobberlaget i hullveggen og pad; noen design krever også at hullene fylles med resin og planlegges for å unngå bobler eller kalde loddepunkter under lodding. Derfor er produksjonskostnaden høyere enn for tradisjonell PTH, og den foretrekkes vanligvis i scenarier med høy tetthet og krav til høy ytelse.

Designveiledning for Via-in-Pad

Bruken av via-in-pad må vurderes helhetlig i kombinasjon med tettheten i PCB-layouten og komponentenes egenskaper. Følgende er designanbefalinger for spesifikke scenarier:

1. Scenarier der via-in-pad ikke er nødvendig

Etter at vifteutformingen er ferdig i startfasen av PCB-ruting, hvis innerlagruting kan oppnås gjennom konvensjonelle viaer, er det ikke nødvendig å bruke via-in-pad. Tar man som eksempel BGA-pakkede enheter, når vifteveien befinner seg i senterområdet mellom padene, kan man oppnå effektiv ruting ved å optimere via- og ruteparametre. De vanlige designstandardene er som følger:

• Viatype: 0,15–0,2mm
  
• Rutetypde: 3–4mil (ca. 0,076–0,102mm)
  
• Ringtypde: 0,3–0,4mm
  

Basert på parametrene ovenfor, når BGA-pinnene har større avstand enn 0,35mm, er det tilstrekkelig plass mellom padene til å få plass til konvensjonelle viaer og ruter, og vifteutformingen kan fullføres uten å være avhengig av via-in-pad. I dette tilfellet vil et tradisjonelt design bedre balansere kostnader og prosesspålitelighet.

2. Scenarier der Via-in-Pad anbefales

Når avstanden mellom komponentpinnene er for liten, noe som gjør det vanskelig å oppnå konvensjonell fandisk, blir via-in-pad et nødvendig valg. For eksempel er avstanden mellom loddepunktene på høytetthets BGA-pakker smal, og konvensjonelle viahull og ledere kan ikke plasseres på grunn av størrelsesbegrensninger. Da må viahullene plasseres direkte i loddepunktene, og ledningskanaler åpnes på inner- eller bunnlaget via Via-in-Pad for å unngå signalforsinkelse eller layoutfeil forårsaket av ledningskongestering.

Kort fortalt er hovedanvendelsen av via-in-pad å løse «knekkpunktet i ledningsutførelsen under høytetthetslayout». Ved design må man først vurdere muligheten gjennom pinnavstand og fandiskparametere, og deretter avgjøre om det skal benyttes for å oppnå den optimale balansen mellom ytelse, kostnad og produksjonsevne.

Den sentrale verdien av Via-in-Pad i BGA-pakking

For lav-pin-telling BGA-enheter kan konvensjonell fun-out-design oppfylle ledningskravene uten å være avhengig av Via-in-Pad. Når imidlertid BGA har et stort antall pinner, vil et stort antall fun-out-vier raskt oppta den begrensede ledningsplassen, noe som fører til overfylling i signalebanen. Ved dette tidspunktet kan integrering av vier i Via-in-Pad kombinere de opprinnelig uavhengige "padder + vier" til en enkelt, og dermed frigjøre betydelig PCB-overflateplass og skape betingelser for høy tetthet i ledningsnett.

Spesielt når BGA-pinnes plassering reduseres til mindre enn 0,3 mm, er det ikke nok plass mellom padder til å få plass til konvensjonelle vier og ledninger, og Via-in-Pad blir et nøkkelredskap for å bryte ledningsflaskehalsen. Ved å bytte inn vier i padder kan signalet direkte ledes til de indre eller nederste lagene for å unngå signalforsinkelse eller korsforstyrrelse forårsaket av trang ledning på samme lag.

Den nøkkelrolle Via-in-Pad spiller i plasseringen av filterkondensatorer

I høyhastighets kretskortdesign er det vanlig å plassere filterkondensatorer nær BGA-komponenter for å undertrykke strøystøy og sikre signallitet. Hvis imidlertid et stort antall konvensjonelle gjennomgående hull brukes inne i BGA-en, vil hullområdet på baksiden «rive områder» med kondensatorpaddene, noe som fører til at kondensatoren ikke kan plasseres nær kretsens pinner.

Via-in-Pad kan fullstendig unngå romlige konflikter med kondensatorer på baksiden ved å integrere gjennomgående hull i BGA-paddene, og sikrer at filterkondensatorer kan plasseres «tett» under eller ved kanten av BGA-en, og dermed forkorte strømveien og forbedre filtreringseffektiviteten. Dette er avgjørende for stabiliteten til høyfrekvente og høyhastighetskretser.

Betente fordeler med Via-in-Pad:

1. Frigjør til slutt PCB-kablerom: Den integrerte designet av gjennomgående hull og poler kan redusere overflaterommet med over 30 %, noe som er spesielt egnet for høy tetthet og miniatyriserte design som for eksempel smartphone hovedkort og industrielle kontrollmoduler.
2. Forbedre varmeavledning og elektrisk ytelse: For høyeffekt-enheter som prosessorer og strømchips, kan Via-in-Pad redusere termisk motstand, akselerere varmeledning til mellomlaget eller varmeavledningslaget og unngå lokal overoppheting; samtidig kan de forkortede strøm-/signalveiene redusere parasitt induktans og motstand, samt redusere signaldempning og spenningsfall.
3. Forbedre layoutfleksibilitet: Løs problemet med «utilstrekkelig kabelkanaler» under høytetthets-pakking, noe som gjør at komplekse kretser som flerkanals RF-moduler kan plasseres mer fritt.

Mulige begrensninger med Via-in-Pad:

1. Økt prosesskompleksitet: Spesialprosesser som hullfylling og overflateplanlegging kreves, noe som krever høyere boringseøyaktighet og jevn elektroplatering, og det er lett å få feil som blærer i hullene og overflateforhøyninger.
2. Økte fremstillingskostnader: Spesialprosesser vil øke PCB-kostnadene med 15–30 %, og produksjonsperioden vil bli forlenget på grunn av ekstra kvalitetsinspeksjoner og omføring.

Bruksnotater

• For Via-in-Pad som brukes til BGA, må det tydelig kreves at innsiden av gjennomgående hull fylles med resin og gjennomgår overflatebehandling med elektroplatering for å sikre at padens overflate er flat og oppfyller BGA-sveisingens planhetkrav, ellers er det lett å få kalde loddinger.
  
• Hvis designet krever at alle gjennomgående hull skal fylles med resin, må gjennomgående hull for overflatemonterte komponenter behandles i henhold til Via-in-Pad-standard for å unngå uutfylte hull som påvirker loddingen eller påliteligheten.