Ścieżka w polu

Czym jest Via-in-Pad?

Via-in-Pad to zaawansowana technologia otworów przewlekanych stosowana w projektowaniu PCB o dużej gęstości. Jej podstawową cechą jest integrowanie otworu przewlekanego pokrytego metalem (PTH) bezpośrednio w polu lutowniczym elementu montowanego powierzchniowo, osiągając połączenie elektryczne poprzez osadzanie przewodzących materiałów, takich jak miedź, w otworze oraz pokrywanie otworu maską lutowniczą w celu zapewnienia niezawodności lutowania.

W przeciwieństwie do tradycyjnych otworów przelotowych, tradycyjne PTH są zazwyczaj rozmieszczane w strefach niespawalnych poza polami elementów i wymagają połączenia z polami za pomocą dodatkowych ścieżek; natomiast Via-in-Pad pomija ten element struktury przejściowej, umożliwiając bezpośrednie połączenie otworu przelotowego z polem. Ten projekt działa jak otwarcie "kanału bezpośredniego" w centrum pola, co znacząco skraca ścieżkę transmisji sygnału i zmniejsza opóźnienie oraz straty sygnału. Z punktu widzenia wartości praktycznej, zalety via-in-pad koncentrują się na dwóch aspektach: wykorzystaniu przestrzeni i poprawie wydajności: poprzez wbudowanie otworu przelotowego w pole zmniejsza się miejsce potrzebne do prowadzenia ścieżek na PCB, co sprzyja miniaturyzacji produktu; jednocześnie skrócona ścieżka sygnału zmniejsza ryzyko skoków impedancji i poprawia integralność sygnału.

Jednak ta technologia stawia wyższe wymagania wobec procesu produkcji: konieczne jest precyzyjne kontrolowanie dokładności wiercenia (średnica otworu zwykle ≤0,3 mm) oraz jednolitości pokrycia elektrolitycznego, aby zagwarantować niezawodne połączenie między warstwą miedzi na ścianie otworu a poligonem; niektóre projekty wymagają również wypełnienia otworów żywicą i wyrównania ich, aby uniknąć powstawania pęcherzyków lub zimnych lutów podczas spawania. Dlatego koszt jej produkcji jest wyższy niż tradycyjnych otworów przelotowych (PTH) i zazwyczaj jest wybierana w przypadkach o dużej gęstości i wysokich wymaganiach wydajności.

Wytyczne projektowe dla via-in-pad

Zastosowanie via-in-pad należy oceniać kompleksowo, łącząc gęstość rozmieszczenia elementów PCB oraz ich cechy charakterystyczne. Poniżej przedstawiono rekomendacje projektowe dla konkretnych scenariuszy:

1. Scenariusze, w których nie jest wymagane stosowanie via-in-pad

Po wykonaniu projektu rozwidlenia na wczesnym etapie trasowania PCB, jeśli trasowanie warstw wewnętrznych może zostać zrealizowane przy użyciu standardowych przejść (vias), nie ma potrzeby stosowania przejść w polu lutowniczym (via-in-pad). Jako przykład można podać urządzenia w obudowach BGA – gdy ścieżka rozwidlenia znajduje się w centralnym obszarze między polami lutowniczymi, efektywne trasowanie można osiągnąć poprzez optymalizację parametrów przejść i ścieżek. Typowe standardy projektowe są następujące:

• Średnica przejścia (via): 0,15–0,2 mm
  
• Szerokość ścieżki: 3–4 mil (około 0,076–0,102 mm)
  
• Szerokość obręczy: 0,3–0,4 mm
  

Na podstawie powyższych parametrów, gdy rozstaw pinów BGA jest większy niż 0,35 mm, przestrzeń między polami lutowniczymi jest wystarczająca, aby pomieścić standardowe przejścia i ścieżki, a rozwidlenie może zostać wykonane bez konieczności stosowania przejść w polu lutowniczym. W takim przypadku wybór tradycyjnego rozwiązania lepiej pozwala uzyskać równowagę między kosztami a niezawodnością procesu.

2. Sytuacje, w których zaleca się stosowanie przejść w polu lutowniczym (via-in-pad)

Gdy rozstaw pinów elementu jest zbyt mały, co utrudnia realizację tradycyjnego rozwidlenia, zastosowanie otworów w padach staje się koniecznym rozwiązaniem. Na przykład, przestrzeń pomiędzy padami pakietów BGA o dużej gęstości jest wąska, a ze względu na ograniczenia rozmiarowe nie można rozmieścić tradycyjnych via i ścieżek. W takim przypadku otwory muszą zostać bezpośrednio zintegrowane z padami, a kanały do prowadzenia ścieżek w warstwach wewnętrznych lub na dolnej warstwie są tworzone poprzez technologię Via-in-Pad, aby uniknąć opóźnień sygnałów lub niepowodzeń w układaniu ścieżek spowodowanych zatorami routingu.

Prowadząc, głównym zastosowaniem technologii Via-in-Pad jest rozwiązanie problemu "wąskiego gardła w rozmieszczeniu o dużej gęstości". Na etapie projektowania konieczne jest wstępną ocenę możliwości realizacji poprzez parametry rozstawu pinów i fan-out, a następnie podjęcie decyzji o jej zastosowaniu, by osiągnąć optymalną równowagę pomiędzy wydajnością, kosztem i możliwością produkcji.

Główna wartość technologii Via-in-Pad w pakietowaniu BGA

W przypadku obudów BGA o niewielkiej liczbie wyprowadzeń (low-pin-count) tradycyjny projektowanie wyprowadzeń może spełniać wymagania routingu bez konieczności stosowania technologii Via-in-Pad. Jednak gdy obudowa BGA posiada dużą liczbę pinów, duża liczba otworów wyprowadzających szybko zajmuje ograniczoną przestrzeń routingu, powodując zator w ścieżkach sygnałowych. W takim przypadku integracja otworów w technologii Via-in-Pad umożliwia połączenie pierwotnie niezależnych elementów "pady + otwory" w jeden, znacząco zwiększając dostępne miejsce na powierzchni PCB i tworząc warunki do realizacji gęstego routingu.

Szczególnie wtedy, gdy rozstaw pinów BGA zmniejszy się poniżej 0,3 mm, nie ma wystarczającej przestrzeni między padami, aby pomieścić tradycyjne otwory oraz ścieżki. W tej sytuacji technologia Via-in-Pad staje się kluczowym rozwiązaniem umożliwiającym przejście przez wąskie gardło routingu. Poprzez umieszczenie otworów wewnątrz padów, sygnał może być bezpośrednio kierowany do warstw wewnętrznych lub dolnych, unikając opóźnień sygnału lub zakłóceń wzajemnych spowodowanych gęstym rozmieszczeniem ścieżek na tej samej warstwie.

Główna rola technologii Via-in-Pad w układaniu kondensatorów filtrujących

W projektowaniu obwodów wysokoprzepustowych kondensatory filtrujące są zazwyczaj umieszczane blisko urządzeń BGA w celu tłumienia zakłóceń zasilania i zapewnienia integralności sygnału. Jednakże, jeśli wewnątrz BGA stosowanych jest dużą ilość tradycyjnych otworów przelotowych, to obszar otworów przelotowych na spodzie będzie "walczył o przestrzeń" z polami lutowniczymi kondensatorów, co skutkuje niemożliwością umieszczenia kondensatora blisko wyprowadzeń układu.

Technologia Via-in-Pad całkowicie unika konfliktów przestrzennych z kondensatorami na spodzie, integrując otwory przelotowe z polami lutowniczymi BGA, umożliwiając "bliskie" rozmieszczenie kondensatorów filtrujących bezpośrednio pod lub przy krawędzi BGA, skraca ścieżkę zasilania i poprawia skuteczność filtracji. Jest to istotne dla stabilności obwodów wysokiej częstotliwości i szybkich obwodów cyfrowych.

Znaczące zalet technologii Via-in-Pad:

1. Ostateczne zwolnienie przestrzeni pod płytkę PCB: Zintegrowany projekt otworów i padów pozwala zmniejszyć zajętość powierzchni o ponad 30%, co jest szczególnie przydatne w przypadku konstrukcji o dużej gęstości i miniaturyzowanych, takich jak płyty główne smartfonów czy moduły sterujące przemysłowe.
2. Poprawa odprowadzania ciepła i właściwości elektrycznych: W przypadku urządzeń o dużej mocy, takich jak procesory czy układy zasilające, Via-in-Pad zmniejsza opór termiczny, przyspiesza przewodzenie ciepła do warstw wewnętrznych lub warstw chłodzących oraz zapobiega lokalnemu przegrzewaniu; równocześnie skrócony tor zasilania/sygnału zmniejsza indukcyjność pasożytniczą i opór, ograniczając tłumienie sygnału i spadek napięcia.
3. Zwiększenie elastyczności rozmieszczenia: Rozwiązuje problem "niewystarczającej liczby kanałów routingu" przy pakowaniu o dużej gęstości, umożliwiając swobodniejsze projektowanie skomplikowanych obwodów, takich jak wielokanałowe moduły RF.

Potencjalne ograniczenia technologii Via-in-Pad:

1. Zwiększona złożoność procesu: Wymagane są specjalne procesy, takie jak wypełnianie otworów i wyrównywanie powierzchni, które wymagają wyższej dokładności wiercenia i jednolitości pokrycia galwanicznego, a także są bardziej narażone na wady, takie jak pęcherzyki w otworach i wgłębienia na powierzchni.
2. Zwiększone koszty produkcji: Specjalne procesy podniosą koszty PCB o 15%-30%, a cykl produkcji wydłuży się w wyniku dodatkowych kontroli jakości i prac poprawkowych.

Uwagi dot. zastosowania

• W przypadku zastosowania otworów przelotowych w polu lutowniczym (Via-in-Pad) do BGA, konieczne jest wyraźne określenie, że wnętrze otworu przelotowego musi być wypełnione żywicą i poddane obróbce galwanicznej w celu zapewnienia gładkiej powierzchni pola oraz spełnienia wymagań płaskości (coplanarity) niezbędnych do prawidłowego lutowania BGA, w przeciwnym wypadku istnieje ryzyko powstania zimnych lutów.
  
• Jeśli projekt wymaga wypełnienia wszystkich otworów przelotowych żywicą, to otwory przelotowe znajdujące się w miejscach elementów SMD należy przetwarzać zgodnie ze standardem Via-in-Pad, aby uniknąć niezapełnionych otworów, które mogą negatywnie wpływać na jakość lutowania lub niezawodność.