Wie sich nicht-funktionale Pads auf Ihr PCB-Design auswirken

Nicht-funktionale Pads werden manchmal als eine Alles-oder-Nichts-Debatte dargestellt, und es gibt zahlreiche Diskussionen über Zuverlässigkeit und Auswirkungen auf die Signalintegrität. Sollten Sie sie auf Ihren Vias belassen oder sollten Sie sie von allen Vias entfernen? Wie bei jeder Designentscheidung gibt es Kompromisse abzuwägen, und typischerweise wird ein Aspekt des Designs Vorrang vor allen anderen haben. Da es keine verallgemeinerte Regel für die Verwendung von nicht-funktionalen Pads gibt, sollten Designer bestimmen, ob ihre Layouts nicht-funktionale Pads enthalten sollten, abhängig von ihren spezifischen Anwendungen.

In diesem Artikel werde ich das Thema nicht-funktionale Pads aus drei Perspektiven betrachten: Signalintegrität, Zuverlässigkeit und Routingdichte. In einigen Designs schließen sich diese Probleme gegenseitig aus, daher müssen Sie bestimmen, welche der unten aufgeführten Designherausforderungen für Ihr Produkt am wichtigsten ist.

Designzuverlässigkeit mit nicht-funktionalen Pads

Telegraphing und ECM-Ausfall

Das Vorhandensein von nichtfunktionalen Pads auf durchkontaktierten Vias kann zu einem Zustand führen, der als "Telegraphieren" bekannt ist. Wenn es so viel Kupfer an den Vias gibt, wird das Material zwischen den Pads harzarm. Infolgedessen erscheint ein Bild des Kupferstapels als Spitzen und Täler in den Oberflächenschichten des Dielektrikums. Mit anderen Worten, das Bild des Kupferstapels wird auf die Oberfläche der Platine "telegraphiert". Die hohen Stellen schaffen Regionen, in denen Epoxidharz "herausgequetscht" werden kann, wie von einem unserer kürzlichen Podcast-Gäste beschrieben. Dies hinterlässt Hohlräume zwischen benachbarten Pads im rechten Winkel, der durch das Pad und den Via-Zylinder gebildet wird, und kann potenziell zu thermischem Versagen an der Verbindungsstelle führen.

Die Bildung von Hohlräumen führt zu einem weiteren Zuverlässigkeitsproblem: dem Versagen durch elektrochemische Migration (ECM). Die Bildung von Hohlräumen an Via-Verbindungen führt zu Haftungsproblemen und ermöglicht ECM-Pfade. Dies kann das Wachstum von dendritischen oder faserigen Strukturen zwischen den Pads aufgrund des geringfügigen Spannungsunterschieds zwischen ihnen verursachen. Das Wachstum dieser Strukturen sammelt sich im Laufe der Zeit an und führt letztendlich zu einem PCB-Versagen, das schwer zu diagnostizieren ist.

Wenn dendritische Strukturen die Lücke zwischen benachbarten Leitern überbrücken können, entsteht ein Kurzschluss. Wenn der Querschnitt der Dendrite klein ist, wird die Stromdichte hoch sein und die Struktur kann durchbrennen, was den Fehler im Wesentlichen beseitigt. Dies führt zu einem intermittierenden Ausfallverhalten, das schwer zu diagnostizieren ist.

Eine gute Übersicht zum Thema ECM in diesen Materialien finden Sie hier:

• Yi, Pan, et al. "Elektrochemisches Migrationsverhalten von kupferkaschierten Laminaten und elektrolosen Nickel/Immersion Gold-Leiterplatten unter dünnen Elektrolytschichten." Materials 10, Nr. 2 (2017): 137.

Ich würde argumentieren, dass diese Punkte besonders wichtig sind, wenn die Platine hohen Temperaturen, häufigen Temperaturzyklen ausgesetzt ist und mit hoher Spannung betrieben wird. All diese Fälle führen zu einem größeren Potenzial für Ausfälle in diesen Fällen. Daher sollten Sie erwägen, die nicht-funktionalen Pads zu entfernen, wenn es keinen anderen Grund gibt, sie zu behalten.

Das Beibehalten von nicht-funktionalen Pads für Verankerung vs. Bohrerverschleiß

In vielen Situationen sind nicht-funktionale Pads relativ harmlos. Hersteller bevorzugen es generell, dass nicht-funktionale Pads entfernt werden, da dies das Bohren erleichtert. Das Beibehalten dieser Pads wird jedoch eine stärkere Verankerung am Substrat während der Ausdehnung und Vibration bieten, sodass angenommen wird, dass es die Lebensdauer dieser Vias erhöht. Diese Debatten beziehen sich teilweise auf das Aspektverhältnis der Via.

Bei Vias mit einem niedrigen Aspektverhältnis ist die innere Kupferbeschichtung gleichmäßiger, und nicht-funktionale Pads könnten die Lebensdauer der Via erhöhen. Die Kombination aus der Verankerung, die durch das Pad bereitgestellt wird, und der gleichmäßigeren Beschichtung im Via-Zylinder führt dazu, dass die Via weniger anfällig für Risse ist. Bei Vias mit einem hohen Aspektverhältnis ist der Via-Zylinder aufgrund der dünneren Kupferbeschichtung in der Mitte des Via-Zylinders anfälliger für Risse in der Mitte, unabhängig von der Anwesenheit nicht-funktionaler Pads.

Nicht-funktionale Pads auf starren-flexiblen Leiterplatten

Beim Entwurf von flexiblen und starren-flexiblen PCBs sollte Vorsicht geboten sein. Kupfer in einer durchkontaktierten Via verbindet sich nicht so gut mit einem flexiblen Substrat wie es sich mit einem starren Substrat verbindet. Da die Kupferverbindung ein Zuverlässigkeitsproblem bei flexiblen Substraten darstellt, werden nicht-funktionale Pads nun nützlich.

Einige Hersteller empfehlen, auf Flex- und Rigid-Flex-Platinen zumindest einige nicht-funktionale Pads zu belassen, um eine Verankerung für das Kapton-Mylar-Flexmaterial zu bieten. Werden alle nicht-funktionalen Pads entlang einer Durchkontaktierung auf einer Flex-PCB entfernt, wird der Abstand zwischen funktionalen Pads sehr groß, und die Beschichtung kann beginnen, sich von der Lochwand zu lösen. Alle Pads, sowohl funktionale als auch nicht-funktionale, dienen als Verankerungspunkte, die entlang des Durchkontaktierungszylinders verteilt sind. Dies erhöht die Stärke der Durchkontaktierung auf einer Flex- oder Rigid-Flex-Platine.

Fortgeschrittene Platinen: Routing-Dichte und Hochgeschwindigkeits-/RF

Nicht-funktionale Pads nehmen wertvollen Platz auf den inneren Lagen in dünneren mehrschichtigen HDI-Platinen ein. Solange sichergestellt werden kann, dass die Platine unter thermischer Belastung stabil bleibt, kann es wünschenswert sein, nicht-funktionale Pads zu entfernen, um das Trace-Routing auf den inneren Lagen zu verdichten. Dies stellt eine Herausforderung in fortgeschritteneren Designs dar, bei denen Zuverlässigkeitsbedenken nicht vorhanden sind.

Ein anderer Bereich, in dem es nützlich ist, nicht-funktionale Pads zu entfernen, befindet sich in Hochgeschwindigkeitsdesigns oder RF-Designs, speziell bei Durchkontaktierungen, die schnellere Signale oder Hochfrequenzsignale tragen. Die anderen Durchkontaktierungen in diesen Designs können basierend auf den oben aufgeführten anderen Empfehlungen behandelt werden.

Der Grund, warum dies bei diesen fortgeschritteneren Entwürfen wichtig ist, liegt in der Signalintegrität und speziell im Entwerfen von Via-Übergängen zu einer bestimmten Impedanz. Um ein Impedanzziel mit einem Via-Übergang zu erreichen, benötigen Sie zwei Elemente:

• Stitching-Vias
• Antipad in den Lagen

Die nicht-funktionalen Pads erzeugen zusätzliche verteilte Kapazität entlang der Wand des Vias, und Via-Strukturen sind bei hohen Frequenzen sehr empfindlich gegenüber kapazitiver Belastung. Die Empfindlichkeit ist so groß, dass die Via-Impedanz zwischen WiFi- und mmWave-Frequenzen von induktiv zu kapazitiv wechseln kann, wie ich in diesem verwandten Artikel diskutiert habe. Daher bevorzuge ich es, die nicht-funktionalen Pads bei diesen Via-Übergängen einfach zu entfernen. Dies ermöglicht, dass die Antipads in internen Lagen auf denselben Durchmesser eingestellt werden, was den Parameterraum bei der Optimierung dieser Strukturen für sehr hohe Frequenzen reduziert.

Passen Sie jeden Padstack in Ihrer PCB an

Das Entscheidende ist: Nicht-funktionale Pads sind nicht erforderlich, damit eine PCB ordnungsgemäß hergestellt werden kann, aber das PCB wird nicht notwendigerweise fehlschlagen, wenn Sie sie trotzdem behalten. Einige Richtlinien besagen, dass alle nicht-funktionalen Pads immer entfernt werden sollten. Persönlich bevorzuge ich es, die NFPs bei einem einfacheren Design nur aus Gründen der Layout- und Routing-Einfachheit zu behalten, aber bei fortgeschritteneren Designs mit Signalen sollten sie entfernt werden. Für mich kommt es auf zwei Bereiche an: IPC-Klasse (oder gleichwertiger Zuverlässigkeitsstandard für das betreffende Produkt) oder ob die Via-Struktur auf einem RF-/Hochgeschwindigkeitskanal liegt.

Durchkontaktierungen in Klasse 2 vs. Klasse 3 - Wenn ich ein Design der Klasse 3 mache und das Loch für Durchsteckteile verwendet wird, werde ich ein ausreichend großes Pad auf funktionalen Schichten belassen, das den oberen/unteren Schichten entspricht, damit wir Ausbrüche überall verhindern können, und ich werde sie überall sonst entfernen. Die funktionalen Padgrößen werden einen (Via/Pad)-Durchmesser von (D/D + 10 mils) für Klasse 3 haben.

RF/Hochgeschwindigkeit - Bei Vias auf Hochgeschwindigkeitskanälen, die eine kontrollierte Via-Impedanz erfordern, werde ich die NFPs entfernen, damit ich die Via-Impedanz zuverlässig auf den gewünschten Wert einstellen kann. Ich bevorzuge dies, da es einfacher ist, die Impedanz in einem Via-Design-Tool wie Simbeor oder CST einzustellen; das Entfernen der NFPs nimmt einen Parameter aus dem Designraum. Wenn jedoch Zuverlässigkeit das Hauptanliegen ist, dann bleiben die NFPs auf dem Padstack.

Wenn Sie Altium Designer^® verwenden, können Sie den Padstack in jeder Schicht leicht anpassen. Sie benötigen kein externes Programm, um Padstacks zu erstellen, alles geschieht innerhalb des PCB-Editors. Sie können sogar unterschiedliche NFP-Größen auf verschiedenen Schichten platzieren, oder Sie können NFPs auf bestimmten Schichten entfernen. Dieses praktische Werkzeug hilft Ihnen, das Gleichgewicht zwischen Routingdichte, Zuverlässigkeit und Hochgeschwindigkeits-Via-Design zu finden.

Das Erstellen benutzerdefinierter Padstacks ist einfach in Altium Designer. Erfahren Sie mehr in der Dokumentation.

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