Wann man abgedeckte vs. nicht abgedeckte Vias in Ihrem PCB-Layout verwenden sollte

Es gibt einige Richtlinien, die viele Designer als Standardpraxis implementieren, oft ohne darüber nachzudenken. Einige dieser Praktiken werden missverstanden oder ohne Best Practices implementiert, wie zum Beispiel Kupferflächen in Signallagen. Andere werden implementiert, ohne über die potenziellen Probleme nachzudenken, sondern nur, weil diese Probleme in Ausnahmefällen auftreten. Eine davon ist die Verwendung von abgedeckten Vias, die manchmal standardmäßig in einem PCB-Layout implementiert wird.

Ist das immer die richtige Praxis? Und welche möglichen Zuverlässigkeitsbedenken gibt es bei abgedeckten Vias? Das sind wichtige Fragen, besonders wenn Zuverlässigkeitsbedenken im Zusammenhang mit Vias mit hohem Aspektverhältnis und gestapelten Mikrovias aufkommen. In diesem Artikel werden wir einige dieser Designpunkte rund um das Abdecken von Vias untersuchen und wann Sie es in Ihrem PCB-Layout vermeiden sollten.

Wann man abgedeckte Vias vs. nicht abgedeckte Vias verwenden sollte

Die Idee hinter dem Zeltieren von Vias ist einfach: Sie bedecken alle Vias auf Ihrer Leiterplatte mit Lötstopplack, sodass kein Pad/Ring am Via-Loch und der Via-Zylinder selbst der Umgebung ausgesetzt sind. Der Lötstopplack wird aufgebracht, um einen gewissen Schutz für das Via-Pad und die Beschichtung im Inneren des Via-Zylinders zu bieten. Wenn Sie sich ein PCB-Layout ansehen, können Sie gezeltete Vias einfach erkennen, indem Sie Ihre Lötstoppmaskenschicht betrachten; das Gleiche gilt für die Gerber-Datei dieser Lötstoppmaskenschicht.

Das Zeltieren von Vias wird manchmal als DFA-Anforderung sowie als Zuverlässigkeitsanforderung angesehen. Einige der genannten Vorteile und Nachteile des Zeltierens von Vias umfassen:

• Zeltieren verhindert die Exposition gegenüber Umweltfaktoren, die die Lebensdauer des Geräts reduzieren, wie schädliche Chemikalien oder Feuchtigkeit.
• Zeltieren kostet weniger als das Verstopfen oder Füllen/Plattieren von Vias mit einem Epoxid, was den einfachsten Prozess darstellt, den Sie zum Schutz von Vias verwenden können.
• Zeltieren kann sowohl die Montage unterstützen als auch behindern, abhängig von der speziellen Komponente, die auf der Platine platziert und gelötet wird.

Lassen Sie uns jeden dieser Bereiche betrachten, um einige Fälle zu sehen, in denen wir gezeltete Vias einbeziehen oder weglassen müssen.

Verhinderung von Lötmittelwicking

Vias, die nahe an SMD-Komponenten platziert sind, können einen Weg für das Lötzinn bieten, um auf die Rückseite der Platine zu gelangen. Es gibt drei mögliche Lösungen für dieses Problem:

1. Reduzieren Sie die Öffnung der Pastenmaske, sodass weniger Lötpaste auf die betreffenden SMD-Pads aufgetragen wird
2. Verschieben Sie diese Vias weiter weg von den SMD-Pads und stellen Sie sicher, dass zwischen jedem Pad und seinem verbindenden Via ein Lötstopplack-Damm vorhanden ist
3. Zelten Sie selektiv Vias in der Nähe von SMD-Pads, ohne die Pastenmaske zu modifizieren

Meiner Meinung nach ist #3 die beste Option, angesichts aller anderen möglichen Lösungen. Der Grund dafür ist, dass es eine sehr einfache Änderung ist, die nur das Schließen der Lötstopplack-Erweiterung auf spezifischen Vias erfordert.

Umweltschutz für kleine Vias

Zelten wird am besten bei kleinen Vias mit einem fertigen Lochdurchmesser von weniger als etwa 12 mil verwendet. Der spezifische Durchmessergrenzwert hängt von der LPI-Lötstopplack-Lösung ab, und Ihr Hersteller sollte in der Lage sein, einen maximalen Via-Durchmesser zu empfehlen, um ein zuverlässiges Zelten zu gewährleisten. Ist der Durchmesser des Vias zu groß, könnte der Lötstopplack brechen und ein kleines Loch hinterlassen, das Kontaminanten in den Via-Zylinder eindringen lässt. Hier entstehen Zuverlässigkeitsbedenken, insbesondere wenn Umweltschutz erforderlich ist.

Wenn das Innere einer Durchkontaktierung der Umgebung ausgesetzt ist und nicht mit einer Plattierungsbeschichtung oder einem anderen Material (z.B. konformale Beschichtung) geschützt ist, könnte das freiliegende Kupfer langsam korrodieren. Der Prozess beschleunigt sich, wenn die Durchkontaktierung nur auf einer Seite abgedeckt ist und sich innerhalb des Durchkontaktierungsrohrs einige Verunreinigungen ansammeln könnten. Diese Exposition könnte auch dazu führen, dass das Gerät frühzeitig ausfällt. Daher sollte jedes Gerät, das einer Umgebung ausgesetzt sein könnte, in der sich eine Verunreinigung im Inneren des Durchkontaktierungsrohrs ansammeln könnte, nach Möglichkeit abgedeckt werden.

Im Fall, dass einige der Durchkontaktierungen nicht abgedeckt sind, können Sie immer die PCBA mit einer konformalen Beschichtung versehen, um ihr diese zusätzliche Ebene des Umweltschutzes zu geben. Dies wäre eine großartige Lösung, wenn die Umweltbedenken etwas wie Feuchtigkeit oder Staub wären, aber es könnte problematisch sein bei Ausgasung in einer Niederdruckumgebung, wie im Weltraum oder in einem speziellen Industriesystem.

Montagebedenken bei abgedeckten Durchkontaktierungen vs. nicht abgedeckten Durchkontaktierungen

Tentierte Vias können in bestimmten Fällen Montageprobleme verursachen. Die potenziellen Montageprobleme hängen davon ab, ob Sie eine Komponente mit feinem Raster montieren müssen oder bei hohen Dichten arbeiten, die Sie an die Grenze bringen, an der Via in Pad benötigt werden könnte. Das Tentieren von Vias in der PCB-Montage sollte aus zwei Perspektiven betrachtet werden:

• Gibt es eine Chance, dass das Lötzinn während der Montage auf die Rückseite der Platine fließt? Wenn ja, dann sollten die Vias in der Nähe des Bauteil-Fußabdrucks tentiert werden.
• Wird übermäßiger Flussmittelrückstand Probleme mit Kontamination und möglicherweise Kurzschlüssen verursachen? Wenn ja, dann sollten die Vias in der Nähe oder unter dem Bauteil-Fußabdruck nicht tentiert werden.

Ein großartiges Beispiel hierfür ist ein Massepad unter einer QFN-Komponente oder einem großen TO-Gehäuse. Dieses Pad wird Vias enthalten, muss aber mit der Komponente verlötet werden, um eine elektrische Verbindung herzustellen und um sicherzustellen, dass die Wärme leicht von der Komponente abgeleitet wird. Die Rückseite der Platine könnte jedoch tentiert sein, um das Fließen von Lötzinn zu verhindern. Ich würde argumentieren, dass in diesem Fall das Fließen wichtiger ist und diese Vias tentiert werden sollten, besonders wenn es auf der Rückseite andere Komponenten gibt, die kurzschließen könnten, falls Lötzinnfließen auftritt.

Für ein BGA mit einem Dog-Bone-Fanout sollte klar sein, dass die beiden Ziele in Konflikt stehen. Wenn Sie die Vias im Fanout unbedeckt lassen, haben Sie einen klaren Fluchtweg für Flussmittel während der Montage, und das Oberflächenbeschichtungsmaterial wird das Kupfer vor Umweltschäden schützen. Wenn Sie jedoch diese Vias abdecken, auf derselben Seite wie die BGA-Pads, verhindern Sie, dass Lötzinn auf die Rückseite der Platine gesaugt wird.

Meiner Meinung und Erfahrung nach liegt die Trennlinie bei der erlaubten Lötstopplack-Schichtdicke zwischen dem BGA-Pad und dem Via. Wenn Sie die Vias unbedeckt lassen und die Lötstopplack-Schicht zu dünn ist, kann sie nach der Fertigung abbrechen, was bedeutet, dass Sie Ihren Lötmaskendamm verlieren und das Risiko besteht, dass die BGA-Lötkugel durch das offene Via-Barrel fließt. Wenn das unbedeckte Via eine zu dünne Lötstopplack-Schicht hinterlassen würde, würde ich empfehlen, die Vias abzudecken und die Verwendung eines zuverlässigen No-Clean-Flussmittels während der Montage anzufordern. Der Monteur sollte wissen oder Daten darüber haben, ob ihr No-Clean-Flussmittel jemals dazu führen wird, dass die Lötkugeln während des Reflows kurzschließen.

Einseitig oder beidseitig?

Die nicht so offensichtliche nächste Frage, die man sich stellen sollte, ist: Sollte man auf einer oder beiden Seiten zelten?

Meine Meinung ist, wenn man Vias zeltet, dann sollte man es auf beiden Seiten tun. Die Ausnahme bildet das Via-in-Pad, Vias in einem freiliegenden Kupferpolygon/-schiene oder Vias in einem Erdungspad (siehe das TO-Paketbeispiel unten). Diese Merkmale erfordern freiliegendes Kupfer, daher wird das Via auf einer Seite freiliegen und man kann nur auf der anderen Seite zelten. Andernfalls, sobald Vias groß genug werden, sollte man sie unverzeltet lassen und eine geeignete Plattierung wählen, die die freiliegenden Leiter schützt.

Gezelte vs. Ungezelte Vias Zusammengefasst

Offensichtlich gibt es, basierend auf der Liste der möglichen Bedenken oben, einen Kompromiss zwischen dem Zelten zum Schutz gegen potenzielle Umweltkontaminationen und dem Belassen eines Designs unverzeltet, um sicherzustellen, dass Montagekontaminanten sich aus der Montage entweichen können. Wenn eines dieser Probleme in einem bestimmten System von Bedeutung ist, dann sollte die PCBA gründlich getestet werden, um sicherzustellen, dass sie korrekt funktioniert und dass das Design nicht unter Zuverlässigkeitsproblemen aufgrund von gezelten Vias leiden wird.

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