Las encroached vias y sus ventajas

Una via es un taladro metalizado que conecta diferentes capas en un PCB. Su nombre proviene de concepto inglés Vertical Interconnect Access y son las estructuras más críticas en el PCB debido a las siguientes razones:

• El proceso de metalizado. Tras el taladrado las vias deben metalizar con un proceso electrolítico en el cual el aspect ratio es crucial para un metalizado correcto.
• El coeficiente de expansión en el eje Z del material dieléctrico (CTE-Z). La expansión del material estresa mecánicamente las vias durante los diferentes ciclos de temperatura.
• Las tolerancias en el proceso de taladrado y metalizado que desvían el resultado de los valores nominales.
• El atrapamiento de contaminantes dentro de la via. Estos contaminantes puede afectar a la fiabilidad de la via y comprometer el funcionamiento del circuito.

Existen multitud de tipos de vias, vias pasantes, vias enterradas, vias ciegas, micro-vias, plugged vias, vias tapadas… . El standard IPC-4761 “Design Guide for Protection of Printed Board Via Structures” clarifica algunos de estos tipos de vias.  En este artículo se expone las ventajas de las encroached vias o, es su larga traducción al castellano, vias tapadas con taladros destapados.

Las vias y la máscara de soldadura.

Existen tres tipos de vias dependiendo de la configuración de la capa de soldadura respecto al pad.

1. Vias destapadas, la máscara de soldadura no cubre el pad de la via
2. Vias tapadas, la máscara de soldadura cubre por completo el pad y el taladro de la via.
3. Vias tapadas con taladros destapados, la apertura de la máscara de soldadura es menor al tamaño del pad y mayor que el taladro.

Las vias tapadas no son recomendables. El recubrimiento del taladro con máscara de soldadura no es un proceso fiable y da lugar a problemas de calidad. Además este proceso puede atrapar residuos de fabricación dentro de la via que provocan fallos de fiabilidad de la via. Una solución es rellenar la via antes de cubrirla. Este tipo de vias son conocidas como filled vias y se explicarán en futuros artículos.

Los otros dos tipos de vias no ofrecen problemas durante el proceso de fabricación y ambas son opciones válidas para el diseñador. Sin embargo, las vias tapadas con taladros destapados ofrecen una ventaja frente a las vias descubiertas. En la imagen inferior se muestra el mismo diseño con los dos tipos de via.

La apertura en la máscara de soldadura de la via destapada provoca un trazo demasiado fino y no es manufacturable. (Por lo general, un trazo menor de 0.1mm no es recomendable). Si el diseñador no soluciona esto, el fabricante eliminará ese trazo de la máscara de soldadura y el resultado se asemejará al mostrado en la siguiente imagen.

La barrera de máscara de soldadura entre el pad y la via ejerce una función vital durante el proceso de ensamblaje, contiene la pasta de soldadura en la cercanía del pad durante el proceso de reflow ayudando así a una correcta formación de la soldadura. Sin esta barrera la pasta de soldadura podría fluir e inundar la via, esto se conoce en inglés como solder migration. Esto provocaría una incorrecta soldarua del pin y problemas de fiabilidad.

La definición de vias tapadas con taladros destapados en Altium Designer

Para definir encroached vias en Altium existe varias posibilidades. Se puede definir manualmente la apertura en la capa de soldadura (solder mask expansion) para cada una de las vias o se puede definir una regla de diseño. Definir reglas de diseño en lugar de editar manualmente las vias resulta siempre más fiable y ayuda a mantener las consistencia en todo el diseño. 

Para usar encroached vias en nuestro diseño unicamente tenemos que definir una regla de tipo “Solder Mask Expansion” reduciendo la apertura de la capa de soldadura para vias. Haciendo uso del Query Language podemos usar la sentencia, Isvia. Altium permite definir la apertura de la máscara de soldadura en relación al borde del taladro.  Por lo general, una apertura 0.15mm mayor que el taladro es suficiente. Esto supone definir el parametro a 0.075mm.

El valor 0.0.75mm es una estimación de la tolerancia de registrado de la máscara de soldadura respecto al cobre y está en línea con la expansión usada generalmente para los pads SMD. Para la mayoría de fabricante este valor es razonable aunque quizás definan valores algo más conservadores en sus capacidades técnicas. 

Recalcar que antes de añadir una regla a tu diseño debes entender  el objetivo de la regla y evaluar si cumple con los requerimientos de tu diseño. También debes confirmarlo con tu fabricante para una mayor seguridad. Si una expansión de 0.075mm es muy exigente para tu fabricante puedes incrementarlo a 0.1mm o 0.15mm.

Información adicional sobre vias

Este episodio del podcast de Altium, ONTrack trata el tema de la protección de las vias. El estándar IPC-4761 expone los diferentes tipos de vias. Este documento amplía la información sobre solder migration.

Encroached vias, la opción por defecto para un diseño profesional.

Las encroached vias no suponen ningún coste adicional ni compromete ningún aspecto eléctrico del circuito o del proceso de fabricación y además ofrece ventajas durante el proceso de  ensamblaje. En sin duda, la mejor elección para el diseñador para crear un diseño profesional.