Diseño de PCB: ¿Qué son las Relaciones de Aspecto y Por Qué son Importantes?

Cualquier vía en un PCB puede causar problemas de fiabilidad, los cuales se relacionan con el tamaño de la vía y los materiales utilizados en el PCB. Cuando se coloca una vía en un PCB, el tamaño del taladro y la profundidad en el PCB definen la relación de aspecto de una vía. Este parámetro es un determinante importante de la fiabilidad de la vía. La capacidad para fabricar de manera fiable vías con diferentes relaciones de aspecto depende de varios factores. Por ejemplo, algunos fabricantes te ofrecerán vías con relaciones de aspecto muy altas que pueden fabricar y demostrar su fiabilidad en pruebas de estrés acelerado.

La relación de aspecto de la vía que utilizas en tu PCB depende del tamaño del taladro que puedes fabricar de manera fiable en la placa. Hay algunas limitaciones prácticas y reglas generales a considerar cuando diseñas tus vías para tener una relación de aspecto objetivo. Examinaré algunos de estos puntos en este artículo, tanto para vías perforadas mecánicamente como para microvías.

¿Qué es la Relación de Aspecto de una Vía en el Diseño de PCB?

La relación de aspecto de una vía en un PCB tiene una definición matemática muy simple. La relación de aspecto de la vía es la relación entre la profundidad del taladro y el diámetro del taladro utilizado para fabricar la vía:

Relación de Aspecto = (Profundidad del taladro)/(Diámetro del taladro)

Para PCBs de grosor estándar, donde el grosor es de 62 mils o 1.57 mm, la máxima relación de aspecto que se podría esperar ver para vías pasantes perforadas mecánicamente es de 10:1. Esto se debe a que el diámetro de perforación más pequeño típicamente utilizado para la fabricación de PCB es de 6 mils, y este valor con el grosor estándar da la máxima relación de 10:1. Debido al consumo de herramienta en perforaciones de 6 mils de diámetro siendo más rápido que con brocas más grandes, el mayor costo de las vías de 6 mils se supera utilizando un diámetro de broca mayor, lo que da una relación de aspecto menor.

Normalmente utilizaré brocas de 10 mils de diámetro en el extremo inferior a menos que una huella de BGA o una huella de conector de alta densidad de pines exija que use un diámetro de broca menor. En otras palabras, podría esperar una relación de aspecto máxima de 6:1 en la mayoría de los PCBs que diseño.

Relación de Aspecto de la Vía en PCB y Fiabilidad

Ahora que hemos definido los valores típicos de relación de aspecto, ¿cómo afecta la relación de aspecto de una vía a su fiabilidad?

Esta es una pregunta importante ya que se relaciona en parte con las diferencias en fiabilidad entre los agujeros perforados mecánicamente y los agujeros perforados por láser utilizados en PCBs HDI. Como reglas generales, principalmente para asegurar la fiabilidad de las estructuras plateadas perforadas, los límites típicos en las relaciones de aspecto son los siguientes:

• Vías pasantes: 12:1 o menor
• Vías ciegas/enterradas perforadas por láser: 1:1 o menor

Por supuesto, estas son solo reglas generales, y todas las reglas generales están hechas para romperse. El caso de una vía pasante de aproximadamente 12:1 con una broca de 7 mil solo sería típico en una placa de 2 mm de espesor. Los casos en los que se empiezan a ver vías pasantes con relaciones de aspecto muy altas tienden a ser en PCBs no estándar que tienen mayores espesores, y en tal caso, es necesario consultar con su fabricante respecto al tamaño de broca permitido para las vías pasantes.

Dicho esto, recuerdo haber hecho un recorrido con Summit Interconnect en 2021, y su gerente de ingeniería de procesos afirmó que podían fabricar de manera confiable vías de alta relación de aspecto con brocas de 6 mil y demostrar su fiabilidad. La experiencia del fabricante y su capacidad para probar la fiabilidad son bastante importantes aquí y subraya la necesidad de contactarlos temprano, particularmente cuando su placa es no estándar.

Otro factor que a menudo no se considera es el grosor del recubrimiento en el agujero del vía. Típicamente, esto podría ser aproximadamente 1 mil, pero, por supuesto, podrías pedirle a tu fabricante que lo recubra en exceso. Las paredes del vía con cobre más grueso serán más fiables, por lo que no debería sorprender que se puedan esperar mayores relaciones de aspecto cuando el recubrimiento es más grueso.

Lo mismo se aplica al usar vías ciegas y enterradas, ya sean perforadas por láser o mecánicamente. De hecho, para las vías perforadas por láser, especialmente aquellas que serán apiladas, las relaciones de aspecto más bajas se vuelven más comunes en recuentos de capas más altos, principalmente porque el grosor del dieléctrico se reduce.

Vías Microperforadas por Láser y Mayores Relaciones de Aspecto en PCBs

Las microvías también pueden tener mayores relaciones de aspecto dependiendo del tamaño del agujero perforado y la calidad del recubrimiento de cobre en la laminación secuencial. Para las vías pasantes, los estándares de fiabilidad de IPC también especifican relaciones de aspecto de vía que varían entre 6:1 y 8:1. Una relación de aspecto de vía de 8:1 se considera algo así como una capacidad requerida entre los fabricantes de PCBs.: Según IPC-T-50M, la microvía perforada por láser debería tener una relación de aspecto máxima de 1:1.

Esto podría surgir de algunas maneras posibles:

• El uso de vías salteadas para abarcar dos o más capas
• El uso de un dieléctrico más grueso en las capas de construcción HDI
• Procesos novedosos que depositan vías de pequeño diámetro en capas más gruesas

El apilamiento de microvías no es necesariamente lo mismo que usar una única vía de alto ratio de aspecto. La fiabilidad en un apilamiento dependerá del ratio de aspecto de una vía individual y del número de vías en el apilamiento. Hoy en día, los fabricantes de HDI tienen la experiencia para construir apilamientos de capas ELIC, los cuales apilarán microvías ciegas/enterradas a lo largo del apilado de la PCB. Si tienes una PCB de alto conteo de capas con BGAs de paso fino, y optas por seguir la ruta de microvías apiladas, asegúrate de contactar a tu fabricante y determinar el ratio de aspecto apropiado para las microvías en el apilamiento para asegurar la fiabilidad.

Desafíos en el Plateado de Vías de PCB

Perforar vías requerirá cierto entendimiento de las complejidades que involucran añadir profundidad a tu circuito y añadir necesidades de fabricación. El ratio de aspecto de la vía de PCB afecta la dificultad con la que el interior puede ser plateado. El cobre se deposita en el interior de una vía usando solución de plateado. La solución de plateado debe ser capaz de mecharse dentro de un agujero de vía por acción capilar para poder platear completamente el interior de la vía.

La física y la química involucradas en el chapado de micropilares son muy interesantes. Durante la acción capilar, la tensión superficial arrastra la solución de chapado hacia el interior del vía, y el cobre comienza a depositarse a lo largo de la pared. Debido al menisco que se forma en la superficie de la solución, el precursor del cobre se consume rápidamente de la solución en regiones más profundas del vía. Como resultado, las partes internas de un barril de vía pueden tener un chapado más delgado que en los bordes del vía.

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Vías de pequeño diámetro en una placa HDI

Si la relación de aspecto del vía en la PCB es mayor, entonces existe el riesgo de que el cobre depositado en la pared del vía sea más delgado, y el centro de tal vía sería más propenso a agrietarse bajo estrés térmico. Esto podría solucionarse ajustando la viscosidad de la solución de chapado, pero más prácticamente el enfoque para compensar este efecto es establecer la fuerza de lanzamiento adecuada en el proceso de electrochapado para un vía de alta relación de aspecto. Esto no solo mejora la resistencia estructural del vía sino también mejora su fiabilidad contra el estrés térmico.

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