Vías Ciegas y Enterradas: ¿Qué son y cómo se utilizan?

Como se ha señalado en varios de mis artículos anteriores así como en la gran mayoría de otros documentos publicados, los espaciados entre los pines de los componentes se han vuelto cada vez más finos, y los dispositivos de factor de forma pequeño han pasado a dominar un gran número de los productos (teléfonos celulares) que se están desarrollando hoy en día.

La pregunta de cómo conectar componentes a ambos lados de estas PCBs saturadas debería ser uno de los primeros factores que un equipo de desarrollo de productos tome en cuenta. Típicamente, este proceso de conexión se realiza mediante el uso de vías ciegas y enterradas. Este artículo describirá los diversos tipos de vías utilizadas, sus aplicaciones y beneficios, y sus limitaciones.

Algunos Fundamentos e Historia de Origen—Vías Ciegas

Primero, es útil profundizar un poco en los orígenes de las vías y cómo se utilizan. Una vía es un agujero perforado y enchapado en un PCB que permite que una señal pase de un lado del PCB al otro o a una capa interna. Las vías se pueden utilizar para conectar los terminales de los componentes con las pistas de señal o planos, o para permitir que una señal cambie de capas de señal. Cuando una vía atraviesa completamente un PCB, se llama vía pasante o vía a través. La Figura 1 muestra los diversos tipos de vías.

Figura 1. Los Varios Tipos de Vías

Vías Ciegas

Cuando una vía comienza en un lado de un PCB pero no pasa completamente a través, se llama vía ciega. Los cuatro tipos de vías ciegas son:

• Vías ciegas definidas por foto.
• Vías ciegas de laminación secuencial.
• Vías ciegas de profundidad controlada.
• Vías ciegas perforadas por láser.

Cada uno de estos tipos se discute en detalle a continuación

Vía Ciega Definida por Foto: Una vía definida por foto se crea laminando una hoja de resina fotosensible sobre un núcleo (este núcleo está compuesto por capas laminadas que pueden contener los planos de alimentación así como algunas capas de señales enterradas). La capa de material fotosensible se cubre con un patrón que cubre las áreas donde se van a crear los agujeros y luego se expone a luz de una longitud de onda que hará que el material restante en el PCB se endurezca. Después de esto, el PCB se sumerge en una solución de grabado que elimina el material en los agujeros. Esto crea un camino hacia la siguiente capa hacia abajo. Después del proceso de grabado, se platea cobre en el agujero y en la superficie exterior para crear la capa exterior del PCB. Esta operación normalmente se realiza en ambos lados del PCB al mismo tiempo, y añade una capa a cada lado.

Las vías definidas por foto se utilizan comúnmente para crear paquetes orgánicos multicapa BGA (ball grid array) y PCBs de teléfonos celulares. La ventaja de usarlas es que cuesta lo mismo crear miles de vías ciegas que crear solo una. Cuando solo se requieren unas pocas vías ciegas, su uso se convierte en una desventaja en términos de costo.

Laminación Secuencial de Vías Ciegas: Una vía ciega de laminación secuencial se crea procesando una pieza muy delgada de laminado a través de todos los pasos involucrados en la creación de un PCB de dos caras. El laminado se perfora, se platea y se graba para definir las características en el lado que formará la capa 2 de la placa. El otro lado se deja como una hoja sólida de cobre, y formará la capa 1 del PCB terminado. El subensamblaje se lamina entonces con todas las demás capas del PCB. La laminación combinada resultante se procesa entonces a través de todos los pasos involucrados en la creación de las capas exteriores de un PCB multicapa. Las vías ciegas de laminación secuencial se utilizaron en la creación de muchos de los primeros PCBs de teléfonos celulares. Es la manera más costosa de formar vías ciegas debido a los pasos adicionales del proceso requeridos y la pérdida de rendimiento asociada con el manejo de laminados muy delgados a través de las operaciones de perforación, grabado y plateado. Como resultado, se debe considerar el último recurso cuando se requieren vías ciegas.

Vías Ciegas Perforadas con Profundidad Controlada: Como se puede ver en la Figura 1, las vías ciegas con profundidad controlada se crean de la misma manera que las vías pasantes. Aquí, la broca se ajusta para penetrar solo parcialmente a través del PCB. El diseñador del arte coloca un pad en la capa 2 que es perforado por la broca. Se tiene cuidado de asegurar que no haya características debajo del agujero perforado que puedan entrar en contacto con el agujero perforado. Luego, el cobre se platea en el agujero perforado al mismo tiempo que el cobre se platea en las vías pasantes.

Las vías con profundidad controlada son el tipo menos costoso de vía ciega ya que no se requieren equipos adicionales ni pasos de proceso para crearlas. Las limitaciones de estas vías son que los agujeros deben ser lo suficientemente grandes para que las brocas mecánicas puedan crearlos y el área debajo de ellos debe mantenerse libre de circuitos que podrían ser tocados accidentalmente por el agujero perforado.

Vías Ciegas Perforadas con Láser: Estas se crean después de que todas las capas en un PCB hayan sido laminadas y antes de que la capa exterior haya sido grabada y plateada. Se utiliza un láser para ablacionar el cobre en la capa exterior así como el material aislante entre las capas 1 y 2. Hay dos tipos de láseres utilizados en este proceso:

• Láser de CO₂
• Láser Excimer

El láser de CO₂ es el láser más potente y, por lo tanto, tiene la capacidad de perforar los agujeros rápidamente. El problema con este láser es que la longitud de onda de la luz no eliminará el cobre en la capa 1. Como resultado, el paso de perforación con láser debe ser precedido por un paso de grabado para grabar los agujeros en el cobre. Además de crear otro paso en el proceso, el paso de fotoimagen requerido conlleva un problema de alineación ya que la máscara fotográfica debe estar alineada con los pads en la capa 2 que son invisibles en el momento en que se utiliza el láser.

El láser excímero es capaz de perforar tanto el cobre como el material dieléctrico subyacente para formar el vía ciego en un solo paso. Este tipo de láser se ha convertido en el láser de elección para las vías ciegas perforadas por láser porque no requiere que la capa de cobre sea perforada previamente y no hay trabajos artísticos adicionales. Dado que el láser puede penetrar tanto el cobre como el dieléctrico, se debe tener cuidado al configurarlo para asegurar que el agujero atraviese el cobre de la capa exterior y el dieléctrico subyacente sin cortar el pad de cobre en la capa 2. La Figura 2 muestra un agujero perforado por láser que ha eliminado todo el material no deseado en el agujero sin haber perforado el pad en la capa 2.

Figura 2. Vía Ciega Perforada por Láser

Las Ventajas Eléctricas de las Vías Ciegas

Las vías en las líneas de señal están plagadas de la capacitancia parásita que se crea por el cilindro del agujero pasante metalizado y los planos a través de los cuales pasa. Esta capacitancia parásita es principalmente una función del área del exterior del agujero pasante metalizado, que es un cilindro que atraviesa el PCB. Esta área se determina por el diámetro del taladro y el grosor del PCB. Con las altas tasas de datos de hoy en día, esta capacitancia parásita puede degradar la señal más allá de donde se puede utilizar con éxito. Por lo tanto, debe haber algún método para reducir esta capacitancia parásita. Las vías ciegas hacen esto al acortar la longitud de las vías y reducir sus diámetros. Como resultado, las vías ciegas son una buena manera de conectar líneas de señal que operan por encima de 4.8 Gb/s.

Las limitaciones de las vías ciegas

Existen varias limitaciones al usar vías ciegas (definidas por foto, de profundidad controlada y láser) que se perforan después de que el PCB ha sido laminado. La primera limitación es la profundidad del agujero versus el diámetro. Una vía ciega es un agujero ciego en la superficie del PCB. Hacer que la química de la galvanización penetre en este agujero de tal manera que el cobre se deposite en el fondo y los lados del agujero puede ser difícil si la profundidad del agujero es profunda en comparación con su diámetro. Para asegurar que la galvanización se realice con éxito, el diámetro del agujero debe ser tan grande como su profundidad. Esto se define como una relación de aspecto de 1:1 o menos. Muchos fabricantes necesitan un diámetro que sea 1.5 veces la profundidad del agujero para garantizar una galvanización adecuada. En la mayoría de los casos, esto impide perforar una vía ciega por debajo de la capa 2 del PCB. El ingeniero de desarrollo debe ser capaz de conectar todos los pines de un dispositivo de paso fino como el que se muestra en la Figura 3 en la capa 1 o

2.

Figura 3. Un Componente de 0.5mm de Paso Usando Vías Ciegas

No fue posible hacer esto con la pieza mostrada en esta figura, por lo que muchos de los pines se desviaron desde debajo de la pieza para permitir conexiones perforadas, a través del orificio, hacia capas más profundas dentro del PCB.

Una segunda limitación al usar vías ciegas es tener la capacidad de detener la perforación en la capa prevista. Cuando se utiliza un taladro láser, este debe perforar a través del cobre en la capa 1 y el material dieléctrico subyacente sin perforar a través del pad de conexión de cobre que está en la capa 2. Esto significa que el haz láser debe ser cuidadosamente calibrado. Cuando se utiliza perforación de profundidad controlada, el taladro debe detenerse antes de tocar el cobre en las capas que están debajo de la capa a la cual se está haciendo la conexión.

Un tercer problema asociado con las vías ciegas está relacionado con la soldadura de un componente a un pad en el cual se ha colocado una vía ciega. Un problema potencial de fiabilidad puede ser causado por los agujeros. (La referencia 47 en el Volumen 1 de nuestro libro describe este problema). Cuando se aplica pasta de soldar a los pads, el aire en la vía ciega queda atrapado bajo el agujero, justo debajo del BGA. Esta pequeña burbuja de aire debilita la unión lo suficiente como para que ocurran circuitos abiertos a medida que el PCB pasa por las diversas temperaturas de operación. Hay dos maneras de resolver este problema:

1. Rellene completamente el agujero con cobre plateado como se muestra en la Figura 4.

2. Perfore el vía ciego al lado del pad.

Figura 4. Vía Ciega Apilada con Vía en Superficie Rellenada con Cobre

En la Figura 4, tres vías ciegas han sido apiladas una encima de la otra. La vía inferior se formó junto con todas las demás vías en el PCB. Las dos vías superiores se formaron utilizando el proceso de construcción mencionado a continuación. Cada vía se formó como se muestra en la Figura 1. Después de platear la vía ciega y todas las demás vías, el panel se envió de nuevo a través de la operación de resistencia al plateado donde se expuso una nueva capa de resistencia a un patrón donde solo las vías ciegas estaban expuestas. Luego, se plateó cobre en las vías ciegas hasta que llenó completamente los vacíos. Esta operación a menudo se denomina plateado de botón. Para asegurar que cada vía ciega esté llena de cobre, la operación de plateado continúa hasta que el cobre sobresale de la superficie. Después de completar el proceso de plateado, se elimina la resistencia al plateado y toda la superficie del PCB se lija para suavizar el cobre. Todos estos pasos adicionales en el proceso de plateado aumentan el costo del PCB terminado. La Figura 4 muestra la operación de vía ciega realizada tres veces, una encima de la otra.

Un enfoque alternativo para el problema de las burbujas consiste en perforar el vía ciego al lado del componente (esto también se describe en la Referencia 47 de nuestro libro del Volumen 1). Este enfoque no requiere pasos adicionales en el proceso. Sí requiere que el desarrollador del producto permita espacio adicional para añadir el vía ciego al lado del pad. La Figura 5 proporciona un ejemplo de vías que han sido perforadas al lado del centro.

Figura 5. Vías Ciegas Perforadas con Láser Desplazadas

Esto alivia el problema de las burbujas porque la burbuja mencionada se forma al lado de la bola de soldadura en lugar de en su centro. Nota: Si hay una burbuja de aire que no está directamente bajo la bola de soldadura, no causará problemas.

Cuando es necesario construir vías en dos capas, una encima de la otra como se muestra en la Figura 4, y no se desea tomar los pasos adicionales para rellenar las vías completamente con cobre, hay un enfoque alternativo. En este caso, se coloca el segundo vía al lado del primero para que no caiga encima del hueco formado por el primer vía.

Vías Ciegas Malogradas

Como se mencionó anteriormente, hay varias maneras en las que los vías ciegos pueden "fallar". En lo anterior, los problemas pueden ser el resultado de seleccionar el tipo de vía incorrecto para el producto en diseño, incorporar incorrectamente el vía en el diseño general de la placa, o que el vía no sea fabricado de la manera correcta. Otra manera en que los vías pueden fallar está vinculada al tejido de vidrio que se utiliza en los laminados. Las figuras 6-8 son ejemplos de estos tipos de vías defectuosos. Todos ellos eran defectuosos debido a la no uniformidad del estilo de tejido de los tejidos de vidrio dentro de los laminados, también conocido como la falta de vidrio mecánicamente extendido. Discutí el tema del vidrio mecánicamente extendido en un blog anterior.

Figura 6. Ejemplo de Vía Ciega Defectuosa 1

Figura 7. Ejemplo de Vía Ciega Defectuosa 2

Figura 8. Ejemplo de Vía Ciega Defectuosa 3

Vías Enterradas

Cuando un vía pasa entre dos capas internas de un PCB, pero no toca ninguna superficie, se trata de un vía enterrada. Un error común es llamar a un vía ciega un microvía. Según el IPC, un microvía es un vía cuyo diámetro es de 8 mils o menos, ya sea que atraviese completamente el PCB o no. Un vía enterrada puede pasar entre cualquier par de capas como se muestra en la Figura 1 o puede atravesar varias capas como se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Vía Enterrada

En cualquiera de los casos, la vía enterrada se forma procesando el conjunto de capas internas involucradas a través del proceso ilustrado en la Figura 10. Estos son todos los pasos involucrados en la creación de un PCB terminado con capas adicionales agregadas al exterior utilizando el proceso de construcción. Obviamente, este es un proceso más costoso que el procesamiento multicapa directo. Muchos de los sustratos BGA utilizados en dispositivos de alto conteo de pines se fabrican de esta manera, al igual que los teléfonos celulares.

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