Cómo los Pads No Funcionales Afectan el Diseño de tu PCB

Los pads no funcionales a veces se enmarcan en un debate de todo o nada, y abundan los debates sobre la fiabilidad y los efectos en la integridad de la señal. ¿Deberías mantenerlos en tus vías, o deberías eliminarlos de todas las vías? Como cualquier decisión de diseño, hay compensaciones que equilibrar, y típicamente un aspecto del diseño tendrá precedencia sobre todos los demás. Dado que no hay una regla generalizada sobre el uso de pads no funcionales, los diseñadores deben determinar si sus diseños deben incluir pads no funcionales dadas sus aplicaciones específicas.

En este artículo, examinaré el tema de los pads no funcionales desde tres perspectivas: integridad de la señal, fiabilidad y densidad de enrutamiento. En algunos diseños, estos problemas son exclusivos entre sí, por lo que necesitarás determinar cuál de los desafíos de diseño enumerados a continuación es más importante para tu producto.

Fiabilidad del Diseño con Pads No Funcionales

Telegrafía y Fallo por ECM

La presencia de almohadillas no funcionales en vías pasantes puede llevar a una condición conocida como "telegrafía". Cuando hay demasiado cobre en las vías, el material entre almohadillas se queda sin resina. Como resultado, una imagen del apilado de cobre aparece como picos y valles en las capas superficiales del dieléctrico. En otras palabras, la imagen del apilado de cobre es "telegrafiada" a la superficie de la placa. Los puntos altos crean regiones donde el epoxi puede ser "exprimido", como describió uno de nuestros recientes invitados al podcast. Esto deja vacíos entre almohadillas vecinas en el ángulo recto formado por la almohadilla y el barril de la vía, lo que potencialmente lleva a fallo térmico en la unión.

La formación de vacíos conduce a otro problema de fiabilidad: fallo por migración electroquímica (ECM). La formación de vacíos en las uniones de vía resulta en problemas de adherencia y permite caminos para ECM. Esto puede causar el crecimiento de estructuras dendríticas o fibrosas entre almohadillas debido a la ligera diferencia de voltaje entre ellas. El crecimiento de estas estructuras se acumula con el tiempo, llevando eventualmente a un fallo de la PCB que es difícil de diagnosticar.

Si las estructuras dendríticas pueden cerrar el espacio entre conductores adyacentes, se produce un cortocircuito. Si el área transversal de la dendrita es pequeña, la densidad de corriente será alta y la estructura puede quemarse, eliminando esencialmente la falla. Esto conduce a un comportamiento de falla intermitente que es difícil de diagnosticar.

Una buena revisión sobre el tema de la Migración Electroquímica (ECM) en estos materiales se puede encontrar aquí:

• Yi, Pan, et al. "Comportamiento de migración electroquímica de laminados de cobre y placas de circuito impreso de níquel químico/oro por inmersión bajo capas delgadas de electrolito." Materiales 10, núm. 2 (2017): 137.

Argumentaría que estos puntos son más importantes donde la placa experimentará alta temperatura, ciclos de temperatura frecuentes y funcionará a alta tensión. Todos estos casos conducen a un mayor potencial de falla en estos casos. Por lo tanto, considere eliminar los pads no funcionales si no hay otra razón para mantenerlos.

Mantener Pads No Funcionales para Anclaje vs. Desgaste del Taladro

En muchas situaciones, los pads no funcionales son relativamente inofensivos. A los fabricantes generalmente les prefieren que se eliminen los pads no funcionales porque facilita el taladrado. Sin embargo, mantener estos pads proporcionará un mayor anclaje al sustrato durante la expansión y vibración, por lo que se piensa que aumentará la vida útil de esas vías. Estos debates se relacionan parcialmente con la relación de aspecto de la vía.

En las vías de baja relación de aspecto, el revestimiento de cobre interior es más uniforme, y los pads no funcionales podrían aumentar la vida útil de la vía. La combinación del anclaje proporcionado por el pad y lo más uniforme en el barril de la vía hace que la vía sea menos propensa a agrietarse. En vías de alta relación de aspecto, el barril de la vía es más propenso a agrietarse en el centro debido al revestimiento de cobre más delgado en el centro del barril de la vía, independientemente de la presencia de pads no funcionales.

Pads No Funcionales en Placas Rígido-flexibles

Se debe tener precaución al diseñar PCBs flexibles y rígido-flexibles. El cobre en una vía pasante no se adhiere a un sustrato flexible tan fuertemente como se adhiere a un sustrato rígido. Dado que la adhesión del cobre es un problema de fiabilidad en sustratos flexibles, los pads no funcionales ahora se vuelven útiles.

Algunos fabricantes recomiendan dejar al menos algunos pads no funcionales en placas flexibles y rígido-flexibles para proporcionar anclaje al material flex de Kapton Mylar. Si se eliminan todos los pads no funcionales a lo largo de un vía en una PCB flexible, el espacio entre pads funcionales se vuelve muy grande, y el chapado puede comenzar a separarse de la pared del agujero. Todos los pads, tanto funcionales como no funcionales, funcionan como puntos de anclaje que están dispersos a lo largo del barril del vía. Esto aumenta la fuerza del vía en una PCB flexible o rígido-flexible.

Placas Avanzadas: Densidad de Enrutamiento y Alta Velocidad/RF

Los pads no funcionales ocupan un valioso espacio en las capas internas en placas HDI multilayer más delgadas. Mientras se pueda asegurar que la placa permanecerá estable bajo ciclos térmicos, puede ser deseable eliminar pads no funcionales para densificar el enrutamiento de trazas en capas internas. Esto es un desafío en diseños más avanzados donde no se presentan preocupaciones de fiabilidad.

Otra área donde es útil eliminar pads no funcionales es en diseños de alta velocidad o diseños RF, específicamente en vías que transportan señales más rápidas o señales de alta frecuencia. Las otras vías en estos diseños pueden ser tratadas basándose en las otras recomendaciones listadas arriba.

La razón por la que esto es importante en estos diseños más avanzados es por la integridad de la señal, y específicamente para diseñar transiciones de vía hacia una impedancia particular. Para alcanzar un objetivo de impedancia con una transición de vía, necesitas dos elementos:

• Vías de conexión
• Antipad en las capas del plano

Los pads no funcionales crearán capacitancia distribuida adicional a lo largo de la pared de la vía, y las estructuras de vía son muy sensibles a la carga capacitiva a altas frecuencias. La sensibilidad es tan grande que la impedancia de la vía puede cambiar de inductiva a capacitiva entre las frecuencias de WiFi y mmWave, como he discutido en este artículo relacionado. Por lo tanto, prefiero simplemente eliminar los pads no funcionales en estas transiciones de vía. Esto permite que los antipads en capas internas se ajusten al mismo diámetro, lo que reduce el espacio de parámetros involucrado en optimizar estas estructuras para frecuencias muy altas.

Personaliza Cada Padstack en Tu PCB

La conclusión es: los pads no funcionales no son necesarios para que un PCB se fabrique correctamente, pero esto no significa necesariamente que el PCB vaya a fallar si se mantienen. Algunas guías indican que siempre se deben eliminar todos los pads no funcionales. Personalmente, prefiero mantener los NFPs en un diseño más simple solo por facilidad de diseño y enrutamiento, pero en diseños más avanzados con señales, deberían eliminarse. Para mí, se reduce a dos áreas: la Clase IPC (o el estándar de fiabilidad equivalente para el producto en cuestión), o si la estructura de la vía está en un canal de RF/alta velocidad.

Agujeros pasantes en Clase 2 vs. Clase 3 - Si estoy haciendo un diseño de Clase 3 y el agujero se utiliza para partes pasantes, dejaré un pad suficientemente grande en las capas funcionales que coincida con las capas superior/inferior para que podamos prevenir el breakout en todas partes, y los eliminaré en todos los demás lugares. Los tamaños de pad funcionales serán un diámetro de (Vía/Pad) de (D/D + 10 mils) para la Clase 3.

RF/Alta Velocidad - Para las vías en canales de alta velocidad que requieren una impedancia de vía controlada, eliminaré los NFPs para poder establecer de manera fiable la impedancia de la vía al valor deseado. Prefiero hacer esto porque es más fácil establecer la impedancia en una herramienta de diseño de vías como Simbeor o CST; eliminar el NFP quita un parámetro del espacio de diseño. Sin embargo, si la fiabilidad es la principal preocupación, entonces los NFPs permanecerán en el padstack.

Cuando usas Altium Designer^®, puedes personalizar fácilmente el padstack en cada capa. No necesitarás un programa externo para crear padstacks, todo sucede dentro del editor de PCB. Incluso puedes colocar diferentes tamaños de NFP en diferentes capas, o puedes eliminar NFPs en capas específicas. Esta herramienta conveniente te ayuda a encontrar el equilibrio entre la densidad de enrutamiento, la fiabilidad y el diseño de vías de alta velocidad.

Crear padstacks personalizados es simple dentro de Altium Designer. Aprende más en la documentación.

Cuando necesites diseñar PCBs multicapa con todas las herramientas que necesitas en un solo programa, utiliza el conjunto completo de herramientas de enrutamiento de PCB en Altium Designer. Las herramientas integradas de fabricación y la utilidad Draftsman crearán automáticamente la documentación que necesitas para asegurar que los requisitos de rendimiento de tu producto se reflejen en tus instrucciones de fabricación, incluyendo una tabla de taladro precisa que especifica los tamaños de taladro. Cuando hayas terminado tu diseño y quieras enviar los archivos a tu fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir tus proyectos.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible con Altium Designer en Altium 365. Comienza tu prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365 hoy mismo.