Cuándo usar vías cubiertas frente a vías no cubiertas en el diseño de su PCB

Hay algunas pautas que veo que muchos diseñadores implementan como práctica estándar, a menudo sin pensar en ello. Algunas de estas prácticas son malentendidas o implementadas sin las mejores prácticas, como el vertido de cobre en capas de señal. Otras se implementan sin pensar en los posibles problemas, pero solo porque esos problemas surgen en casos excepcionales. Uno de estos es el uso de vías cubiertas, que a veces se implementa en el diseño de un PCB por defecto.

¿Es esta siempre la práctica correcta? ¿Y cuáles son las posibles preocupaciones de fiabilidad con las vías cubiertas? Estas son preguntas importantes, especialmente cuando se plantean preocupaciones de fiabilidad en relación con vías de alto aspecto y microvías apiladas. En este artículo, examinaremos algunos de estos puntos de diseño en torno al cubrimiento de vías y cuándo deberías evitar usarlo en tu diseño de PCB.

Cuándo Usar Vías Cubiertas vs. Vías No Cubiertas

La idea detrás del tenting de vías es simple: estás cubriendo cualquier vía en tu PCB con máscara de soldadura para que cualquier almohadilla/anillo en el agujero de la vía, y el propio barril de la vía, no estén expuestos al ambiente. La resistencia de soldadura se coloca para proporcionar cierta medida de protección para la almohadilla de la vía y el chapado dentro del barril de la vía. Si miras el diseño de un PCB, puedes identificar las vías tentadas simplemente observando tu capa de máscara de parada de soldadura; lo mismo se aplica al archivo Gerber para esa capa de máscara de soldadura.

El tenting de vías a veces se ve como un requisito DFA, así como un requisito de fiabilidad. Algunos de los beneficios y desventajas mencionados del tenting de vías incluyen:

• El tenting previene la exposición a factores ambientales que reducen la vida útil del dispositivo, como químicos nocivos o humedad.
• El tenting cuesta menos que el tapado de vías o el relleno/plaqueado con un epoxi, haciendo que sea el proceso más simple que puedes usar para proteger las vías.
• El tenting puede tanto ayudar como interferir con el ensamblaje, dependiendo del componente particular que se esté colocando y soldando en la placa.

Vamos a mirar cada una de estas áreas para ver algunas instancias donde podríamos necesitar incluir o omitir vías tentadas.

Previniendo la Mecha de Soldadura

Las vías colocadas cerca de componentes SMD pueden proporcionar un camino para que el soldante se desplace hacia el lado posterior de la placa. Hay tres posibles soluciones para esto:

1. Reducir la apertura de la máscara de pasta para que se aplique menos pasta de soldar en los pads SMD en cuestión
2. Mover esas vías más lejos de los pads SMD, y asegurarse de que haya un dique de máscara de soldadura entre cualquier pad y su vía conectada
3. Cubrir selectivamente cualquier vía cerca de pads SMD sin modificar la máscara de pasta

En mi opinión, la opción #3 es la mejor dada todas las otras posibles elecciones. La razón de esto es que es un cambio muy simple que solo requiere cerrar la expansión de la máscara de soldadura en vías específicas.

Protección Ambiental para Vías Pequeñas

La cubierta es mejor utilizada en vías pequeñas con un diámetro de agujero terminado de menos de aproximadamente 12 mil. El límite específico del diámetro depende de la solución de máscara de soldadura LPI, y su fabricante debería poder recomendar un diámetro máximo de vía para asegurar una cubierta confiable. Si el diámetro de la vía es demasiado grande, la resistencia de soldadura podría romperse y dejar un pequeño agujero, lo cual permitiría la entrada de contaminantes en el barril de la vía. Aquí es donde surgen preocupaciones de fiabilidad, particularmente cuando se necesita protección ambiental.

Cuando el interior de un vía está expuesto al ambiente y no está protegido con un acabado de chapado u otro material (por ejemplo, recubrimiento conformado), entonces el cobre expuesto podría corroerse lentamente. El proceso se acelera si el vía solo está cubierto en un lado y algún contaminante podría acumularse dentro del barril del vía. Esta exposición también podría causar que el dispositivo falle prematuramente. Por lo tanto, cualquier dispositivo que pueda estar expuesto a un ambiente donde un contaminante podría acumularse dentro del barril del vía debería tener aplicado el cubrimiento donde sea posible.

En el caso de que dejes algunos de los vías sin cubrir, siempre puedes recubrir el PCBA con un recubrimiento conformado para darle ese nivel adicional de protección ambiental. Esta sería una gran solución si la preocupación ambiental fuera algo como la humedad o el polvo, pero podría ser problemático con la desgasificación en un ambiente de baja presión, como en el espacio o en un sistema industrial especializado.

Preocupaciones de Ensamblaje con Vías Cubiertos vs. Vías Sin Cubrir

Las vías cubiertas pueden crear algunos problemas de ensamblaje en ciertos casos. Los posibles problemas de ensamblaje dependen de si necesita ensamblar un componente de paso fino, o si está trabajando a altas densidades que lo llevan al límite donde podría ser necesario el uso de vía en pad. El cubrimiento de vías en el ensamblaje de PCB debe considerarse desde dos perspectivas:

• ¿Existe la posibilidad de que el soldador se filtre hacia la parte trasera de la placa durante el ensamblaje? Si es así, entonces cubra las vías cerca de la huella del componente.
• ¿El exceso de residuos de flux causará problemas de contaminación y posiblemente cortocircuitos? Si es así, entonces descubra las vías cerca o debajo de la huella del componente.

Un gran ejemplo aquí es una almohadilla de tierra debajo de un componente QFN o un paquete TO grande. Esta almohadilla contendrá vías, pero necesita ser soldada al componente para hacer una conexión eléctrica y para asegurar que el calor se transfiera fácilmente lejos del componente. Sin embargo, el lado posterior de la placa podría tener un cubrimiento aplicado para prevenir la filtración de soldadura. Yo argumentaría que, en este caso, la filtración es más importante y esas vías deberían estar cubiertas, especialmente si hay otros componentes en el lado posterior que podrían cortocircuitarse si ocurre alguna filtración de soldadura.

Para un BGA con un fanout tipo hueso de perro, debería estar claro que los dos objetivos están en conflicto. Si dejas las vías en el fanout sin cubrir, tendrás una ruta de escape clara para el flujo durante el ensamblaje, y el material de recubrimiento superficial protegerá el cobre de daños ambientales. Sin embargo, si cubres estas vías, en el mismo lado que los pads del BGA, evitarás que el soldante se filtre hacia el lado posterior de la placa.

En mi opinión y experiencia, la línea divisoria es el delgado espacio de resistencia al soldante permitido entre el pad del BGA y la vía. Si dejas las vías sin cubrir y el espacio de la máscara de parada de soldante es demasiado delgado, puede romperse después de la fabricación, lo que significa que pierdes tu dique de máscara de soldante y hay un riesgo de que la bola de soldadura del BGA fluya a través del barril de la vía abierta. Si la vía sin cubrir dejara un espacio de máscara de soldante que fuera demasiado delgado, recomendaría cubrir las vías y solicitar que se use un flujo sin limpieza confiable durante el ensamblaje. El ensamblador debería saber o tener datos sobre si su flujo sin limpieza alguna vez causará que las bolas de soldadura se cortocircuiten durante el reflujo.

¿Un Lado o Ambos Lados?

La siguiente pregunta no tan obvia que hay que hacerse es: ¿deberías cubrir los vías por un lado o por ambos lados?

En mi opinión, si vas a cubrir los vías, entonces hazlo por ambos lados. La excepción es con los vías en pad, vías en un polígono de cobre expuesto/rail, o vías en un pad de tierra (ver el ejemplo del paquete TO abajo). Estas características requieren cobre expuesto, por lo tanto, el vía estará expuesto por un lado y solo podrás cubrir por el otro lado. De lo contrario, una vez que los vías sean lo suficientemente grandes, déjalos sin cubrir y selecciona un recubrimiento apropiado que protegerá los conductores expuestos.

Vías Cubiertos vs. Vías Sin Cubrir Resumido

Obviamente, de la lista de posibles preocupaciones mencionadas arriba, hay un compromiso entre cubrir para proteger contra la contaminación ambiental potencial, y dejar un diseño sin cubrir para asegurar que los contaminantes de ensamblaje puedan liberarse del ensamblaje. Si cualquiera de estos es una preocupación en un sistema particular, entonces el PCBA debería ser probado exhaustivamente para asegurar que operará correctamente y que el diseño no sufrirá de problemas de fiabilidad basados en vías cubiertos.

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