Tipologie di via per PCB a confronto: parametri e proprietà

Molto spesso si pensa ad una PCB via come un semplice elemento che ci consente di cambiare layer nel routing del nostro circuito stampato. Sebbene questo sia uno dei motivi principali di utilizzo di una via, ce ne sono altri non secondari come la trasmissione del calore o la riduzione dell’induttanza parassita di una connessione con impatto diretto sulla compatibilità elettromagnetica della scheda. Testimonianza di questo fatto sono le molteplici opzioni che un progettista si trova davanti quando deve scegliere quale tipologia di via utilizzare. 

In questo primo articolo descriveremo i parametri fisici e le proprietà delle vie in generale dettagliando le tipologie ed i processi di fabbricazione per le vie standard. Negli articoli successivi invece tratteremo le vie utilizzate in PCB HDI (blind via, buried via e microvia) e i processi di riempimento delle vie (via filling).

Parametri fisici di una via

Dal punto di vista del design una via viene definita tramite dei parametri caratteristici in fase di layout che ne identificheranno le proprietà elettriche e termiche specifiche della via stessa e i costi di produzione.

I cinque parametri fondamentali di una via sono:

• Hole Diameter: diametro del foro che dovrà essere realizzato dalla drilling machine.

Si va da dimensioni tra 0.15mm a 6.5mm per via standard realizzate tramite drilling machine. Per via di dimensioni minori si deve passare ad una tecnologia di perforazione laser.  

• Drill Depth: altezza della via, in caso di vie thorugh hole coincide con lo spessore del PCB stesso, in casi di vie buried o blind invece dipende dalla distanza dei layer messi in contatto dalla via stessa.
• Anular Ring Width: spessore della corona circolare di rame intorno al foro realizzata su tutti i layer che hanno contatto elettrico con la via.
• Plating Thickness: spessore del rame deposto sulle pareti della via tramite il processo di metallizzazione (via plating).
• Via Filling: come a vedremo in seguito a seconda delle necessità potrebbe risultare necessario riempire una via con resina o rame tramite uno step ulteriore di processo. 

In realtà esiste un sesto parametro di fondamentale importanza ma che risulta una conseguenza diretta del diametro del foro e dell’altezza della via: Aspect Ratio, ossia il rapporto tra drill depth e via diameter. Per esempio, una via di diametro 0.4mm in un PCB standard di spessore 1.6mm ha un Aspect Ratio di 3:1. Questo parametro è molto importante per vie di piccole dimensioni, infatti per vie standard realizzate tramite drilling machine si consiglia di non superare mai Aspect Ratio di 10:1, ossia 0.15mm circa per PCB standard con spessore di 1.6mm.

Proprietà caratteristiche di una via

Vediamo di seguito quali sono le proprietà caratteristiche di una via e che impatto hanno sulle performance del PCB. È tuttavia di fondamentale importanza capire quale sarà l’utilizzo della via nel circuito stesso per individuare quali saranno le proprietà della via di interesse. Per esempio, se è si tratta di una via che deve portare solo corrente continua (DC), oppure se è soggetta a impulsi di corrente (AC), come vie collegate a capacità di bypass o a capacità di ingresso o uscita di convettori switching.

Una prima proprietà è la resistenza elettrica della via, la quale a seconda della corrente che dovrà portare implicherà una caduta di tensione seguendo la legge di Ohm. Se la caduta risultasse troppe elevata si potrebbe prevedere più vie in parallelo oppure utilizzare vie più grandi con resistenza minore. 

Parametro fondamentale per le vie soggette ad impulsi di corrente è l’induttanza parassita della via, che se troppo elevata potrebbe risultare in malfunzionamento del circuito o problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC). Anche in questo caso più vie in parallelo o vie di dimensioni maggiori possono aiutare ad abbassare l’induttanza parassita complessiva.

Le caratteristiche fisiche della via determinano anche quale è la massima corrente che può scorrere nella via senza danneggiarla. Qualora questo parametro non venisse rispettato nell’applicazione la via potrebbe essere soggetta a deterioramento che può portare all’apertura elettrica della via.

Infine, i parametri della via determinano anche la resistenza termica della via stessa, che se usata come veicolo per dissipare calore si va a sommare in serie con le resistenze termiche del package da cui si vuole estratte calore ed alla resistenza termica di un eventuale dissipatore di potenza connesso all’altro estremo della via.

Tipologie di vie standard a confronto

Si definisce una via standard quando può essere realizzate con tecniche di perforazione meccaniche (drilling machine) e che segue un processo di produzione comune per PCB non HDI:

• Non Plated Through hole (NPTH): via che attraversa il PCB in tutto il suo spessore ma senza essere metallizzata. Questa tipologia di via viene utilizzata per fissaggi meccanici quando non si richiede la contrattura elettrica.
• Plated Through hole (PTH): via metallizzata che attraversa il PCB in tutto il suo spessore, è la via standard che viene usata in tutti i PCB low cost e non ad alta densità.

Tecnologie di realizzazione delle vie standard

Durante il processo di produzione di un PCB le vie vengono realizzate subito dopo aver assemblato lo stack finale del PCB con tutti i layer interni già impressi mentre quelli esterni sono ancora da imprimere. 

Il pannello viene inserito in una drilling machine programmata con le coordinate di posizionamento e le dimensione delle vie da realizzare nel pannello. La drilling machine si occuperà di perforare la scheda opportunamente creando i fori delle vie. 

Successivamente i pannelli vengono trattai con soluzioni chimiche al fine di depositare 1um di rame sulle pareti delle vie così da consentire la metallizzazione successivamente (electroless copper deposition). A questo punto anche i layer esterni vengono impressi con il photoresist e viene rimosso nelle zone dove si vuole metallizzare con il rame il PCB (connessioni e vie PTH). 

Infine, tramite un processo di metallizzazione (copper plating) del rame viene deposto su tutte le zone non coperte dal photoresist incluse le vie PTH. Questo consente di metallizzare le pareti delle vie con almeno 25um di spessore. 

Costi di produzione

Per quanto riguarda le vie standard, il fattore determinate sul costo di produzione di un PCB è il costo di perforazione. Questo è determinato dal numero di vie stesse e dalle differenti dimensioni dei fori presenti nel PCB, in quanto direttamente correlate al tempo necessario alla drilling machine a completare le perforazioni. Si pensi che ogni volta che si deve cambiare punta per perforare vie di dimensioni diverse la drilling machine deve fermarsi, effettuare il cambio punta e ripartire. Per ottimizzare i costi di produzione si consiglia di utilizzare il più possibile vie con lo stesso dimensioni di foro; qualora fosse richiesta una via di dimensioni maggiori per le sue proprietà elettriche, si potrebbe sostituire con una o più vie in parallelo delle dimensioni già utilizzate nel PCB.

L’utilizzo di via con diametri minimo (0.3mm -0.15mm) ha anch’esso un effetto sul costo di produzione in quanto le punte utilizzate sono più soggette ad usura rispetto a punte di diametro maggiore. Tale costo viene ammortizzato dal produttore i PCB sul circuito stampato stesso.

Infine, lo spessore di metallizzazione delle pareti della via standard è di 20-25um, nel caso si richieda uno spessore maggiore si andrà incontro a costi di produzione più elevati.