Progettazione PCB: Cos'è il Rapporto d'Aspetto e Perché è Importante?

Qualsiasi via in un PCB può causare problemi di affidabilità, che sono legati alla dimensione della via e ai materiali utilizzati nel PCB. Quando una via viene posizionata in un PCB, la dimensione della punta del trapano e la profondità nel PCB definiscono il rapporto d'aspetto di una via. È questo parametro che è un importante determinante dell'affidabilità della via. La capacità di fabbricare in modo affidabile vie con diversi rapporti d'aspetto dipende da diversi fattori. Ad esempio, alcuni produttori vi citeranno vie con rapporti d'aspetto molto elevati che possono fabbricare e dimostrare l'affidabilità in test di stress accelerato.

Il rapporto d'aspetto della via che usi nel tuo PCB dipende dalla dimensione del trapano che puoi fabbricare in modo affidabile sulla scheda. Ci sono alcune limitazioni pratiche e regole empiriche da considerare quando si progettano le vie per avere un rapporto d'aspetto target. Esaminerò alcuni di questi punti in questo articolo, sia per le vie trapanate meccanicamente che per le microvie.

Cos'è il Rapporto d'Aspetto di una Via nel Design PCB?

Il rapporto d'aspetto di una via in un PCB ha una definizione matematica molto semplice. Il rapporto d'aspetto della via è il rapporto tra la profondità di trapano e il diametro di trapano usato per fabbricare la via:

Rapporto d'Aspetto = (Profondità di trapano)/(Diametro di trapano)

Per i PCB di spessore standard, dove lo spessore è di 62 mils o 1,57 mm, il rapporto di aspetto massimo che si potrebbe aspettare di vedere per i via passanti forati meccanicamente è di 10:1. Questo perché il diametro minimo del trapano tipicamente utilizzato per la fabbricazione dei PCB è di 6 mils, e questo valore con lo spessore standard dà il rapporto massimo di 10:1. A causa del consumo degli strumenti nei trapani di diametro di 6 mils che è più veloce rispetto a trapani di diametro maggiore, il costo più elevato dei via di 6 mils viene superato utilizzando un diametro di trapano più grande, che dà un rapporto di aspetto minore.

Di solito utilizzo trapani di diametro di 10 mils all'estremità inferiore a meno che un footprint BGA o un footprint di connettore ad alta densità di pin non richieda l'uso di un diametro di trapano più piccolo. In altre parole, potrei aspettarmi un rapporto di aspetto massimo di 6:1 nella maggior parte dei PCB che progetto.

Rapporto di Aspetto e Affidabilità dei Via nei PCB

Ora che abbiamo definito i valori tipici del rapporto di aspetto, come l'aspetto di un via influisce sulla sua affidabilità?

Questa è una domanda importante poiché si riferisce in parte alle differenze di affidabilità tra i fori forati meccanicamente e i fori forati con laser utilizzati nei PCB HDI. Come regole generali, principalmente per garantire l'affidabilità delle strutture placcate forate, i limiti tipici sui rapporti di aspetto sono i seguenti:

• Vie passanti: 12:1 o inferiore
• Vie cieche/interrotte forate a laser: 1:1 o inferiore

Ovviamente, queste sono solo regole generali, e tutte le regole generali sono fatte per essere infrante. Il caso di una via passante di circa 12:1 con una foratura da 7 mil sarebbe tipico solo in una scheda spessa 2 mm. I casi in cui si iniziano a vedere vie passanti con rapporti di aspetto molto elevati tendono ad essere in PCB non standard che hanno spessori maggiori, e in tal caso, è necessaria una consultazione con il proprio fabbricante riguardo alla dimensione di foratura consentita per le vie passanti.

Detto ciò, ricordo di aver fatto un tour con Summit Interconnect nel 2021, e il loro responsabile dell'ingegneria di processo ha affermato che potevano fabbricare in modo affidabile vie ad alto rapporto di aspetto con forature da 6 mil e dimostrarne l'affidabilità. L'esperienza del fabbricante e la loro capacità di dimostrare l'affidabilità sono qui molto importanti e sottolineano la necessità di contattarli precocemente, in particolare quando la propria scheda è non standard.

Un altro fattore che spesso non viene considerato è lo spessore della placcatura nel foro del via. Tipicamente, questo potrebbe essere di circa 1 mil, ma ovviamente potreste chiedere al vostro fabbricante di aumentare la placcatura. Le pareti del via con rame più spesso saranno più affidabili, quindi non dovrebbe sorprendere che si possano aspettare tolleranze di rapporto d'aspetto più elevate quando la placcatura è più spessa.

Lo stesso vale per l'uso di via ciechi e sepolti, sia che siano forati con laser o meccanicamente. Infatti, per i via forati con laser, in particolare quelli che saranno impilati, rapporti d'aspetto più bassi diventano più comuni con un numero maggiore di strati, principalmente perché lo spessore del dielettrico diventa minore.

Microvia Forati con Laser e Rapporti d'Aspetto PCB Più Grandi

I microvia possono anche avere rapporti d'aspetto più grandi a seconda della dimensione del foro forato e della qualità della placcatura in rame nella laminazione sequenziale. Per i via passanti, gli standard di affidabilità IPC specificano anche rapporti d'aspetto dei via compresi tra 6:1 e 8:1. Un rapporto d'aspetto del via di 8:1 è considerato una capacità richiesta tra i produttori di PCB.: Secondo l'IPC-T-50M, il microvia forato con laser dovrebbe avere un rapporto d'aspetto massimo di 1:1.

Questo potrebbe verificarsi in alcuni modi possibili:

• L'uso di via di salto per attraversare due o più strati
• L'uso di un dielettrico più spesso negli strati di costruzione HDI
• Processi innovativi che depositano via di piccolo diametro in strati più spessi

L'impilamento di microvia non è necessariamente lo stesso che usare un'unica via con un alto rapporto di aspetto. L'affidabilità in un impilamento dipenderà dal rapporto di aspetto di una via individuale e dal numero di via nell'impilamento. Oggi, i fabbricanti di HDI hanno l'esperienza per costruire impilamenti di strati ELIC, che impileranno microvia ciechi/sepolti in tutto l'impilamento del PCB. Se hai un PCB con un alto numero di strati con BGAs a passo fine, e scegli di procedere con la via di microvia impilati, assicurati di contattare il tuo fabbricante e determinare il rapporto di aspetto appropriato per i microvia nell'impilamento per garantire l'affidabilità.

Sfide nella Placcatura delle Via del PCB

La perforazione delle via richiederà una certa comprensione delle complessità che comportano l'aggiunta di profondità al tuo circuito e l'aggiunta di necessità di fabbricazione. Il rapporto di aspetto della via del PCB influisce sulla difficoltà con cui l'interno può essere placcato. Il rame viene depositato all'interno di una via utilizzando una soluzione di placcatura. La soluzione di placcatura deve essere in grado di infiltrarsi in un foro della via per azione capillare al fine di placcare completamente l'interno della via.

La fisica e la chimica coinvolte nella placcatura di micropilastri sono molto interessanti. Durante l'azione capillare, la tensione superficiale attira la soluzione di placcatura nel foro passante, e il rame inizia a depositarsi lungo la parete. A causa del menisco che si forma sulla superficie della soluzione, il precursore del rame viene consumato rapidamente dalla soluzione nelle regioni più profonde del foro passante. Di conseguenza, le parti interne di un barilotto di un foro passante possono avere una placcatura più sottile rispetto ai bordi del foro passante.

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Vie di piccolo diametro su una scheda HDI

Se il rapporto aspetto del foro passante sulla PCB è maggiore, allora c'è il rischio che il rame depositato sulla parete del foro passante sia più sottile, e il centro di tale foro passante sarebbe più incline a creparsi sotto stress termico. Questo potrebbe essere risolto regolando la viscosità della soluzione di placcatura, ma più praticamente l'approccio per compensare questo effetto è impostare l'adeguata forza di lancio nel processo di elettroplaccatura per un foro passante con un alto rapporto aspetto. Questo non solo migliora la resistenza strutturale del foro passante ma ne migliora anche l'affidabilità contro lo stress termico.

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