Vie Cieche e Interrotte—Cosa Sono e Come Vengono Utilizzate?

Come notato in diversi miei articoli precedenti così come nella grande maggioranza degli altri documenti pubblicati, il passo dei piedini dei componenti è diventato sempre più fine e i dispositivi di piccole dimensioni hanno iniziato a dominare un gran numero di prodotti (telefoni cellulari) sviluppati oggi.

La questione di come collegare i componenti su entrambi i lati di queste PCB affollate dovrebbe essere tra i primi fattori presi in considerazione da un team di sviluppo prodotto. Tipicamente, questo processo di connessione è realizzato attraverso l'uso di vie cieche e interrate. Questo articolo descriverà i vari tipi di vie utilizzate, le loro applicazioni e benefici, e i loro limiti.

Alcuni Fondamenti e Storia dell'Origine—Vie Cieche

Prima di tutto, è utile approfondire un po' le origini delle vie e come vengono utilizzate. Una via è un foro trapanato e placcato in un PCB che permette a un segnale di passare da un lato all'altro del PCB o verso uno strato interno. Le vie possono essere utilizzate per collegare i terminali dei componenti alle tracce di segnale o ai piani, o per permettere a un segnale di cambiare strato di segnale. Quando una via passa completamente attraverso un PCB, viene chiamata via passante o through via. La figura 1 mostra i vari tipi di vie.

Figura 1. I vari tipi di vie

Vie cieche

Quando una via inizia da un lato del PCB ma non passa completamente attraverso, viene chiamata via cieca. I quattro tipi di vie cieche sono:

• Vie cieche definite fotograficamente.
• Vie cieche a laminazione sequenziale.
• Vie cieche a profondità controllata.
• Vie cieche trapanate con laser.

Ognuno di questi tipi è discusso in dettaglio di seguito

Via Cieca Definita Fotograficamente: Una via definita fotograficamente viene creata laminando uno strato di resina fotosensibile su un nucleo (questo nucleo è composto da strati laminati che possono contenere i piani di alimentazione così come alcuni strati di segnale sepolti). Lo strato di materiale fotosensibile è coperto con un modello che copre le aree dove devono essere creati i fori e viene poi esposto alla luce di una lunghezza d'onda che causerà l'indurimento del materiale rimanente sul PCB. Successivamente, il PCB viene immerso in una soluzione di incisione che rimuove il materiale nei fori. Questo crea un percorso verso lo strato sottostante. Dopo il processo di incisione, il rame viene placcato nel foro e sulla superficie esterna per creare lo strato esterno del PCB. Questa operazione viene normalmente eseguita su entrambi i lati del PCB contemporaneamente e aggiunge uno strato ad ogni lato.

Le vie definite fotograficamente sono comunemente utilizzate per creare pacchetti multistrato organici BGA (ball grid array) e PCB per cellulari. Il vantaggio nell'usarle è che costa lo stesso creare migliaia di vie cieche quanto ne costa creare solo una. Quando sono richieste solo poche vie cieche, il loro uso diventa uno svantaggio in termini di costi.

Via cieca con laminazione sequenziale: Una via cieca con laminazione sequenziale viene creata elaborando un pezzo molto sottile di laminato attraverso tutti i passaggi coinvolti nella creazione di un PCB a due lati. Il laminato viene forato, placcato ed inciso per definire le caratteristiche nel lato che formerà lo strato 2 della scheda. L'altro lato viene lasciato come un foglio solido di rame, e formerà lo strato 1 del PCB finito. Il sottoassemblaggio viene poi laminato con tutti gli altri strati del PCB. La laminazione combinata risultante viene poi elaborata attraverso tutti i passaggi coinvolti nella creazione degli strati esterni di un PCB multistrato. Le vie cieche con laminazione sequenziale sono state utilizzate nella creazione di molti dei primi PCB per cellulari. È il modo più costoso per formare vie cieche a causa dei passaggi del processo extra richiesti e della perdita di rendimento associata alla manipolazione di laminati molto sottili attraverso le operazioni di foratura, incisione e placcatura. Di conseguenza, dovrebbe essere considerata l'ultima risorsa quando sono necessarie vie cieche.

Fori Ciechi a Profondità Controllata: Come si può vedere dalla Figura 1, i fori ciechi a profondità controllata sono creati nello stesso modo dei fori passanti. Qui, il trapano è impostato per penetrare solo parzialmente attraverso il PCB. Il progettista dell'artwork posiziona un pad sullo strato 2 che viene perforato dal trapano. Si presta attenzione a garantire che non ci siano elementi sotto il foro trapanato che possano venire in contatto con il foro trapanato. Il rame viene poi placcato nel foro trapanato allo stesso tempo in cui il rame viene placcato nei fori passanti.

I fori a profondità controllata sono il tipo meno costoso di foro cieco poiché non sono richiesti attrezzature aggiuntive o passaggi del processo per crearli. Le limitazioni di questi fori sono che devono essere abbastanza grandi per essere creati con trapani meccanici e l'area sottostante deve essere mantenuta libera da circuiti che potrebbero essere toccati accidentalmente dal foro trapanato.

Fori Ciechi Trapanati con Laser: Questi sono creati dopo che tutti gli strati di un PCB sono stati laminati e prima che lo strato esterno sia stato inciso e placcato. Un laser viene utilizzato per ablare il rame sullo strato esterno così come il materiale isolante tra gli strati 1 e 2. Ci sono due tipi di laser utilizzati in questo processo:

• Laser CO₂
• Laser Eximer

Il laser CO₂ è il laser più potente e, di conseguenza, ha la capacità di perforare rapidamente i fori. Il problema con questo laser è che la lunghezza d'onda della luce non rimuove il rame sullo strato 1. Di conseguenza, il passaggio di foratura con il laser deve essere preceduto da un passaggio di incisione per incidere i fori nel rame. Oltre a creare un ulteriore passaggio di lavorazione, il passaggio di foto-immagine richiesto comporta un problema di allineamento poiché la maschera fotolitografica deve essere allineata con i pad sullo strato 2 che sono invisibili al momento dell'uso del laser.

Il laser a eccimeri è in grado di perforare sia il rame che il materiale dielettrico sottostante per formare il via cieco in un unico passaggio. Questo tipo di laser è diventato il laser di scelta per i via ciechi perforati con laser perché non richiede che lo strato di rame sia preforato e non ci sono lavorazioni extra. Poiché il laser può penetrare sia il rame che il dielettrico, è necessario prestare attenzione nella sua impostazione per assicurarsi che il foro attraversi lo strato esterno di rame e il dielettrico sottostante senza tagliare il pad di rame sullo strato 2. La figura 2 mostra un foro perforato con laser che ha rimosso tutto il materiale indesiderato nel foro senza aver perforato il pad sullo strato 2.

Figura 2. Via Cieco Perforato con Laser

I Vantaggi Elettrici dei Via Ciechi

Le vie nei segnali sono afflitte dalla capacità parassita che viene creata dal cilindro del foro metallizzato e dai piani attraverso i quali passa. Questa capacità parassita è principalmente una funzione dell'area esterna del foro metallizzato, che è un cilindro che passa attraverso il PCB. Quest'area è determinata dal diametro della punta del trapano e dallo spessore del PCB. Con le odierne alte velocità di trasmissione dati, questa capacità parassita può degradare il segnale oltre il punto in cui può essere utilizzato con successo. Pertanto, deve esistere un metodo per ridurre questa capacità parassita. Le vie cieche fanno ciò accorciando la lunghezza delle vie e riducendone i diametri. Di conseguenza, le vie cieche sono un buon modo per connettere linee di segnale che operano sopra i 4.8 Gb/s.

Le limitazioni delle vie cieche

Ci sono diversi svantaggi nell'uso di vie cieche (definite da foto, profondità controllata e laser) che vengono forate dopo che il PCB è stato laminato. Il primo limite è la profondità del foro rispetto al suo diametro. Una via cieca è un foro cieco sulla superficie del PCB. Far penetrare la chimica della galvanizzazione in questo foro in modo tale che il rame si depositi sul fondo e sui lati del foro può essere difficile se la profondità del foro è grande rispetto al suo diametro. Per garantire che la galvanizzazione sia eseguita con successo, il diametro del foro deve essere grande quanto la sua profondità. Questo è definito come un rapporto di aspetto di 1:1 o inferiore. Molti fabbricanti necessitano di un diametro che sia 1,5 volte la profondità del foro per garantire una corretta galvanizzazione. Nella maggior parte dei casi, ciò impedisce di forare una via cieca al di sotto dello strato 2 del PCB. L'ingegnere di sviluppo deve essere in grado di collegare tutti i pin di un dispositivo a passo fine come quello mostrato nella Figura 3 in uno strato 1 o

2.

Figura 3. Un componente con passo di 0,5mm che utilizza vie cieche

Non era possibile fare ciò con la parte mostrata in questa figura, quindi molti dei pin sono stati distribuiti dall'area sotto la parte per permettere connessioni forate, attraverso fori, verso strati più interni del PCB.

Un secondo limite nell'uso dei via ciechi è avere la capacità di fermare la perforazione allo strato inteso. Quando si usa un trapano laser, questo deve perforare il rame sullo strato 1 e il materiale dielettrico sottostante senza perforare il pad di connessione in rame che si trova nello strato 2. Ciò significa che il raggio laser deve essere attentamente calibrato. Quando si utilizza la perforazione a profondità controllata, il trapano deve fermarsi prima di toccare il rame negli strati che sono sotto lo strato al quale si sta effettuando la connessione.

Un terzo problema associato ai via ciechi è legato alla saldatura di un componente su un pad in cui è stato inserito un via cieco. Un potenziale problema di affidabilità può essere causato dai fori. (Il riferimento 47 nel Volume 1 del nostro libro descrive questo problema). Quando la pasta di saldatura viene applicata ai pad, l'aria nel via cieco viene intrappolata sotto il foro, proprio sotto il BGA. Questa piccola bolla d'aria indebolisce la giunzione abbastanza che si verificheranno circuiti aperti man mano che il PCB passa attraverso le varie temperature operative. Ci sono due modi per risolvere questo problema:

1. Riempire completamente il foro con rame placcato come mostrato in Figura 4.

2. Trapanare il via cieco lateralmente rispetto al pad.

Figura 4. Via cieco impilato con Via di Superficie Riempito di Rame

Nella Figura 4, tre vie cieche sono state impilate una sopra l'altra. Il via inferiore è stato formato insieme a tutti gli altri vie nella PCB. I due vie superiori sono stati formati utilizzando il processo di costruzione discusso di seguito. Ogni via è stato formato come mostrato in Figura 1. Dopo aver placcato il via cieco e tutti gli altri vie, il pannello è stato rimandato attraverso l'operazione di resistenza alla placcatura dove uno nuovo strato di resistenza è stato esposto a un modello dove solo i vie ciechi erano esposti. Poi, il rame è stato placcato nei vie ciechi fino a riempire completamente i vuoti. Questa operazione è spesso definita come placcatura a bottone. Per assicurare che ogni via cieco sia riempito di rame, l'operazione di placcatura prosegue fino a quando il rame sporge sopra la superficie. Dopo che il processo di placcatura è completo, la resistenza alla placcatura viene rimossa e l'intera superficie della PCB è levigata per uniformare il rame. Tutti questi passaggi extra nel processo di placcatura aumentano il costo della PCB finita. La Figura 4 mostra l'operazione del via cieco eseguita tre volte, una sopra l'altra.

Un approccio alternativo al problema delle bolle consiste nel trapanare il via cieco a lato del componente (questo è descritto anche nel Riferimento 47 del nostro libro Volume 1). Questo approccio non richiede passaggi aggiuntivi nel processo. Richiede che lo sviluppatore del prodotto preveda spazio aggiuntivo per il via cieco al lato del pad. La Figura 5 fornisce un esempio di vie che sono stati trapanati a lato del centro.

Figura 5. Vie Ciechi Sfalsati Trapanati con Laser

Questo allevia il problema delle bolle perché la bolla menzionata si forma al lato della sfera di saldatura piuttosto che al suo centro. Nota: Se c'è una bolla d'aria che non si trova direttamente sotto la sfera di saldatura, non causerà problemi.

Quando c'è la necessità di costruire vie in due strati, uno sopra l'altro come mostrato nella Figura 4, e non si vogliono compiere i passaggi extra per riempire completamente i vie di rame, esiste un approccio alternativo. In questo caso, si posiziona il secondo via a lato del primo in modo che non cada sopra il vuoto formato dal primo via.

Vie Ciechi Andati Male

Come citato sopra, ci sono diversi modi in cui i via ciechi possono "andare male". Nei casi sopra citati, i problemi possono derivare dalla scelta del tipo di via sbagliato per il prodotto in fase di progettazione, dall'incorporazione errata del via nel design complessivo della scheda, o dal via che non viene prodotto nel modo corretto. Un altro modo in cui i via possono andare male è legato alla tela di vetro utilizzata nei laminati. Le figure 6-8 sono esempi di questi tipi di via difettosi. Tutti erano difettosi a causa della non uniformità dello stile di tessitura delle tele di vetro all'interno dei laminati, ovvero la mancanza di vetro meccanicamente disteso. Ho discusso l'argomento del vetro meccanicamente disteso in un blog precedente.

Figura 6. Esempio di Via Cieco Difettoso 1

Figura 7. Esempio di Via Cieco Difettoso 2

Figura 8. Esempio di Via Cieco Difettoso 3

Via Sepolti

Quando una via passa tra due strati interni di un PCB, ma non tocca nessuna delle superfici, si tratta di una via sepolta. Un errore comune è chiamare una via cieca una microvia. Secondo l'IPC, una microvia è una via il cui diametro è di 8 mils o meno, indipendentemente dal fatto che attraversi o meno completamente il PCB. Una via sepolta può passare tra qualsiasi coppia di strati come mostrato nella Figura 1 oppure può attraversare diversi strati come mostrato nella Figura 9.

Figura 9. Via Sepolta

In entrambi i casi, la via sepolta è formata elaborando il set di strati interni coinvolti attraverso il processo illustrato nella Figura 10. Questi sono tutti i passaggi coinvolti nella creazione di un PCB finito con strati aggiuntivi applicati all'esterno utilizzando il processo di build-up. Questo è ovviamente un processo più costoso rispetto al semplice processo multistrato. Molti dei substrati BGA utilizzati nei dispositivi ad alto numero di pin sono realizzati in questo modo, così come i telefoni cellulari.

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