Come i Pad Non Funzionali Influenzano il Tuo Design PCB

I pad non funzionali sono talvolta inquadrati come un dibattito tutto o niente, e abbondano le discussioni sulla loro affidabilità e gli effetti sull'integrità del segnale. Dovresti mantenerli sulle tue vie, o dovresti rimuoverli da tutte le vie? Come per qualsiasi decisione di progettazione, ci sono compromessi da bilanciare, e tipicamente un aspetto del progetto avrà la precedenza su tutti gli altri. Poiché non esiste una regola generalizzata sull'uso dei pad non funzionali, i progettisti dovrebbero determinare se i loro layout dovrebbero includere pad non funzionali data la loro specifica applicazione.

In questo articolo, esaminerò la questione dei pad non funzionali da tre prospettive: integrità del segnale, affidabilità e densità di routing. In alcuni progetti, queste questioni sono esclusive l'una dell'altra, quindi dovrai determinare quale delle sfide di progettazione elencate di seguito è più importante per il tuo prodotto.

Affidabilità del Design con Pad Non Funzionali

Telegrafare e Fallimento ECM

La presenza di pad non funzionali sui via passanti può portare a una condizione nota come "telegraphing". Quando c'è troppo rame nei via, il materiale tra i pad diventa privo di resina. Di conseguenza, un'immagine dello stack di rame appare come picchi e valli negli strati superficiali del dielettrico. In altre parole, l'immagine dello stack di rame viene "telegrafata" alla superficie della scheda. I punti alti creano regioni dove l'epossidica può essere "spremuta", come descritto da uno dei nostri recenti ospiti del podcast. Questo lascia vuoti tra i pad adiacenti all'angolo retto formato dal pad e dal barilotto del via, potenzialmente portando a fallimento termico alla giunzione.

La formazione di vuoti porta a un altro problema di affidabilità: il fallimento per migrazione elettrochimica (ECM). La formazione di vuoti nelle giunzioni dei via provoca problemi di adesione e permette percorsi ECM. Questo può causare la crescita di strutture dendritiche o fibrose tra i pad a causa della leggera differenza di tensione tra di loro. La crescita di queste strutture si accumula nel tempo, portando infine al fallimento della PCB che è difficile da diagnosticare.

Se le strutture dendritiche possono colmare il divario tra conduttori adiacenti, ne risulta un cortocircuito. Se l'area trasversale della dendrite è piccola, la densità di corrente sarà alta e la struttura potrebbe bruciare, eliminando essenzialmente il guasto. Questo porta a un comportamento di guasto intermittente che è difficile da diagnosticare.

Una buona rassegna sul tema della migrazione elettrochimica in questi materiali può essere trovata qui:

• Yi, Pan, et al. "Comportamento di migrazione elettrochimica di laminati rame e schede di circuito stampato in nickel elettroless/oro immersione sotto strati sottili di elettrolita." Materiali 10, n. 2 (2017): 137.

Io sostengo che questi punti sono più importanti nei casi in cui la scheda subirà alte temperature, cicli frequenti di temperatura e funzionerà ad alta tensione. Tutti questi casi portano a una maggiore potenzialità di guasto. Pertanto, considera di rimuovere i pad non funzionali se non c'è un'altra ragione per mantenerli.

Mantenere i Pad Non Funzionali per Ancoraggio vs. Usura del Trapano

In molte situazioni, i pad non funzionali sono relativamente innocui. Ai fabbricanti generalmente piace che i pad non funzionali vengano rimossi perché rende la perforazione più facile. Tuttavia, mantenere questi pad fornirà un ancoraggio maggiore al substrato durante l'espansione e la vibrazione, quindi si pensa che aumenterà la durata di vita di quelle vie. Questi dibattiti si riferiscono parzialmente al rapporto d'aspetto della via.

Nei vias con un basso rapporto d'aspetto, la placcatura interna in rame è più uniforme, e i pad non funzionali potrebbero aumentare la durata della via. La combinazione dell'ancoraggio fornito dal pad e la maggiore uniformità nel cilindro della via fa sì che la via sia meno incline alla crepazione. Nei vias con un alto rapporto d'aspetto, il cilindro della via è più incline alla crepazione al centro a causa del rivestimento in rame più sottile al centro del cilindro della via, indipendentemente dalla presenza di pad non funzionali.

Pad non funzionali nei circuiti rigido-flessibili

Si dovrebbe prestare attenzione quando si progettano PCB flessibili e rigido-flessibili. Il rame in una via passante placcata non si lega a un substrato flessibile così bene come si lega a un substrato rigido. Poiché il legame del rame è un problema di affidabilità nei substrati flessibili, i pad non funzionali diventano ora utili.

Alcuni produttori raccomandano di lasciare almeno alcuni pad non funzionali su schede flex e rigid-flex per fornire un ancoraggio per il materiale flex in Kapton Mylar. Se tutti i pad non funzionali vengono rimossi lungo una via in un PCB flex, il divario tra i pad funzionali diventa molto grande e la metallizzazione potrebbe iniziare a separarsi dalla parete del foro. Tutti i pad, sia funzionali che non funzionali, funzionano come punti di ancoraggio che sono dispersi lungo il cilindro della via. Questo aumenta la resistenza della via in un PCB flex o rigid-flex.

Schede Avanzate: Densità di Routing e Alta Velocità/RF

I pad non funzionali occupano un prezioso spazio sui strati interni nelle schede HDI multistrato più sottili. Finché si può essere sicuri che la scheda rimarrà stabile sotto cicli termici, potrebbe essere desiderabile rimuovere i pad non funzionali al fine di densificare il routing delle tracce sui strati interni. Questa è una sfida nei design più avanzati dove non sono presenti preoccupazioni di affidabilità.

Un'altra area in cui è utile rimuovere i pad non funzionali è nei design ad alta velocità o nei design RF, specificamente sulle vie che trasportano segnali più veloci o segnali ad alta frequenza. Le altre vie in questi design possono essere trattate basandosi sulle altre raccomandazioni elencate sopra.

Il motivo per cui ciò è importante in questi progetti più avanzati riguarda l'integrità del segnale, e specificamente per progettare transizioni via con una particolare impedenza. Per raggiungere un obiettivo di impedenza con una transizione via, hai bisogno di due elementi:

• Vie di stitching
• Antipad nei strati del piano

I pad non funzionali creeranno una capacità distribuita aggiuntiva lungo la parete della via, e le strutture via sono molto sensibili al carico capacitivo ad alte frequenze. La sensibilità è così elevata che l'impedenza della via può passare da induttiva a capacitiva tra le frequenze WiFi e mmWave, come ho discusso in questo articolo correlato. Pertanto, preferisco semplicemente rimuovere i pad non funzionali su queste transizioni via. Ciò consente di impostare gli antipad negli strati interni allo stesso diametro, riducendo lo spazio dei parametri coinvolti nell'ottimizzazione di queste strutture per frequenze molto alte.

Personalizza Ogni Padstack nel Tuo PCB

La questione fondamentale è: i pad non funzionali non sono necessari affinché un PCB sia fabbricato correttamente, ma ciò non significa che il PCB fallirà necessariamente se si decidono di mantenere. Alcune linee guida affermano di rimuovere sempre tutti i pad non funzionali. Personalmente, preferisco mantenere i NFP su un design più semplice solo per facilitare il layout e il routing, ma su progetti più avanzati con segnali, questi dovrebbero essere rimossi. Per me si riduce a due aree: la Classe IPC (o lo standard di affidabilità equivalente per il prodotto in questione), o se la struttura della via si trova su un canale RF/ad alta velocità.

Fori passanti in Classe 2 vs. Classe 3 - Se sto realizzando un design di Classe 3 e il foro è utilizzato per parti passanti, lascerò un pad sufficientemente grande sui layer funzionali che corrisponda ai layer superiore/inferiore in modo tale da prevenire la rottura ovunque, e li rimuoverò ovunque altrove. Le dimensioni del pad funzionale saranno un diametro (Via/Pad) di (D/D + 10 mil) per la Classe 3.

RF/Alta Velocità - Per le vie sui canali ad alta velocità che richiedono un'impedenza controllata, rimuoverò gli NFP in modo da poter impostare in modo affidabile l'impedenza della via al valore desiderato. Preferisco fare ciò perché è più facile impostare l'impedenza in uno strumento di progettazione di vie come Simbeor o CST; rimuovere gli NFP elimina un parametro dallo spazio di progettazione. Tuttavia, se l'affidabilità è la principale preoccupazione, allora gli NFP rimarranno sul padstack.

Quando usi Altium Designer^®, puoi facilmente personalizzare il padstack in ogni strato. Non avrai bisogno di un programma esterno per creare padstack, tutto avviene all'interno dell'editor PCB. Puoi persino posizionare dimensioni di NFP diverse su strati diversi, o puoi rimuovere gli NFP su strati specifici. Questo strumento conveniente ti aiuta a trovare il giusto equilibrio tra densità di routing, affidabilità e progettazione di vie ad alta velocità.

Creare padstack personalizzati è semplice all'interno di Altium Designer. Scopri di più nella documentazione.

Quando hai bisogno di progettare PCB multistrato con ogni utilità di cui hai bisogno in un unico programma, utilizza il set completo di strumenti di routing PCB in Altium Designer. Gli strumenti integrati per la produzione e l'utilità Draftsman creeranno automaticamente la documentazione necessaria per garantire che i requisiti di prestazione del tuo prodotto siano riflessi nelle tue istruzioni di fabbricazione, inclusa una tabella di foratura precisa che specifica le dimensioni dei fori. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365 rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti.

Abbiamo solo sfiorato la superficie di ciò che è possibile con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.