Pad Stack Design And The Fabrication Process—part 1

“Pad Stack” è il termine utilizzato dagli addetti al layout e alla fabbricazione dei PCB per indicare tutte le caratteristiche associate ai fori presenti in un PCB. Il foro può essere placcato, non placcato, passante, cieco o interrato. I componenti del pad stack includono la dimensione del foro trapanato, la dimensione finale del foro, le dimensioni dei pad tracciati sugli strati interni ed esterni, gli spazi nei piani su cui passano i fori trapanati e gli spazi nella maschera di saldatura applicata agli strati esterni del PCB.

La storia del processo di fabbricazione dei PCB è alquanto varia. Questo articolo parla dell’evoluzione del settore, degli elementi di un pad stack e degli aspetti di produzione e affidabilità. Dell’utilizzo dei pad (cuscinetti) ad equilibrio termico parleremo nella seconda parte dell’articolo. Ci sarà inoltre un ulteriore articolo nel quale parleremo di ciò che succede quando si provano a instradare due tracce tra i pin dei BGA con distanza di 1 mm.

Il passato movimentato della fabbricazione dei PCB

Per capire come il settore della fabbricazione dei PCB si sia evoluto fino ad arrivare alla sua situazione attuale, è utile prendere in esame la sua storia. Lee Ritchey, fondatore e presidente di Speeding Edge, afferma: “Una delle domande che da sempre viene posta ai produttori di PCB è: ‘Perché non siete bravi quanto i produttori di circuiti integrati?’ Gordon Moore ha fatto notare quanto sia importante tenere in considerazione la storia della fabbricazione dei PCB. I produttori di circuiti integrati provenivano dai laboratori universitari, mentre i produttori di PCB dagli stabilimenti di cromatura dei paraurti delle automobili. Il livello di competenza per diventare un produttore di PCB era misurato in base all’esperienza nella placcatura dei metalli. Di conseguenza, ci sono voluti anni per acquisire competenze tecniche specifiche nel settore dei circuiti stampati. Non c’erano nemmeno dei chimici a controllare i bagni galvanici”.

Prosegue Ritchey: “All’inizio, il nostro produttore di riferimento era Dibble, perché offriva le migliori schede a sei strati. Il responsabile della placcatura immergeva un dito nel bagno galvanico e lo assaggiava per decidere se andasse bene per la produzione delle schede. In base a questa ‘prova’, decideva se doveva immergere qualcosa”.

“Presso un altro produttore avevamo dei schede di grandi dimensioni e volevamo essere sicuri di non utilizzare strati interni con circuiti aperti” continua Ritchey. “Questa azienda utilizzava operaie che ispezionavano visualmente ogni strato interno. Quando trovavano un corto circuito, lo tagliavano con un coltello Xacto.

Quando trovavano un circuito aperto, gli saldavano sopra un pezzetto di cavo. La maggior parte di questi circuiti corti e aperti era dovuta al fatto che l’imaging avveniva in condizioni di sporcizia. Polvere e altri particolati si depositavano sul disegno. Presso uno stabilimento, c’era un tizio che teneva un portacenere sul tavolo da dove controllava le pellicole utilizzate per l’imaging degli strati interni”.

Lo stato attuale del settore

Il settore della fabbricazione dei PCB è maturato notevolmente da quei tempi.

Ritchey spiega: “Le aziende migliori sono diventate ancora più brave ad allineare gli strati. Parte del problema è sempre stato causato dal fatto che, durante la laminazione, gli strati interni si restringevano leggermente. Ora queste aziende eseguono delle prove sui materiali per determinare quanto si restringano durante la laminazione e per compensare i disegni con fotoplotter. L’allineamento degli strati abbinato al corretto posizionamento dei fori è migliorato così tanto che ora dobbiamo prevedere solo +/- 5 mm su un pannello da 18x24. Questo è tutto il margine di l’errore accumulato. Ciò include la stratificazione il rimessaggio degli strati e il loro allineamento gli uni con gli altri”.

Questo non significa che la fabbricazione dei PCB sia un gioco da ragazzi. Per esempio, la posizione delle perforazioni dei PCB avveniva un tempo senza tenere conto di quanto gli spazi intorno ai fori influissero sui piani del PCB. Come si può vedere nella Figura 1, quando le velocità erano basse, il posizionamento ravvicinato dei fori creava sovrapposizioni nei piani e gli slot negli strati non riducevano le prestazioni. Con l’aumento delle velocità, gli slot nei piani possono danneggiare notevolmente l’integrità del segnale. Ancora peggio, quando i fori sono così ravvicinati, non è possibile instradare le tracce tra fori adiacenti. Ciò costituisce un requisito fondamentale per i PCB che hanno molti strati di segnale. Inoltre, in passato, c’era sufficiente spazio tra i pin adiacenti di un componente, come ad esempio un pacchetto PGA (Pin Grid Array) o un DIP, da consentire distanze generose nei piani per ottimizzare i quantitativi fabbricati senza doversi preoccupare dell’integrità del segnale. Ciò significa che la progettazione del pad stack del PCB non rappresentava un aspetto critico del processo.

_{Figura 1. Un PCB che mostra clearance pad sovrapposti in un padstack nei piani}

Con l’introduzione dei BGA da 1.27 mm, 1 mm e 0.8 mm, così come di altri componenti distanziatori, non c’è più spazio per consentire ai produttori di impostare queste dimensioni senza il rischio di danneggiare l’integrità del segnale. Al contrario, non è più accettabile che il team addetto all’integrità del segnale effettui queste scelte senza preoccuparsi delle ripercussioni su produzione e affidabilità.

È quindi necessario che progettisti e produttori collaborino per definire le dimensioni dei fori, dei cuscinetti e degli spazi, al fine di soddisfare tutti i requisiti. I modi in cui è possibile fare ciò sono descritti qui di seguito.

Gli elementi di un Pad Stack

La Figura 2 mostra un foro trapanato e placcato in un PCB. Si tratta in assoluto del più comune tipo di foro nei PCB. Gli altri includono fori ciechi, interrati e passanti non placcati. Di questi aspetti parleremo in un prossimo articolo.

_{Figura 2. Un foro passante placcato in una sezione incrociata, durante il processo di fabbricazione PCB}

Gli elementi visibili del foro mostrato nella figura includono:

• I capture pad sui due strati esterni.
• I capture pad sui due strati interni.
• Il diametro del foro.
• La placcatura del foro.
• L’ombra proiettata dal foro trapanato nel PCB.
• Lo spazio attraversato dal foro.

Nell’immagine non si vedono gli spazi nelle maschere di saldatura in alto e in basso.

Queste sono le definizioni degli aspetti critici dell’immagine riportata qui sopra:

• Proporzioni. La lunghezza del foro divisa per il suo diametro.
• Via. Qualsiasi foro passante placcato utilizzato per collegare un segnale dalla superficie allo strato interno, oppure per cambiare strati.
• Capture Pad. Il cuscinetto utilizzato per collegare una traccia a un foro passante placcato o a una via. Questo cuscinetto “cattura” la placcatura nel foro trapanato.
• Clearance Pad. Un foro inciso in un piano attraverso il quale passano i fori trapanati. Talvolta chiamato “antipad” perché il disegno del piano veniva creato sotto forma di negativo nei primi fotoplotter.
• Ombra del foro. Un cilindro il cui diametro corrisponde al diametro del foro più l’oscillazione del trapano. Quest’ombra viene proiettata in tutti gli strati e rappresenta la superficie utilizzata per calcolare lo spazio dell’isolamento dei piani o delle tracce.
• Strato del piano. Un foglio di rame che costituisce uno degli strati di un PCB.
• Anello anulare. Il diametro extra di un capture pad rispetto alla dimensione minima del cuscinetto necessaria per catturare in modo esatto l’ombra proiettata dal foro trapanato. Questo rame extra è utilizzato per collegare una traccia in ingresso in un pad e la placcatura del foro. È importante notare che questa connessione non deve mai essere la sezione incrociata end-on della traccia. (Ciò potrebbe causare il fallimento della giunzione durante la saldatura).
• Breakout. Ciò che avviene quando il foro è così decentrato da non essere incluso nel capture pad. Ciò può ridurre l’affidabilità del PCB creando un isolamento inferiore al necessario oppure creando una connessione di testa (end-on) tra una traccia e un foro passante placcato.
• Pad non funzionali. Cuscinetti su strati interni che non sono necessari per collegare una traccia a un foro passante placcato. (I pad non funzionali non sono necessari nelle moderne fabbricazioni di PCB). Un approfondimento è contenuto nel Riferimento 2 alla fine di questo articolo).

La Figura 3 mostra una vista dall’alto al basso della struttura della Figura 2.

_{Figura 3. Una vista dall’alto al basso del foto passante placcato mostrato nella Figura 2, precedente il processo di fabbricazione PCB}

Considerazioni sulla produzione e l’affidabilità

Al fine di garantire che la progettazione del pad stack di un PCB soddisfi i requisiti di produzione e affidabilità, è necessario

prendere in considerazione diversi fattori. Tra questi:

• Le tolleranze estreme accumulano l’isolamento minimo tra conduttori opposti (in questo caso, la placcatura nei fori e il rame degli strati del piano e delle tracce). Devono rispettare gli standard applicabili al prodotto che è oggetto della progettazione. (Per esempio, lo spazio minimo dell’isolamento nei PCB conformi a GR-86 Core, ovvero la specifica riguardante le attrezzature da utilizzare nel settore delle telecomunicazioni, è pari a 4 mm. Per la maggior parte degli altri prodotti è 5 mm).
• Le connessioni tra tracce e fori passanti placcati devono essere robuste.
• La proporzione tra diametro e lunghezza del foro deve essere tale da garantire che il rame e il secondo metallo utilizzato per proteggere il rame durante l’incisione dello strato esterno possano essere placcati in modo adeguato sull’intera parete del foro, raggiungendo uno spessore in grado di resistere senza problemi alle sollecitazioni a cui il PCB sarà soggetto.

Oltre a quanto detto in precedenza, è necessario prendere in considerazione il fatto che i fori non passeranno sempre attraverso il PCB come previsto. Ciò può avvenire per i seguenti motivi:

• Il trapano può oscillare durante la perforazione del PCB.
• Potrebbe esserci un errore nell’allineamento di tutti gli strati di pellicole.
• Il laminato stesso si restringerà leggermente durante la laminazione, mentre il trapano sarà soggetto a una certa quantità di errori durante il tentativo di posizionare ciascun foro.
• Durante la laminazione, gli strati potrebbero non essere registrati correttamente gli uni con gli altri.

Quando i fori sono leggermente spostati rispetto al punto in cui dovrebbero essere, si parla di oscillazione del trapano. Ogni produttore ha definito un proprio processo complessivo e una tolleranza, chiamata tolleranza di perforazione, utilizzata per definire l’ombra di ciascun foro trapanato. I produttori migliori possono limitare l’errore a ±5 mm, spesso definito TIR (Total Included Radius). I produttori americani di fascia intermedia prevedono una tolleranza pari a ±6 mm, mentre il produttore medio asiatico, che fabbrica quantità elevate di PCB per il largo consumo, prevede una tolleranza di ±7 mm. Chiaramente, quando si progetta il Pad Stack per un PCB, il progettista deve sapere dove avverrà la produzione, così da prevedere il corretto margine d’errore. Nel caso dei PCB prodotti in quantità elevate, la tolleranza di oscillazione dovrà essere maggiore.

Quando i componenti passanti sono saldati nei fori passanti placcati di un PCB, il calore necessario affinché il saldame scorra nello spazio tra il cavo del componente e la parete del foro farà scaldare il saldame, facendolo scorrere nei piani di alimentazione del PCB presso ciascun pin ove vi sia una connessione tra il componente e un piano. Ciò genera saldature insufficienti e richiede complesse rilavorazioni nel caso in cui il componente debba essere sostituito. Per isolare termicamente il foro dal piano e favorire il successo della saldatura, viene utilizzata una legatura termica. Nella seconda parte di questo articolo parleremo delle

legature termiche e delle loro caratteristiche fisiche e funzionalità. Nel frattempo vi invito a leggere altri articoli sul mio blog riguardanti vari aspetti del PCB design, dalla conoscenza dei materiali, al miglioramento dell’integrità del segnale, fino alla progettazione di PCB per mercati specifici.

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Riferimenti:

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 2.”

1. Ritchey, Lee W., “Should non-functional pads be removed?” Current Source Newsletter, Volume 1, Numero 1, maggio 2004.