Quando utilizzare vie coperte vs. scoperte nel layout del tuo PCB

Ci sono alcune linee guida che vedo molti progettisti implementare come pratica standard, spesso senza pensarci su. Alcune di queste pratiche sono fraintese o implementate senza seguire le migliori pratiche, come il riempimento di rame negli strati di segnale. Altre sono implementate senza pensare ai potenziali problemi, ma solo perché questi problemi si presentano in casi limite. Una di queste è l'uso di vie mascherate, che a volte viene implementato in un layout di PCB per impostazione predefinita.

È sempre la pratica corretta? E quali sono le possibili preoccupazioni per l'affidabilità con le vie mascherate? Queste sono domande importanti, specialmente quando si sollevano preoccupazioni per l'affidabilità riguardo le vie con alto rapporto d'aspetto e le microvie impilate. In questo articolo, esamineremo alcuni di questi punti di progettazione riguardanti il mascheramento delle vie e quando dovresti evitarlo nel tuo layout di PCB.

Quando Utilizzare Vie Mascherate vs. Vie Non Mascherate

L'idea dietro al tenting dei via è semplice: si tratta di coprire tutti i via sul PCB con maschera di saldatura in modo che qualsiasi pad/anellino sul foro del via, e il cilindro del via stesso, non siano esposti all'ambiente. La resistenza di saldatura è posizionata per fornire una certa misura di protezione per il pad del via e la placcatura all'interno del cilindro del via. Se guardi un layout di PCB, puoi individuare i via tentati semplicemente osservando il tuo strato di maschera di arresto della saldatura; lo stesso vale per il file Gerber per quello strato di maschera di saldatura.

Il tenting dei via è talvolta visto come un requisito DFA, così come un requisito di affidabilità. Alcuni dei benefici e degli svantaggi dichiarati del tenting dei via includono:

• Il tenting previene l'esposizione a fattori ambientali che riducono la durata del dispositivo, come sostanze chimiche nocive o umidità.
• Il tenting costa meno del tappaggio dei via o del riempimento/placcatura con un'epossidica, rendendolo il processo più semplice che puoi usare per proteggere i via.
• Il tenting può sia aiutare che interferire con l'assemblaggio, a seconda del particolare componente che viene posizionato e saldato sulla scheda.

Esaminiamo ciascuna di queste aree per vedere alcuni casi in cui potremmo dover includere o omettere i via tentati.

Prevenzione del Wicking della Saldatura

Le vie posizionate vicino ai componenti SMD possono fornire un percorso per la saldatura che si diffonde sul lato posteriore della scheda. Esistono tre possibili soluzioni a questo problema:

1. Ridurre l'apertura della maschera di pasta in modo che venga applicata meno pasta saldante sui pad SMD in questione
2. Spostare quelle vie più lontano dai pad SMD e assicurarsi che ci sia una sorta di diga di maschera di saldatura tra qualsiasi pad e la sua via di collegamento
3. Proteggere selettivamente le vie vicino ai pad SMD senza modificare la maschera di pasta

A mio parere, la #3 è l'opzione migliore data tutte le altre possibili scelte. Il motivo è che si tratta di una modifica molto semplice che richiede solo di chiudere l'espansione della maschera di saldatura su vie specifiche.

Protezione Ambientale per Vie Piccole

La protezione è meglio utilizzata su vie piccole con un diametro del foro finito di meno di circa 12 mil. Il limite specifico del diametro dipende dalla soluzione di maschera di saldatura LPI, e il vostro fabbricante dovrebbe essere in grado di raccomandare un diametro massimo della via per garantire una protezione affidabile. Se il diametro della via è troppo grande, la resistenza alla saldatura potrebbe rompersi e lasciare un piccolo foro, che permetterebbe ai contaminanti di entrare nel barilotto della via. Qui sorgono preoccupazioni per l'affidabilità, in particolare quando è necessaria la protezione ambientale.

Quando l'interno di una via è esposto all'ambiente e non è protetto con una finitura di placcatura o altro materiale (ad esempio, rivestimento conforme), allora il rame esposto potrebbe lentamente corrodersi. Il processo si accelera se la via è coperta solo su un lato e qualche contaminante potrebbe accumularsi all'interno del barilotto della via. Questa esposizione potrebbe anche causare un guasto precoce del dispositivo. Pertanto, qualsiasi dispositivo che potrebbe essere esposto a un ambiente in cui un contaminante potrebbe accumularsi all'interno del barilotto della via dovrebbe avere una copertura applicata dove possibile.

Nel caso in cui si lascino alcune delle vie scoperte, è sempre possibile rivestire l'assemblato PCBA con un rivestimento conforme per conferirgli quel livello aggiuntivo di protezione ambientale. Questa sarebbe una grande soluzione se la preoccupazione ambientale fosse qualcosa come l'umidità o la polvere, ma potrebbe essere problematico con la fuoriuscita di gas in un ambiente a bassa pressione, come nello spazio o in un sistema industriale specializzato.

Preoccupazioni di Assemblaggio con Vie Coperte vs. Vie Scoperte

Le vie coperte possono creare alcuni problemi di assemblaggio in certi casi. I potenziali problemi di assemblaggio dipendono dal fatto che sia necessario assemblare un componente a passo fine o si stia lavorando ad alte densità che vi portano vicino al limite in cui potrebbe essere necessario il via nel pad. La copertura delle vie nell'assemblaggio dei PCB dovrebbe essere considerata da due prospettive:

• C'è la possibilità che lo stagno si diffonda sul retro della scheda durante l'assemblaggio? In caso affermativo, allora coprire le vie vicino all'impronta del componente.
• I residui eccessivi di flusso causeranno problemi di contaminazione e possibilmente cortocircuiti? In caso affermativo, allora scoprire le vie vicino o sotto l'impronta del componente.

Un ottimo esempio qui è un pad di terra sotto un componente QFN o un grande pacchetto TO. Questo pad conterrà vie, ma deve essere saldato al componente per creare una connessione elettrica e per garantire che il calore si allontani facilmente dal componente. Tuttavia, il lato posteriore della scheda potrebbe avere una copertura applicata per prevenire la diffusione dello stagno. Sostengo che, in questo caso, la diffusione sia più importante e quelle vie dovrebbero essere coperte, specialmente se ci sono altri componenti sul lato posteriore che potrebbero cortocircuitarsi se si verifica una diffusione dello stagno.

Per un BGA con un fanout a forma di osso di cane, dovrebbe essere chiaro che i due obiettivi sono in conflitto. Se lasci i via nel fanout senza copertura, avrai una via di fuga chiara per il flusso durante l'assemblaggio, e il materiale di placcatura superficiale proteggerà il rame dai danni ambientali. Tuttavia, se copri questi via, sullo stesso lato dei pad del BGA, impedirai alla saldatura di risalire sul retro della scheda.

Secondo la mia opinione e esperienza, la linea di divisione è lo spessore del resist di saldatura lasciato tra il pad del BGA e il via. Se lasci i via scoperti e lo spessore del resist di saldatura è troppo sottile, può staccarsi dopo la fabbricazione, il che significa che perdi la tua barriera di maschera di saldatura e c'è il rischio che la pallina di saldatura del BGA fluisca attraverso il via aperto. Se il via non coperto lasciasse dietro di sé uno spessore di maschera di saldatura troppo sottile, consiglierei di coprire i via e di richiedere l'uso di un flusso no-clean affidabile durante l'assemblaggio. L'assemblatore dovrebbe sapere o avere dati su se il loro flusso no-clean potrebbe mai causare il cortocircuito delle palline di saldatura durante il riflusso.

Un lato o entrambi i lati?

La domanda successiva non così ovvia da porsi è: dovresti coprire i via su un lato o su entrambi i lati?

Secondo me, se decidi di coprire i via, allora fallo su entrambi i lati. L'eccezione riguarda i via-in-pad, i via in un poligono di rame esposto/binario, o i via in un pad di terra (vedi l'esempio del pacchetto TO qui sotto). Queste caratteristiche richiedono rame esposto, quindi il via sarà esposto su un lato e potrai solo coprirlo sull'altro lato. Altrimenti, una volta che i via diventano abbastanza grandi, lasciali scoperti e seleziona una placcatura appropriata che proteggerà i conduttori esposti.

Via Coperti vs. Via Scoperti Riassunti

Ovviamente, dalla lista delle possibili preoccupazioni sopra, c'è un compromesso tra coprire i via per proteggerli da potenziali contaminazioni ambientali, e lasciare un design scoperto per assicurare che i contaminanti dell'assemblaggio possano esaurirsi dall'assemblaggio. Se uno di questi è una preoccupazione in un particolare sistema, allora il PCBA dovrebbe essere testato approfonditamente per assicurarsi che funzionerà correttamente e che il design non soffrirà di problemi di affidabilità basati sui via coperti.

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