비기능 패드가 PCB 설계에 미치는 영향

비기능 패드에 대한 논의는 때때로 전부이거나 전무이거나의 논쟁으로 틀이 잡히곤 하며, 신뢰성과 신호 무결성에 미치는 영향에 대한 논쟁이 많습니다. 비아에 그대로 두어야 할까요, 아니면 모든 비아에서 제거해야 할까요? 모든 설계 결정처럼 균형을 맞춰야 할 타협점이 있으며, 보통 설계의 한 측면이 다른 모든 것보다 우선합니다. 비기능 패드 사용에 대한 일반화된 규칙이 없기 때문에, 설계자는 특정 응용 프로그램을 고려하여 레이아웃에 비기능 패드를 포함할지 결정해야 합니다.

이 글에서는 신호 무결성, 신뢰성, 그리고 라우팅 밀도의 세 가지 관점에서 비기능 패드 문제를 검토할 것입니다. 일부 설계에서는 이러한 문제들이 서로 배타적이므로, 아래 나열된 설계 과제 중 제품에 가장 중요한 것이 무엇인지 결정해야 합니다.

비기능 패드를 사용한 설계 신뢰성

전보 현상과 ECM 실패

비기능 패드가 도금된 관통 홀 비아에 존재하면 "전보 현상"으로 알려진 상태를 초래할 수 있습니다. 비아에서 구리가 너무 많을 때, 패드 사이의 재료가 수지로 인해 굶주립니다. 결과적으로, 구리 스택의 이미지가 유전체의 표면층에서 봉우리와 계곡으로 나타납니다. 다시 말해, 구리 스택의 이미지가 보드 표면에 "전보"됩니다. 높은 곳은 에폭시가 "짜내질" 수 있는 지역을 만들어냅니다. 이는 최근 팟캐스트 게스트 중 한 명이 설명한 바와 같습니다. 이는 패드와 비아 배럴이 이루는 직각에서 인접한 패드 사이에 공극을 남깁니다. 이는 결합부에서 열적 실패로 이어질 수 있습니다.

공극 형성은 또 다른 신뢰성 문제인 전기화학적 이동(ECM) 실패로 이어집니다. 비아 결합부에서의 공극 형성은 접착 문제를 일으키고 ECM 경로를 허용합니다. 이는 패드 사이의 약간의 전압 차이로 인해 덴드라이트 또는 섬유상 구조체의 성장을 유발할 수 있습니다. 이러한 구조체의 성장은 시간이 지남에 따라 축적되어 결국 진단하기 어려운 PCB 실패로 이어집니다.

덴드라이트 구조체가 인접한 도체 사이의 간격을 연결할 수 있다면, 단락이 발생합니다. 덴드라이트의 단면적이 작으면 전류 밀도가 높아지고 구조체가 타버려 결함이 사실상 제거될 수 있습니다. 이는 진단하기 어려운 간헐적인 실패 행동으로 이어집니다.

이 재료에서 ECM에 대한 좋은 리뷰는 여기에서 찾을 수 있습니다:

• Yi, Pan 등. "얇은 전해질 층 하에서 구리 도금 합판 및 무전해 니켈/침지 금 인쇄 회로 기판의 전기화학적 이동 행동." 재료 10, 2호 (2017): 137.

이러한 점들은 보드가 고온을 경험하고, 빈번한 온도 순환을 겪으며, 고전압에서 작동할 경우 더 중요하다고 주장할 수 있습니다. 이러한 모든 경우에 이러한 경우의 실패 가능성이 더 커집니다. 따라서 다른 이유가 없다면 비기능성 패드를 제거하는 것을 고려하십시오.

앵커링 대비 드릴 마모를 위한 비기능성 패드 유지

많은 상황에서 비기능 패드는 상대적으로 해가 없습니다. 제조업체들은 비기능 패드를 제거하는 것을 선호하는데, 이는 드릴링을 더 쉽게 만들기 때문입니다. 그러나 이러한 패드를 유지하면 팽창과 진동 시 기판에 더 큰 고정력을 제공하여, 이러한 비아의 수명을 늘릴 것으로 생각됩니다. 이러한 논쟁은 부분적으로 비아의 종횡비와 관련이 있습니다.

종횡비가 낮은 비아에서는 내부 구리 도금이 더 균일하며, 비기능 패드는 비아의 수명을 늘릴 수 있습니다. 패드에 의한 고정력과 비아 배럴 내의 더 균일한 구리 도금이 결합되어 비아가 균열에 덜 취약하게 만듭니다. 종횡비가 높은 비아에서는, 비아 배럴 중앙의 구리 코팅이 더 얇기 때문에 비기능 패드의 존재 여부와 관계없이 중앙에서 균열이 발생하기 쉽습니다.

강유연 기판에서의 비기능 패드

유연 및 강유연 PCB를 설계할 때 주의가 필요합니다. 도금된 관통 홀 비아의 구리는 유연 기판에 강 기판만큼 강하게 결합하지 않습니다. 구리 결합이 유연 기판에서 신뢰성 문제가 되기 때문에, 이제 비기능 패드가 유용해집니다.

일부 제조업체는 Kapton Mylar 유연 소재의 고정을 위해 유연 회로 기판(flex)과 경질 유연 회로 기판(rigid-flex)에 일부 비기능 패드를 남겨두는 것이 좋다고 권장합니다. 유연 PCB의 비아(via)를 따라 모든 비기능 패드가 제거되면 기능 패드 사이의 간격이 매우 커지고, 도금이 홀 벽에서 분리되기 시작할 수 있습니다. 모든 패드(기능 및 비기능 포함)는 비아 배럴을 따라 분산되어 앵커 포인트로 기능합니다. 이는 유연 회로 기판이나 경질 유연 회로 기판에서 비아의 강도를 증가시킵니다.

고급 보드: 라우팅 밀도 및 고속/RF

비기능 패드는 더 얇은 다층 HDI 보드의 내부 레이어에서 귀중한 공간을 차지합니다. 보드가 열 사이클링 하에서 안정적으로 유지될 것이라고 확신할 수 있다면, 내부 레이어에서 트레이스 라우팅을 밀집시키기 위해 비기능 패드를 제거하는 것이 바람직할 수 있습니다. 이는 신뢰성 문제가 없는 더 고급 설계에서 도전적인 과제입니다.

비기능 패드를 제거하는 데 유용한 다른 영역은 고속 설계나 RF 설계에서 특히 더 빠른 신호나 고주파 신호를 전달하는 비아에서입니다. 이러한 설계의 다른 비아는 위에 나열된 다른 권장 사항에 따라 처리될 수 있습니다.

이러한 고급 설계에서 중요한 이유는 신호 무결성과 특히 특정 임피던스로의 비아 전환 설계에 있습니다. 비아 전환으로 임피던스 목표를 달성하려면 두 가지 요소가 필요합니다:

• 스티칭 비아
• 플레인 레이어의 안티패드

비기능 패드는 비아 벽을 따라 추가 분산 용량을 생성하며, 비아 구조는 고주파에서 용량성 부하에 매우 민감합니다. 이 민감성은 WiFi와 mmWave 주파수 사이에서 비아 임피던스가 유도성에서 용량성으로 전환될 수 있을 정도로 크며, 이와 관련된 이 기사에서 논의한 바 있습니다. 따라서, 저는 이러한 비아 전환에서 비기능 패드를 그냥 제거하는 것을 선호합니다. 이렇게 하면 내부 레이어의 안티패드를 동일한 직경으로 설정할 수 있어, 매우 높은 주파수에서 이러한 구조를 최적화하는 데 관련된 매개변수 공간을 줄일 수 있습니다.

PCB의 모든 패드스택 사용자 정의하기

결론은 다음과 같습니다: 비기능 패드는 PCB가 제대로 제작되기 위해 필수적이지 않지만, 이를 유지해도 반드시 실패하는 것은 아닙니다. 일부 지침에서는 모든 비기능 패드를 항상 제거하라고 권장합니다. 개인적으로, 레이아웃과 라우팅의 용이성을 위해 간단한 디자인에서는 NFP를 유지하는 것을 선호하지만, 신호가 있는 더 고급 디자인에서는 제거해야 합니다. 저에게는 두 가지 영역이 중요합니다: IPC 클래스(또는 해당 제품에 대한 동등한 신뢰성 표준) 또는 비아 구조가 RF/고속 채널에 있는지 여부입니다.

클래스 2 대비 클래스 3에서의 스루홀 - 클래스 3 디자인을 하고 있고 홀이 스루홀 부품용으로 사용된다면, 탈출을 어디에서나 방지할 수 있도록 상/하단 레이어와 일치하는 충분히 큰 패드를 기능 레이어에 남기고 그 외의 모든 곳에서는 제거할 것입니다. 클래스 3의 기능 패드 크기는 (비아/패드) 직경이 (D/D + 10 mils)가 될 것입니다.

RF/고속 - 고속 채널에서 제어된 비아 임피던스가 필요한 비아의 경우, 원하는 임피던스 값을 신뢰성 있게 설정할 수 있도록 NFP를 제거할 것입니다. Simbeor 또는 CST와 같은 비아 설계 도구에서 임피던스를 설정하는 것이 더 쉽기 때문에 이 방법을 선호합니다; NFP를 제거하면 설계 공간에서 하나의 매개변수가 제거됩니다. 그러나, 신뢰성이 주요 관심사라면, 패드스택에 NFP가 유지될 것입니다.

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