Design de PCB: O que são Razões de Aspecto e Por que São Importantes?

Qualquer via em uma PCB pode causar problemas de confiabilidade, que se relacionam com o tamanho da via e os materiais usados na PCB. Quando uma via é colocada em uma PCB, o tamanho da broca e a profundidade na PCB definem a razão de aspecto de uma via. É esse parâmetro que é um determinante importante da confiabilidade da via. A capacidade de fabricar vias com diferentes razões de aspecto de forma confiável depende de vários fatores. Por exemplo, alguns fabricantes vão lhe oferecer vias com razões de aspecto muito altas que eles podem fabricar e comprovar a confiabilidade em testes de estresse acelerado.

A razão de aspecto da via que você usa em sua PCB depende do tamanho da broca que você pode fabricar de forma confiável para a placa. Existem algumas restrições práticas e regras básicas a considerar ao projetar suas vias para ter uma razão de aspecto alvo. Vou examinar alguns desses pontos neste artigo, tanto para vias perfuradas mecanicamente quanto para microvias.

O que é Razão de Aspecto de Via no Design de PCB?

A razão de aspecto de uma via em uma PCB tem uma definição matemática muito simples. A razão de aspecto da via é a relação entre a profundidade da broca e o diâmetro da broca usados para fabricar a via:

Razão de Aspecto = (Profundidade da broca)/(Diâmetro da broca)

Para PCBs de espessura padrão, onde a espessura é de 62 mils ou 1,57 mm, a máxima relação de aspecto que se pode esperar ver para vias passantes perfuradas mecanicamente é de 10:1. Isso ocorre porque o menor diâmetro de broca tipicamente usado para a fabricação de PCB é de 6 mils, e esse valor com a espessura padrão dá a máxima relação de 10:1. Devido ao consumo de ferramenta em brocas de 6 mils de diâmetro ser mais rápido do que com brocas maiores, o maior custo das vias de 6 mils é superado usando um diâmetro de broca maior, o que resulta em uma menor relação de aspecto.

Eu normalmente uso brocas de diâmetro de 10 mils no limite inferior, a menos que uma footprint de BGA ou uma footprint de conector de alta densidade de pinos exija que eu use um diâmetro de broca menor. Em outras palavras, eu poderia esperar uma relação de aspecto máxima de 6:1 na maioria das PCBs que eu projeto.

Relação de Aspecto e Confiabilidade da Via em PCB

Agora que definimos os valores típicos de relação de aspecto, como a relação de aspecto de uma via afeta sua confiabilidade?

Esta é uma questão importante, pois se relaciona em parte com as diferenças na confiabilidade entre furos perfurados mecanicamente e furos perfurados a laser usados em PCBs HDI. Como regras gerais, principalmente para garantir a confiabilidade das estruturas banhadas perfuradas, os limites típicos nas relações de aspecto são os seguintes:

• Vias passantes: 12:1 ou menor
• Vias cegas/enterradas perfuradas a laser: 1:1 ou menor

Claro, estas são apenas regras básicas, e todas as regras básicas existem para serem quebradas. O caso de uma via passante de aproximadamente 12:1 com uma broca de 7 mil só seria típico em uma placa de 2 mm de espessura. Casos em que você começa a ver vias passantes com proporções de aspecto muito altas tendem a ser em PCBs não padrão que têm espessuras maiores, e nesse caso, a consulta com seu fabricante sobre o tamanho de broca permitido para vias passantes é necessária.

Dito isso, lembro-me de fazer uma visita à Summit Interconnect em 2021, e o gerente de engenharia de processo deles afirmou que eles poderiam fabricar vias de alta proporção de aspecto de forma confiável com brocas de 6 mil e provar sua confiabilidade. A expertise do fabricante e sua capacidade de provar a confiabilidade são bastante importantes aqui e isso sublinha a necessidade de contatá-los cedo, particularmente quando sua placa é não padrão.

Outro fator que muitas vezes não é considerado é a espessura do revestimento no furo do via. Tipicamente, isso pode ser aproximadamente 1 mil, mas, claro, você pode pedir ao seu fabricante para aumentar a espessura do revestimento. Paredes de via com cobre mais espesso serão mais confiáveis, então não deve ser surpresa que você possa esperar permissões de razões de aspecto maiores quando o revestimento é mais espesso.

O mesmo se aplica ao usar vias cegas e enterradas, seja perfuradas a laser ou mecanicamente. De fato, para vias perfuradas a laser, particularmente aquelas que serão empilhadas, razões de aspecto menores se tornam mais comuns em contagens de camadas mais altas, principalmente porque a espessura do dielétrico fica menor.

Microvias Perfuradas a Laser e Razões de Aspecto Maiores em PCBs

Microvias também podem ter razões de aspecto maiores dependendo do tamanho do furo perfurado e da qualidade do revestimento de cobre na laminação sequencial. Para vias passantes, os padrões de confiabilidade da IPC também especificam razões de aspecto de via entre 6:1 e 8:1. Uma razão de aspecto de via de 8:1 é considerada como uma capacidade necessária entre os fabricantes de PCBs.: De acordo com o IPC-T-50M, microvia perfurada a laser deve ter uma razão de aspecto máxima de 1:1.

Isso pode surgir de algumas maneiras possíveis:

• O uso de vias de salto para abranger duas ou mais camadas
• O uso de um dielétrico mais espesso nas camadas de construção HDI
• Processos inovadores que depositam vias de pequeno diâmetro em camadas mais espessas

O empilhamento de microvias não é necessariamente o mesmo que usar uma única via de alta relação de aspecto. A confiabilidade em um empilhamento dependerá da relação de aspecto de uma via individual e do número de vias no empilhamento. Atualmente, os fabricantes de HDI têm a expertise para construir empilhamentos de camadas ELIC, que irão empilhar microvias cegas/enterradas por todo o empilhamento de PCB. Se você tem uma PCB de alta contagem de camadas com BGAs de passo fino, e opta por seguir o caminho das microvias empilhadas, certifique-se de contatar seu fabricante e determinar a relação de aspecto apropriada para as microvias no empilhamento para garantir a confiabilidade.

Desafios da Placação de Vias em PCB

Perfurar vias exigirá algum entendimento das complexidades que envolvem adicionar profundidade ao seu circuito e adicionar necessidades de fabricação. A relação de aspecto da via em PCB afeta a dificuldade com que o interior pode ser platinado. O cobre é depositado no interior de uma via usando solução de platinagem. A solução de platinagem deve ser capaz de penetrar em um furo de via por ação capilar para platinar completamente o interior da via.

A física e a química envolvidas na galvanoplastia de micropilares são muito interessantes. Durante a ação capilar, a tensão superficial atrai a solução de galvanização para o interior do furo, e o cobre começa a se depositar ao longo da parede. Devido ao menisco que se forma na superfície da solução, o precursor do cobre é consumido rapidamente da solução nas regiões mais profundas do furo. Como resultado, as partes internas de um barril de via podem ter uma galvanização mais fina do que nas bordas da via.

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Vias de pequeno diâmetro em uma placa HDI

Se a relação de aspecto da via do PCB for maior, então há um risco de que o cobre depositado na parede da via seja mais fino, e o centro de tal via seria mais propenso a rachaduras sob estresse térmico. Isso poderia ser resolvido ajustando a viscosidade da solução de galvanização, mas, mais praticamente, a abordagem para compensar esse efeito é definir a força de arremesso apropriada no processo de eletrodeposição para uma via de alta relação de aspecto. Isso não apenas melhora a resistência estrutural da via, mas também melhora sua confiabilidade contra o estresse térmico.

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