Vias Cegas e Enterradas - O Que São e Como São Utilizadas?

Como observado em vários dos meus artigos anteriores, bem como na grande maioria de outros documentos publicados, os espaçamentos entre os terminais dos componentes tornaram-se cada vez mais finos, e dispositivos de menor formato passaram a dominar um grande número dos produtos (telefones celulares) que estão sendo desenvolvidos hoje.

A questão de como conectar componentes aos dois lados dessas PCBs lotadas deve estar entre os primeiros fatores a serem considerados por uma equipe de desenvolvimento de produto. Tipicamente, esse processo de conexão é feito por meio do uso de vias cegas e enterradas. Este artigo descreverá os vários tipos de vias utilizadas, suas aplicações e benefícios, e suas limitações.

Alguns Fundamentos e História de Origem—Vias Cegas

Primeiro, é útil mergulhar um pouco nas origens das vias e como elas são usadas. Uma via é um furo perfurado e metalizado em uma PCB que permite que um sinal passe de um lado da PCB para o outro ou para uma camada interna. As vias podem ser usadas para conectar os terminais dos componentes às trilhas de sinal ou planos, ou para permitir que um sinal mude de camada de sinal. Quando uma via passa completamente através de uma PCB, ela é chamada de via passante ou through via. A Figura 1 mostra os vários tipos de vias.

Figura 1. Os Vários Tipos de Vias

Vias Cegas

Quando uma via começa em um lado da PCB mas não passa completamente através dela, é chamada de via cega. Os quatro tipos de vias cegas são:

• Vias cegas definidas por foto.
• Vias cegas de laminação sequencial.
• Vias cegas de profundidade controlada.
• Vias cegas perfuradas a laser.

Cada um desses tipos é discutido em detalhe abaixo

Via Cega Definida por Foto: Uma via definida por foto é criada ao laminar uma folha de resina fotossensível em um núcleo (Este núcleo é composto por camadas laminadas que podem conter os planos de alimentação, bem como algumas camadas de sinal enterradas). A camada de material fotossensível é coberta com um padrão que cobre as áreas onde os furos devem ser criados e é então exposta à luz de um comprimento de onda que fará com que o material restante na PCB endureça. Após isso, a PCB é imersa em uma solução de gravação que remove o material nos furos. Isso cria um caminho para a próxima camada abaixo. Após o processo de gravação, cobre é depositado no furo e na superfície externa para criar a camada externa da PCB. Esta operação é normalmente feita em ambos os lados da PCB ao mesmo tempo, e adiciona uma camada a cada lado.

As vias definidas por foto são comumente usadas para criar pacotes orgânicos multicamadas BGA (ball grid array) e PCBs de celulares. A vantagem em usá-las é que custa o mesmo criar milhares de vias cegas do que criar apenas uma. Quando apenas algumas vias cegas são necessárias, seu uso se torna uma desvantagem de custo.

Via Cega de Laminação Sequencial: Uma via cega de laminação sequencial é criada processando-se um pedaço muito fino de laminado através de todas as etapas envolvidas na criação de uma PCB de dois lados. O laminado é perfurado, banhado e gravado para definir as características no lado que formará a camada 2 da placa. O outro lado é deixado como uma folha sólida de cobre, e formará a camada 1 da PCB finalizada. A submontagem é então laminada com todas as outras camadas da PCB. A laminação combinada resultante é então processada através de todas as etapas envolvidas na criação das camadas externas de uma PCB multicamadas. Vias cegas de laminação sequencial foram usadas na criação de muitas das primeiras PCBs de celulares. É a maneira mais cara de formar vias cegas devido aos passos extras do processo requeridos e à perda de rendimento associada ao manuseio de laminados muito finos através das operações de perfuração, gravação e banho. Como resultado, deve ser considerada a última opção quando vias cegas são necessárias.

Vias Cegas Perfuradas com Profundidade Controlada: Como pode ser visto na Figura 1, as vias cegas com profundidade controlada são criadas da mesma forma que as vias passantes. Aqui, a broca é ajustada para penetrar apenas parcialmente através da PCB. O designer da arte coloca um pad na camada 2 que é perfurado pela broca. Cuidados são tomados para garantir que não haja elementos abaixo do furo perfurado que possam entrar em contato com o furo perfurado. O cobre é então depositado no furo perfurado ao mesmo tempo em que o cobre é depositado nas vias passantes.

Vias com profundidade controlada são o tipo menos caro de via cega, pois nenhum equipamento adicional ou etapas de processo são necessários para criá-las. As limitações dessas vias são que os furos devem ser grandes o suficiente para que brocas mecânicas possam criá-los e a área abaixo deles deve ser mantida livre de circuitos que possam ser tocados acidentalmente pelo furo perfurado.

Vias Cegas Perfuradas a Laser: Estas são criadas após todas as camadas de uma PCB terem sido laminadas e antes da camada externa ter sido gravada e metalizada. Um laser é usado para ablatar o cobre na camada externa, bem como o material isolante entre as camadas 1 e 2. Existem dois tipos de lasers usados neste processo:

• Laser CO₂
• Laser Excimer

O laser CO₂ é o laser mais potente e, portanto, tem a capacidade de perfurar os buracos rapidamente. O problema com este laser é que o comprimento de onda da luz não remove o cobre na camada 1. Como resultado, a etapa de perfuração a laser deve ser precedida por uma etapa de gravação para gravar os buracos no cobre. Além de criar outra etapa de processamento, a etapa de fotoimagem necessária traz consigo um problema de alinhamento, pois a máscara fotográfica deve ser alinhada com os pads na camada 2 que estão invisíveis no momento em que o laser está em uso.

O laser excimer é capaz de perfurar tanto o cobre quanto o material dielétrico subjacente para formar a via cega em um único passo. Esse tipo de laser tornou-se o laser de escolha para vias cegas perfuradas a laser porque não requer que a camada de cobre seja pré-perfurada e não há arte adicional. Como o laser pode penetrar tanto no cobre quanto no dielétrico, deve-se ter cuidado ao configurá-lo para garantir que o furo passe pela camada de cobre externa e pelo dielétrico subjacente sem cortar o pad de cobre na camada 2. A Figura 2 mostra um furo perfurado a laser que removeu todo o material indesejado no furo sem ter perfurado o pad na camada 2.

Figura 2. Via Cega Perfurada a Laser

As Vantagens Elétricas das Vias Cegas

Vias em linhas de sinal são afetadas pela capacitância parasita criada pelo cilindro do furo metalizado e pelos planos pelos quais ele passa. Essa capacitância parasita é primariamente uma função da área externa do furo metalizado, que é um cilindro atravessando a PCB. Esta área é determinada pelo diâmetro da broca e pela espessura da PCB. Com as altas taxas de dados de hoje, essa capacitância parasita pode degradar o sinal a ponto de ele não poder ser usado com sucesso. Portanto, deve haver algum método para reduzir essa capacitância parasita. Vias cegas fazem isso ao encurtar o comprimento das vias e reduzir seus diâmetros. Como resultado, vias cegas são uma boa maneira de conectar linhas de sinal que operam acima de 4,8 Gb/s.

As Limitações das Vias Cegas

Existem várias limitações no uso de vias cegas (definidas por foto, profundidade controlada e a laser) que são perfuradas após a laminação da PCB. A primeira limitação é a profundidade do furo em relação ao seu diâmetro. Uma via cega é um furo cego na superfície da PCB. Fazer com que a química de revestimento entre neste furo de modo que o cobre seja depositado no fundo e nas laterais do furo pode ser difícil se a profundidade do furo for grande em comparação com seu diâmetro. Para garantir que o revestimento seja feito com sucesso, o diâmetro do furo deve ser tão grande quanto sua profundidade. Isso é definido como uma relação de aspecto de 1:1 ou menos. Muitos fabricantes precisam de um diâmetro que seja 1,5 vezes a profundidade do furo para garantir um revestimento adequado. Na maioria dos casos, isso impede a perfuração de uma via cega abaixo da camada 2 da PCB. O engenheiro de desenvolvimento deve ser capaz de conectar todos os pinos de um dispositivo de passo fino, como o mostrado na Figura 3, em qualquer camada 1 ou

2.

Figura 3. Um Componente de Passo de 0,5mm Usando Vias Cegas

Não foi possível fazer isso com a peça mostrada nesta figura, então muitos dos pinos foram distribuídos para fora da peça para permitir conexões perfuradas, através do furo, para camadas mais profundas dentro do PCB.

Uma segunda limitação ao usar vias cegas é ter a capacidade de parar a perfuração na camada pretendida. Quando uma broca a laser é usada, ela deve perfurar através do cobre na camada 1 e o material dielétrico subjacente sem perfurar o pad de conexão de cobre que está na camada 2. Isso significa que o feixe de laser deve ser cuidadosamente calibrado. Quando a perfuração de profundidade controlada é usada, a broca deve parar antes de tocar o cobre nas camadas que estão abaixo da camada à qual a conexão está sendo feita.

Um terceiro problema associado a vias cegas está relacionado à soldagem de um componente a um pad no qual uma via cega foi colocada. Um problema potencial de confiabilidade pode ser causado pelos furos. (A referência 47 no Volume 1 do nosso livro descreve este problema). Quando a pasta de solda é aplicada aos pads, o ar na via cega fica preso sob o furo, logo abaixo do BGA. Essa pequena bolha de ar enfraquece a junção o suficiente para que circuitos abertos ocorram à medida que o PCB passa pelos diversos temperaturas operacionais. Existem duas maneiras de resolver este problema:

1. Preencha completamente o furo com cobre galvanizado conforme mostrado na Figura 4.

2. Fure a via cega para o lado do pad.

Figura 4. Via Cega Empilhada com Via de Superfície Preenchida com Cobre

Na Figura 4, três vias cegas foram empilhadas uma sobre a outra. A via inferior foi formada juntamente com todas as outras vias na PCB. As duas vias superiores foram formadas usando o processo de construção discutido abaixo. Cada via foi formada conforme mostrado na Figura 1. Após a galvanização da via cega e de todas as outras vias, o painel foi enviado de volta através da operação de resistência à galvanização, onde uma nova camada de resistência foi exposta a um padrão onde apenas as vias cegas foram expostas. Então, o cobre foi galvanizado nas vias cegas até que preenchesse completamente os vazios. Esta operação é frequentemente referida como galvanização de botão. Para garantir que cada via cega seja preenchida com cobre, a operação de galvanização continua até que o cobre sobressaia acima da superfície. Após o processo de galvanização estar completo, a resistência à galvanização é removida e toda a superfície da PCB é lixada para suavizar o cobre. Todos esses passos extras no processo de galvanização adicionam custo à PCB finalizada. A Figura 4 mostra a operação de via cega feita três vezes, uma sobre a outra.

Uma abordagem alternativa para o problema das bolhas é perfurar a via cega ao lado do componente (isso também é descrito na Referência 47 do nosso livro Volume 1). Esta abordagem não requer etapas adicionais no processo. Ela exige que o desenvolvedor do produto permita espaço adicional para a adição da via cega ao lado do pad. A Figura 5 fornece um exemplo de vias que foram perfuradas ao lado do centro.

Figura 5. Vias Cegas Perfuradas com Deslocamento a Laser

Isso alivia o problema das bolhas porque a bolha mencionada forma-se ao lado da esfera de solda, em vez de no seu centro. Nota: Se houver uma bolha de ar que não esteja diretamente sob a esfera de solda, isso não causará problemas.

Quando há a necessidade de construir vias em duas camadas, uma acima da outra como mostrado na Figura 4, e você não quer tomar as etapas extras para preencher as vias com cobre, existe uma abordagem alternativa. Neste caso, você coloca a segunda via ao lado da primeira, de modo que ela não fique em cima do vazio formado pela primeira via.

Vias Cegas Problemáticas

Como citado acima, existem várias maneiras pelas quais vias cegas podem "dar errado". Nos exemplos acima, os problemas podem ser o resultado da seleção do tipo errado de via para o produto em design, incorporação incorreta da via no design geral da placa, ou a via não sendo fabricada da maneira correta. Outra maneira pela qual as vias podem dar errado está ligada ao tecido de vidro usado nos laminados. As Figuras 6-8 são exemplos desses tipos de vias problemáticas. Todas elas estavam ruins devido à não uniformidade do estilo de tecelagem dos tecidos de vidro dentro dos laminados—também conhecido como a falta de vidro mecanicamente espalhado. Eu discuti o tópico de vidro mecanicamente espalhado em um blog anterior.

Figura 6. Exemplo de Má Via Cega 1

Figura 7. Exemplo de Má Via Cega 2

Figura 8. Exemplo de Má Via Cega 3

Vias Enterradas

Quando uma via passa entre duas camadas internas de uma PCB, mas não toca em nenhuma das superfícies, ela é uma via enterrada. Um erro comum é chamar uma via cega de microvia. De acordo com a IPC, uma microvia é uma via cujo diâmetro é de 8 mils ou menos, independentemente de atravessar ou não toda a PCB. Uma via enterrada pode passar entre quaisquer duas camadas, conforme mostrado na Figura 1, ou pode passar por várias camadas, conforme mostrado na Figura 9.

Figura 9. Via Enterrada

Em qualquer um dos casos, a via enterrada é formada pelo processamento do conjunto de camadas internas envolvidas através do processo ilustrado na Figura 10. Estes são todos os passos envolvidos na criação de uma PCB acabada com camadas adicionais adicionadas ao exterior usando o processo de construção. Obviamente, este é um processo mais caro do que o processamento multilayer direto. Muitos dos substratos BGA usados em dispositivos de alta contagem de pinos são feitos desta maneira, assim como os celulares.

Você pode ler mais sobre o uso de vias cegas e enterradas no Altium Designer aqui. Tem mais perguntas? Ligue para um especialista na Altium ou aprimore seus conhecimentos lendo mais sobre o melhor conjunto de ferramentas para criação de vias em PCB no design de PCB com o Altium Designer^®.