Como os Pads Não Funcionais Afetam o Seu Projeto de PCB

Os pads não funcionais são por vezes enquadrados como um debate do tipo tudo ou nada, e as discussões sobre a confiabilidade e os efeitos na integridade do sinal são abundantes. Deve mantê-los nas suas vias, ou deve removê-los de todas as vias? Como qualquer decisão de design, existem compensações a equilibrar, e tipicamente um aspecto do design terá precedência sobre todos os outros. Como não existe uma regra generalizada sobre o uso de pads não funcionais, os designers devem determinar se os seus layouts devem incluir pads não funcionais dadas as suas aplicações específicas.

Neste artigo, vou examinar a questão dos pads não funcionais sob três perspectivas: integridade do sinal, confiabilidade e densidade de roteamento. Em alguns designs, essas questões são exclusivas entre si, então você precisará determinar qual dos desafios de design listados abaixo é mais importante para o seu produto.

Confiabilidade de Design com Pads Não Funcionais

Telegrafia e Falha por ECM

A presença de pads não funcionais em vias passantes pode levar a uma condição conhecida como "telegrafia". Quando há muito cobre nas vias, o material entre os pads fica carente de resina. Como resultado, uma imagem da pilha de cobre aparece como picos e vales nas camadas superficiais do dielétrico. Em outras palavras, a imagem da pilha de cobre é "telegrafada" para a superfície da placa. Os pontos altos criam regiões onde o epóxi pode ser "espremido", conforme descrito por um de nossos recentes convidados do podcast. Isso deixa vazios entre pads vizinhos no ângulo reto formado pelo pad e pelo barril da via, potencialmente levando a falha térmica na junção.

A formação de vazios leva a outro problema de confiabilidade: falha por migração eletroquímica (ECM). A formação de vazios nas juntas das vias resulta em problemas de adesão e permite caminhos para ECM. Isso pode causar o crescimento de estruturas dendríticas ou fibrosas entre os pads devido à pequena diferença de tensão entre eles. O crescimento dessas estruturas se acumula ao longo do tempo, eventualmente levando à falha da PCB que é difícil de diagnosticar.

Se estruturas dendríticas conseguirem fazer a ponte entre condutores adjacentes, resulta um curto-circuito. Se a área de secção transversal da dendrite for pequena, a densidade de corrente será alta e a estrutura pode queimar, eliminando essencialmente a falha. Isso leva a um comportamento de falha intermitente que é difícil de diagnosticar.

Uma boa revisão sobre o tema da MEC nestes materiais pode ser encontrada aqui:

• Yi, Pan, et al. "Comportamento de migração eletroquímica de laminado revestido de cobre e placas de circuito impresso de níquel químico/ouro por imersão sob camadas finas de eletrólito." Materiais 10, nº 2 (2017): 137.

Eu argumentaria que estes pontos são mais importantes onde a placa experimentará alta temperatura, ciclos de temperatura frequentes e funcionará em alta tensão. Todos esses casos levam a uma maior potencial para falha nestes casos. Portanto, considere remover os pads não funcionais se não houver outra razão para mantê-los.

Manter Pads Não Funcionais para Ancoragem vs. Desgaste da Broca

Em muitas situações, os pads não funcionais são relativamente inofensivos. Os fabricantes geralmente preferem que os pads não funcionais sejam removidos porque isso facilita a perfuração. No entanto, manter esses pads proporcionará uma ancoragem maior ao substrato durante a expansão e vibração, então acredita-se que isso aumentará a vida útil dessas vias. Esses debates se relacionam parcialmente à relação de aspecto da via.

Em vias de baixa relação de aspecto, o revestimento de cobre interno é mais uniforme, e os pads não funcionais poderiam aumentar a vida útil da via. A combinação da ancoragem fornecida pelo pad e o mais uniforme no interior da via faz com que a via seja menos propensa a rachaduras. Em vias de alta relação de aspecto, o interior da via é mais propenso a rachaduras no centro devido ao revestimento de cobre mais fino no centro do interior da via, independentemente da presença de pads não funcionais.

Pads Não Funcionais em Placas Rígido-flexíveis

Deve-se ter cuidado ao projetar PCBs flexíveis e rígido-flexíveis. O cobre em uma via metalizada não se liga a um substrato flexível tão bem quanto se liga a um substrato rígido. Como a ligação do cobre é uma questão de confiabilidade em substratos flexíveis, os pads não funcionais agora se tornam úteis.

Alguns fabricantes recomendam deixar pelo menos alguns pads não funcionais em placas flex e rigid-flex para fornecer ancoragem para o material flexível Kapton Mylar. Se todos os pads não funcionais forem removidos ao longo de uma via em uma PCB flex, o espaço entre os pads funcionais torna-se muito grande, e o revestimento pode começar a se separar da parede do furo. Todos os pads, tanto funcionais quanto não funcionais, funcionam como pontos de ancoragem que são dispersos ao longo do cilindro da via. Isso aumenta a resistência da via em uma PCB flex ou rigid-flex.

Placas Avançadas: Densidade de Roteamento e Alta Velocidade/RF

Os pads não funcionais ocupam um valioso espaço imobiliário nas camadas internas em placas HDI multilayer mais finas. Contanto que você possa garantir que a placa permanecerá estável sob ciclos térmicos, pode ser desejável remover os pads não funcionais para densificar o roteamento de trilhas nas camadas internas. Isso é um desafio em designs mais avançados onde preocupações com a confiabilidade não estão presentes.

A outra área onde é útil remover os pads não funcionais está em designs de alta velocidade ou designs de RF, especificamente em vias que transportam sinais mais rápidos ou sinais de alta frequência. As outras vias nesses designs podem ser tratadas com base nas outras recomendações listadas acima.

A razão pela qual isso é importante nesses designs mais avançados é para a integridade do sinal, e especificamente para projetar transições de via para uma impedância particular. Para atingir um alvo de impedância com uma transição de via, você precisa de dois elementos:

• Vias de costura
• Antipad nas camadas do plano

Os pads não funcionais criarão capacitância distribuída adicional ao longo da parede da via, e as estruturas de via são muito sensíveis à carga capacitiva em altas frequências. A sensibilidade é tão grande que a impedância da via pode mudar de indutiva para capacitiva entre as frequências de WiFi e mmWave, como discuti neste artigo relacionado. Portanto, prefiro simplesmente remover os pads não funcionais nessas transições de via. Isso permite que os antipads em camadas internas sejam ajustados para o mesmo diâmetro, o que reduz o espaço de parâmetros envolvido na otimização dessas estruturas para frequências muito altas.

Personalize Cada Padstack em Sua PCB

A questão é: pads não funcionais não são necessários para que uma PCB seja fabricada corretamente, mas a PCB também não falhará necessariamente se você mantê-los. Algumas diretrizes afirmam que todos os pads não funcionais devem ser sempre removidos. Pessoalmente, prefiro manter os NFPs em um design mais simples apenas para facilitar o layout e o roteamento, mas em designs mais avançados com sinais, eles devem ser removidos. Para mim, isso se resume a duas áreas: Classe IPC (ou padrão de confiabilidade equivalente para o produto em questão), ou se a estrutura da via está em um canal de RF/alta velocidade.

Furos passantes na Classe 2 vs. Classe 3 - Se estou fazendo um design de Classe 3 e o furo é usado para peças passantes, deixarei um pad suficientemente grande nas camadas funcionais que corresponda às camadas superior/inferior para que possamos prevenir a ruptura em todos os lugares, e os removereis em todos os outros lugares. Os tamanhos dos pads funcionais serão um diâmetro (Via/Pad) de (D/D + 10 mils) para a Classe 3.

RF/Alta Velocidade - Para vias em canais de alta velocidade que requerem impedância controlada, eu removo os NFPs para que eu possa definir a impedância da via para o valor desejado de forma confiável. Prefiro fazer isso porque é mais fácil definir a impedância em uma ferramenta de design de via como Simbeor ou CST; remover o NFP elimina um parâmetro do espaço de design. No entanto, se a confiabilidade for a principal preocupação, então os NFPs permanecerão no padstack.

Quando você usa Altium Designer^®, você pode facilmente personalizar o padstack em cada camada. Você não precisará de um programa externo para criar padstacks, tudo acontece dentro do editor de PCB. Você pode até colocar diferentes tamanhos de NFP em diferentes camadas, ou pode remover NFPs em camadas específicas. Esta ferramenta conveniente ajuda você a encontrar o equilíbrio entre densidade de roteamento, confiabilidade e design de via de alta velocidade.

Criar padstacks personalizados é simples dentro do Altium Designer. Saiba mais na documentação.

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