Quando Usar Vias Cobertas vs. Descobertas no Layout da Sua PCB

Existem algumas diretrizes que vejo muitos designers implementarem como prática padrão, muitas vezes sem pensar sobre isso. Algumas dessas práticas são mal compreendidas ou implementadas sem as melhores práticas, como a aplicação de cobre nas camadas de sinal. Outras são implementadas sem pensar sobre os problemas potenciais, mas apenas porque esses problemas surgem em casos extremos. Uma dessas práticas é o uso de vias com cobertura, que às vezes é implementado por padrão em um layout de PCB.

Isso é sempre a prática correta? E quais são as possíveis preocupações com a confiabilidade das vias cobertas? Essas são perguntas importantes, especialmente quando surgem preocupações sobre confiabilidade relacionadas a vias de alto aspecto e microvias empilhadas. Neste artigo, vamos examinar alguns desses pontos de design relacionados à cobertura de vias e quando você deve evitar usá-las em seu layout de PCB.

Quando usar vias com cobertura vs. vias sem cobertura

A ideia por trás da cobertura de vias é simples: você está cobrindo todas as vias em sua PCB com máscara de solda para que qualquer pad/anél no furo da via, e o próprio cilindro da via, não fiquem expostos ao ambiente. A máscara de solda é aplicada para fornecer uma medida de proteção para o pad da via e a cobertura interna do cilindro da via. Se você olhar um layout de PCB, pode identificar vias cobertas apenas olhando a camada de máscara de solda; o mesmo vale para o arquivo Gerber dessa camada de máscara de solda.

A cobertura de vias é às vezes vista como um requisito DFA, bem como um requisito de confiabilidade. Alguns dos benefícios e desvantagens declarados da cobertura de vias incluem:

• A cobertura evita a exposição a fatores ambientais que reduzem a vida útil do dispositivo, como produtos químicos nocivos ou umidade.
• A cobertura custa menos do que o bloqueio ou preenchimento/montagem com epóxi, tornando-se o processo mais simples que você pode usar para proteger vias.
• A cobertura pode tanto ajudar quanto interferir na montagem, dependendo do componente específico sendo colocado e soldado na placa.

Vamos analisar cada uma dessas áreas para ver algumas situações onde podemos precisar incluir ou omitir vias com cobertura.

Prevenindo o fenômeno de "solder wicking"

Vias colocadas próximas a componentes SMD podem fornecer um caminho para o "solder wicking" (ascensão de solda) para o lado oposto da placa. Existem três maneiras possíveis de resolver isso:

1. Reduzir a abertura da máscara de pasta para que menos pasta de solda seja aplicada aos pads SMD em questão
2. Mover essas vias mais para longe dos pads SMD e garantir que haja uma barreira de máscara de solda entre qualquer pad e sua via conectada
3. Cobrir qualquer via próxima aos pads SMD de forma seletiva sem modificar a máscara de pasta

Na minha opinião, a opção #3 é a melhor, considerando todas as outras opções possíveis. A razão para isso é que é uma mudança muito simples que só exige fechar a expansão da máscara de solda em vias específicas.

Proteção ambiental para vias pequenas

A cobertura é melhor utilizada em vias pequenas com um diâmetro de furo acabado de menos de cerca de 12 mil. O limite específico do diâmetro depende da solução de máscara de solda LPI, e seu fabricante deve ser capaz de recomendar um diâmetro máximo de via para garantir uma cobertura confiável. Se o diâmetro da via for muito grande, a máscara de solda pode se romper e deixar um pequeno furo, permitindo que contaminantes entrem no cilindro da via. É aqui que surgem as preocupações com a confiabilidade, especialmente quando a proteção ambiental é necessária.

Quando o interior de uma via está exposto ao ambiente e não está protegido com um acabamento de revestimento ou outro material (por exemplo, revestimento conformal), o cobre exposto pode corroer lentamente. O processo acelera se a via estiver coberta apenas de um lado e algum contaminante puder se acumular dentro do cilindro da via. Essa exposição também pode causar falhas precoces no dispositivo. Portanto, qualquer dispositivo que possa ser exposto a um ambiente onde um contaminante possa se acumular dentro do cilindro da via deve ter a cobertura aplicada sempre que possível.

No caso de deixar algumas vias sem cobertura, você pode sempre revestir a PCBA com um revestimento conformal para dar uma camada adicional de proteção ambiental. Esta seria uma ótima solução se a preocupação ambiental fosse algo como umidade ou poeira, mas poderia ser problemática com a liberação de gases em um ambiente de baixa pressão, como no espaço ou em um sistema industrial especializado.

Preocupações com a Montagem de Vias Cobertas vs. Vias Sem Cobertura

Vias cobertas podem criar algumas preocupações durante a montagem em certos casos. Os problemas potenciais de montagem dependem de você precisar montar um componente com passo fino, ou se você está trabalhando em altas densidades que chegam perto do limite onde vias em pads podem ser necessárias. A cobertura de vias na montagem de PCB deve ser considerada de duas perspectivas:

• Há chance de a solda se espalhar para o lado oposto da placa durante a montagem? Se sim, então cubra as vias próximas ao contorno do componente.
• O resíduo excessivo de fluxo causará problemas com contaminação e possível curto-circuito? Se sim, então não cubra as vias próximas ou sob o contorno do componente.

Um ótimo exemplo aqui é um pad de aterramento sob um componente QFN ou pacote TO grande. Este pad conterá vias, mas precisa ser soldado ao componente para fazer uma conexão elétrica e garantir que o calor se dissipe facilmente do componente. No entanto, o lado oposto da placa pode ter a cobertura aplicada para evitar o "solder wicking" (espalhamento de solda). Eu argumentaria que, neste caso, o "wicking" é mais importante e essas vias devem ser cobertas, especialmente se houver outros componentes no lado oposto que possam fazer curto-circuito se ocorrer algum "solder wicking".

Para um BGA com fanout tipo dog bone, deve ficar claro que os dois objetivos estão em conflito. Se você deixar as vias no fanout sem cobertura, terá uma rota clara de escape para o fluxo durante a montagem, e o material de revestimento superficial protegerá o cobre contra danos ambientais. No entanto, se você cobrir essas vias, no mesmo lado dos pads BGA, evitará que a solda se espalhe para o lado oposto da placa.

Na minha opinião e experiência, a linha divisória é a fenda permitida da máscara de solda entre o pad BGA e a via. Se você deixar as vias sem cobertura e a fenda da máscara de solda for muito fina, ela pode se romper após a fabricação, o que significa que você perde a barreira da máscara de solda e há o risco de a esfera de solda BGA fluir através do cilindro da via aberto. Se a via sem cobertura deixar uma fenda da máscara de solda muito fina, eu recomendaria cobrir as vias e solicitar o uso de um fluxo sem limpeza confiável durante a montagem. O montador deve saber ou ter dados sobre se o fluxo sem limpeza pode causar curto-circuitos nas esferas de solda durante o reflow.

Um Lado ou Ambos os Lados?

A próxima pergunta nem tão óbvia a ser feita é: você deve cobrir de um lado ou de ambos os lados?

Minha opinião é que, se você for cobrir as vias, faça isso dos dois lados. A exceção é com vias em pad, vias em um polígono/raio de cobre exposto, ou vias em um pad de aterramento (veja o exemplo de pacote TO abaixo). Essas características exigem cobre exposto, assim a via ficará exposta de um lado e você só poderá cobri-la do outro lado. Caso contrário, quando as vias se tornarem grandes o suficiente, deixe-as sem cobertura e selecione um revestimento apropriado que protegerá os condutores expostos.

Vias Cobertas vs. Vias Sem Cobertura Resumido

Obviamente, pela lista de possíveis preocupações acima, há um trade-off entre cobrir para proteger contra a possível contaminação ambiental e deixar um design sem cobertura para garantir que os contaminantes da montagem possam se dissipar da montagem. Se qualquer uma dessas preocupações for relevante em um sistema específico, então a PCBA deve ser testada minuciosamente para garantir que funcionará corretamente e que o design não sofrerá de problemas de confiabilidade devido às vias cobertas.

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