Когда использовать закрытые и открытые переходные отверстия в компоновке вашей печатной платы

Существуют некоторые рекомендации, которые многие дизайнеры применяют как стандартную практику, часто даже не задумываясь об этом. Некоторые из этих практик неправильно понимают или применяют без лучших методик, например, использование медного залива на слоях сигналов. Другие применяются без учета потенциальных проблем, но только потому, что эти проблемы возникают в исключительных случаях. Одним из таких примеров является использование закрытых переходных отверстий (tented vias), которое иногда применяется в разводке печатной платы по умолчанию.

Является ли это всегда правильной практикой? И какие возможные проблемы надежности могут возникнуть с закрытыми переходными отверстиями? Это важные вопросы, особенно когда возникают опасения по поводу надежности при использовании переходных отверстий с высоким аспектным соотношением и стопкой микровиас. В этой статье мы рассмотрим некоторые из этих моментов дизайна, связанные с закрытием переходных отверстий, и когда вам следует избегать его использования в вашей разводке печатной платы.

Когда использовать закрытые переходные отверстия против открытых

Идея закрытия переходных отверстий (via tenting) проста: вы покрываете все переходные отверстия на вашей печатной плате (PCB) защитной маской, так что любая площадка/кольцо на отверстии перехода и сам баррель перехода не подвергаются воздействию окружающей среды. Защитная маска наносится для обеспечения некоторой степени защиты для площадки перехода и покрытия внутри барреля перехода. Если вы посмотрите на компоновку PCB, вы можете заметить закрытые переходы, просто взглянув на слой вашей защитной маски; то же самое относится к файлу Gerber для этого слоя защитной маски.

Закрытие переходов иногда рассматривается как требование проектирования для сборки (DFA), а также требование надежности. Некоторые из заявленных преимуществ и недостатков закрытия переходов включают в себя:

• Закрытие предотвращает воздействие на устройство факторов окружающей среды, которые сокращают срок его службы, таких как вредные химические вещества или влажность.
• Закрытие обходится дешевле, чем заполнение переходов или заполнение/покрытие эпоксидной смолой, что делает его самым простым процессом, который вы можете использовать для защиты переходов.
• Закрытие может как способствовать, так и мешать сборке, в зависимости от конкретного компонента, который устанавливается и паяется на плате.

Давайте рассмотрим каждую из этих областей, чтобы увидеть некоторые случаи, когда нам может потребоваться включить или исключить закрытые переходы.

Предотвращение подтягивания припоя

Виас, расположенные рядом с компонентами SMD, могут создавать путь для затекания припоя на обратную сторону платы. Существует три возможных способа решения этой проблемы:

1. Уменьшить отверстие в паяльной маске, чтобы на подлежащие вопросу площадки SMD наносилось меньше паяльной пасты
2. Переместить эти виас подальше от площадок SMD и обеспечить наличие паяльной маски между любой площадкой и ее соединительным виасом
3. Выборочно закрыть любые виас рядом с площадками SMD, не изменяя маску для паяльной пасты

На мой взгляд, #3 является лучшим вариантом среди всех возможных. Причина этого в том, что это очень простое изменение, которое требует только закрытия расширения паяльной маски на определенных виасах.

Защита окружающей среды для малых виас

Закрытие лучше всего использовать на малых виасах с окончательным диаметром отверстия менее примерно 12 мил. Конкретный предельный диаметр зависит от решения для паяльной маски LPI, и ваш производитель должен быть в состоянии рекомендовать максимальный диаметр виаса для обеспечения надежного закрытия. Если диаметр виаса слишком велик, паяльный резист может разорваться и оставить маленькое отверстие, которое позволит загрязнителям попасть в баррель виаса. Вот где возникают опасения по надежности, особенно когда требуется защита от воздействия окружающей среды.

Когда внутренняя часть переходного отверстия (виа) подвергается воздействию окружающей среды и не защищена покрытием или другим материалом (например, конформным покрытием), то обнаженная медь может медленно корродировать. Процесс ускоряется, если виа закрыто только с одной стороны, и внутри барреля виа может скапливаться загрязнитель. Такое воздействие также может привести к раннему выходу устройства из строя. Поэтому любое устройство, которое может быть подвергнуто воздействию окружающей среды, где загрязнитель может скапливаться внутри барреля виа, должно быть покрыто защитной пленкой, где это возможно.

В случае, если вы оставляете некоторые виа без защитной пленки, вы всегда можете покрыть сборку печатной платы (PCBA) конформным покрытием, чтобы обеспечить дополнительный уровень защиты от окружающей среды. Это было бы отличным решением, если бы проблемой окружающей среды была, например, влажность или пыль, но это может быть проблематично при выделении газов в условиях низкого давления, например, в космосе или в специализированных промышленных системах.

Проблемы сборки с закрытыми и открытыми виа

Закрытые маской переходные отверстия могут вызвать некоторые проблемы при сборке в определенных случаях. Возможные проблемы сборки зависят от того, нужно ли вам собирать компонент с мелким шагом или вы работаете с высокой плотностью, приближаясь к пределу, когда может потребоваться использование переходных отверстий в площадке компонента. При сборке печатных плат следует учитывать закрытие переходных отверстий маской с двух точек зрения:

• Есть ли шанс, что припой растечется на обратную сторону платы во время сборки? Если да, то закройте маской переходные отверстия рядом с контуром компонента.
• Может ли избыточный остаток флюса вызвать проблемы с загрязнением и возможным коротким замыканием? Если да, то оставьте переходные отверстия открытыми рядом или под контуром компонента.

Отличным примером здесь является заземляющая площадка под компонентом QFN или большим корпусом TO. Эта площадка будет содержать переходные отверстия, но ее необходимо припаять к компоненту для создания электрического соединения и для обеспечения эффективного отвода тепла от компонента. Однако на обратной стороне платы может быть применено закрытие маской для предотвращения растекания припоя. Я бы утверждал, что в этом случае растекание более важно, и эти переходные отверстия следует закрыть, особенно если на обратной стороне есть другие компоненты, которые могут замкнуть, если произойдет растекание припоя.

Для BGA с разводкой в виде собачьей кости должно быть ясно, что две цели находятся в конфликте. Если оставить переходные отверстия в разводке незакрытыми, то у вас будет чёткий путь для выхода флюса во время сборки, и поверхностное покрытие защитит медь от воздействия окружающей среды. Однако, если вы закроете эти переходные отверстия, на той же стороне, что и контактные площадки BGA, вы предотвратите затягивание припоя на обратную сторону платы.

По моему мнению и опыту, разделяющей линией является допустимая толщина слоя паяльной маски между контактной площадкой BGA и переходным отверстием. Если оставить переходные отверстия незакрытыми и слой паяльной маски слишком тонкий, он может отколоться после изготовления, что означает потерю вашего дамба из паяльной маски, и существует риск, что шарик припоя BGA потечёт через открытое переходное отверстие. Если незакрытое переходное отверстие оставит за собой слишком тонкий слой паяльной маски, я бы рекомендовал закрыть переходные отверстия и запросить использование надёжного флюса, не требующего очистки, во время сборки. Сборщик должен знать или иметь данные о том, не вызовет ли их флюс, не требующий очистки, короткое замыкание шариков припоя во время переплавки.

С одной стороны или с обеих?

Следующий неочевидный вопрос, который стоит задать: следует ли закрывать отверстия с одной стороны или с обеих?

На мой взгляд, если вы собираетесь закрывать отверстия, то делайте это с обеих сторон. Исключение составляют случаи с отверстиями в площадке, отверстиями в открытой медной полигонной шине или отверстиями в заземляющей площадке (см. пример с TO пакетом ниже). Эти элементы требуют наличия открытой меди, таким образом, отверстие будет открытым с одной стороны, и вы сможете закрыть его только с другой стороны. В противном случае, как только отверстия становятся достаточно большими, оставляйте их незакрытыми и выбирайте подходящее покрытие, которое защитит открытые проводники.

Закрытые против незакрытых отверстий: краткое сравнение

Очевидно, из списка возможных проблем, указанных выше, существует компромисс между закрытием для защиты от потенциального загрязнения окружающей среды и оставлением конструкции незакрытой, чтобы загрязнители, возникающие в процессе сборки, могли выходить из сборки. Если любая из этих проблем является актуальной для конкретной системы, то сборка печатной платы должна быть тщательно протестирована, чтобы убедиться, что она будет работать корректно и что конструкция не столкнется с проблемами надежности из-за закрытых отверстий.

Когда вам нужно выбрать и назначить закрытые переходные отверстия в вашей печатной плате, используйте полный набор простых в использовании инструментов CAD в Altium Designer®. Как только ваш дизайн будет готов к тщательному обзору дизайна и производству, ваша команда может делиться и сотрудничать в реальном времени через платформу Altium 365™. Команды дизайнеров могут использовать Altium 365 для обмена данными производства и результатами тестирования, а изменения в дизайне могут быть распространены через защищенную облачную платформу и в Altium Designer.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.