Khi nào nên sử dụng Via che phủ so với Via không che phủ trong Bố trí PCB của bạn

Có một số hướng dẫn mà tôi thấy nhiều nhà thiết kế thực hiện như một thực hành tiêu chuẩn, thường là mà không suy nghĩ về nó. Một số thực hành này bị hiểu lầm hoặc được thực hiện mà không có các phương pháp tốt nhất, chẳng hạn như đổ đồng vào các lớp tín hiệu. Những cái khác được thực hiện mà không nghĩ đến các vấn đề tiềm ẩn, nhưng chỉ vì những vấn đề đó phát sinh trong các trường hợp đặc biệt. Một trong số này là việc sử dụng vias có lớp che phủ, điều này đôi khi được thực hiện trong một sơ đồ PCB mặc định.

Điều này có luôn luôn là thực hành đúng không? Và những mối quan ngại về độ tin cậy nào có thể xảy ra với vias có lớp che phủ? Đây là những câu hỏi quan trọng, đặc biệt là khi các mối quan ngại về độ tin cậy được đưa ra liên quan đến vias có tỷ lệ khía cạnh cao và vi vi qua xếp chồng. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét một số điểm thiết kế xung quanh việc che phủ vias và khi nào bạn nên tránh sử dụng nó trong sơ đồ PCB của mình.

Khi nào sử dụng vias có lớp che phủ so với vias không có lớp che phủ

Ý tưởng đằng sau việc che phủ vias là rất đơn giản: bạn đang che phủ bất kỳ vias nào trong PCB của bạn bằng lớp hàn để bất kỳ pad/vòng trên lỗ via và chính thân via đều không bị lộ ra môi trường. Lớp ngừng hàn được đặt để cung cấp một mức độ bảo vệ cho pad via và lớp mạ bên trong thân via. Nếu bạn nhìn vào sơ đồ PCB, bạn có thể phát hiện vias có lớp che phủ chỉ bằng cách nhìn vào lớp ngừng hàn của bạn; điều này cũng áp dụng cho tệp Gerber cho lớp ngừng hàn đó.

Việc che phủ vias đôi khi được coi là một yêu cầu DFA, cũng như yêu cầu về độ tin cậy. Một số lợi ích và nhược điểm của việc che phủ vias bao gồm:

• Việc che phủ ngăn ngừa sự tiếp xúc với các yếu tố môi trường làm giảm tuổi thọ thiết bị, chẳng hạn như hóa chất độc hại hoặc độ ẩm.
• Việc che phủ tốn ít chi phí hơn so với việc bịt vias hoặc đổ đầy/mạ với epoxy, tạo ra quy trình đơn giản nhất bạn có thể sử dụng để bảo vệ vias.
• Việc che phủ có thể vừa hỗ trợ vừa cản trở việc lắp ráp, tùy thuộc vào linh kiện cụ thể được đặt và hàn trên bo mạch.

Hãy xem xét từng lĩnh vực này để xem một số trường hợp mà chúng ta có thể cần bao gồm hoặc bỏ qua vias có lớp che phủ.

Ngăn ngừa hiện tượng hàn hút

Các vias đặt gần các linh kiện SMD có thể cung cấp một con đường cho hiện tượng hàn hút lên mặt sau của bo mạch. Có ba cách có thể giải quyết vấn đề này:

1. Giảm kích thước mở của lớp mặt nạ bột hàn để ít bột hàn được áp dụng lên các pad SMD có liên quan
2. Di chuyển các vias đó ra xa các pad SMD, và đảm bảo có một đập mặt nạ hàn giữa bất kỳ pad nào và via kết nối của nó
3. Chỉ che phủ những vias gần các pad SMD mà không thay đổi mặt nạ bột hàn

Theo ý kiến của tôi, phương án #3 là lựa chọn tốt nhất trong tất cả các lựa chọn có thể. Lý do là đây là một thay đổi rất đơn giản chỉ cần đóng rộng mặt nạ hàn trên các vias cụ thể.

Bảo vệ môi trường cho vias nhỏ

Việc che phủ là tốt nhất đối với các vias nhỏ với đường kính lỗ hoàn thiện dưới khoảng 12 mil. Giới hạn đường kính cụ thể phụ thuộc vào giải pháp mặt nạ hàn LPI, và nhà chế tạo của bạn nên có thể đề xuất một đường kính via tối đa để đảm bảo việc che phủ tin cậy. Nếu đường kính via quá lớn, lớp ngừng hàn có thể bị vỡ và để lại một lỗ nhỏ, điều này sẽ cho phép các chất ô nhiễm xâm nhập vào thân via. Đây là nơi các mối quan ngại về độ tin cậy phát sinh, đặc biệt khi cần bảo vệ môi trường.

Khi phần trong của một via bị lộ ra môi trường và không được bảo vệ bằng lớp mạ hoặc vật liệu khác (ví dụ, lớp phủ bảo vệ), thì đồng lộ ra có thể bị ăn mòn dần dần. Quá trình này sẽ nhanh chóng hơn nếu via chỉ được che phủ ở một bên và một số chất ô nhiễm có thể tích tụ bên trong thân via. Sự tiếp xúc này cũng có thể gây ra sự cố thiết bị ngay từ đầu. Do đó, bất kỳ thiết bị nào có thể bị tiếp xúc với môi trường mà chất ô nhiễm có thể tích tụ bên trong thân via thì nên áp dụng lớp che phủ khi có thể.

Trong trường hợp bạn để một số vias không có lớp che phủ, bạn luôn có thể phủ lớp bảo vệ cho PCBA bằng lớp phủ bảo vệ để tăng thêm mức độ bảo vệ môi trường. Đây sẽ là một giải pháp tuyệt vời nếu vấn đề môi trường là độ ẩm hoặc bụi, nhưng có thể gặp vấn đề với sự thoát khí trong môi trường áp suất thấp, như trong không gian hoặc trong hệ thống công nghiệp đặc biệt.

Các mối quan tâm trong lắp ráp với vias có lớp che phủ và không có lớp che phủ

Vias có lớp che phủ có thể tạo ra một số mối quan tâm trong việc lắp ráp trong một số trường hợp. Các vấn đề tiềm ẩn trong việc lắp ráp phụ thuộc vào việc bạn có cần lắp ráp một linh kiện có khoảng cách chân nhỏ hay bạn đang làm việc ở mật độ cao mà có thể cần vias trong pad. Việc che phủ vias trong lắp ráp PCB nên được xem xét từ hai quan điểm:

• Liệu có khả năng hàn sẽ bị hút lên mặt sau của bo mạch trong quá trình lắp ráp không? Nếu có, hãy che phủ vias gần bản vẽ linh kiện.
• Có phải dư lượng flux quá mức sẽ gây ra vấn đề ô nhiễm và có thể gây ngắn mạch không? Nếu có, hãy không che phủ vias gần hoặc dưới bản vẽ linh kiện.

Ví dụ tuyệt vời ở đây là một pad nối đất dưới một linh kiện QFN hoặc gói TO lớn. Pad này sẽ chứa vias, nhưng nó cần được hàn vào linh kiện để tạo kết nối điện và đảm bảo nhiệt dễ dàng truyền ra khỏi linh kiện. Tuy nhiên, mặt sau của bo mạch có thể đã áp dụng lớp che phủ để ngăn ngừa hiện tượng hàn hút. Tôi cho rằng, trong trường hợp này, hiện tượng hàn hút quan trọng hơn và những vias đó nên được che phủ, đặc biệt nếu có các linh kiện khác ở mặt sau có thể gây ngắn mạch nếu có hiện tượng hàn hút xảy ra.

Đối với một BGA với fanout xương chó, cần phải rõ ràng rằng hai mục tiêu này đang mâu thuẫn. Nếu bạn để vias trong fanout không có lớp che phủ, bạn sẽ có một con đường thoát rõ ràng cho flux trong quá trình lắp ráp, và lớp mạ bề mặt sẽ bảo vệ đồng khỏi hư hại do môi trường. Tuy nhiên, nếu bạn che phủ những vias này, ở cùng một mặt với các pad BGA, bạn sẽ ngăn ngừa hàn hút vào mặt sau của bo mạch.

Theo ý kiến và kinh nghiệm của tôi, ranh giới phân chia là dải ngừng hàn được phép giữa pad BGA và via. Nếu bạn để vias không có lớp che phủ và dải ngừng hàn quá mỏng, nó có thể bị vỡ sau khi chế tạo, có nghĩa là bạn sẽ mất đập ngừng hàn và có nguy cơ hạt hàn của BGA sẽ chảy qua thân via mở. Nếu via không có lớp che phủ để lại dải ngừng hàn quá mỏng, tôi khuyến nghị nên che phủ các vias và yêu cầu sử dụng flux không làm sạch đáng tin cậy trong quá trình lắp ráp. Người lắp ráp nên biết hoặc có dữ liệu về việc flux không làm sạch của họ có thể gây ngắn mạch cho các hạt hàn trong quá trình nung chảy hay không.

Một mặt hay hai mặt?

Câu hỏi tiếp theo không rõ ràng là: bạn nên che phủ ở một mặt hay cả hai mặt?

Quan điểm của tôi là, nếu bạn sẽ che phủ vias, thì làm như vậy ở cả hai mặt. Ngoại lệ là với vias trong pad, vias trong một polygon/rail đồng lộ ra, hoặc vias trong pad nối đất (xem ví dụ gói TO dưới đây). Những tính năng này yêu cầu đồng lộ ra, vì vậy via sẽ bị lộ ở một mặt và bạn chỉ có thể che phủ ở mặt còn lại. Nếu không, khi vias đủ lớn, hãy để chúng không có lớp che phủ và chọn một lớp mạ thích hợp để bảo vệ các dây dẫn lộ ra.

Tóm tắt vias có lớp che phủ và không có lớp che phủ

Rõ ràng, từ danh sách các mối quan ngại có thể có ở trên, có một sự đánh đổi giữa việc che phủ để bảo vệ khỏi ô nhiễm môi trường tiềm ẩn và việc để thiết kế không có lớp che phủ để đảm bảo chất ô nhiễm trong quá trình lắp ráp có thể thoát ra ngoài. Nếu bất kỳ vấn đề nào trong số này là mối quan ngại trong một hệ thống cụ thể, thì PCBA nên được thử nghiệm kỹ lưỡng để đảm bảo nó sẽ hoạt động chính xác và thiết kế sẽ không gặp phải các vấn đề về độ tin cậy dựa trên vias có lớp che phủ.

Khi bạn cần chọn và gán vias có lớp che phủ trong sơ đồ PCB của mình, hãy sử dụng bộ công cụ CAD dễ sử dụng hoàn chỉnh trong Altium Designer®. Khi thiết kế của bạn sẵn sàng cho một cuộc kiểm tra thiết kế kỹ lưỡng và sản xuất, nhóm của bạn có thể chia sẻ và hợp tác trong thời gian thực thông qua nền tảng Altium 365™. Các nhóm thiết kế có thể sử dụng Altium 365 để chia sẻ dữ liệu sản xuất và kết quả thử nghiệm, và thay đổi thiết kế có thể được chia sẻ qua nền tảng đám mây an toàn và trong Altium Designer.

Chúng ta mới chỉ bắt đầu tìm hiểu những gì có thể làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 hôm nay.