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Guida alla progettazione delle vie PCB per la selezione dei parametri e il posizionamento
Poiché la domanda di velocità del segnale e frequenza nei moderni dispositivi elettronici continua a crescere, i PCB si muovono verso progetti ad alta densità, con la tecnologia ad alta densità di interconnessione (HDI) e i progetti multistrato che diventano una tendenza crescente.
Date queste tendenze, il via design ha acquisito una crescente importanza. Non è solo essenziale per le connessioni elettriche; svolge anche un ruolo chiave nel garantire l'integrità del segnale, la producibilità e le prestazioni termiche del circuito stampato.
Pertanto, per gli ingegneri e i progettisti elettronici moderni, è fondamentale comprendere come la geometria dei via e le limitazioni di produzione influenzino le decisioni di routing e l'affidabilità del layout.
Questa guida si concentrerà su come gestire correttamente i via nella progettazione e nel layout dei PCB, incluso come scegliere i parametri dei via, come posizionarli correttamente durante il routing e i compromessi pratici da considerare nella progettazione di PCB a 1-4 strati e schede multistrato più complesse.
Come vengono utilizzate le vie durante il layout
Durante la progettazione del PCB, vengono introdotti dei via quando i vincoli di routing richiedono che una traccia passi a un altro strato. I progettisti iniziano tipicamente il routing sugli strati esterni e inseriscono via solo quando necessario per evitare congestione, mantenere brevi lunghezze di traccia o raggiungere piani interni.
Ogni via consuma spazio di routing, introduce effetti parassiti e aggiunge costi di fabbricazione. Per questo motivo, i progettisti esperti trattano le vie come elementi di progettazione controllati piuttosto che inserirle automaticamente o in modo eccessivo, siano esse through-hole, cieche, interrate o micro-vie.
Progettazione di Vias Through-Hole in PCB
Nel lavoro di layout pratico, i via through-hole sono la scelta predefinita per la maggior parte dei PCB a 1–4 strati perché sono universalmente supportati dalle case produttrici e non richiedono una pianificazione speciale dello stackup. I progettisti in genere predefiniscono una o due dimensioni standard di via through-hole nello strumento CAD e le riutilizzano per tutto il layout per mantenere coerenza e producibilità. Questi via standard vengono quindi applicati in modo coerente durante il routing interattivo piuttosto che regolati per singola rete.
Nonostante la loro semplicità, i via through-hole presentano diversi vincoli critici che gli ingegneri devono tenere in considerazione nei progetti di PCB avanzati:
Spazio di routing
Da una prospettiva di layout, ogni via attraverso i fori blocca i canali di routing su ogni strato, motivo per cui i progettisti la spingono spesso più vicino ai pad dei componenti ed evitano di posizionarla in corridoi di routing densi. Le vie attraverso i fori occupano spazio di routing su ogni strato del PCB, anche quando il segnale transita solo tra due strati specifici.
Ciò riduce significativamente i “canali di routing” disponibili sugli strati interni. Una strategia comune di mitigazione è la rimozione dei pad non funzionali (NFP), dove gli anelli anulari vengono “disattivati” sugli strati in cui nessun tracciato è collegato al via. Sebbene ciò recuperi un po' di spazio, il foro fisico e l'area di clearance associata rimangono comunque un ostacolo.
Parametri di via
Prima che inizi il routing, i progettisti di PCB definiscono i parametri dei via basati sui limiti di fabbricazione e sui requisiti della scheda. Questi parametri includono diametro del foro, dimensione del foro finito, diametro del pad, larghezza dell'anello anulare e spazio libero dall'antipad.
Per la maggior parte delle schede a basso costo da 1 a 4 strati, i progettisti selezionano valori conservativi (ad esempio, un foro da 0,30 mm con un pad da 0,60 mm) per massimizzare la resa ed evitare problemi di affidabilità della placcatura. Via aggressivamente piccoli possono ridurre lo spazio di routing ma spesso aumentano il rischio di fabbricazione e il costo. Ad esempio, le vie di alimentazione e di massa spesso vengono assegnate a fori di dimensioni maggiori rispetto alle vie di segnale per ridurre la resistenza e migliorare la gestione della corrente.
Una volta definite, queste dimensioni dei via sono bloccate nelle regole di progettazione, quindi i via posizionati durante il routing rimangono coerenti sull'intera scheda.
Ridimensionamento con Numero di Livelli (Rapporto di Aspettativa)
All'aumentare del numero di strati, di solito aumenta anche lo spessore totale della scheda. A causa delle limitazioni del rapporto d'aspetto (il rapporto tra lo spessore della scheda e il diametro del foro), le dimensioni del foro via devono essere aumentate per garantire che la chimica di placcatura possa rivestire efficacemente il centro del barile.
Man mano che si aumenta il diametro del trapano, è necessario aumentare di conseguenza la dimensione dell'anello anulare per mantenere l'integrità meccanica. Poiché l'area occupata da un via aumenta al quadrato del suo diametro, un leggero aumento delle dimensioni del trapano per un circuito stampato spesso e con un elevato numero di strati comporta una massiccia perdita di densità di routing in tutto lo stackup.
Integrità del segnale: discontinuità e vuoti di piano
Nei progetti ad alta velocità, mantenere un piano di riferimento continuo (solitamente massa) è fondamentale per il controllo dell'impedenza. I via passanti richiedono “fori di sfogo” o anti-pad in questi piani di rame.
Quando diversi via through-hole vengono posizionati in fila (come in un footprint di connettore o un bus), questi vuoti circolari possono unirsi per creare una grande “fessura” nel piano di massa. Ciò costringe la corrente di ritorno a percorrere un lungo tragitto attorno alla fessura, aumentando l'induttanza del loop e causando disadattamenti di impedenza. I progettisti spesso devono “aggirare” queste grandi aree vuote con i tracings, il che complica il layout e può degradare la qualità del segnale.
"Effetto "Stub" e parassiti
Forse lo svantaggio più significativo per i segnali ad alta frequenza è il via stub. Se un segnale passa dal Layer 1 al Layer 3 in una scheda a 6 strati, la porzione del corpo del via che si estende dal Layer 3 al Layer 6 è elettricamente “in più”.”
Questa porzione inutilizzata agisce come uno stub risonante o un'antenna. Introduce:
- Riflessioni: Il segnale “vede” la fine dello stub e si riflette nuovamente sulla traccia principale.
- Capacità/Induttanza parassite Il rame in eccesso aggiunge capacità e induttanza indesiderate, che possono modificare l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione.
- EMI: Alle frequenze dei Gigahertz, questi stub possono irradiare energia, causando problemi di interferenza elettromagnetica (EMI). Nei casi estremi, questi stub devono essere rimossi tramite back-drilling, una fase di produzione aggiuntiva che aumenta i costi.
Progettazione di Vias Ciechi e Interrati in PCB
Da un punto di vista di progettazione di PCB, i via ciechi e interrati vengono introdotti solo quando la densità di routing o i requisiti di escape BGA superano quanto i via standard passanti possono supportare.
Entrambi i tipi di via vengono utilizzati per aumentare significativamente la densità di routing liberando spazio sui layer non coinvolti nella connessione. A differenza delle via through-hole, queste non penetrano nell'intero stackup, permettendo al routing di passare direttamente sopra o sotto di esse su altri layer.
- Vie cieche: Collegare uno strato esterno a uno o più strati interni senza attraversare l'altro lato. Ad esempio, possono collegare lo strato superiore a uno qualsiasi degli strati interni in una scheda multistrato ma non allo strato inferiore. Sono visibili solo da un'estremità (superiore o inferiore), da cui il nome “cieco” (blind) via.
- Via Nascoste: Collegano due o più layer interni e sono completamente incapsulati all'interno del circuito stampato. Possono connettere qualsiasi combinazione di layer interni, ma non possono toccare i layer esterni superiore o inferiore. Questi sono completamente invisibili dall'esterno di un PCB finito.
Vincoli di Ingegneria e Produzione
Il principale svantaggio dei via ciechi e interrati è l'aumento dei costi e della complessità produttiva. Poiché questi via non attraversano l'intera scheda, non possono essere forati dopo che l'intera scheda è stata pressata insieme. Invece, richiedono cicli di laminazione sequenziali.
- Laminazione sequenziale Il produttore deve prima forare e placcare gli strati interni specifici, laminarli insieme, e poi potenzialmente forare e placcare di nuovo per gli strati esterni. Ogni ciclo di “pressatura” aggiunge costi elevati e aumenta il rischio di errori di registrazione degli strati.
- Controllo profondità trapano I via ciechi vengono spesso creati utilizzando la perforazione a profondità controllata (meccanica) o la perforazione laser. Il controllo della profondità meccanica è difficile da calibrare perfettamente; se la punta del trapano va troppo in profondità, potrebbe causare un cortocircuito con lo strato sottostante.
- Sensibilità del rapporto d'aspetto: Poiché i via ciechi sono fori “a fondo cieco”, sono molto più difficili da placcare rispetto ai fori passanti. La chimica di placcatura ha difficoltà a circolare in un foro che non ha uscita. Pertanto, il rapporto d'aspetto per i via ciechi è molto più rigido, tipicamente 1:1, il che significa che il diametro del foro deve essere almeno pari alla profondità del foro.
Impatto sulla progettazione ad alta velocità e sull'integrità del segnale
Da una prospettiva di integrità del segnale, i vias ciechi e interrati sono molto superiori ai vias passanti in applicazioni ad alta frequenza:
- Eliminazione degli stub dei via Nel nostro esempio di through-hole, si è notato che la porzione inutilizzata di un via funge da antenna (uno stub). I via ciechi e interrati eliminano completamente lo stub, poiché il manicotto di rame termina esattamente dove avviene la transizione del segnale. Ciò impedisce riflessioni del segnale e risonanze che possono degradare i dati ad alta velocità.
- Integrità dell'aereo: Poiché questi via non penetrano tutti gli strati, non creano vuoti di tipo “formaggio svizzero” in ogni piano di massa. Ciò consente percorsi di ritorno molto più coerenti e semplifica l'instradamento a impedenza controllata, poiché il progettista non deve “aggirare” tanti vuoti di separazione sugli strati interni.
- Instradamento di fuga BGA: I via ciechi sono spesso essenziali per i BGA ad alto numero di pin. Consentono al progettista di “far cadere” un segnale da un pad BGA a uno strato interno e poi farlo allontanare immediatamente, lasciando gli strati sottostanti completamente liberi per altri segnali o linee di alimentazione. Pertanto, in un certo senso, sono essenziali per minimizzare il numero di strati.
Microfori
Con la tecnologia HDI, il via meccanico standard raggiunge i suoi limiti fisici ed economici. È qui che i microvia diventano essenziali. L'IPC definisce un microvia come un foro con un rapporto d'aspetto di 1:1 e un diametro tipicamente ≤ 0,15 mm (6 mil).
Foratura Laser e Precisione
A differenza dei via attraverso o interrati, i microvia sono tipicamente forati al laser. Ciò consente un'estrema precisione e un ingombro molto più ridotto. Poiché gli impulsi laser possono essere controllati con elevata precisione, vengono utilizzati per perforare esattamente uno strato dielettrico e fermarsi su una piazzola di rame bersaglio. Questo processo è più veloce della perforazione meccanica per piccoli diametri ed evita gli stress meccanici e i rischi di rottura della punta associati alle minuscole punte tradizionali.
Requisito Rigido del Rapporto d'Aspetto
Il vincolo ingegneristico più critico per le microvia è il rapporto d'aspetto. Per garantire che la soluzione di placcatura possa entrare efficacemente nel foro e depositare uno strato di rame affidabile, il rapporto d'aspetto è generalmente limitato a 1:1 o 0,75:1.
Rapporto d'aspetto = Profondità di perforazione / Diametro di perforazione
Se il dielettrico (Prepreg) è troppo spesso per un dato diametro di microvia, il foro diventa un “pozzo profondo” che la chimica di placcatura non può raggiungere. Ciò provoca una scarsa o nulla presenza di rame alla base della via, portando a connessioni intermittenti o a un guasto totale durante l'espansione termica. Pertanto, le microvie sono quasi sempre limitate a coprire un solo strato (ad esempio, da L1 a L2).
Microvia impilati vs. sfalsati
Quando un segnale deve attraversare più strati HDI (ad esempio, dal Livello 1 al Livello 3), i progettisti devono decidere tra l'impilamento o l'alternanza delle vie.
- Vias sovrapposti: Le vie sono posizionate direttamente una sopra l'altra. Sebbene ciò consenta di risparmiare il massimo spazio orizzontale, è più difficile da produrre. La via inferiore deve essere riempita di rame e la superficie “planizzata” (appiattita) in modo che il successivo impulso laser abbia un bersaglio piatto. Se ciò non viene fatto correttamente, lo stack può separarsi durante il calore del processo di saldatura.
- Vias sfalsate Le vie sono sfalsate l'una rispetto all'altra con una piccola distanza tra loro. Questa è la configurazione più affidabile in quanto riduce la concentrazione di stress termico sull'asse Z. Tuttavia, richiede più spazio di routing laterale per accogliere lo sfalsamento.
Benefici dell'alta velocità e "Via-In-Pad"
Le microvie sono la soluzione definitiva per l'integrità del segnale ad alta velocità. Poiché sono fisicamente minuscole e coprono un solo strato:
- Capacitazione e Induttanza: La capacità e l'induttanza parassite sono drasticamente ridotte rispetto ai via attraverso foro, minimizzando la distorsione del segnale.
- Nessun perno Non c'è un barilotto “extra” che pende dalla connessione, eliminando di fatto i problemi di risonanza riscontrati nei design through-hole.
- Via-In-Pad (VIP): Le microvie sono così piccole che possono essere posizionate direttamente all'interno dei pad SMT dei BGA con passo di 0,5 mm o 0,4 mm. Ciò consente l'instradamento “verticale” dei segnali, che è spesso l'unico modo per instradare i moderni processori e chip di memoria ad alto numero di pin.
5. Costi e Capacità Produttiva
Mentre le microvia riducono le dimensioni della scheda, aumentano il costo di fabbricazione a causa delle attrezzature laser specializzate e dei processi HDI richiesti. Non tutte le fabbriche possono produrre microvia. La progettazione con microvia di solito richiede un “1+N+1”" oppure "“2+N+2”struttura di accumulazione, dove N è il nucleo e i numeri rappresentano gli strati di micro-via aggiunti in alto e in basso.
Considerazioni finali
La progettazione di vias PCB di successo è il risultato di decisioni ponderate prese nelle prime fasi del processo di progettazione. Selezionando i parametri corretti delle vias, posizionando strategicamente le vias durante il routing e rimanendo entro i limiti di fabbricazione, i progettisti possono garantire un PCB affidabile e producibile senza complessità non necessarie.
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Domande Frequenti (FAQ)
A: Una progettazione errata può causare interferenze, riflessioni o ritardi del segnale, specialmente in progetti ad alta frequenza.
A: HDI PCB utilizza microvia, via cieche e via sepolte per ottenere una maggiore densità di routing e dimensioni ridotte.
L""effetto stub" si riferisce a parti inutilizzate di una via, che possono agire come fonti di interferenza elettromagnetica, causando riflessione del segnale e capacità o induttanza parassite, influenzando così l'integrità del segnale.
Il numero e il tipo di via aumentano direttamente le fasi di lavorazione, incrementando così la difficoltà e i costi di produzione.
A: Sì, a causa del loro piccolo diametro, fatica a mantenere la qualità ad alte velocità.
A: Il back-drilling è una tecnica in cui strati di rame in eccesso (solitamente porzioni "stump") vengono rimossi dai via perforando dal retro del PCB, riducendo la riflessione del segnale e le interferenze.
Una "landing pad" (o pad di connessione) è l'anello di rame che circonda un via, garantendo una corretta connessione elettrica tra il via e altre parti del PCB.
A: Scegli un produttore con tecnologie e attrezzature avanzate, come la foratura laser e la foratura meccanica di precisione, per gestire requisiti complessi di progettazione dei via.
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