Importancia y Estándar de la Tecnología Via on PAD para PCB

¿Por qué el PCB necesita el diseño Via on PAD?

En el diseño de la placa de circuito impreso (PCB), el diseño Via on PAD es un método de diseño especial, que tiene principalmente las siguientes funciones:

1. Satisfacer los requisitos de cableado de alta densidad

Aumentar el espacio de cableado

Con el desarrollo de la miniaturización y multifuncionalidad de los productos electrónicos, la densidad de los componentes electrónicos en el PCB es cada vez mayor, y el espacio para el cableado se vuelve extremadamente limitado.

El diseño Via on PAD puede realizar la conexión eléctrica entre diferentes capas estableciendo vías en la almohadilla dentro del espacio plano limitado, proporcionando así más opciones de ruta para el cableado y aumentando efectivamente el espacio disponible.

Por ejemplo, en el diseño de la placa base de algunos teléfonos inteligentes de gama alta, debido a la integración de muchos módulos funcionales, la densidad de componentes es muy alta, y el uso del diseño Via on PAD puede satisfacer los complejos requisitos de cableado sin aumentar el tamaño del PCB.

Realizar conexiones de circuito complejas

En algunos diseños de circuitos complejos, puede ser necesario realizar la conexión entre múltiples redes diferentes, pero el método de cableado tradicional puede no cumplir con los requisitos.

El diseño Via on PAD puede conectar diferentes redes estableciendo vías en nodos clave para realizar funciones de circuito complejas.

Por ejemplo, en circuitos digitales de alta velocidad, para garantizar la integridad de la señal, es necesario controlar estrictamente la impedancia de la misma. A través del diseño del Via on PAD, se puede introducir una vía de conexión a tierra en una posición específica para realizar el cambio del plano de referencia de la señal, ajustando así su impedancia y cumpliendo con los requisitos de transmisión de señales de alta velocidad.

2. Mejorar el rendimiento eléctrico

Reducir la impedancia de transmisión de la señal

Cuando la señal se transmite en el PCB, la discontinuidad de la impedancia puede provocar problemas como reflexión y atenuación de la señal, lo que afecta su calidad.

El diseño Via on PAD puede reducir la discontinuidad de impedancia en la ruta de transmisión de la señal optimizando la posición, el tamaño y la forma de la vía, reduciendo así la impedancia de transmisión y mejorando la integridad de la señal.

Por ejemplo, en la transmisión de señales diferenciales de alta velocidad, diseñando racionalmente la posición y el espaciado de las vías en las almohadillas, se puede lograr una mejor coincidencia de impedancia en el par diferencial, reducir la diafonía entre las señales diferenciales y mejorar la calidad de transmisión.

Reducir la interferencia electromagnética

En los productos electrónicos, la interferencia electromagnética es un problema común que puede afectar el funcionamiento normal del circuito.

El diseño Via on PAD puede reducir el impacto de la interferencia electromagnética aislando las señales sensibles de las fuentes de interferencia.

Por ejemplo, en un PCB donde coexisten circuitos analógicos y digitales, se puede establecer un Via on PAD entre la tierra analógica y la digital para realizar la división del plano de tierra y reducir la interferencia de los circuitos digitales sobre los analógicos.

3. Mejorar el rendimiento de refrigeración

Proporcionar un canal de refrigeración

Con la creciente densidad de potencia de los componentes electrónicos, la disipación de calor se ha convertido en uno de los factores clave que afectan la fiabilidad de los productos electrónicos.

El diseño Via on PAD puede formar un canal de disipación de calor en el PCB para transferir el calor desde el elemento que genera calor hacia la capa de disipación o un radiador externo, mejorando así la eficiencia de la refrigeración.

Por ejemplo, en el diseño de PCB para luminarias LED de alta potencia, al configurar Via on PAD en la almohadilla del LED, el calor generado por el LED puede transmitirse rápidamente a la capa de disipación térmica del PCB, reduciendo la temperatura de trabajo del LED y mejorando su fiabilidad y vida útil.

Distribución uniforme de la disipación térmica

En algunas PCB de gran área, si la disipación de calor es desigual, puede provocar una temperatura local excesiva, afectando al rendimiento y la vida útil de los componentes electrónicos.

El diseño Via on PAD puede distribuir el calor de manera más uniforme en el PCB mediante una distribución razonable de los orificios pasantes, evitando así el problema del sobrecalentamiento local.

Por ejemplo, en el diseño de PCB grandes como las placas base de servidores, se suelen utilizar numerosos Via on PAD para optimizar el rendimiento de disipación térmica y garantizar que la temperatura de toda la placa se mantenga dentro de un rango seguro.

4. Adaptarse a requisitos de encapsulado especiales

Cumplir con formas de encapsulado como BGA

El encapsulado de matriz de rejilla de bolas (BGA) es una forma común de encapsulado de circuitos integrados, con una gran cantidad de pines y un espaciado pequeño, lo que impone altos requisitos en el diseño del PCB.

El diseño Via on PAD puede proporcionar una buena conexión eléctrica y un canal de disipación de calor para los chips encapsulados en BGA, cumpliendo con los requisitos de alta densidad y alto rendimiento.

Por ejemplo, en el diseño de algunas placas base de computadoras de alto rendimiento y tarjetas gráficas, se utilizan ampliamente chips encapsulados en BGA, y el diseño Via on PAD se convierte en una parte esencial.

Soportar la instalación de componentes especiales

En algunos escenarios de aplicación especiales, puede ser necesario instalar componentes electrónicos con formas o tamaños especiales, mientras que el diseño tradicional de PCB podría no cumplir con los requisitos.

El diseño Via on PAD puede personalizarse según los requisitos de instalación de componentes especiales, proporcionando una conexión y fijación confiable para estos componentes.

Por ejemplo, en algunos equipos de control industrial, puede ser necesario instalar grandes disipadores de calor o componentes inductivos. Al configurar Via on PAD en el PCB, estos componentes pueden instalarse de manera firme y con una buena conexión.

¿Cuál es el estándar de Via on PAD, por favor?

El estándar aceptable para el diseño Via on PAD incluye principalmente los siguientes aspectos:

1. Rendimiento eléctrico

Continuidad

El Via on PAD debe garantizar una buena continuidad eléctrica. Podemos probar el valor de resistencia mediante un multímetro o un probador de continuidad especial. El valor de resistencia debe cumplir con nuestro valor de diseño.

Por ejemplo, para circuitos digitales ordinarios, la resistencia de conexión del Via on PAD debe ser inferior a 50 miliohmios; para circuitos analógicos de alta precisión o líneas de transmisión de señales de alta velocidad, se requiere que la resistencia de conexión sea aún menor, posiblemente inferior a 10 miliohmios.

Control de impedancia

Para circuitos digitales de alta velocidad y circuitos de RF, la impedancia del Via on PAD debe cumplir con los requisitos de diseño. Generalmente utilizamos equipos de impedancia para probar el valor de impedancia, para asegurar que la calidad del Via on PAD esté bajo nuestro control, y que el valor de impedancia esté dentro del rango de tolerancia especificado.

Por ejemplo, para una línea de transmisión de 50 ohmios, la impedancia del Via on PAD debe controlarse entre 45 y 55 ohmios.

Integridad de la señal

Mediante la prueba de integridad de la señal, se evalúa la influencia del Via on PAD en la transmisión de la señal.

Podemos verificar la forma de onda, amplitud, tiempo de subida, tiempo de bajada y otros parámetros de la señal mediante dispositivos como osciloscopios y analizadores de redes, para asegurar que no haya distorsión, atenuación o reflexión evidente cuando la señal pasa a través del Via on PAD.

Por ejemplo, para señales digitales de alta velocidad, se requiere que el tiempo de subida y bajada de la señal no varíe más de un 10% después de pasar por el orificio en la almohadilla; para señales de RF, se requiere que el coeficiente de reflexión sea inferior a -15 dB.

2. Propiedades mecánicas

Calidad de la pared del orificio

La pared del orificio de la Vía en PAD debe ser lisa, sin grietas ni rebabas. La pared del orificio puede observarse con un microscopio o un microscopio electrónico para comprobar si hay defectos.

La rugosidad de la pared del orificio debe cumplir los requisitos. Generalmente, se requiere que la rugosidad sea inferior a 5 μm. Una pared de orificio rugosa afectará la fiabilidad de la conexión eléctrica y puede causar problemas de transmisión de señales.

Precisión del diámetro

El diámetro de la Vía en PAD debe cumplir con los requisitos de diseño, y la tolerancia suele estar dentro de ± 0.05 mm. Necesitamos medir el diámetro de la vía con dispositivos de rayos X o de microsección, para asegurar que el diámetro de la vía esté dentro del rango especificado.

La posición de la Vía en PAD debe ser precisa, y la desviación respecto al plano de diseño debe estar dentro del rango de tolerancia especificado. Se puede utilizar un instrumento de medición de coordenadas o equipo de detección óptica para medir la posición de la Vía en PAD, asegurando que su precisión de posición cumpla los requisitos.

Por ejemplo, para un diseño de PCB de alta precisión, la desviación de posición de la Vía en PAD debe ser inferior a ± 0.05 mm. Una desviación de posición excesiva puede afectar el diseño del circuito y la fiabilidad de la conexión eléctrica.

3. Fiabilidad

Prueba de choque térmico

La PCB se somete a una prueba de choque térmico para simular el cambio de temperatura de los productos electrónicos en el proceso de uso real. Mediante impactos repetidos de alta y baja temperatura, se comprueba si la Vía en PAD presenta fenómenos de agrietamiento, delaminación, desprendimiento, etc.

Por ejemplo, someter la PCB a un rango de temperatura de -55 °C a 125 °C durante 1000 ciclos de prueba de choque térmico, y el orificio en el disco debe estar libre de cualquier daño.

Prueba de vibración

La PCB se somete a una prueba de vibración para simular el entorno vibratorio de los productos electrónicos durante el transporte y el uso. Necesitamos comprobar si la Vía en PAD se ha aflojado o roto después de aplicar una cierta frecuencia y amplitud de vibración.

Por ejemplo, realizamos una prueba de vibración aleatoria con una frecuencia de 5-500 Hz y una aceleración de 5g. La duración es de 2 horas, y la Vía en PAD debe estar libre de cualquier daño.

Prueba de soldabilidad

Realizar una prueba de soldabilidad en la Vía en PAD para comprobar su rendimiento en el proceso de soldadura. Sumergir la PCB en el baño de estaño para que la Vía en PAD entre en contacto con la soldadura, y observar si la soldadura puede mojar bien la pared del orificio para formar una capa de soldadura uniforme.

Por ejemplo, se requiere que la altura de ascenso de la soldadura en la Vía en PAD sea al menos el 75% de la profundidad del orificio, y la superficie de la soldadura debe ser lisa, sin poros, agujeros de alfiler u otros defectos.

4. Inspección de apariencia

Planitud

La superficie de la PCB debe ser plana, y no debe haber protuberancias o depresiones evidentes alrededor de la Vía en PAD. Se puede utilizar un planímetro para medir la superficie de la PCB, asegurando que su planitud cumpla los requisitos.

Por ejemplo, para una PCB ordinaria, la planitud de la superficie debe ser inferior a ± 0.1 mm. Para una PCB de alta precisión, la planitud requerida es mayor, pudiendo estar dentro de ± 0.05 mm.

Limpieza

La PCB debe mantenerse limpia, y no debe haber residuos de aceite, polvo, escoria de soldadura u otras impurezas en la Vía en PAD. La limpieza de la Vía en PAD puede comprobarse mediante inspección visual u observación microscópica.

Si hay impurezas en la Vía en PAD, pueden afectar la fiabilidad de la conexión eléctrica, e incluso causar fallos como cortocircuitos.

La Vía en PAD en la PCB debe estar claramente identificada para su producción y mantenimiento. La identificación debe incluir número de orificio, nombre de red, tamaño del orificio y otra información.

La identificación puede realizarse mediante serigrafía, marcado láser, etc., y debe asegurarse que la identificación sea clara, firme y no fácil de desgastar o desprenderse.

5. Estándar IPC-6012D o IPC 4671 VII para Via en PAD,

Adhesión del recubrimiento metalizado al relleno de la vía y a la almohadilla de cobre. Espesor del cobre. La planaridad entre el material de relleno y la superficie de cobre. Desajuste del CTE entre el material de relleno y la metalización que resulta en un espacio de aire (contracción del material de relleno). Un relleno de vía inferior al 100% puede dar lugar a una capa metalizada demasiado fina o a una depresión (dimple) que también puede causar aire atrapado, resultando en huecos en las uniones de soldadura BGA. Los poros en los recubrimientos metalizados dan lugar a zonas no soldables en una pista donde la vía tapada está destinada a una unión de soldadura BGA. La reducción del volumen de soldadura también es una preocupación con las depresiones.

A: Situación perfecta: sin depresión ni protuberancia.

B: Con depresión o protuberancia.