Важность и стандарт технологии Via on PAD для печатных плат

Зачем в конструкции печатной платы используется технология Via on PAD

В проектировании печатной платы (PCB) технология Via on PAD является специальным методом проектирования, который в основном выполняет следующие функции:

1. Соответствие требованиям высокоплотной разводки

Увеличение пространства для разводки

С развитием миниатюризации и многофункциональности электронных продуктов плотность электронных компонентов на печатной плате становится все выше, а пространство для разводки становится крайне ограниченным.

Конструкция Via on PAD позволяет реализовать электрическое соединение между различными слоями, устанавливая переходные отверстия на контактной площадке в ограниченном плоскостном пространстве, тем самым предоставляя больше вариантов путей для разводки и эффективно увеличивая пространство для трассировки.

Например, в конструкции материнской платы некоторых высококлассных смартфонов, из-за интеграции множества функциональных модулей, плотность компонентов очень высока, и использование конструкции Via on PAD позволяет удовлетворить сложные требования к разводке без увеличения размера печатной платы.

Реализация сложных соединений схемы

В некоторых сложных схемах может потребоваться реализовать соединение между несколькими различными сетями, но традиционный метод разводки может не соответствовать требованиям.

Конструкция Via on PAD позволяет соединить различные сети, устанавливая переходные отверстия на ключевых узлах, чтобы реализовать сложные функции схемы.

Например, в высокоскоростных цифровых схемах, для обеспечения целостности сигнала, необходимо строго контролировать импеданс сигнала. С помощью конструкции Via on PAD можно ввести заземляющее переходное отверстие в определенной позиции, чтобы реализовать переключение опорной плоскости для сигнала, тем самым регулируя импеданс сигнала и удовлетворяя требованиям высокоскоростной передачи сигнала.

2. Улучшение электрических характеристик

Снижение импеданса передачи сигнала

При передаче сигнала по печатной плате неоднородность импеданса может привести к таким проблемам, как отражение и затухание сигнала, что влияет на качество сигнала.

Конструкция Via on PAD позволяет уменьшить неоднородность импеданса на пути передачи сигнала за счет оптимизации позиции, размера и формы переходного отверстия, тем самым снижая импеданс передачи сигнала и повышая целостность сигнала.

Например, при передаче высокоскоростных дифференциальных сигналов, путем рационального проектирования позиции и расстояния между отверстиями на площадке, можно лучше согласовать импеданс дифференциальной пары, уменьшить перекрестные помехи между дифференциальными сигналами и повысить качество передачи сигнала.

Снижение электромагнитных помех

В электронных продуктах электромагнитные помехи являются распространенной проблемой, которая влияет на нормальную работу схемы.

Конструкция Via on PAD может снизить влияние электромагнитных помех путем изоляции чувствительных сигналов от источников помех.

Например, в печатной плате, где сосуществуют аналоговые и цифровые схемы, можно установить Via on PAD между аналоговой и цифровой землей, чтобы реализовать разделение земляных слоев и уменьшить помехи от цифровых схем к аналоговым.

3. Улучшение характеристик охлаждения

Обеспечение канала охлаждения

С увеличением плотности мощности электронных компонентов, теплоотвод стал одним из ключевых факторов, влияющих на надежность электронных продуктов.

Конструкция Via on PAD может формировать канал охлаждения на печатной плате для передачи тепла от нагревающегося элемента к теплорассеивающему слою или внешнему радиатору, повышая эффективность теплоотвода.

Например, в дизайне печатной платы для мощных светодиодных осветительных приборов, путем размещения Via on PAD на контактной площадке светодиода, тепло, выделяемое светодиодом, может быстро передаваться на слой теплоотвода печатной платы, снижая рабочую температуру светодиода и повышая его надежность и срок службы.

Равномерное распределение теплоотвода

На некоторых печатных платах большой площади, если теплоотвод неравномерный, это может привести к чрезмерной локальной температуре, влияя на производительность и срок службы электронных компонентов.

Дизайн Via on PAD может сделать распределение тепла на печатной плате более равномерным за счет рационального размещения переходных отверстий, позволяя избежать проблемы локального перегрева.

Например, в дизайне крупных печатных плат, таких как материнские платы серверов, обычно используется большое количество Via on PAD для оптимизации характеристик теплоотвода и обеспечения того, чтобы температура всей платы оставалась в безопасном диапазоне.

4. Адаптация к особым требованиям упаковки

Соответствие формам упаковки, таким как BGA

Упаковка типа массив шариковых выводов (BGA) является распространенной формой упаковки интегральных схем, имеющей большое количество выводов и малое расстояние между ними, что предъявляет высокие требования к дизайну печатной платы.

Дизайн Via on PAD может обеспечить хорошее электрическое соединение и канал теплоотвода для чипов в упаковке BGA, удовлетворяя требованиям высокой плотности и высокой производительности.

Например, в дизайне некоторых высокопроизводительных материнских плат компьютеров и видеокарт широко используются чипы в упаковке BGA, и дизайн Via on PAD становится неотъемлемой частью.

Поддержка установки специальных компонентов

В некоторых особых сценариях применения может потребоваться установка электронных компонентов особой формы или размера, в то время как традиционный дизайн печатной платы может не соответствовать требованиям.

Дизайн Via on PAD может быть настроен в соответствии с требованиями установки специальных компонентов, чтобы обеспечить надежное соединение и фиксацию для особых компонентов.

Например, в некотором промышленном управляющем оборудовании может потребоваться установка крупных радиаторов или индуктивных компонентов. Путем размещения Via on PAD на печатной плате эти компоненты могут быть надежно установлены и хорошо соединены.

Что такое стандарт Via on PAD?

Приемлемый стандарт для дизайна Via on PAD в основном включает следующие аспекты:

1. Электрические характеристики

Непрерывность

Via on PAD должен обеспечивать хорошую электрическую непрерывность. Мы можем проверить значение сопротивления с помощью мультиметра или специального тестера непрерывности. Значение сопротивления должно соответствовать нашему проектному значению.

Например, для обычных цифровых схем сопротивление включения Via on PAD должно быть менее 50 миллиом; для высокоточных аналоговых схем или линий передачи высокоскоростных сигналов требуется более низкое сопротивление включения, возможно, менее 10 миллиом.

Контроль импеданса

Для высокоскоростных цифровых схем и РЧ-схем импеданс Via on PAD должен соответствовать проектным требованиям. Мы обычно используем импедансное оборудование для проверки значения импеданса, чтобы убедиться, что качество Via on PAD находится под нашим контролем, и значение импеданса находится в пределах указанного диапазона допусков.

Например, для линии передачи на 50 Ом импеданс Via on PAD должен контролироваться в диапазоне от 45 до 55 Ом.

Целостность сигнала

С помощью теста целостности сигнала оценивается влияние Via on PAD на передачу сигнала.

Мы можем проверить форму волны, амплитуду, время нарастания, время спада и другие параметры сигнала с помощью осциллографа, анализатора цепей и других устройств, чтобы убедиться, что при прохождении сигнала через Via on PAD нет явных искажений, затухания или отражения.

Например, для высокоскоростных цифровых сигналов требуется, чтобы время нарастания и время спада сигнала изменялись не более чем на 10% после прохождения через отверстие в площадке; для РЧ-сигналов требуется, чтобы коэффициент отражения был менее -15 дБ.

2. Механические свойства

Качество стенок отверстия

Стенка переходного отверстия на контактной площадке (Via on PAD) должна быть гладкой, без трещин и заусенцев. Стенку отверстия можно наблюдать под микроскопом или электронным микроскопом для проверки дефектов.

Шероховатость стенки отверстия должна соответствовать требованиям. Обычно требуется, чтобы шероховатость была менее 5 мкм. Грубая стенка отверстия повлияет на надежность электрического соединения и может вызвать проблемы с передачей сигнала.

Точность апертуры

Диаметр переходного отверстия на контактной площадке должен соответствовать проектным требованиям, допуск обычно составляет ±0,05 мм. Необходимо измерять диаметр переходного отверстия с помощью рентгеновского аппарата или устройств для микросрезов, чтобы убедиться, что диаметр находится в заданном диапазоне.

Положение переходного отверстия на контактной площадке должно быть точным, отклонение от проектного чертежа должно находиться в пределах заданного диапазона допусков. Для измерения положения переходного отверстия на контактной площадке можно использовать координатно-измерительную машину или оптическое контрольное оборудование, чтобы убедиться, что его точность позиционирования соответствует требованиям.

Например, для высокоточного проектирования печатной платы отклонение положения переходного отверстия на контактной площадке должно быть менее ±0,05 мм. Чрезмерное отклонение положения может повлиять на разводку цепи и надежность электрического соединения.

3. Надежность

Термоударные испытания

Печатная плата подвергается термоударным испытаниям для моделирования изменения температуры электронных изделий в процессе реального использования. Путем многократных воздействий высоких и низких температур проверяется, нет ли в переходном отверстии на контактной площадке трещин, расслоений, отслоений и других явлений.

Например, поместив печатную плату в температурном диапазоне от -55°C до 125°C для проведения 1000 циклов термоударных испытаний, отверстие на площадке не должно иметь никаких повреждений.

Вибрационные испытания

Печатная плата подвергается вибрационным испытаниям для моделирования вибрационной среды электронных изделий во время транспортировки и использования. Необходимо проверить, не ослабло или не разрушилось ли переходное отверстие на контактной площадке после приложения вибрации определенной частоты и амплитуды.

Например, проводят испытание случайной вибрацией с частотой 5-500 Гц и ускорением 5g. Продолжительность составляет 2 часа, и переходное отверстие на контактной площадке не должно иметь никаких повреждений.

Испытание на паяемость

Проводят испытание на паяемость переходного отверстия на контактной площадке, чтобы проверить его поведение в процессе пайки. Печатную плату погружают в ванну с припоем, чтобы переходное отверстие на контактной площадке контактировало с припоем, и наблюдают, хорошо ли смачивает припой стенку отверстия, образуя равномерный слой припоя.

Например, требуется, чтобы высота подъема припоя в переходном отверстии на контактной площадке составляла не менее 75% глубины отверстия, а поверхность припоя должна быть гладкой, без пор, проколов и других дефектов.

4. Внешний осмотр

Плоскостность

Поверхность печатной платы должна быть ровной, вокруг переходного отверстия на контактной площадке не должно быть явных выпуклостей или впадин. Для измерения поверхности печатной платы можно использовать плоскостомер, чтобы убедиться, что ее плоскостность соответствует требованиям.

Например, для обычной печатной платы плоскостность поверхности должна быть менее ±0,1 мм. Для высокоточных печатных плат требования к плоскостности выше, она может находиться в пределах ±0,05 мм.

Чистота

Печатная плата должна содержаться в чистоте, в переходном отверстии на контактной площадке не должно быть остатков масла, пыли, окалины от пайки и других примесей. Чистоту переходного отверстия на контактной площадке можно проверить визуально или с помощью микроскопического наблюдения.

Если в переходном отверстии на контактной площадке есть примеси, это может повлиять на надежность электрического соединения и даже вызвать такие неисправности, как короткое замыкание.

Переходные отверстия на контактных площадках (Via on PAD) на печатной плате должны быть четко маркированы для производства и обслуживания. Маркировка должна включать номер отверстия, название сети, размер отверстия и другую информацию.

Маркировку можно наносить методами трафаретной печати, лазерной гравировки и т.д., при этом необходимо обеспечить, чтобы маркировка была четкой, прочной и не стиралась и не отслаивалась.

5. Стандарт IPC-6012D или IPC 4671 VII для Via on PAD,

Адгезия металлизированного покрытия к заполнению переходного отверстия и медной площадке. Толщина меди. Плоскостность между материалом заполнения и медной поверхностью. Несоответствие КТР между материалом заполнения и металлизацией, приводящее к воздушному зазору (усадка материала заполнения). Заполнение переходного отверстия менее чем на 100% может привести к слишком тонкой металлизированной крышке или вмятине, что также может вызвать захват воздуха и образование пустот в паяных соединениях BGA. Поры в металлизированных покрытиях приводят к непропаиваемым участкам площадки, где закрытое переходное отверстие предназначено для паяного соединения BGA. Уменьшенный объем припоя также является проблемой при наличии вмятин.

A: Идеальная ситуация: без вмятины или выпуклости.

B: С вмятиной или выпуклостью.