По мере того как электронные устройства становятся всё меньше, а их вычислительные возможности растут, перед разработчиками печатных плат (PCB) постоянно встает задача прокладки крайне сложных схем в условиях всё более ограниченной площади. Одним из самых серьезных узких мест в современном проектировании печатных плат с высокой плотностью соединений (HDI) является разветвление и трассировка BGA (Ball Grid Arrays) с мелким шагом. Когда шаг выводов BGA становится меньше 0,5 мм, традиционные методы трассировки, такие как стандартная разветвление по схеме «dog-bone», просто не хватает физического пространства.
Чтобы преодолеть это пространственное ограничение и сохранить целостность сигнала, инженеры-разработчики печатных плат прибегают к передовым технологиям прокладок. Наиболее значимым из этих решений является технология Via-in-Pad Plated Over (VIPPO). Благодаря размещению переходного отверстия непосредственно внутри контактной площадки для поверхностного монтажа и нанесению на него гальванического покрытия для создания ровной поверхности, пригодной для пайки, технология VIPPO позволяет осуществлять прямую вертикальную трассировку. В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются конструктивные особенности технологии VIPPO, проводится её сравнение с традиционными методами и приводятся подробные рекомендации по проектированию для успешного внедрения VIPPO в схемах с BGA-разъёмами с мелким шагом.
Ii. Содержание
Проблема разводки BGA с мелким шагом
В современных микропроцессорах, ПЛИС и высокоскоростных ASIC часто используются корпуса BGA, что позволяет максимально увеличить количество выводов при минимальной площади. Хотя BGA с шагом 1,0 мм и 0,8 мм обеспечивают достаточное пространство для прокладки трасс между контактными площадками с использованием традиционных сквозных переходных отверстий, BGA с мелким шагом — как правило, с шагом 0,5 мм, 0,4 мм или даже меньше — представляют собой серьезную проблему при прокладке трасс. Узнайте больше о Твердое золотое покрытие: конструкция краевых разъемов и контактов переключателей, обеспечивающая исключительную износостойкость.
Основная проблема заключается в геометрических ограничениях. В традиционной схеме разветвления типа «dog-bone» короткая трасса соединяет контактную площадку BGA с соседней переходной отверстием. Однако по мере уменьшения шага расстояние между контактными площадками BGA сокращается. В конечном итоге не хватает места для размещения переходного отверстия между контактными площадками или для прокладки трассы между ними без нарушения требований к минимальному зазору между трассами или между трассой и контактной площадкой, предписанных правилами проверки проекта (DRC) производителя.
Кроме того, высокоскоростные цифровые схемы требуют строгого контроля за целостностью сигнала. Короткий проводник в разветвителе типа «dog-bone» вносит паразитную индуктивность и ёмкость, что может ухудшить качество высокочастотных сигналов и привести к разрывам импеданса. Поэтому для современных приложений крайне необходимо решение, которое устраняет этот отвод, минимизирует занимаемую площадь трассировки и поддерживает архитектуры межсоединений высокой плотности. Узнайте больше о Конформное покрытие: защита печатных плат от влаги, пыли и агрессивных сред.
Понимание технологии «Via-in-Pad Plated Over» (VIPPO)
Технология Via-in-Pad Plated Over (VIPPO), которую иногда называют Plated Over Filled Via (POFV), представляет собой специализированный процесс изготовления переходных отверстий, при котором отверстие просверливается непосредственно внутри медной контактной площадки, предназначенной для компонента поверхностного монтажа, как правило, BGA.
При стандартной технологии «via-in-pad» отверстие переходного контакта внутри контактной площадки остается открытым. Хотя это позволяет сэкономить место, на этапе сборки возникает критический производственный дефект: всасывание припоя. Во время пайки методом рефлоу капиллярное действие открытого переходного отверстия оттягивает жидкий припой от контактной площадки компонента вниз, в ствол переходного отверстия. Это приводит к недостаточному наполнению паяных соединений припоем, плохой механической адгезии и высокой вероятности обрыва цепи или ненадежных соединений.
VIPPO полностью устраняет эту проблему благодаря многоэтапному производственному процессу:
1. Сверление и гальваника: Переходное отверстие просверливается механическим способом или с помощью лазера и покрывается металлом для обеспечения электрической связи между слоями.
2. Эпоксидная заделка: Канал сквозного отверстия полностью заполняется специальной эпоксидной смолой. Эта смола может быть как проводящей, так и непроводящей, в зависимости от тепловых и электрических требований конструкции.
3. Планаризация: После заполнения и отверждения переходного отверстия поверхность выравнивается (шлифуется до гладкости) для удаления излишков смолы.
4. Покрытие: В заключение непосредственно поверх заполненного переходного отверстия наносится слой меди, что позволяет получить абсолютно ровную, непрерывную и обладающую высокой паяемостью поверхность контактной площадки.
В результате получается контактная площадка, которая в процессе сборки выглядит и ведет себя точно так же, как стандартная площадка для поверхностного монтажа, но при этом имеет прямое вертикальное соединение с внутренними слоями печатной платы.
VIPPO против традиционного разветвления типа «собачья кость»
Хотя традиционная схема разветвления типа «dog-bone» является экономически эффективной и подходит для компонентов с большим шагом, её практическая ценность резко снижается в проектах HDI. Структура «dog-bone» занимает ценное пространство на поверхности печатной платы, ограничивая количество обходных конденсаторов или других пассивных компонентов, которые можно разместить на противоположной стороне платы непосредственно под корпусом BGA.
Напротив, технология VIPPO объединяет контактную площадку и переход в единое физическое целое. Это устраняет необходимость в трассах разветвления на поверхностном слое, освобождая каналы трассировки и значительно упрощая разветвление BGA. Кроме того, поскольку VIPPO обеспечивает прямой вертикальный путь от вывода компонента к внутреннему слою трассировки, это значительно снижает паразитную индуктивность. Такой прямой путь чрезвычайно выгоден для обеспечения целостности высокоскоростных сигналов и минимизации импеданса в сетях распределения питания (PDN), позволяя размещать развязывающие конденсаторы непосредственно под переходным отверстием BGA для достижения максимальной эффективности.
Руководство по проектированию для внедрения VIPPO
Для успешной интеграции VIPPO в проект печатной платы необходимо строго соблюдать определенные проектные параметры и тесно сотрудничать с производственной компанией. В приведенных ниже рекомендациях изложены ключевые технические требования к внедрению VIPPO.
Соотношение сторон и размеры сверл
Соотношение сторон — отношение толщины печатной платы к диаметру просверленного отверстия — является ключевым фактором, обеспечивающим надежное гальваническое покрытие и заполнение переходных отверстий. Для стандартного механического сверления обычно рекомендуется максимальное соотношение сторон 10:1, хотя соотношение 8:1 является более безопасным для обеспечения равномерного нанесения медного покрытия в цилиндрической части переходного отверстия. При использовании микропереходных отверстий, просверленных лазером, для технологии VIPPO в многослойных печатных платах HDI соотношение сторон, как правило, ограничивается значениями 1:1 или 0,8:1.
Для стандартной печатной платы толщиной 1,6 мм (63 мил) минимальный размер отверстия, просверленного механическим способом, как правило, не должен быть меньше 0,15 мм (6 мил) или 0,2 мм (8 мил), чтобы обеспечить надежное соотношение сторон и надлежащее заполнение эпоксидной смолой.
Размер прокладки и требования к кольцевому кольцу
Размер контактной площадки BGA определяется рекомендациями производителя компонента и, как правило, составляет от 80% до 100% диаметра шарика BGA. При реализации технологии VIPPO необходимо убедиться, что площадка достаточно велика, чтобы вместить просверленное сквозное отверстие, при этом оставляя достаточное кольцевое пространство. Минимальный размер кольцевого зазора в 0,1 мм (4 мил) является отраслевым стандартом, учитывающим отклонения при сверлении и допуски на совмещение во время производства. Например, если площадка BGA составляет 0,4 мм (16 мил), максимальный размер проходного отверстия должен составлять 0,2 мм (8 мил).
Эпоксидный наполнитель: проводящий и непроводящий
Выбор между проводящей и непроводящей эпоксидной заливкой часто вызывает затруднения. В подавляющем большинстве случаев предпочтительным вариантом является непроводящая эпоксидная заливка. Коэффициент теплового расширения (CTE) непроводящей эпоксидной смолы практически совпадает с коэффициентом окружающей подложки FR4, что снижает риск растрескивания стекна переходного отверстия при термоциклировании. Электро- и теплопроводность в переходном отверстии с непроводящим наполнителем обеспечивается исключительно за счет меди, нанесенной на стенки переходного отверстия.
Проводящая эпоксидная смола, как правило, используется в специализированных областях применения, где требуется чрезвычайно эффективное отведение тепла непосредственно через переходное отверстие, поскольку несовпадение коэффициентов теплового расширения со временем может привести к проблемам с надежностью. Узнайте больше о «Летающий зонд» против ICT: выбор оптимальной стратегии тестирования печатных плат с учетом объема производства.
Как внедрить VIPPO (пошаговое руководство)
Соблюдайте следующие технические правила.
- Оценка шага выводов BGA и плотности трассировки
Для начала проанализируйте шаг выводов выбранного вами корпуса BGA. Если шаг составляет 0,5 мм или меньше, использование технологии VIPPO настоятельно рекомендуется, а в некоторых случаях является обязательным. Оцените количество слоев и определите, достаточно ли стандартной технологии VIPPO со сквозными отверстиями или для достижения требуемой плотности трассировки потребуется использование многослойных микропроходов (HDI) в сочетании с технологией VIPPO.
- Определение размеров переходных отверстий и контактных площадок
Ознакомьтесь с техническим паспортом компонента, чтобы определить оптимальный размер контактной площадки. Рассчитайте максимально допустимый размер сверла, вычтя из диаметра контактной площадки необходимое кольцевое пространство (обычно 0,1 мм с каждой стороны). Убедитесь, что этот размер сверла соответствует ограничениям по соотношению сторон, установленным производителем печатных плат с учетом толщины платы.
- Выберите подходящий материал для заполнения
Укажите, что для сквозных отверстий следует использовать непроводящую эпоксидную заливку, за исключением случаев, когда существуют крайне строгие тепловые требования, обусловливающие необходимость применения проводящей заливки. Четко зафиксируйте это в инструкциях по изготовлению, чтобы избежать домыслов со стороны производителя.
- Укажите вид гальванического покрытия и обработку поверхности
Укажите, что переходные отверстия должны быть выровнены и покрыты медью. После нанесения медного покрытия укажите надежный вид отделки поверхности. Для BGA с мелким шагом настоятельно рекомендуется использовать покрытие «безелектрический никель — иммерсионное золото» (ENIG) или «безелектрический никель — безелектрический палладий — иммерсионное золото» (ENEPIG) ввиду их превосходной плоскостности и стойкости к окислению.
- Проверка проекта с помощью DRC и в сотрудничестве с производителем
Обновите параметры проверки правил проектирования (DRC) в вашем программном обеспечении EDA, чтобы пересечение переходных отверстий с контактными площадками для поверхностного монтажа не вызывало ошибок. Перед отправкой файлов Gerber направьте производителю печатных плат предварительную схему слоевой структуры и определение переходных отверстий, чтобы убедиться, что его оборудование способно надежно изготовить переходные отверстия VIPPO с указанными размерами в соответствии со стандартами IPC-4761 Type VII.
Переход к стратегии маршрутизации VIPPO требует системного подхода для обеспечения технологичности и надежности. Узнайте больше о Платы для выжигания (BIB): Проектирование высокотемпературных плат для выжигания при тестировании полупроводников.
Вопросы надежности и производства
Хотя VIPPO решает сложные задачи трассировки, эта технология вносит новые переменные в производственный процесс. Основная проблема заключается в термической надежности. Поскольку переходная отверстие содержит материалы с разными коэффициентами теплового расширения (медь, эпоксидная заливка и подложка FR4), многократные термоциклы во время эксплуатации или пайки методом рефлоу могут вызывать напряжения в корпусе переходного отверстия и гальваническом покрытии. Со временем эти напряжения могут привести к появлению микротрещин в медном покрытии или отслоению покрытия от переходного отверстия, что вызовет периодические отказы.
Чтобы снизить эти риски, производители должны точно контролировать процесс планаризации. Если эпоксидная смола не будет идеально прилегать к медной площадке перед окончательным нанесением покрытия, на поверхности площадки образуется «углубление» или «выпуклость». Вмятина может задерживать флюс и выделять газы во время пайки методом рефлоу, что приводит к образованию пустот в припое в соединении BGA. Выпуклость может привести к неравномерной посадке BGA, что вызовет обрывы цепи на соседних выводах. Стандарт IPC-4761 регламентирует конструкцию и классификацию защиты переходных отверстий. Для обеспечения подлинной защиты VIPPO необходимо строго указать в производственных инструкциях тип VII (заполненный и закрытый) согласно стандарту IPC-4761.
Iii. Выводы и рекомендации
Технология Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) является незаменимой для современных инженеров-разработчиков печатных плат, работающих с BGA-компонентами с большим количеством выводов и мелким шагом. Благодаря устранению необходимости в занимающих много места разветвительных схемах типа «dog-bone», технология VIPPO позволяет максимально увеличить количество трассировочных каналов, повысить целостность сигнала и оптимизировать сети распределения питания. Несмотря на то, что она требует соблюдения строгих правил проектирования и увеличивает сложность и стоимость производства, преимущества в плане миниатюризации и производительности делают её обязательной технологией для проектов с высокой плотностью соединений.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Да. Технология VIPPO требует нескольких дополнительных этапов производства по сравнению со стандартными переходными отверстиями, в том числе заполнения, отверждения, планаризации и повторного цикла гальванического покрытия. Как правило, это приводит к увеличению себестоимости изготовления «голой» платы на 15%–30% в зависимости от производителя и сложности конструкции платы.
В случае контактных площадок BGA от этого категорически не рекомендуется. Если оставить переходное отверстие внутри площадки открытым, во время сборки произойдет «просачивание» припоя: припой, предназначенный для соединения BGA, стечет в переходное отверстие. Это неизбежно приводит к слабым, ненадежным или полностью разорванным соединениям. Для предотвращения этого явления необходимо использовать VIPPO.
В большинстве стандартных конструкций и конструкций HDI настоятельно рекомендуется использовать непроводящую эпоксидную смолу. Она лучше соответствует характеристикам теплового расширения подложки печатной платы, чем проводящая эпоксидная смола, что снижает риск растрескивания сквозных отверстий во время термоциклов. Медное покрытие на стенках сквозных отверстий обеспечивает достаточную электро- и теплопроводность.
Предпочтительными видами поверхностной обработки являются ENIG (безелектролитический никель с погружным нанесением золота) и ENEPIG (безелектролитический никель с безелектролитическим палладием и погружным нанесением золота). Они обеспечивают исключительно ровную и однородную поверхность, что имеет решающее значение для надёжной установки и пайки компонентов BGA с мелким шагом.
Нет, хотя в проектах HDI они часто используются вместе. Микровиа характеризуется небольшими размерами (обычно диаметр ≤ 0,15 мм) и низким соотношением сторон, при этом она, как правило, проходит только через один диэлектрический слой. VIPPO — это процесс, применяемый к переходному отверстию (которым может быть как микропереходное отверстие, так и стандартное сквозное отверстие), при котором оно заполняется и покрывается гальваническим слоем для создания ровной поверхности контактной площадки.