Elektronik cihazlar küçülmeye devam ederken hesaplama kapasiteleri artmaya devam ettiğinden, Baskılı Devre Kartı (PCB) tasarımcıları, giderek daha kısıtlı alanlar içinde son derece karmaşık devrelerin yönlendirilmesi konusunda sürekli zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır. Modern Yüksek Yoğunluklu Bağlantı (HDI) PCB tasarımındaki en önemli darboğazlardan biri, ince aralıklı Top Izgara Dizileri'nin (BGA'lar) ayrılması ve yönlendirilmesidir. BGA pin aralıkları 0,5 mm'nin altına düştüğünde, standart dog-bone fanout gibi geleneksel yönlendirme teknikleri, fiziksel alan yetersizliği nedeniyle uygulanamaz hale gelir.
Bu alan kısıtlamasını gidermek ve sinyal bütünlüğünü korumak için PCB mühendisleri, gelişmiş via teknolojilerine başvururlar. Bu çözümlerin başında Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) gelmektedir. VIPPO, via'yı doğrudan yüzey montaj pedinin içine yerleştirip üzerine kaplama uygulayarak düz ve lehimlenebilir bir yüzey oluşturur ve böylece doğrudan dikey yönlendirme imkanı sağlar. Bu kapsamlı kılavuz, VIPPO'nun yapısal mekaniğini inceler, geleneksel yöntemlerle karşılaştırır ve ince aralıklı BGA çıkışlarında VIPPO'nun başarılı bir şekilde uygulanması için ayrıntılı tasarım kılavuzları sunar.
İçindekiler
Dar Aralıklı BGA Çıkışının Getirdiği Zorluklar
Modern mikroişlemciler, FPGA’lar ve yüksek hızlı ASIC’ler, minimum alanda pin sayısını en üst düzeye çıkarmak için genellikle BGA paketleri kullanır. 1,0 mm ve 0,8 mm aralıklı BGA'lar, geleneksel delik içi viyalar kullanılarak pedler arasında iz yönlendirme için yeterli alan sunarken, genellikle 0,5 mm, 0,4 mm veya daha küçük aralıklara sahip olarak sınıflandırılan ince aralıklı BGA'lar, yönlendirme açısından büyük bir zorluk teşkil eder. Hakkında daha fazla bilgi edinin Sert Altın Kaplama: Aşırı Aşınma Direnci için Kenar Konektörleri ve Anahtar Kontakları Tasarımı.
Asıl sorun geometrik kısıtlamalarda yatmaktadır. Geleneksel bir “dog-bone” fanout düzeninde, BGA pedini bitişiğindeki bir via’ya kısa bir iz bağlar. Ancak, aralık azaldıkça BGA pedleri arasındaki boşluk da daralır. Sonunda, üreticinin Tasarım Kural Kontrollerinde (DRC) belirtilen minimum iz-iz veya iz-ped açıklık gereksinimlerini ihlal etmeden pedler arasına bir via yerleştirmek veya aralarında bir iz yönlendirmek için yeterli alan kalmaz.
Ayrıca, yüksek hızlı dijital tasarımlar, sinyal bütünlüğü üzerinde sıkı bir kontrol gerektirir. Dog-bone fanout yapısındaki kısa iz, parazitik endüktans ve kapasitans ortaya çıkarır; bu da yüksek frekanslı sinyalleri bozabilir ve empedans kesintilerine neden olabilir. Bu nedenle, gelişmiş uygulamalar için bu kısa devreyi ortadan kaldıran, yönlendirme alanını en aza indiren ve yüksek yoğunluklu bağlantı mimarilerini destekleyen bir çözüm kesinlikle gereklidir. Hakkında daha fazla bilgi edinin Konformal Kaplama: PCBA’yı Nem, Toz ve Aşındırıcı Ortamlardan Koruma.
Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) Kavramı
Via-in-Pad Plated Over (VIPPO), bazen Plated Over Filled Via (POFV) olarak da anılan, bir via’nın yüzey montajlı bir bileşen (genellikle bir BGA) için tasarlanan bakır pedin içine doğrudan delinmesini içeren özel bir via üretim sürecidir.
Standart “via-in-pad” işleminde, pad içindeki via deliği açık bırakılır. Bu, yer tasarrufu sağlasa da, montaj aşamasında kritik bir üretim kusuruna yol açar: lehim emilimi. Reflow lehimleme sırasında, açık via deliğinin kılcal etkisi, sıvı lehimi bileşen padinden uzaklaştırarak via deliğinin içine çeker. Bu durum, lehim eksikliği olan bağlantı noktalarına, zayıf mekanik yapışmaya ve elektriksel kopukluk veya güvenilmez bağlantıların ortaya çıkma olasılığının artmasına neden olur.
VIPPO, çok aşamalı bir üretim süreci sayesinde bu sorunu tamamen ortadan kaldırmaktadır:
1. Delme ve Kaplama: Via, katmanlar arasında elektriksel bağlantı sağlamak amacıyla mekanik veya lazerle delinir ve kaplanır.
2. Epoksi Dolgu: Via kanalı, özel bir epoksi reçine ile tamamen doldurulur. Bu reçine, tasarımın termal ve elektriksel gereksinimlerine bağlı olarak iletken veya iletken olmayan olabilir.
3. Düzleştirme: Via doldurulup sertleştirildikten sonra, yüzey düzleştirilir (zımparalanarak düz hale getirilir) ve fazla reçine giderilir.
4. Kaplama İşlemi: Son olarak, doldurulmuş via'nın üzerine doğrudan bir bakır tabakası kaplanır; böylece tamamen düz, kesintisiz ve lehimlenebilirliği yüksek bir ped yüzeyi elde edilir.
Sonuçta ortaya çıkan ped, montaj sürecinde standart bir yüzey montaj pediyle tamamen aynı görünüme ve davranışa sahip olmakla birlikte, PCB’nin iç katmanlarına doğrudan ve dikey bir bağlantı içermektedir.
VIPPO ile Geleneksel Dog-Bone Fanout Karşılaştırması
Geleneksel “dog-bone” fanout, maliyet açısından verimli ve daha geniş aralıklı bileşenler için uygun olsa da, HDI tasarımlarında kullanışlılığı hızla azalmaktadır. “Dog-bone” yapısı, değerli yüzey alanını kaplayarak, kartın karşı tarafında, BGA’nın hemen altına yerleştirilebilecek baypas kondansatörlerinin veya diğer pasif bileşenlerin sayısını sınırlamaktadır.
Buna karşılık, VIPPO, pedi ve via’yı tek bir fiziksel varlıkta birleştirir. Bu, yüzey katmanında ayrılma izlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak, yönlendirme kanallarını serbest bırakır ve BGA fanout’unu büyük ölçüde basitleştirir. Ayrıca, VIPPO, bileşen pini ile iç yönlendirme katmanı arasında doğrudan dikey bir yol sağladığından, parazitik endüktansı önemli ölçüde azaltır. Bu doğrudan yol, yüksek hızlı sinyal bütünlüğü ve güç dağıtım ağlarındaki (PDN'ler) empedansı en aza indirmek açısından son derece avantajlıdır; bu sayede, maksimum verimlilik için dekuplaj kapasitörlerinin doğrudan BGA via'sının altına yerleştirilmesine olanak tanır.
VIPPO Uygulaması için Tasarım Kılavuzları
VIPPO’nun bir PCB tasarımına başarılı bir şekilde entegre edilmesi, belirli tasarım parametrelerine titizlikle uyulmasını ve üretim firmasıyla yakın bir işbirliğini gerektirir. Aşağıdaki kılavuzlar, VIPPO uygulamasının kritik teknik özelliklerini özetlemektedir.
En-Boy Oranı ve Matkap Uçları Boyutları
En-boy oranı — PCB kalınlığının delinmiş delik çapına oranı — güvenilir via kaplama ve doldurma işlemlerinde hayati bir faktördür. Standart mekanik delme işlemlerinde genellikle maksimum 10:1 en-boy oranı önerilir; ancak via kanalında tutarlı bakır kaplama sağlamak için 8:1 oranı daha güvenlidir. HDI katmanlamalarında VIPPO için lazerle delinmiş mikro-vialar kullanıldığında, en-boy oranı genellikle 1:1 veya 0,8:1 ile sınırlandırılır.
Standart bir 1,6 mm (63 mil) kalınlığındaki kart için, güvenilir bir en-boy oranını korumak ve uygun epoksi dolgusuna olanak sağlamak amacıyla, minimum mekanik delik çapı genellikle 0,15 mm (6 mil) veya 0,2 mm (8 mil) altına düşmemelidir.
Ped Boyutu ve Halka Şeklindeki Yüzük Gereksinimleri
BGA pedi boyutu, bileşen üreticisinin önerilerine göre belirlenir ve genellikle BGA küre çapının 80% ile 100% arasında değişir. VIPPO uygulamasını gerçekleştirirken, pedin delinmiş via’yı barındıracak kadar büyük olmasını ve aynı zamanda yeterli bir dairesel halka bırakılmasını sağlamalısınız. Üretim sırasında delme sapmaları ve hizalama toleranslarını hesaba katmak için en az 0,1 mm (4 mil) genişliğinde bir dairesel halka bırakılması endüstri standardıdır. Örneğin, BGA pedi 0,4 mm (16 mil) ise, via deliğinin maksimum boyutu 0,2 mm (8 mil) olmalıdır.
Epoksi Dolgu Malzemesi: İletken ve İletken Olmayan
İletken ve iletken olmayan epoksi dolgu malzemesi arasındaki seçim, sıklıkla kafa karışıklığına yol açan bir konudur. Uygulamaların büyük çoğunluğunda, iletken olmayan epoksi tercih edilen seçenektir. İletken olmayan epoksinin termal genleşme katsayısı (CTE), çevresindeki FR4 substratınkine oldukça yakındır; bu da termal döngü sırasında via gövdesinde çatlama riskini azaltır. İletken olmayan dolgulu bir via'daki elektriksel ve termal iletkenlik, tamamen via duvarlarına kaplanmış bakır tarafından sağlanır.
İletken epoksi, genellikle doğrudan geçiş deliği yoluyla aşırı ısı dağılımı gerektiren özel uygulamalar için ayrılmıştır; zira bu malzemenin termal genleşme katsayısı (CTE) uyumsuzluğu, zamanla güvenilirlik sorunlarına yol açabilir. Hakkında daha fazla bilgi edinin Uçan Prob ve ICT: Üretim Hacminize Uygun Doğru PCBA Test Stratejisini Seçmek.
VIPPO Nasıl Uygulanır (Adım Adım Kılavuz)
Aşağıdaki mühendislik kurallarına uyun.
- BGA Aralığını ve Yollandırma Yoğunluğunu Değerlendirme
Öncelikle, seçtiğiniz BGA’nın pin aralığını analiz edin. Aralık 0,5 mm veya daha azsa, VIPPO’nun kullanılması şiddetle tavsiye edilir; hatta zorunlu sayılabilir. Katman sayısını değerlendirin ve gerekli yönlendirme yoğunluğuna ulaşmak için standart delikli VIPPO’nun yeterli olup olmadığını ya da VIPPO’lu yığılmış mikro deliklerin (HDI) gerekli olup olmayacağını belirleyin.
- Via ve Pad Boyutlarını Tanımlayın
En uygun ped boyutunu belirlemek için bileşen veri sayfasına başvurun. Ped çapından gerekli halka boşluğunu (genellikle her bir taraf için 0,1 mm) çıkararak izin verilen maksimum delik boyutunu hesaplayın. Bu delik boyutunun, kart kalınlığına göre imalatçının en-boy oranı sınırlarını karşıladığından emin olun.
- Uygun Dolgu Malzemesini Seçin
İletken dolgu gerektirecek aşırı bir termal gereklilik olmadığı sürece, viyalar için iletken olmayan epoksi dolgu kullanılmasını belirtin. Üreticinin varsayımlarda bulunmasını önlemek için bunu üretim notlarınızda açıkça belirtin.
- Kaplama ve Yüzey İşlemini Belirtin
Viaların düzleştirilmesi ve üzerlerinin bakırla kaplanması gerektiğini belirtin. Bakır kaplamanın ardından, güvenilir bir yüzey kaplaması belirleyin. Mükemmel düzlük ve oksidasyon direnci nedeniyle, ince aralıklı BGA'lar için Elektrolizsiz Nikel Daldırma Altın (ENIG) veya Elektrolizsiz Nikel Elektrolizsiz Paladyum Daldırma Altın (ENEPIG) yöntemleri şiddetle tavsiye edilir.
- Tasarımın DRC ve Üretici Tarafından Doğrulanması
EDA yazılımınızın Tasarım Kuralı Kontrolü (DRC) parametrelerini güncelleyerek, viyaların yüzey montaj pedleriyle kesişmesine hata vermeden izin verin. Gerber dosyalarını göndermeden önce, PCB üreticinizle ön yığınlama ve via tanımını paylaşarak, ekipmanlarının IPC-4761 Tip VII standartlarına göre belirtilen VIPPO boyutlarını güvenilir bir şekilde üretebileceğini teyit edin.
VIPPO yönlendirme stratejisine geçiş, üretilebilirliği ve güvenilirliği sağlamak için sistematik bir yaklaşım gerektirir. Hakkında daha fazla bilgi edinin Yanma Test Kartları (BIB): Yarı İletken Testleri için Yüksek Sıcaklıklı Yanma Test Kartlarının Tasarımı.
Güvenilirlik ve Üretimle İlgili Hususlar
VIPPO, karmaşık yönlendirme sorunlarını çözerken, üretim sürecine yeni değişkenler getirir. En önemli endişe, termal güvenilirliktir. Via, farklı CTE değerlerine sahip malzemeler (bakır, epoksi dolgu ve FR4 alt tabaka) içerdiğinden, çalışma sırasında veya yeniden akış işlemi sırasında tekrarlanan termal döngüler, via gövdesi ve kaplamalı kapak üzerinde gerilime neden olabilir. Zamanla bu gerilim, bakır kaplamada mikro çatlaklara veya kapak ile via arasında ayrılmaya yol açarak aralıklı arızalara neden olabilir.
Bu riskleri azaltmak için üreticiler, düzleştirme sürecini hassas bir şekilde kontrol etmelidir. Son kaplama işleminden önce epoksi, bakır ped ile tam olarak aynı seviyede değilse, ped yüzeyinde bir “çukur” veya “çıkıntı” oluşur. Bir çukur, yeniden akış sırasında akı maddesi tutabilir ve gaz salınımına neden olarak BGA bağlantısı içinde lehim boşluklarına yol açabilir. Bir çıkıntı ise BGA'nın dengesiz oturmasına neden olarak komşu pimlerde açık devrelerin oluşmasına yol açabilir. IPC-4761, via korumasının tasarımını ve sınıflandırmasını standartlaştırır. Gerçek VIPPO için, üretim notlarınızda IPC-4761 Tip VII (Dolgulu ve Kapaklı) şartını kesinlikle belirtmelisiniz.
Sonuç
Via-in-Pad Plated Over (VIPPO), yüksek pin sayısına sahip, ince aralıklı BGA bileşenleriyle çalışan modern PCB mühendisleri için vazgeçilmez bir teknolojidir. Yer kaplayan dog-bone fanout'lara olan ihtiyacı ortadan kaldıran VIPPO, yönlendirme kanallarını en üst düzeye çıkarır, sinyal bütünlüğünü artırır ve güç dağıtım ağlarını optimize eder. Sıkı tasarım kurallarına uyulmasını gerektirmesi ve üretim sürecini karmaşıklaştırıp maliyeti artırmasına rağmen, minyatürleştirme ve performans açısından sağladığı faydalar, bu tekniği yüksek yoğunluklu bağlantı tasarımları için zorunlu hale getirmektedir.
Sıkça Sorulan Sorular (SSS)
Evet. VIPPO süreci, standart viyalara kıyasla dolgu, sertleştirme, düzleştirme ve ikincil kaplama döngüsü gibi birkaç ek üretim aşaması gerektirir. Bu durum, üreticiye ve kartın karmaşıklığına bağlı olarak, çıplak kart üretim maliyetini genellikle 15% ila 30% arasında artırır.
BGA pedleri söz konusu olduğunda, bu yöntem kesinlikle önerilmez. Bir pedin içinde bir via açık bırakılması, montaj sırasında lehim emilmesine neden olur; bu durumda BGA bağlantısı için ayrılan lehim, via deliğine doğru akar. Bu durum her zaman zayıf, güvenilmez veya tamamen kesik bağlantılara yol açar. Bu olguyu önlemek için VIPPO kullanılması zorunludur.
Çoğu standart ve HDI tasarımında, iletken olmayan epoksinin kullanılması şiddetle tavsiye edilir. Bu malzeme, iletken epoksiden daha iyi bir şekilde PCB alt tabakasının termal genleşme özelliklerine uyum sağlar ve termal döngüler sırasında via çatlaması riskini azaltır. Via duvarlarındaki bakır kaplama, yeterli elektriksel ve termal iletkenlik sağlar.
ENIG (Elektrolizsiz Nikel-Daldırma Altın) ve ENEPIG (Elektrolizsiz Nikel-Elektrolizsiz Paladyum-Daldırma Altın) tercih edilen yüzey kaplamalarıdır. Bu kaplamalar, ince aralıklı BGA bileşenlerinin güvenilir bir şekilde yerleştirilmesi ve lehimlenmesi için hayati önem taşıyan, olağanüstü düz ve homojen bir yüzey sağlar.
Hayır, ancak HDI tasarımlarında genellikle birlikte kullanılırlar. Bir mikrovia, küçük boyutu (genellikle çapı <= 0,15 mm) ve düşük en-boy oranıyla tanımlanır; genellikle sadece bir dielektrik katmanı kapsar. VIPPO, bir via'ya (bu bir mikrovia veya standart delikli via olabilir) uygulanan bir işlemdir; bu işlemde via doldurulur ve kaplanır, böylece düz bir ped yüzeyi oluşturulur.