Влияние технологии Via-in-pad на процессы надежности и сборки Pcb

Неустанный спрос на меньшие, более быстрые и более богатые функциональными возможностями электронные устройства побудил дизайнеров печатных плат (PCB) принять все более плотные и сложные технологии межсоединения. Среди них технология via-in-pad (VIP) выделяется как критический активатор для конструкций межсоединения высокой плотности (HDI). Размещая прокладки непосредственно в накладках компонентов поверхностного монтажа, а не в отдельных областях платы, инженеры могут значительно уменьшить размер платы, улучшить целостность сигнала и улучшить управление тепловыми потоками. Однако этот метод вводит уникальные проблемы надежности и сборки, которые необходимо тщательно решать для обеспечения долгосрочной производительности продукта.

Понимание технологии Via-in-Pad

В обычной конструкции ПХД, с помощью сквозняков, как правило, направляются на составные площадки через тонкие следы, занимая ценную площадь поверхности и часто заставляя дизайнеров разбрасывать компоненты. Via-in-pad устраняет это ограничение, позволяя сквозной сквозняк быть неотъемлемой частью пайки. Этот подход особенно распространен в пакетах сетки шара (BGA), где паяльные шары устройства непосредственно выровнены с покрытыми сквозными отверстиями ниже.

Существует несколько вариантов виа-в-плате, в зависимости от типа виа и способа его заполнения. Три наиболее распространенных реализации:

• Незаполненная сквозная подушечка: Сквозная подушечка остается открытой или только скрепленной паяльной маской. Этот метод редко используется для приложений с высокой надежностью, потому что открытая сквозная подушечка может отклеивать припой от подушечки во время перелива, создавая пустоты припоя или недостаточные соединения.
• Эпоксидная смола, заполненная с помощью встроенной в нее оболочки: Сквозная смола полностью заполнена непроводящей эпоксидной смолой, которая затем планаризируется путем шлифования или чистки. Сквозная поверхность покрывается плоской, паяльной поверхностью. Это наиболее широко используемый подход для чувствительных к затратам, но критически важных для надежности конструкций.
• Проводящая начинка через накладку: Проводящая начинка заполнена проводящей пастой (например, серебристо- или медно-наполненной эпоксидной) или покрытой медью. Это обеспечивает как плоскую поверхность, так и улучшенную электрическую и тепловую проводимость через сквозную. Проводящая начинка предпочтительна для энергетических применений и высокочастотных конструкций.

Выбор материала и процесса наполнения зависит от требований к надежности, условий теплового цикла и ограничений стоимости конечного применения. Например, автомобильная электроника часто требует проводящих заполненных свай для обработки высоких токов и температурных колебаний, в то время как потребительские устройства могут выбрать эпоксидные заполненные связки для снижения стоимости.

Влияние на надежность ПХБ

Технология Via-in-pad напрямую влияет на несколько факторов надежности, включая целостность припоя, распределение термомеханического напряжения и устойчивость к деламинации. Понимание этих взаимодействий имеет решающее значение для проектирования надежных продуктов.

Пустота растворителя и совместное качество

Наиболее непосредственной проблемой надежности является образование пустот припоя во время процесса перелива. Когда пустой или частично заполненный через находится под компонентной подушкой, расширяющиеся газы, захваченные внутри с помощью, могут выходить через расплавленный припой, создавая пузырьки или прямые пустоты. Эти пустоты уменьшают эффективную площадь припоя, повышают электрическое сопротивление и действуют как точки концентрации напряжения при тепловом цикле. Исследования показали, что содержание пустоты, превышающее 25% площади сустава, может значительно уменьшить усталостный срок. Эпоксидные или медные заполненные с помощью смягчают эту проблему, устраняя захваченный объем воздуха.

Деламинация и ламинированный стресс

Наличие сквозного материала непосредственно под прокладкой изменяет локальный коэффициент несоответствия теплового расширения (CTE) между медной прокладкой, сквозным материалом и окружающим ламинатом. Во время теплового цикла жесткая медная бочка сквозного сопротивляется расширению, вызывая напряжение на интерфейсах. Если сквозной материал наполнения имеет плохую адгезию или другой CTE, деламинирование может происходить на сквозной стенке или между прокладкой и ламинатом. Правильное сквозное наполнение в сочетании с контролируемой толщиной покрытия и соблюдением требований IPC-6012 имеет важное значение для предотвращения таких отказов.

Надежность в суровых условиях

В средах с высокой влажностью или коррозионными газами конструкции сквозных колодок представляют дополнительные риски. Неполное уплотнение сквозного отверстия позволяет влаге или загрязняющим веществам сквозить вдоль бочки сквозного отверстия, что приводит к росту электрохимической миграции (ЭКМ) или проводящей анодной нити (КАФ). Проводящие заполненные сквозные отверстия обеспечивают лучшее уплотнение, но все равно должны быть сопряжены с соответствующей конструкцией маски припоя, чтобы предотвратить капиллярное действие. Для экстремальных условий часто рекомендуется конформное покрытие над зоной сквозного покрытия.

Производственные вызовы

Принятие системы «посредством установки» требует более жесткого контроля над процессами изготовления и сборки ПХД, чем обычное использование системы «посредством размещения».

• Заполнение и планаризация: Достижение полностью заполненной с помощью гладкой копланарной поверхности требует точности. Воздушные карманы или неполные заправки могут позже вызвать пустоты. Планаризация должна удалить избыточный материал заполнения без повреждения поверхности прокладки.
• Платирование однородности: После заполнения прокладку часто покрывают медью для восстановления плоской поверхности.Непоследовательность толщины покрытия может привести к неравномерному смачиванию припоя или плохой сопланарности по всей доске.
• Окно процесса распаковки: Объем печати соляной пасты должен быть тщательно откалиброван. При заполненной сквозной поверхности подушка ведет себя как стандартная подкладка, но тепловая масса сквозной подкладки может изменять профиль перелива. Время предварительного нагрева и замачивания может нуждаться в корректировке для обеспечения полного перелива без перегрева смежных компонентов.
• Проблема инспекции: Визуальный осмотр припоев через вставку практически невозможен, если сквозняк не полностью виден. Рентгеновский осмотр становится обязательным для проверки уровня заполнения, содержания пустоты и целостности припоя. Автоматизированные системы рентгеновского контроля (AXI) должны быть запрограммированы для отличия приемлемых соединений от дефектных.

Решения для надежного производства

Чтобы преодолеть эти проблемы, производители следуют установленным рекомендациям:

• Используйте заполненные прокладки для всех BGA и QFN-прокладок, которые содержат прокладку.
• Укажите IPC-6012 Класс 3 для требований к изготовлению, в том числе с помощью допусков глубины заполнения и плоскостности.
• Проводить проектирование экспериментов (DOE) на профилях перелива для оптимизации объемов пайковой пасты и тепловых градиентов.
• Внедрить 100% рентгенологический контроль на высоконадежных платах с критериями дефектов на основе IPC-A-610 и IPC-7095.

Влияние на процессы сборки

Технология Via-in-pad коренным образом изменяет способ сборки компонентов на ПХД. Основные изменения происходят при осаждении пайковой пасты, профилировании перелива и проверке.

Дизайн пряников Solder Paste Stencil

Для сквозной прокладки диафрагма трафарета должна учитывать присутствие сквозной. Если сквозная прокладка заполнена эпоксидной пленкой и посажена повторно, прокладка плоская, поэтому применяются стандартные правила конструкции трафарета. Однако, если сквозная прокладка только укреплена маской припоя, у прокладки может быть небольшое углубление, требующее немного более толстого трафарета или дополнительного объема пасты. В приложениях BGA толщина трафарета часто увеличивается с 4 до 5 или 6 милл, чтобы обеспечить достаточный объем припоя для заполнения сквозной и все еще образовывать надежный сустав.

Регулировка регулировки засолки

Термическая масса прокладки без прокладки отличается от массы прокладки без прокладки, поскольку медная бочка проводит тепло более эффективно. Это может привести к тому, что прокладка будет оставаться более прохладной во время оттока, задерживая отток пайковой пасты и потенциально вызывая холодные соединения или забивание могил. Чтобы противостоять этому, профиль оттока может потребоваться более длинная зона замачивания или более высокая пиковая температура. Азотная атмосфера во время оттока также помогает улучшить смачивание и уменьшить окисление на поверхности заполненной прокладки.

Волновые солдеры соображения

Для смешанных технологических досок, где компоненты сквозного отверстия сосуществуют с поверхностной установкой, сквозной колодец на нижней стороне может вызвать проблемы во время волновой пайки. Расплавленный пай может засоряться в открытые супы, оставляя недостаточный пай для сквозного отверстия. Дизайнеры должны избегать размещения открытой сквозной колодки на нижней стороне или указать, что все такие супы должны быть заполнены и планаризированы перед волновой пайкой.

Инспекция и переработка

Рентгеновский осмотр становится незаменимым для проверки качества заливки и целостности припоя. Автоматизированный оптический осмотр (AOI) может использоваться для обнаружения отсутствующих компонентов или проблем с ориентацией, но не может оценить пустоты припоя под прокладкой. Переработка компонента с помощью заливки более сложна, потому что материал с помощью заливки может быть поврежден при удалении компонента. Дизайнеры должны рассмотреть возможность обезлюдения с помощью переделываемых областей или использования термосъемных материалов заливки (например, припои с низкой температурой плавления) для приложений, которые могут потребовать полевого ремонта.

Преимущества для Ассамблеи

Несмотря на дополнительную сложность, встроенная система предлагает убедительные преимущества, которые часто перевешивают проблемы:

• Сокращение размера ПХД: Устраняя необходимость разделения через недвижимость, дизайнеры могут уменьшить площадь доски на 15-30%, что позволяет использовать более мелкие конечные продукты.
• Улучшенные электрические характеристики: Более короткие пути сигнала снижают паразитную индуктивность и емкость, что имеет решающее значение для высокоскоростных цифровых и радиочастотных схем. Via-in-pad также минимизирует эффекты заглушек, которые вызывают отражения сигнала.
• Улучшенное управление температурой: Виас, помещенный непосредственно под силовые компоненты, может проводить тепло от компонента через плату до теплоотвода или тепловой плоскости. Проводящие заполненные с помощью обеспечивают превосходную теплопроводность по сравнению с незаполненными.
• Более высокая плотность компонентов: Больше компонентов можно разместить на одной и той же площади платы, что облегчает интеграцию дополнительных функций без увеличения общих размеров продукта.
• Упрощенная маршрутизация: С помощью сквозняков, скрытых под прокладками, загруженность маршрутизации на внутренних слоях уменьшается, что позволяет легче распределять слои и считать нижние слои во многих конструкциях.

Методы отбора и заполнения материалов

Выбор правильного материала для заполнения является ключевым дизайнерским решением. В таблице ниже приведены общие варианты:

Медно-покрытый через подсоединение является самым дорогим, но и самым надежным методом. Он предполагает заполнение с помощью твердой меди через гальваническое покрытие после нанесения тонкого слоя семян. Полученный с помощью CTE близко соответствует медной прокладке, минимизируя тепловое напряжение. Этот метод указан в IPC-4761 Тип VII и используется в высоконадежной авионике и медицинских имплантатах.

Дизайнерские решения для Via-in-Pad

Чтобы максимизировать надежность и простоту сборки, разработчики печатных плат должны следовать определенным рекомендациям:

• Диаметр спирали: Держите диаметры струй ниже 0,3 мм для заполненных эпоксидной кислотой суспензий, чтобы обеспечить полное заполнение. Для более крупных суспензий может потребоваться несколько циклов заполнения, что увеличивает стоимость и риск.
• Плат к смещением: Минимальное кольцевое кольцо 50 мкм рекомендуется даже для заполненных виз, чтобы обеспечить допуск к ошибкам регистрации.
• Размер участка: Диаметр участка участка должен быть по меньшей мере на 0,1 мм больше диаметра сквозного сечения, чтобы обеспечить прочный припой.
• Целостность сигнала: Для высокоскоростных сигналов используйте проводящие заполненные каналы, чтобы минимизировать разрыв импеданса. Моделируйте структуру с помощью 3D-EM-инструментов для проверки потери возврата.
• Тепловой баланс: Распределите заполненные пропускные способности равномерно под большими BGA, чтобы избежать локализованного несоответствия CTE, которое может деформировать доску во время перетекания.
• Планирование стека: Via-in-pad наиболее эффективно с микровиями (лазерное сверление) в последовательном стеке ламинирования. Это позволяет соединять слои, не влияя на маршрутизацию других слоев.

Будущие тенденции в технологии Via-in-pad

По мере увеличения плотности устройств, встроенная система будет развиваться несколькими способами:

• Microvia-in-pad: При диаметре менее 100 мкм эти сквозняки образуются лазерной абляцией и заполняются проводящей пастой или медью. Они обеспечивают межсоединения высокой плотности для мобильных процессоров следующего поколения и модулей памяти.
• Встроенные встроенные: Виасы, полностью встроенные в подложку пакета BGA, а не в материнскую плату, что снижает сложность ПХД на уровне платы.
• Передовые материалы для заполнения: Исследования низкотемпературных отверждаемых проводящих паст и гибридных эпоксидно-медных композитов направлены на снижение затрат при сохранении надежности.
• Аддитивное производство: 3D-печатные проводящие прокладки могут в конечном итоге заменить традиционную обшивку, предлагая гибкость дизайна для пользовательских соединений.

Отраслевые органы по стандартизации, такие как IPC, постоянно обновляют свои руководящие принципы для производства на площадке. Последний пересмотр IPC-7095 (] Реализация процессов проектирования и сборки для BGAs ) включает подробные рекомендации по проектированию и инспекции на площадке. Соблюдение этих стандартов имеет важное значение для достижения согласованного качества в производстве большого объема.

Заключение

Технология Via-in-pad является мощным инструментом в наборе инструментов разработчика печатных плат, позволяя миниатюризировать, улучшать электрические характеристики и улучшать управление тепловыми потоками. Однако ее успешная реализация требует тщательного внимания к выбору материалов, производственным процессам и методам сборки. Понимание компромиссов надежности и принятие лучших практик, таких как использование заполненных профилей, оптимизация профилей перетекания и использование рентгеновского контроля, инженеры могут использовать все преимущества встроенной панели при одновременном снижении рисков. Поскольку электронные устройства продолжают сокращаться и требуют более высокой производительности, встроенная панель останется краеугольным камнем передового дизайна печатных плат.

Для дальнейшего чтения обратитесь к стандарту IPC-7095 (] Официальный сайт IPC ), Руководство по дизайну по направлению «Менторская графика» и отраслевые документы SMTA о надежности припоя.