Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD

ghost666 14 Wrz 2018 17:46 1881 1
  • Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Elementy elektroniczne zmieniają się, a wraz z nimi zmieniają się także składniki płytek drukowanych, w tym przelotki.

    Co do zasady, umieszczanie przelotek na polach lutowniczych elementów montowanych powierzchniowo nie jest prawidłowe, niestety czasami zachodzi potrzeba wykorzystania takiego rozwiązania w naszych projektach. Przykładem tego może być np. montaż elementu w obudowie QFN, z dużym polem lutowniczym, jak pokazano po lewej stronie. Przelotki zszywające duże pole (najczęściej masy) na środku układu z np. wylewką masy lub ścieżką na drugiej strony PCB są konieczne z uwagi na zachowanie niskiej rezystancji termicznej i elektrycznej pomiędzy tym polem a dalszym torem sygnału lub masy.

    W takim przypadku stosuje się niezwykle małe przelotki, które utrudniają przeciekanie lutowia przez otwory na drugą stronę płytki drukowanej. Ta sytuacja ma wiele wad. Przedstawiona jest ona na rysunku poniżej. U góry widzimy poprawnie przygotowane pola lutownicze z przelotkami dla elementu QFN a poniżej sytuację, w której przelotki pozostawiono otwarte, co spowodowało, iż podczas lutowania elementu w piecu, roztopione spoiwo wciekło w otwory przelotek i przedostało się na drugą stronę (grają tutaj rolę m.in. siły kapilarne). Sytuacja taka powodować może dwa zasadnicze problemy - z jednej strony nadmiar lutowia po drugiej stronie elementu powodować może np. zwarcia, jeśli znajdują się tam jakiekolwiek elementy elektroniczne, a z drugiej strony, z uwagi na 'ucieczkę' lutowia spod układu, pod lutowanym układem pozostać mogą puste przestrzenie bez spoiwa. Taka sytuacja przełoży się na gorsze parametry elektryczne i termiczne układu (z uwagi na większą rezystancję połączenia).

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD


    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Podobny, jeśli nie większy problem spowodować może umieszczanie przelotek na polach lutowniczych elementów w obudowach BGA (jak pokazano na zdjęciu po prawej stronie). Tak umieszczone przelotki z pewnością spowodują, że część kulek nie przylutuje się do pól, a to łatwa droga do katastrofy podczas montażu. W przypadku obudowy BGA z rastrem wyprowadzeń równym 1 mm, jak na pokazanym zdjęciu, przelotki powinno się stanowczo umieszczać poza polami lutowniczymi, jednakże wraz ze zmniejszaniem się układów scalonych, raster także ulega zmniejszeniu, nie pozostawiając za wiele miejsca na przelotki. Co wtedy zrobić?





    Oczywiście, jednym z możliwych wyjść z tej sytuacji jest po prostu kwestię tą zignorować. W przypadku układów QFN i podobnych, jak pokazano powyżej, niedopatrzenie w tej kwestii pozostawi płytkę nieestetyczną, ale nadal raczej sprawną, mimo zwiększenia rezystancji termicznej i elektrycznej pomiędzy układem scalonym a dużym polem lutowniczym pod nim. W przypadku układów BGA sytuacja taka może być już mniej komfortowa, dlatego dobrze jest jednak tej kwestii nie olewać w żadnym przypadku.

    Istnieje szereg sposobów radzenia sobie z problemem przelotek na polach lutowniczych. Wszystkie one sprowadzają się bezpośrednio do zatkania w jakiś sposób pól lutowniczych tak, aby w trakcie procesu lutowania w piecu, spoiwo nie mogło spenetrować przelotki. Przyjrzyjmy się zatem sposobom wykonywania takich przelotek oraz poznajmy ich wady i zalety.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Zatykanie przelotek maską antylutowniczą (soldermaską) ? Tenting

    To podstawowa i najprostsza, a jednocześnie też najtańsza metoda uniknięcia problemów z przelotkami na padach (no może oprócz nieumieszczania ich tam). Zasadniczo nie dodaje ona żadnych kosztów do procesu produkcji płytki drukowanej. Wystarczy zmniejszyć (do zera) odstęp soldermaski od otworu przelotki (lub też zmniejszyć do minus średnicy otworu ? zależy z jakiego oprogramowania EDA korzystamy). W ten sposób warstwa antylutownicza pokryje całą przelotkę, zakrywając w niej otwór.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Technika ta najlepiej sprawdza się dla najmniejszych przelotek (z otworem 12 milsów i mniej). Większe przelotki mogą nie zostać pokryte w całości ? wtedy otwór w PCB nadal może ?zassać? cynę z pola lutowniczego, o czym trzeba pamiętać. Metoda ta jest daleka od ideału.

    Pamiętajcie ? jeśli planujecie zatkać przelotki korzystając z tej techniki, to najlepiej opiszcie to w dokumentacji projektu, który wysyłacie do zakładu produkcyjnego. Nie jest to standardowa praktyka, dlatego też przy braku opisu producent może kontaktować się z Wami, by upewnić się, że jest to zabieg celowy.

    Dodatkowo, zakrywanie przelotek na PCB maską antylutowniczą chroni przed przypadkowymi zwarciami itp. na płytce drukowanej. Jest to bardzo praktyczne szczególnie w seriach prototypowych, gdzie dużo manipuluje się płytką drukowaną. Z drugiej strony, przelotki często służą podczas uruchomiania, jako pola testowe do pomiaru różnych wartości elektrycznych, więc nie warto zakrywać zupełnie wszystkich przelotek?

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Zalewanie przelotek np. maską antylutowniczą (soldermaską) ? Plugging

    Inną metodą na zatkanie przelotek, zwłaszcza większych, jest tak zwany plugging, czyli kompletne zalanie wnętrza przelotki materiałem maski antylutowniczej lub specjalnymi żywicami (o czym dokładniej poniżej).

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Tego rodzaju technika doskonale sprawdza się z większymi przelotkami, gdyż takie łatwiej jest wypełnić żywicą itp., a z kolei trudno przykryć soldermaską (tenting, patrz wyżej). Często z tego rodzaju wypełnienia korzysta się też np. w przypadku przelotek pod układami BGA, ale które nie znajdują się bezpośrednio na polach lutowniczych. Z uwagi na niewielkie rastry wyprowadzeń niektórych układów scalonych z tych obudowach, projektanci obawiają się, że pobliskie przelotki, mimo pewnej odległości, czy nawet mostka z maski antylutowniczej, mogą ?zassać? spoiwo z pola, skutkując kiepskim połączeniem elektrycznym lub wręcz jego brakiem.

    Jeśli chcesz w ten sposób zatykać przelotki na swojej płytce drukowanej, koniecznie opisz to w dokumentacji. Informacje na ten temat muszą zawierać ilość zatykanych przelotek (potrzebne m.in. do wyceny), ich pozycję oraz rozmiar. Dzięki temu unikniecie problemów na etapie zamawiania oraz produkcji.




    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Zatykane i platerowane przelotki ? Via in Pad

    Ten skomplikowany proces jest bardzo popularny w urządzeniach z układami scalonymi w obudowach BGA. Dzięki temu rozprowadzenia ścieżek z tych układów są bardzo proste. Zamiast wykonywać połączenia od pól lutowniczych do przelotek (które i tak, jak wskazywaliśmy powyżej powinny być jakoś zatkane) można umieścić je bezpośrednio na polach lutowniczych. Istotnie upraszcza to proces prowadzenia ścieżek od wyprowadzeń układów scalonych w tego typu obudowach.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    W dokumentacji projektu, którą przesyłamy do zakładu produkującego PCB zawrzeć musimy ilość przelotek wykańczanych w ten sposób, rozmiar otworów tych przelotek oraz oczywiście ich położenie na płytce drukowanej.

    Wykonywanie tego rodzaju przelotek nie jest proste ? to proces wieloetapowy, na który składają się następujące kroki:

    1. Wykonaj normalną przelotkę (zwykłą lub ślepą).
    2. Wypełnij wnętrze przelotki materiałem dielektrycznym *.
    3. Powierzchnia tak przygotowanej ? zatkanej ? przelotki jest następnie platerowana miedzią.
    4. Powierzchnia miedzi nałożona na pole jest następnie wyrównywana i wygładzana tak, by nie wystawała ponad warstwę miedzi na PCB.
    5. Na powierzchnię miedzi, tak jak na inne miedziane pola na płytce drukowanej, nakłada się finalne warstwy ? złocenie chemiczne, cynowanie chemiczne lub cynowanie na ciepło z wyrównywaniem gorącym powietrzem (HAL).
    6. Gotowe ? mamy lutowalną przelotkę, która funkcjonować może jako pole lutownicze dla elementów SMD, upraszcza prowadzenie ścieżek na PCB i skraca drogę sygnałów w układzie.

    * Nie musi być to koniecznie dielektryk, czasami stosuje się przewodniki z uwagi na ich lepsze parametry elektryczne i termiczne, ale tego rodzaju materiały wykazują dużo wyższą rozszerzalność cieplną niż laminat płytki drukowanej i szybkie nagrzewanie pola (na przykład podczas montażu ? lutowania w piecu) może doprowadzić do powstania pęknięć w laminacie. Więcej na ten temat w poniższym rozdziale.

    Wypełnienia przelotek ? dielektryczne vs. przewodzące

    Tak jak pisaliśmy powyżej, przelotki wypełniać można masami przewodzącymi lub dielektrycznymi. Zazwyczaj stosuje się te drugie, jednakże masy przewodzące mają swoje zalety (i wady). Poniżej dowiedzieć można się więcej:

    Wypełnienie przewodzące: ogólnie mówiąc, tego rodzaju wypełnienie używane powinno być, gdy przelotka ma przenosić z jednej strony płytki drukowanej na drugą duży prąd lub gdy zależy nam, aby rezystancja cieplna była możliwie mała. Tego typu przelotki montuje się, np. pod mocno grzejącymi się układami scalonymi, aby zapewnić im dodatkowy kanał odprowadzania ciepła ? poprzez przelotki na drugą stronę PCB, gdzie dalsze ścieżki działać będą jak radiator.

    Główną wadą tego rozwiązania jest różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej płytki drukowanej (laminatu szkło-epoksydowego) i żywicy przewodzącej. Rozszerza się ona znacznie szybciej i mocniej niż otaczający ją laminat, przez co powodować może pęknięcia ścieżek i pól lutowniczych nad sobą, przerwanie laminatu etc. Z uwagi na to przewodzące wypełnienia nie są rekomendowane do zastosowania w przelotkach, gdzie ich jedynym zadaniem miałoby być wzmocnienie strukturalne platerowanych pól lutowniczych.

    Wypełnienie dielektryczne: Popularnym błędem jest myślenie, że wypełnienie takim materiałem przelotka nie przewodzi w ogóle prądu elektrycznego ani ciepła. Jest to nieprawda ? tego rodzaju przelotki nadal przewodzą zarówno ciepło, jak i sygnały elektryczne tak samo jak zwykłe elementy tego rodzaju.

    Jedyną różnicą w porównaniu z klasyczną przelotką jest zmiana powietrza w środku na np. żywicę. Pozostałe parametry niczym się nie różnią, rezystancja/impedancja etc. są niemalże identyczne.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Przelotki w całości platerowane miedzią - Capping

    Ta technologia należy do jednej ze starszych. Zasadniczo polega ona na wypełnieniu całej objętości przelotki miedzią (zamiast np. żywicy). Wykorzystuje się do tego proces elektroplaterowania, jednakże realnie tego rodzaju technika sprawdza się tylko przy niewielkich przelotkach.

    Pamiętać należy, że podczas elektroplaterowania miedź deponowana będzie nie tylko na wnętrzu przelotki, ale zasadniczo na każdej odsłoniętej miedzianej powierzchni na PCB. Jako że 1 oz. miedzi to 1,4 milsa grubości ścieżki na PCB, to do pokrycia ?na szczelnie? niewielkiej przelotki o średnicy otworu 8 milsów potrzebujemy 2,85 oz. miedzi (8 mils / 2 = 4 mils na każdej ściance otworu; 4 mils / 1,4 mils/os = 2,85 oz.). Cała ta miedź odłoży się na PCB ? na wszystkich ścieżkach.

    Standardowe PCB mają 1 oz miedzi, czyli 35 mikronów grubości. Po nałożeniu dodatkowej warstwy miedzi z powodu elektroplaterowania celem zatkania przelotek, będzie jej niemalże 4 oz, czyli 140 mikronów ? prawie cztery razy więcej. To ogromna różnica, która dodatkowo zmniejszy rozdzielczość naszej płytki (zbyt blisko znajdujące się ścieżki mogą zewrzeć się, a te cienkie zostaną istotnie pogrubione ? nawet o 8 milsów).

    Obecnie technologię tą stosuje się w zasadzie jedynie do zatykania mikroprzelotek. Jak definiują je standardy IPC, mają one 0,15 mm lub mniej (6 milsów). Zazwyczaj są one wypalane laserem, sporadycznie wierci się je mechanicznie. Zazwyczaj spotkamy tego rodzaju przelotki jako ślepe lub zagrzebane przelotki pomiędzy dwoma warstwami w płytkach wielowarstwowych (powyżej 2).

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 5 - przelotki na padach SMD
    Jeszcze jedną wadą wykorzystania elektroplaterowania miedzią wnętrza przelotki jest problematyczność równego pokrycia jej wnętrza metalem. Po lewej stronie pokazano ? w uproszczeniu ? co dziać się może we wnętrzu platerowanej przelotki. Jakkolwiek jest ona zamknięta z obu stron miedzią, to w środku znajduje się pustka, w której znajdować mogą się różne rzeczy ? pozostałości z procesów produkcji, elektrolit używany do elektroplaterowania czy po prostu powietrze. Takie pustki, podczas podgrzewania płytki, mogą wygazowywać, co doprowadzić może nawet do otwarcia się przelotki np. w piecu lutowniczym.

    Podsumowanie

    Teraz wiecie już, co należy zrobić, jeśli konieczne jest w Waszym projekcie, aby na polu lutowniczym znalazła się przelotka. Czy kiedykolwiek zetknęliście się z tym problemem? Czy w jakimś ze swoich projektów umieszczaliście przelotki na polach lutowniczych? Czy technolog nie miał do tego uwag? A może zastosowaliście którąś z opisanych powyżej technik przygotowania przelotek do lutowania? Zapraszam do komentowania.

    Źródła:
    https://www.eeweb.com/profile/duane-benson-2/articles/small-open-vias
    https://www.eeweb.com/profile/duane-benson-2/articles/nightmare-on-bga-street
    https://www.pcbuniverse.com/pcbu-tech-tips.php?a=5
    http://www.andwinpcb.com/via-in-pad/


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day