Guia Para evitar os costumes Concepção de vias em placas de circuito impresso Erros

No projeto de placas de circuito impresso (PCB) multicamadas, as vias são estruturas essenciais que ligam as diferentes camadas do circuito, e o seu projeto tem um impacto direto no desempenho do circuito, nos custos de produção e na fiabilidade. Além disso, as vias são estruturas fundamentais que ligam os traços condutores entre diferentes camadas em PCBs multicamadas, e a qualidade do seu desenho afeta diretamente o desempenho elétrico, a resistência mecânica e a facilidade de fabrico do circuito. O que pode parecer um simples “orifício” envolve, na realidade, várias considerações, incluindo a compatibilidade do processo e a integridade do sinal. O desenho adequado dos parâmetros dos vias (tais como anéis de solda e abertura) é fundamental para evitar falhas de produção e avarias no circuito numa fase posterior.

De acordo com as estatísticas de Geyuan Electronics ‘De acordo com a nossa equipa de engenharia, os custos de perfuração representam entre 30% e 40% do custo de fabrico das placas de circuito impresso multicamadas. Por conseguinte, equilibrar o desempenho e o custo em projetos de alta velocidade e alta densidade tornou-se um desafio significativo para os engenheiros. Este artigo, redigido pela nossa equipa de engenharia, combina normas da indústria e experiência prática para explicar os pontos essenciais do projeto de vias em projetos personalizados de PCB multicamadas, ajudando-o a evitar erros comuns.

Funções básicas e essência das vias em placas de circuito impresso multicamadas personalizadas

Em concepção de placas de circuito impresso (PCB), a função principal das vias é estabelecer ligações elétricas entre diferentes camadas condutoras de uma placa de circuito impresso (PCB) multicamadas, ao mesmo tempo que proporcionam alguma fixação mecânica (como, por exemplo, auxiliar na fixação de componentes pesados). Estruturalmente, uma via é composta por três partes: um orifício perfurado, uma barreira revestida e um anel anular. Essencialmente uma “linha de transmissão vertical”, as vias introduzem indutância parasítica (normalmente 0,5-2 nH) e capacitância parasítica (0,1-0,5 pF) na transmissão de sinais de alta frequência, e estes parâmetros aumentam com o tamanho da via. Por conseguinte, o projeto das vias deve encontrar um equilíbrio entre a “fiabilidade da ligação”, a “integridade do sinal” e a “viabilidade do processo”, garantindo a qualidade da perfuração e do revestimento, ao mesmo tempo que minimiza o impacto nos sinais de alta velocidade.

A importância do desenho das vias em PCBs multicamadas

1. Se o circuito for muito simples, pode não ser necessário utilizar vias, mas estas revelam-se necessárias quando se projeta uma placa de circuito impresso multicamadas.

2. No caso das placas multicamadas, as vias podem aumentar a densidade dos componentes.

3. À medida que o número de placas de circuito impresso multicamadas aumenta, a densidade das pistas tornar-se-á cada vez maior. As vias permitem ligar entre si diferentes pistas em diferentes camadas da placa de circuito impresso, funcionando como componentes de ligação vertical.

4. Sem vias, é fácil ficar bloqueado no processo de traçado, e os componentes, desde BGAs a conectores e até mesmo placas de circuito impresso multicamadas, ficarão dispostos de forma muito compacta.

5. As vias facilitam a transmissão de sinais e energia entre camadas. Sem vias, todos os componentes ficariam num único plano, e existem componentes de montagem superficial. No entanto, os componentes de montagem superficial em placas de circuito impresso multicamadas não podem ser dispostos num único plano.

Da Geyuan Electronics’ a experiência da equipa de engenharia na conceção de vias em placas de circuito impresso multicamadas

O design é um aspeto crucial da engenharia de placas de circuito impresso multicamadas, em que uma única alteração pode ter consequências de longo alcance. Através da seleção adequada das dimensões, da normalização dos espaçamentos e da otimização das estratégias de orifícios de ventilação, é possível satisfazer os requisitos dos sinais de alta velocidade, controlando simultaneamente os custos. Mais importante ainda, uma comunicação estreita com o Fabricante de placas de circuito impresso ‘A experiência da equipa de engenharia da Geyuan Electronics no que diz respeito aos detalhes do processo é essencial para transformar as especificações de conceção em produtos fiáveis e para se destacar num mercado altamente competitivo. A seguir, apresentamos alguns resumos da experiência em matéria de conceção de vias em PCB da equipa de engenharia da Geyuan Electronics, acumulada ao longo da conceção de mais de 10 000 projetos de PCB multicamadas para clientes, para sua referência.

Tamanho da via não é necessariamente melhor quanto menor for; isso deve ser ponderado em função das limitações do processo

As vias são constituídas por orifícios de perfuração e as áreas circundantes. A escolha das dimensões deve seguir os seguintes princípios:

Especificações relativas ao diâmetro interior e exterior	O diâmetro interior do orifício de passagem é ≥0,2 mm (8 mil), e o diâmetro exterior é ≥0,4 mm (16 mil); em casos extremos, o diâmetro exterior pode ser reduzido para 0,35 mm (14 mil).
Fórmula empírica	O diâmetro exterior é normalmente o dobro do diâmetro interior ± 2 mil. Por exemplo, um diâmetro interior de 8 mil corresponde a um diâmetro exterior de 14/16/18 mil.
Limitações do processo	Um diâmetro de orifício demasiado pequeno aumenta o risco de desvio na perfuração e, quando a profundidade do orifício excede 6 vezes o seu diâmetro, é difícil garantir a uniformidade da galvanoplastia.
Sugestões de design	Nos circuitos de alta velocidade, são preferíveis vias mais pequenas para reduzir a capacitância parasítica, mas as capacidades do processo devem ser confirmadas junto do fabricante da placa de circuito impresso, para evitar a busca cega por dimensões extremas. Um diâmetro de via demasiado pequeno aumenta o risco de desalinhamento na perfuração e, quando a profundidade da via excede seis vezes o seu diâmetro, é difícil garantir a uniformidade do revestimento.

Concepção de alto nível deve ser utilizado com precaução ao tapar orifícios cegos para controlar os custos

No caso dos pacotes BGA (distância entre pinos ≥ 0,65 mm), não se recomenda a utilização de vias cegas enterradas devido ao seu elevado custo. Caso seja necessário utilizá-las, recomendam-se vias cegas de primeira ordem (tais como TOP-L2 ou BOTTOM-L2), com um diâmetro interno de 0,1 mm (4 mil) e um diâmetro externo de 0,25 mm (10 mil). Embora as vias cegas de ordem superior possam aumentar a densidade de ligações, a dificuldade de fabrico e os custos aumentam exponencialmente.

Vias e pads deveria evitar o risco de «tombstoning»

Embora a colocação de vias diretamente sobre os pads possa reduzir a indutância dos terminais, tal pode fazer com que a pasta de solda flua para o interior das vias, levando à formação de «tombstones» na solda. .

Distância de segurança	Recomenda-se manter uma distância de 4 a 8 mil entre as vias e as bordas dos pads.
Área do BGA	A via deve ser centrada entre as duas pastilhas, para evitar um desalinhamento que possa causar pontes de solda e curtos-circuitos. Após a conclusão, as vias devem ser tapadas e revestidas com pasta de solda, para garantir que as esferas de solda do BGA fiquem planas.

O espaçamento entre as vias o design deve evitar através da quebra e garantir a fiabilidade

Um espaçamento demasiado reduzido entre as vias pode facilmente causar falhas na perfuração. As especificações exigem:

Espaçamento mínimo	≥0,5 mm (recomendado); valores entre 0,35 e 0,4 mm devem ser evitados a todo o custo; e valores ≤0,3 mm são proibidos. .
Áreas de elevada densidade	Através da utilização de disposições escalonadas ou do ajuste da abertura, é possível otimizar a utilização do espaço.

Óleo para desobstrução de orifícios é fator essencial para melhorar o rendimento da soldadura

No caso de orifícios passantes de pequeno diâmetro (≤0,5 mm) e em situações especiais, é necessário tapar e vedar com óleo:

Dispositivos com caixa metálica	Os orifícios na parte inferior do corpo principal têm de ser tapados para evitar curto-circuitos com a caixa exterior.
Exceto os orifícios de dissipação de calor	É possível manter as aberturas para melhorar a dissipação de calor. .

Almofadas fixas pode ser habilmente otimizado através da utilização de vias para melhorar a fiabilidade

As almofadas dos terminais dos auscultadores, botões, FPC, etc., estão sujeitas a tensões mecânicas. Durante o processo de conceção, podem ser adicionadas uma ou duas vias, distribuídas uniformemente, para aumentar a aderência da folha de cobre e evitar que as almofadas se soltem.

Conceção da abertura de ventilação requer uma estratégia vantajosa para todas as partes que equilibra a integridade do sinal e os custos

orifícios de ventilação dos dispositivos de chip convencionais	Recomenda-se colocar as vias na parte exterior do dispositivo, permitindo que os traços da camada interior passem entre as duas vias, evitando assim cortar o plano de referência. Práticas incorretas aumentarão a complexidade do traçado e comprometerão a integridade do plano.
Orifícios de ventilação do BGA	As vias devem estar rigorosamente centradas nos pads; não devem estar deslocadas nem colocadas diretamente sobre os pads. As vias situadas nos pads tendem a causar juntas de solda frias e podem interromper o plano de alimentação/terra, o que pode causar problemas de integridade do sinal.

Considerações sobre o desenho de vias em PCBs multicamadas e normas para a seleção de anéis de solda e diâmetros dos orifícios

Os anéis de soldadura e os diâmetros dos vias são parâmetros fundamentais no projeto dos vias e devem ser determinados com base na espessura da placa de circuito impresso, na espessura da folha de cobre e no processo de fabrico. Recomendamos a utilização de valores padrão para os anéis de soldadura e os diâmetros dos vias (por exemplo, 0,7 mm + 0,3 mm). No entanto, tenha em atenção as seguintes considerações de projeto.

Diâmetro da broca

O diâmetro do furo, também conhecido como diâmetro do poço, determina a condutividade e os parâmetros parasíticos do furo.

Seleção padrão

Para placas de circuito impresso (PCB) padrão (com 1,6 mm de espessura), o diâmetro mínimo recomendado para os furos é de 0,3 mm (o limite para a perfuração mecânica é normalmente de 0,2 mm, enquanto a perfuração a laser pode atingir diâmetros tão pequenos quanto 0,1 mm), sendo que os diâmetros de furo mais comuns variam entre 0,4 mm e 0,6 mm. Por exemplo, as vias de sinal podem ter 0,4 mm, enquanto as vias de alimentação (para elevada capacidade de transporte de corrente) podem ter entre 0,6 mm e 1,0 mm.

Espessura da placa correspondente

A relação entre a abertura e a espessura da placa deve ser ≤1:10 (por exemplo, para uma espessura de placa de 1,6 mm, a abertura máxima é de 0,16 mm). Exceder esta relação resultará num revestimento irregular nas paredes dos orifícios (diferença de espessura >20%), afetando a fiabilidade da condutividade. Se a espessura da placa atingir 2,0 mm, recomenda-se que a abertura seja ≥0,3 mm.

Anel anular

Um anel de solda é um anel de folha de cobre que circunda uma via, utilizado para melhorar a ligação entre a via e a folha de cobre da mesma camada. A sua largura (largura do anel de solda = (diâmetro do pad – diâmetro da via) / 2) deve cumprir os seguintes requisitos:

Largura mínima do anel de soldadura	O processo padrão exige um diâmetro do pad ≥ 0,15 mm (ou seja, diâmetro do pad = diâmetro do orifício + 0,3 mm). Por exemplo, quando o diâmetro do orifício é de 0,4 mm, o diâmetro da pastilha deve ser ≥ 0,7 mm (0,7 – 0,4 = 0,3 mm, e o anel de solda de um só lado tem 0,15 mm).
Otimização de sinais de alta velocidade	No caso de sinais de alta frequência (≥1 GHz), o diâmetro do anel da via pode ser reduzido para 0,1 mm (mas as capacidades do processo têm de ser confirmadas junto do fabricante) para reduzir a capacitância parasítica.
Poder através do reforço	A largura do anel de solda para vias de alta corrente pode ser aumentada para mais de 0,2 mm, reforçando a resistência da ligação com a folha de cobre e evitando o sobreaquecimento causado pela concentração de corrente.

Exemplo típico de combinação no projeto de vias de placas de circuito impresso multicamadas na Geyuan Electronics

Sinal através de	Com uma abertura de 0,4 mm e um diâmetro de almofada de 0,7 mm (anel de solda de 0,15 mm), é adequado para a maioria dos sinais digitais e sinais analógicos de baixa frequência.
Alimentação via	Abertura de 0,6 mm + diâmetro do contacto de 1,0 mm (anel de soldadura de 0,2 mm) para permitir a transmissão de corrente de 1 A a 3 A (quando a espessura do cobre é de 1 oz = 35 μm).
Áreas de elevada densidade	Com um diâmetro do orifício de 0,3 mm e um diâmetro da pastilha de 0,6 mm (anel de solda de 0,15 mm), é adequado para áreas com restrições de espaço, como a parte inferior de um BGA.

No projeto de vias em placas de circuito impresso multicamadas, os tipos especiais de orifícios exigem que se preste atenção à relação de aspecto das ranhuras e à questão da multiplição de orifícios

Para além das vias circulares, em certas situações específicas são necessários orifícios em fenda, cujo desenho requer uma atenção especial:

Orifício de encaixe

As ranhuras são retangulares ou ovais e são utilizadas para ligar pinos de forma irregular (como os pinos DIP dos conectores) ou para a transmissão de alta corrente.

Limitação da proporção da imagem	A relação entre o comprimento e a largura da ranhura deve ser ≤5:1 (por exemplo, quando a largura é de 0,5 mm, o comprimento máximo é de 2,5 mm). Ultrapassar esta relação pode facilmente fazer com que a ferramenta se desvie durante a perfuração e resultar numa parede do furo irregular.
Requisitos relativos ao revestimento	Os cantos das ranhuras devem ser arredondados (raio ≥ 0,2 mm) para evitar a concentração de tensões no revestimento nos ângulos retos, o que poderia provocar fissuras; a espessura do revestimento na parede do orifício deve ser ≥ 20 μm para garantir a fiabilidade em condições de corrente elevada.

Prevenção de jatos de água

Por «pitting» entende-se a separação do revestimento na parede do orifício do anel de soldadura durante a soldadura ou em ambientes de alta temperatura. Análise das causas e soluções:

razão	medida
Uma largura insuficiente do anel de soldadura (<0,1 mm) provoca tensões térmicas e descamação a altas temperaturas;	A largura do anel de soldadura é ≥0,15 mm, para garantir a resistência da ligação mecânica;
Pequenos orifícios ou bolhas no revestimento da parede do orifício podem fazer com que o fluxo penetre e provoque expansão durante a soldadura.	Os fabricantes são obrigados a utilizar um processo de “galvanização ácida de cobre” (que é mais uniforme do que a galvanização alcalina de cobre) e a realizar um teste de aderência do revestimento (resistência à descamação ≥ 0,5 N/mm).

Recomendações de conceção relativas aos efeitos de impedância e à densidade de vias na conceção de placas de circuito impresso multicamadas

O projeto do circuito deve equilibrar a integridade do sinal e a racionalidade do layout:

Influência e otimização da impedância

Sinal de alta frequência através de	Cada via adicional reduzirá a impedância do par diferencial em 2-5 Ω (por exemplo, um par diferencial de 100 Ω pode passar para 95 Ω), o que exige uma compensação durante o traçado, através do ajuste fino da largura da pista (por exemplo, aumentando a largura da pista em 0,02 mm).
Reduzir o número de vias	Os sinais de alta velocidade (como o PCIe 4.0) devem evitar atravessar camadas. Se for necessário atravessar camadas, o número de vias deve ser ≤2 e a distância entre as duas vias deve ser ≥5 mm (para reduzir o acoplamento mútuo).
Ligação à terra através do sistema de som envolvente	Coloque 2 a 4 vias de ligação à terra em torno da via de sinal de alta velocidade (a uma distância ≥3 vezes o diâmetro da via) para formar um “anel de blindagem” e reduzir a radiação e a interferência cruzada.

Controlo da densidade do arranjo

Espaçamento entre palavras	A distância entre os centros de vias adjacentes deve ser ≥ 2 vezes o diâmetro do orifício (por exemplo, para uma via de 0,4 mm, o espaçamento deve ser ≥ 0,8 mm), a fim de evitar o deslocamento do orifício ou a ligação entre as paredes do orifício (risco de curto-circuito) causados pela vibração durante a perfuração.
Vias na área do BGA	As vias situadas por baixo das juntas de solda do BGA devem estar deslocadas em relação às posições das juntas de solda e a uma distância mínima de 0,3 mm da borda da junta de solda, para evitar que a solda flua para dentro das vias durante a soldadura (o que poderia causar juntas de solda frias).

Outras precauções

Compatível com soldadura sem chumbo	O revestimento dos orifícios de passagem deve conter chumbo (ou uma liga sem chumbo, como Sn-Ag-Cu) e ter uma espessura ≥ 2 μm, para garantir que não se oxide nem descasque durante a soldadura por refluxo a 260 ℃.
Máscara de solda	As vias que não destinam a soldadura (tais como as vias de sinal) devem ser cobertas com uma máscara de soldadura para evitar a formação de pontes de soldadura; caso seja necessário realizar testes, é possível efetuar uma abertura parcial da máscara de soldadura.

Recomendações de validação para o projeto do processo de vias em placas de circuito impresso multicamadas

A fiabilidade do projeto das vias deve ser garantida através da verificação do processo:

Inspeção DFM	Utilize a ferramenta DFM no software de conceção de PCB (como o “Manufacturing Check” da Altium) para verificar se os parâmetros das vias cumprem as capacidades do processo do fabricante (por exemplo, diâmetro do orifício ≥ 0,3 mm, anel de solda ≥ 0,15 mm).
Análise de amostras	O primeiro projeto de placa de circuito impresso (PCB) tem de ser submetido a testes de fiabilidade das vias.
Teste de continuidade	A resistência na via deve ser inferior a 0,1 Ω quando medida com um multímetro.
Ensaio de choque térmico	Após 100 ciclos entre -40 ℃ e 125 ℃, a taxa de variação da resistência do via é ≤10%;
Ensaio de tração	Foi aplicada uma força de tração de 5N ao canal de alimentação durante 10 segundos, não se tendo verificado qualquer desprendimento ou rutura.
Entrar em contacto com o fabricante	Antes de enviar o projeto, forneça ao fabricante da placa de circuito impresso uma tabela de parâmetros das vias (diâmetro do orifício, anel de soldadura, quantidade) para confirmar a viabilidade do processo (especialmente no caso de requisitos especiais, como perfuração a laser e vias em placas espessas).

Por que escolher a Geyuan Electronics como seu parceiro na fabricação de placas de circuito impresso multicamadas personalizadas?

A Geyuan Electronics é uma plataforma de infraestrutura inteligente e abrangente, baseada em IA, destinada à indústria eletrónica. Ao integrar software industrial e ecossistemas de engenheiros, fabricante de equipamento original (OEM) ecossistemas da cadeia de abastecimento e ecossistemas de fabrico flexíveis, construímos um ecossistema de ciclo fechado no domínio da cadeia de abastecimento de eletrónica, empenhados em simplificar a inovação em hardware. Desde a nossa fundação, desenvolvemos uma gama de negócios, incluindo a “Geyuan Solution”, com capacidades superiores de conceção de soluções de IoT, agentes de IA e ferramentas de automação de projeto eletrónico, ferramentas de análise de projeto de fabricabilidade, serviços completos de aquisição de componentes eletrónicos, uma plataforma inteligente de I&D e fabrico de placas de circuito impresso (PCB) multicamadas de alta fiabilidade e um serviço completo de montagem SMT e PCBA plataforma de serviços de externalização. Oferecemos aos clientes soluções inteligentes e integradas que interligam a conceção, a produção, o aprovisionamento e a entrega, reformulando o modelo tradicional fragmentado e caracterizado pela assimetria de informação da indústria eletrónica, melhorando a eficiência de toda a cadeia, desde a conceção até à produção em série, e criando valor para as ideias criativas dos utilizadores.

Resumir

O desenho das vias é o “pilar invisível” da fiabilidade das placas de circuito impresso (PCB). A seleção dos seus parâmetros deve seguir o princípio de “baseado no processo e orientado para o desempenho”: Para cenários padrão, utiliza-se a combinação clássica de via com 0,4 mm de diâmetro + pad de 0,7 mm; para cenários de alta frequência, o número de vias é reduzido e o anel de solda é otimizado; para cenários de alta corrente, o diâmetro da via e a largura do anel de solda são aumentados. É fundamental ter em conta durante o projeto: as vias não seguem o princípio de “quanto menores, melhor” ou “quanto mais, melhor”. Em vez disso, devem cumprir os requisitos de conectividade, minimizando simultaneamente os riscos de fabrico através de verificações de DFM e de validação do processo. Um sistema de vias bem concebido pode evitar eficazmente problemas como “rupturas de vias” e “juntas de solda frias” durante a produção em massa, garantindo um funcionamento estável do circuito a longo prazo. Se tiver projetos personalizados de PCB multicamadas e precisar de encontrar fornecedores parceiros para o projeto e a produção em massa, contacte-nos para obter assistência.