PCB 中的 Via-in-Pad:優勢與挑戰
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在印刷電路板(PCB)設計中,焊盤內導通孔(via-in-pad)已成為廣泛採用的技術,特別是在高密度互連(HDI)設計中。它特別適用於封裝間距為 0.8 mm 或更小的 BGA。此方法將導通孔直接置於元件的表面貼裝焊盤內,帶來多項設計與性能優勢,例如:將去耦電容更靠近 IC 接腳放置,提升旁路與雜訊性能。正確實施焊盤內導通孔可確保熱性能、RF 屏蔽與電源應用的相容性。然而,焊盤內導通孔在製造上帶來獨特挑戰,需在設計與生產階段審慎考量。本文探討在 PCB 設計中使用焊盤內導通孔的優點、挑戰與實務考量。
導通孔用於在多層 PCB 的不同層之間傳輸電氣訊號。與其將訊號從接腳拉出再放置傳統導通孔,不如直接在焊盤上製作導通孔。焊盤內導通孔可節省空間、簡化佈線、改善熱管理,並降低寄生電感。焊盤內導通孔通常比傳統導通孔更昂貴。設計者必須確認其 PCB 製造商的設計能力,並從 PCB 設計工具中提取所有必要檔案,以確保電路板順利製造。
什麼是焊盤?為何使用焊盤內導通孔?
焊盤 是 PCB 上的導電區域,用於焊接元件。焊盤對於確保元件與電路板之間可靠的電氣與機械連接至關重要。在傳統設計中,導通孔放置在焊盤外部以連接不同 PCB 層。然而,在空間有限的 HDI 設計中,將導通孔置於焊盤內(即焊盤內導通孔)可最佳化空間利用率並提升電氣性能。
焊盤內導通孔特別適用於:
- 高密度設計
- BGA 封裝
- 高速設計
- 熱管理
還有許多其他優點,例如改善訊號完整性,我們將在下方獨立章節討論。
焊盤內導通孔的設計考量
實施焊盤內導通孔需遵循特定設計準則,以確保可製造性與可靠性:
- 導通孔填塞與覆蓋:開放式導通孔可能導致焊料被吸入孔內,造成焊盤焊料不足。為防止此情況,導通孔必須以環氧樹脂填塞並覆蓋銅層。
- 焊盤定義:金屬定義焊盤應完全包覆導通孔以避免焊料擴散,而防焊定義焊盤則允許導通孔有限度地置於焊盤內。
- 熱與 RF 考量:對於電源應用,焊盤內的熱導通孔可增強散熱;對於 RF 設計,焊盤內導通孔可將阻抗不連續性降至最低。
- 銅厚度:確保導通孔電鍍銅厚度足夠,以承受機械與熱應力。
- 防焊層:適當的防焊層覆蓋可防止焊料橋接,確保焊點牢固。
焊盤內導通孔提升元件密度:
使用焊盤內導通孔的主要原因是提升 PCB 佈局的元件密度,但成本較高。正確使用焊盤內導通孔需將導通孔填塞並電鍍覆蓋,以提供 SMD 元件可焊接表面。只要遵循此做法,即可避免組裝問題。現在您可以試試 JLCPCB 的免費焊盤內導通孔製程,將 PCB 設計效率提升 200%。
由於焊盤內導通孔用於高密度 PCB 佈局,因此可大幅提升元件放置密度。若計畫使用焊盤內導通孔,必須將導通孔填塞,防止焊料被吸至板子另一側並造成組裝缺陷。只要遵循此首要準則,即可成功利用焊盤內導通孔提升 PCB 佈局的元件密度。
焊盤內導通孔的優點:
如前所述,使用焊盤內導通孔的主要原因之一是節省空間。讓設計者直接將導通孔置於焊盤下方,不僅騰出空間,也簡化佈線(特別是 BGA 封裝)。同時顯著提升 PCB 上熱源的散熱效果。焊盤內導通孔也讓設計者將旁路電容更靠近元件放置,將電感降至最低。對於高速設計與介面,這可改善訊號完整性。更具體地說,焊盤內導通孔技術的關鍵優點如下:
- 空間最佳化:實現緊湊佈局,特別適用於 BGA 與小型元件。
- 改善訊號完整性:縮短走線長度,將訊號損失與干擾降至最低。
- 增強熱性能:焊盤內導通孔作為熱傳導通道,有效散熱。
- 簡化佈線:減少額外走線需求,便於密集設計佈線。
- 旁路電容更靠近:讓電容更靠近元件接腳,改善電源傳輸。
焊盤內導通孔的挑戰與缺點:
使用焊盤內導通孔有一些缺點,需事先了解以做出明智的設計選擇。PCB 設計者在選擇焊盤內導通孔設計前,最好先檢視以下要點。若導通孔未精確放置與填塞,會產生表面凸起。這些表面不規則會使元件焊接(特別是接點細小的小型元件)變得複雜。因此,製造商在製作焊盤內導通孔時,必須確保消除所有表面凸起。若缺乏適當的製造技術,焊盤內導通孔將難以設計與實現。
- 製造複雜度:需先進製程如導通孔填塞與平坦化,增加製造成本。
- 焊接問題:開放式導通孔可能導致焊料被吸入,形成弱焊點。
- 設計限制:導通孔放置不當可能導致立碑效應或焊膏擴散。
- 熱膨脹:材料間熱膨脹不匹配可能導致機械應力與失效。
實際應用:
焊盤內導通孔常與 BGA 封裝元件搭配使用,因為內部幾乎沒有空間放置其他導通孔。BGA 的焊球尺寸與鄰近接腳間距可能僅有零點幾毫米,使得表面佈線極為困難。可從每支接腳拉出極細走線至適當位置再製作導通孔。
但這並非最佳做法。BGA 封裝元件的接腳以矩陣方式排列,每支接腳都有小型焊球。與其他常見封裝如雙列直插(DIL)相比,BGA 提供更高封裝效率與堅固性。替代方案是,與其將所有接腳拉出並在遠離元件處製作導通孔,不如直接在 BGA 焊盤下方製作導通孔,將元件接腳攜帶的訊號傳送至所需 PCB 層。採用此類設計的裝置包括:
- 智慧型手機與穿戴裝置,其中緊湊設計至關重要。
- 高頻 RF 電路,需將訊號衰減降至最低。
- 電源電子,需增強散熱。
- 醫療設備,可靠性與空間效率至關重要。
焊盤內導通孔 vs 傳統導通孔:
對於許多在日常應用中使用印刷電路板的產業人士而言,傳統導通孔與焊盤內導通孔(VIP)之間的選擇仍充滿神秘感。有人質疑是否值得花費成本嘗試 VIP,以及 VIP 是否會成為未來所有印刷電路板的標準。
若您仍不確定該選擇傳統導通孔還是焊盤內導通孔,Millennium Circuits Limited 可提供協助。我們是全球印刷電路板供應專家,對 PCB 設計瞭若指掌。我們擁有優秀的設計師、製造商與工程師,精通 PCB 設計的各個面向,包括導通孔放置。
JLCPCB 的焊盤內導通孔服務:
領先 PCB 製造商 JLCPCB 提供先進的焊盤內導通孔服務,滿足現代設計需求。其服務包含導通孔填塞、覆蓋與電鍍,將焊料吸入降至最低並確保可靠連接。憑藉最先進的製程,JLCPCB 為 HDI 設計提供高性價比解決方案,讓設計者以高精度與高效率實現焊盤內導通孔。 請參閱我們關於 6-2- 層焊盤內導通孔設計的完整文章。
結論:
焊盤內導通孔是現代 PCB 設計的強大技術,提供空間效率、電氣性能提升與熱管理優勢。然而,它也帶來製造與設計挑戰,需仔細規劃並與值得信賴的 PCB 製造商(如 JLCPCB)合作。透過了解其優點與限制,設計者可利用焊盤內導通孔實現高性能且可靠的 PCB 設計。憑藉適當的設計實務與先進製造支援,焊盤內導通孔將持續在推進 PCB 技術中扮演關鍵角色。
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