Le tipologie dei Vias
- Guglielmo Martinelli
- 15 giu
- Tempo di lettura: 5 min
In un PCB i fori di via attraversano il circuito lungo l’asse verticale; tali fori verranno poi metallizzati per poter condurre il segnale elettrico da un layer all’altro. Così come i conduttori conducono il segnale sul piano orizzontale del PCB, questi fori conducono il segnale sull’asse verticale.
Le tipologie di fori metallizzati
Le tipologie dei fori di via presenti in un PCB sono:
Blind Holes (fori ciechi)
Buried Holes (fori interrati)
Through Hole vias (fori passanti o di interconnessione)
Staggered Vias (microvia sfalsati)
Stacked Vias ( microvia impilati)
Vias in Pad (VIP)
Thermal Vias (fori termici)
1 Blind Holes
Fori che partono da un lato esterno (Top o Bottom) e terminano su un lato interno. Non attraversano tutto il PCB. Sono visibili sul lato da cui il foro inizia la sua corsa; nulla si nota sul lato opposto. Consentono di liberare spazio per il routing *sui lati interni, sono perciò molto utilizzati nei progetti ad alta densità.
NOTA: Routing = instradamento delle connessioni elettriche in un PCB
2 Buried Holes vias
Partono e terminano su un lato interno. Non sono visibili né dal lato Top né dal lato Bottom. Massimizzano la densità di Routing sugli strati esterni, liberando spazio per componenti e tracce critiche. Sono tipici nei PCB multilayers realizzati con processo “sequential build-up” prima dell’ultima laminazione.
3 Through Holes vias
Attraversano tutto il circuito collegando (sull’asse Z) il lato top col lato bottom, includendo eventuali strati interni. Sono relativamente semplici da realizzare e ispezionare. Pur occupando più spazio, sono ideali per componenti di potenza, connettori o PCB soggetti a stress meccanico, dove robustezza e affidabilità elettrica sono essenziali.
NOTA: Il termine Via significa: “Vertical Interconnect Acces”.
Figura 1: Tipologie dei fori
Aspect Ratio -dei Through hole vias-
Caratteristica principale dei Through Hole vias è l’Aspect Ratio (A.R.), parametro che indica il rapporto tra Spessore del PCB e diametro del foro.
Figura 2: Fori con AR = 4:1 e AR = 8:1
Importanza dell’Aspect Ratio
Affinché il foro sia conduttivo deve essere sottoposto al processo di “copper plating (deposizione di rame, tipicamente 20-25 micron). Durante questo processo si manifesta il fenomeno “dog-bone”, ovvero lo spessore di rame al centro del foro è inferiore a quello depositato sulla piazzola o sul ginocchio del foro.
Il “Throwing Power” (TP) esprime il rapporto tra spessore minimo (centro foro) e spessore massimo (piazzola):
Fig 3: Throwing Power
Fonte: https://iconnect007.com
Il Throwing Power TP è influenzato da diversi fattori tra cui:
densità di corrente
chimica utilizzata;
flusso dell’elettrolita all’interno del foro
tecnologia utilizzata: corrente pulsata o corrente continua
etc.
L’effetto dog-bone è causato dal “Potential Drop Down the Hole” o Difficulty Factor, indicato con “E” nella formula seguente.
Lo schema elettrico e la formula riportati di seguito rappresentano un modello che aiutano a comprendere questo fenomeno:
dove:
E = Voltage drop down hole;
J = cathod current density
K = solution resistance
D = Hole diameter
L = length of hole
La formula evidenzia che \(E \) dipende sia dallo spessore del PCB (L) che dal diametro (D), con influenza molto maggiore di spessore (L è elevato al quadrato).
La caduta di potenziale riduce la corrente al centro del foro, rischiando di compromettere la conformità agli standard IPC 6012 (Tabella 3.4).
Nei casi peggiori si verifica l'interruzione della metallizzazione (foro smetallizzato).
Nei casi peggiori si arriva sino alla interruzione della metallizzazione col conseguente scarto del PCB per “foro smetallizzato”.
Pertanto, all'aumentare dell'AR aumenta il rischio di ridurre l'affidabilità del PCB.
Figura 4 – Esempio di foro smetallizzato
Aspect ratio e Norme IPC
Secondo le linee guida IPC 2221 e IPC 2222, l'Aspect Ratio è critico nel processo di copper plating ed un AR elevato peggiora l'uniformità dello spessore di rame nel foro.
Fori con diametro piccolo e AR elevato sono:
difficili da placcare;
soggetti a grande tensione di dilatazione del barrel il cui punto più debole si trova e metà dell’asse Z, e tale punto purtroppo coincide con l’area con spessori di rame più bassi.
Si raccomanda pertanto un co-design tra progettista e costruttore, per valutare insieme Capability del costruttore e Design del prodotto
Valori indicativi di AR:
A.R. 6 ÷ 8:1 standard, produzione cautelativa
A.R. 8 ÷ 10:1 avanzato, processi più performanti.
I Microvias
L'evoluzione tecnologica e la riduzione di dimensioni e peso dei dispositivi elettronici hanno spinto verso fori sempre più piccoli. Tuttavia, la riduzione del diametro dei Through Hole vias è limitata dai vincoli fisici del processo di placcatura affidabile lungo tutta la lunghezza del foro.
La soluzione è arrivata dai “Microvias” di cui riportiamo la definizione data da IPC 6012:
FOTO 5: Microvias
Il microvia è una struttura cieca con un Aspect Ratio (AR) di 1:1 massimo, che termina su una Target Land con una profondità X, NON superiore a 0,25 mm misurata dal Foil della Capture Land della struttura sino alla Target Land.
AR =rapporto tra profondità del foro e diametro del foro: X/Y
Vantaggi:
1. Minore occupazione di spazio sul PCB.
2. Superamento dei limiti di affidabilità della placcatura, grazie alla riduzione della profondità da metallizzare.
Confronto tra Through hole vias e Microvias:
tipologia foro | Diametro micron | Tecnologia di foratura | AR | Layer interessati |
Through Hole Vias | >= 150 | meccanica | 10 :1 | Tutti |
Microvias | < 150 | laser | Max 1:1 | 2 |
Tipologie di Microvias
In base ai layer che i microvias coinvolgono possiamo avere:
Stacked microvias (impilati) più microvia sovrapposti per collegare diversi strati senza through hole vias. Tipici nei PCB HDI con routing complesso in spazi ridotti.
Richiedono laminazione sequenziale, foratura laser, metallizzazione e riempimento con rame elettrolitico (microvia copper filling) per garantire robustezza e stabilità.
Staggered microvias (sfalsati) microvia spostati l'uno rispetto all'altro nel passaggio tra strati. Riducono i difetti meccanici, ideali quando l'affidabilità a stress meccanico/termico è critica. Richiedono più spazio e maggiore attenzione nel routing, ma sono più semplici da produrre (minore precisione di allineamento). Migliorano la qualità del segnale ad alta frequenza
FOTO 6 : Stacked microvias Staggered microvias
Vias in Pad (VIP)
Altra tipologia di microvia sono i cosiddetti Vias-In-Pad, Microvia posizionato all'interno della piazzola di un componente, comunemente sotto i package BGA e altri componenti ad alta densità.
I VIP riducono lo spazio per il routing e accorciano il percorso del segnale. Il foro viene metallizzato e riempito (materiale conduttivo o epossidico non conduttivo), poi planarizzato e normalmente sottoposto a “cap plating” per creare una superficie liscia e saldabile, evitando che la pasta saldante venga risucchiata nel foro durante l'assemblaggio.
Thermal Vias
Dispositivi di potenza (MOSFET, LED, moduli di potenza, ecc.) generano calore che può essere dissipato efficacemente con i “thermal vias”.
Questi fori hanno una conducibilità termica superiore rispetto all'FR4 (materiale economico e molto diffuso).
Posizionati numerosi vicino al componente che scalda, riducono la resistenza termica della struttura, aumentando il trasferimento di calore.
Caratteristiche dei Thermal Vias:
posizionati sotto al componente
spesso realizzati come via in pad
solitamente riempiti di resina epossidica
Conclusioni
Come abbiamo visto numerose sono le tipologie di fori di via a disposizione del progettista che dovrà orientare la sua scelta sulla base delle necessità di interconnessione, delle prestazioni e dell’affidabilità; la scelta ottimale del tipo di foro è quindi un passaggio fondamentale nel processo di progettazione.
In questo articolo abbiamo trattato sinteticamente alcuni aspetti specifici della TIPOLOGIE DEI VIAS
Per ulteriori approfondimenti scrivi un commento o richiedi maggiori informazioni a tmgroup@tecnometal.net
TMElectronics staff tecnico
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