10 Protezione dei fori di via secondo IPC 4761 Le linee guida IPC 4761
Le linee guida IPC 4761 sono il documento di riferimento per la protezione dei fori di via nei circuiti stampati. Il documento non definisce criteri di accettabilità ma descrive le diverse tecniche disponibili evidenziandone vantaggi e aspetti critici.
Le finalità descritte al punto 1.1, sono:
Finalità.
La presente linea guida fornisce a progettisti, produttori e/o utilizzatori di PWB informazioni sui metodi esistenti per la protezione dei via sui circuiti stampati. Oltre a illustrare i vantaggi della protezione dei via, vengono esaminate le problematiche relative alla produzione e ai materiali, per aiutare l'utente a valutare i benefici e le criticità associati a ciascuna tipologia di protezione.
PCB con foro di via tented : via a destra
Nel processo reflow,nel foro di via tented si evitano intrappolamenti di flussante e il solder wicking
Protezione dei vias: quali sono i vantaggi?
La protezione dei fori di via, permette di ottenere numerosi vantaggi. Fra tutti quelli indicati nelle linee guida IPC 4761 ne riportiamo alcuni:
Prevenire la corrosione causata da residui di prodotti chimici utilizzati nella costruzione del PCB o nell' assemblaggio della PCBA, che potrebbero restare intrappolati all’interno dei fori;
Migliorare la movimentazione in quelle operazioni che avvengono col vuoto. Nelle operazioni di in-circuit test (ICT) permette di sigillare la superficie del PCB evitando aspirazione di aria attraverso i fori di via. In assenza del trattamento di protezione l’aria può essere aspirata attraverso i fori e questo può determinare una contattazione intermittente;
Evitare la formazione e quindi l’espulsione di sfere di saldatura (solder ball blowout) durante i processi di assemblaggio, soprattutto nella saldatura a rifusione (reflow) quando l’aria o i solventi intrappolati aumentano di volume;
Impedire l’infiltrazione del solder mask all’interno dei fori di via (solder mask creep);
Ridurre la perdita di pasta saldante;
Isolare i vias nei circuiti stampati convenzionali durante il processo di saldatura, evitando fenomeni di migrazione della lega saldante, cortocircuiti e intrappolamento di contaminanti sotto i componenti;
Consentire di riempire e livellare (fill/flush) i fori di via presenti nei build-up core, garantendo la planarità necessaria per la successiva formazione degli strati dielettrici e il corretto isolamento tra di essi, oppure assicurando un adeguato riempimento di resina durante il successivo processo di laminazione.
Le tecniche per la protezione dei vias
Tented, Plugged, Filled, Covered, Capped,: La tabella seguente (Nota 1) riporta le caratteristiche e le criticità indicate nelle linee guida IPC 4761.
Nota 1: in questa tabella non sono considerati i Type “Ia, IIa , e IIIa” e cioè le versioni con “protezione” del via da un solo lato: vedi i commenti sul Paragrafo 3.4. La tabella NON cita nemmeno il Type II b
Nota 2: quelle riportate in Tabella sono solo alcune delle criticità indicate in IPC 4761.
Nota 3: (DFSM) è una pellicola fotosensibile secca. Alcuni prodotti storici all’interno di questa famiglia sono: Vacrel di Dupont e la Serie Df di Tayo. Oggi questi prodotti sono sostituiti da Liquid Photoimageable solder mask (LPISM).
E’ per questo motivo che molti produttori di PCB dichiarano di eseguire “tented Vias”, utilizzando LPISM anche se le linee guida IPC4761 indicano espressamente DFSM. Questo è un esempio di come la tecnologia si sia evoluta mentre il testo delle linee guida è rimasto quello originale del 2006.
Nota 4: la tabella “Type con secondary covering” non comprende il “Type IV a” . Questo Type è un “Type III a” covered con solder mask, di conseguenza mantiene lo stesso potenziale meccanismo di corrosione del “Type III a”: diventa quindi soggetto a considerazioni analoghe espresse nel paragrafo 3.4 (vedi più avanti)
Un paio di precisazioni
Completata la descrizione delle tecniche di protezione dei fori di via sono opportune due precisazioni che analizziamo nello specifico:
1-Long term reliability, Paragrafo 3.4
2-Partially filled via, Paragrafo 5.8
1-long term realiability Paragrafo 3.4
Il paragrafo 3.4 indica che i Type “I a, II a, e III a” , protezioni del via applicate su un solo lato, NON dovrebbero essere utilizzati quando le pareti del via sono in rame nudo. Questo perché nell’interfaccia tra il materiale del riempimento e la metallizzazione del foro di via si crea inevitabilmente una zona in cui non si riesce ad applicare la finitura superficiale lasciando quindi del rame nudo. Questo rame nudo potrebbe essere attaccato dalle sostanze chimiche intrappolate nel via durante la produzione del PCB o durante l’assemblaggio. Per queste considerazioni le finiture superficiali dovrebbero essere applicate PRIMA dell’operazione di plugging.
Il ciclo di produzione quindi diventa:
…ciclo produzione PCB…
Solder mask
Finitura superficiale
plugging
…continua ciclo produzione
Da sottolineare che IPC esplicita questa raccomandazione solamente nel contesto dei Type I a, II a, e III a. Per i processi di riempimento completo dei via come ad esempio per il Type V e soprattutto Type VII, la sequenza operativa è determinata dal processo produttivo del costruttore di PCB e non dipende dalla raccomandazione del paragrafo 3.4 della IPC 4761.
2-Partially filled via Paragrafo 5.8
Questo paragrafo chiarisce un concetto che a volte può essere frainteso.
I partially filled via NON sono una Tipologia di protezione dei fori di via, infatti non trova riscontro in nessuno dei Type della IPC 4761. Molto semplicemente questa “condizione” (rappresentata nella foto seguente) è un possibile effetto indesiderato del processo di applicazione del solder mask liquido
Fonte : IPC 4761
Il documento IPC riconosce che vi sono processi di produzione nei quali il solder mask fluisce all’interno del foro di via durante la fase di applicazione in quanto in quel momento il solder mask è liquido. Questo fenomeno è un effetto indesiderato del processo di applicazione del solder mask, processo dal quale NON si attendono tappatura e protezione del foro di via; il risultato è che il via può risultare parzialmente tappato. Questo NON è accettabile con fori a rame senza la finitura superficiale (vedi paragrafo 3.4).
In quale momento eseguire il plugging o il filling?
Nel caso di fori plugged , abbiamo visto che le linee guida IPC 4761 al punto 3.4, indicano che, la finitura superficiale dovrebbe essere eseguita prima del plugging.
Diversamente, nel caso del filling, il fatto che la finitura superficiale viene eseguita DOPO il filling, non è una richiesta delle linee guida ma deriva dalla normale sequenza del processo produttivo utilizzato praticamente da tutti i costruttori di PCB.
Gli step di produzione si possono sinteticamente riassumere:
drilling
sgrassatura e desmearing
primary metalization
copper electroplating
filling*
curing
planarization
surface finishing (HAL, ENIG, etc)
*: il filling viene solitamente effettuato PRIMA della finitura superficiale per evitare che la finitura stessa venga danneggiata dalla planarizzazione e dalle eventuali operazioni di pulizia!
PLUGGING IPC 4761 3.4 | FILLING Vedi nota sul paragrafo 3.4 | |
sequenza | Finitura superficiale | filling |
plugging | Finitura superficiale |
Confronto tra fori di via plugged e fori di via filled
La differenza tra i vias plugged e vias tented sta nei diversi obiettivi del processo. Nei plugged l’obiettivo è la chiusura o tappatura dell’apertura del vias, nei filled l’obiettivo è il completo riempimento del cilindretto del foro. La tabella seguente riassume caratteristiche e differenze:
Via plugging | Via filling | |
descrizione | Tappatura parziale del via, da un solo lato o da entrambi i lati | Processo per il completo riempimento del via |
materiali utilizzati | Nella maggior parte dei casi solder mask liquido (LPISM), resine epossidiche o materiali dedicati al plugging | Epossidici NON conduttivi, Si utilizzano per prevenire anomalie in fase di assemblaggio come il solder wicking che porta all’impoverimento del giunto di saldatura. Evita inoltre l’intrappolamento all’interno del vias di sostanze chimiche Con minor frequenza, si usano paste conduttive,caricate con argento o rame per applicazioni particolari. Questi materiali migliorano la conducibilità elettrica e termica del foro di via; |
superficie | La superficie del via può risultare NON planare | Crea un’unica superficie planare e solida tra piazzola e il via riempito |
applicazioni | Processo più semplice e quindi meno costoso. Ideale per esempio per mantenere il vuoto della fixture di test | Ideale per via in pad design ad esempio per BGA, PCB HDI e PCB ad alta frequenza |
I limiti dimensionali
Le linee guida IPC 4761 relativamente ai metodi di protezione dei fori di via non definiscono limiti dimensionali come ad esempio diametro del foro e il suo aspect ratio. Tali limiti, variano da un costruttore di PCB all’altro, e derivano da:
diametro del foro
spessore del PCB
tecnologia utilizzata dal costruttore del PCB
materiale utilizzato
Nella tabella seguente riassumiamo alcuni di tali limiti:
IPC 4761 Type | Max Diam foro / Aspect ratio | Note |
Tented and Tented and covered Type I and Type II | <= 0,30 | diversi costruttori considerano queste modalità di protezione, in particolare Type II, non disponibile o non raccomandato. |
Plugged Type III | <= 0,60 | E’ opportuno richiamare questa lavorazione nei files gerber. Nel caso in cui solo alcuni fori devono essere plugged, mentre altri devono essere aperti, è opportuno creare un layer dedicato |
Plugged and Covered Type IV | <= 0,60 | |
Filled o Filled and Covered Type V,Type VI | Max Aspect ratio 1:2; Maximun hole diam 2 mm. Example : 1,6 mm PCB, max hole diameter 0,8 | Idem come per Type III e IV |
Filled and Capped Type VII | Idem come per Type V e VI | Diversamente da Type V e VI il filled via è ricoperto da Rame. |
NOTA: i valori sopra riportati NON derivano dalla IPC 4761 ma rappresentano limiti dichiarati da numerosi produttori e possono variare in funzione del processo adottato.
Quale tecnica scegliere?
Non c’è una scelta migliore in senso assoluto. La scelta dipende dal tipo di applicazione. In conclusione possiamo così riassumere:
la soluzione più semplice ed economica per la protezione “di base” è quella del Type I, tented;
Il type III, plugged, è ideale quando si vuole evitare il solder wicking o quando è necessario preservare il vuoto nei test ICT;
Il Type V, filled, nei PCB HDI, per Via -in-Pad e quando è richiesta una superficie perfettamente planare;
Il Type VII ,filled and capped, per le soluzioni più evolute con via-in-pad e componenti ad alta densità.
Per ulteriori approfondimenti scrivi un commento o richiedi maggiori informazioni a tmgroup@tecnometal.net
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