Introduzione ai microvia nella progettazione di PCB
I microvia sono un elemento chiave nella progettazione dei moderni PCB, in particolare nella tecnologia HDI (High-Density Interconnect). Questi minuscoli via, realizzati mediante foratura laser, consentono di realizzare circuiti stampati compatti e ad alta velocità, collegando le piste di rame tra i diversi layer del PCB.
In questo articolo approfondiremo:
- Le principali tipologie di via;
- I vantaggi dei microvia;
- Il loro contributo al miglioramento della Signal Integrity, della Power Integrity e della gestione termica.
Cosa sono i via nella progettazione di PCB?
I via sono sono percorsi conduttivi che realizzano il collegamento elettrico e meccanico tra le piste di rame di differenti layer di un circuito stampato. In sostanza, un via è un foro placcato, che può essere riempito oppure lasciato aperto, in grado di collegare uno o più layer di rame e consentire il passaggio di segnali, alimentazione o connessioni di ground attraverso lo stack-up del PCB.
Le principali tipologie di via sono:
- Through-Hole Via: si estendono dal layer top al layer bottom del PCB.
- Blind Via: collegano un layer esterno ad uno o più layer interni.
- Buried Via: collegano i layer interni senza raggiungere le superfici esterne.
I via tradizionali vengono realizzati mediante foratura meccanica, seguita dalla placcatura.
Sebbene questo metodo sia affidabile e ampiamente utilizzato, nei PCB ad alta densità può comportare alcune limitazioni:
- Ingombro: il diametro dei via tradizionali riduce notevolmente lo spazio utile per il routing delle piste, limitando la densità del layout.
- Problemi di Signal Integrity: il via barrel introduce capacità e induttanza parassite, causando riflessioni del segnale e discontinuità di impedenza.
- Affidabilità meccanica: i via più profondi, caratterizzati da un elevato rapporto di aspetto, sono maggiormente soggetti a difetti di metallizzazione, che possono compromettere l’affidabilità del collegamento.
Perché i microvia sono fondamentali nella progettazione di PCB HDI
La tecnologia HDI supera queste limitazioni grazie all’impiego dei microvia: fori piccoli e poco profondi (meno di 0,25 mm di profondità), realizzati mediante foratura laser. I microvia offrono numerosi vantaggi:
- Dimensioni compatte: ideali per progetti ad alta velocità.
- Migliore Signal Integrity: effetti parassiti ridotti rispetto ai via tradizionali.
- Maggiore affidabilità: i rapporti di aspetto più bassi rendono il processo di metallizzazione più uniforme e affidabile.
Configurazioni dei microvia
I progetti digitali ad alta velocità (High-Speed Digital, HSD) spingono la densità dei PCB ai massimi livelli. Componenti come ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) e FPGA (Field-Programmable Gate Arrays), spesso disponibili in package CSP, BGA (Ball Grid Array) o µBGA, possono superare i 1.000 pin. Per questo motivo è necessaria un’attenta pianificazione del fan-out, che permetta di instradare i segnali di I/O dalle sfere centrali del BGA verso gli strati interni più profondi della scheda, mantenendo al contempo uniformità e larghezze minime delle linee.
Come si può vedere nell’immagine sopra, i microvia possono essere disposti in configurazione stacked o staggered:
- Stacked microvia: richiedono che i via interni siano riempiti e ricoperti con rame.
- Staggered microvia: forniscono un percorso conduttivo senza necessità di riempimento dei microvia o copertura in rame.
Il posizionamento dei via e la distribuzione dei fori ciechi e interrati rivestono un ruolo fondamentale nel fan-out di circuiti integrati (IC) con fine pitch e un elevato numero di pin. Uno stack-up non perfettamente simmetrico può generare pressioni non uniformi durante la fabbricazione, causando deformazioni del PCB.
Come migliorare la Signal Integrity con i microvia
I progetti HSD possono generare emissioni RF, che possono compromettere la Signal Integrity, producendo armoniche in grado di estendersi fino alla banda delle onde millimetriche. Qualsiasi diramazione del percorso del segnale costituisce un potenziale stub, che può entrare in risonanza all’interno della larghezza di banda HSD e causare interferenze distruttive e riduzioni della potenza del segnale alle frequenze di risonanza. Se tale attenuazione si verifica in corrispondenza delle componenti energetiche principali del segnale, possono verificarsi distorsioni della forma d’onda e un incremento del Bit Error Rate (BER). Per questo motivo è fondamentale mantenere la lunghezza dei via quanto più ridotta possibile.
È qui che i microvia blind e buried offrono i maggiori vantaggi, garantendo prestazioni elettriche superiori rispetto ai tradizionali via through-hole e una minore autoinduttanza. Tuttavia, il loro rapporto di aspetto richiede l’impiego di substrati sottili (circa 60 µm) negli strati esterni dei PCB HDI. In queste condizioni, mantenere un’impedenza caratteristica di 50 Ω richiede larghezze delle piste estremamente ridotte e spesso poco praticabili, poiché l’impedenza dipende dallo spessore del dielettrico, dalla costante dielettrica, dalla larghezza della pista e dallo spacing.
Il routing delle linee di trasmissione sugli strati interni consente di utilizzare tracce più larghe, riducendo sia l’autoinduttanza che quella complessiva della linea di trasmissione, con un conseguente miglioramento della Signal Integrity.
Come migliorare la Power Integrity con i microvia Via-in-pad
I microvia Via-in-pad (VIP) collegano direttamente i pad dei circuiti integrati ai layer interni del PCB, migliorando la Power Integrity attraverso:
- Riduzione dell’induttanza parassita: percorsi di corrente più corti migliorano l’efficacia del disaccoppiamento.
- Miglioramento della risposta ai transitori: i condensatori possono rispondere in modo più rapido ed efficace alle variazioni di richiesta di corrente (vedi figura sottostante).
Rispetto ai through-hole VIP tradizionali, i microvia VIP possono ridurre l’induttanza e la capacità parassita fino al 90%, migliorando significativamente la Power Integrity.
Come affrontare le sfide della saldatura con i microvia Via-in-pad
I microvia VIP possono causare problemi di saldatura se non vengono correttamente riempiti, poiché lo stagno potrebbe fluire attraverso i via aperti, lasciando meno saldatura a disposizione per fissare il componente. Indipendentemente dal fatto che il via si trovi sul pad o nelle sue vicinanze, è fondamentale impedire che assorba la saldatura destinata al pad, in modo da evitare interruzioni, cortocircuiti, tombstoning o interferenze con i componenti circostanti.
Gestione termica
Nei progetti HDI, la gestione termica riveste un’importanza fondamentale a causa dell’elevata densità dei componenti e della differenza tra i coefficienti di dilatazione termica (CTE) dei materiali impiegati. Questo stress termico può causare problemi meccanici, quali la formazione di crepe nella barriera dei microvia e la delaminazione, oltre a guasti elettrici.
La prima linea di difesa consiste nel convogliare quanto più calore possibile lontano dai punti più caldi, riducendo il rischio di guasti di natura termica. In molti progetti, i microvia svolgono proprio questa funzione, fornendo un percorso termico diretto dal pin di ground verso gli strati interni del PCB, dove il calore può essere dissipato in modo più efficiente.
Guasti comuni dei microvia
I guasti dei microvia sono spesso causati dalla dilatazione termica lungo l’asse Z, fenomeno in cui la differenza tra i coefficienti di dilatazione termica (CTE) del materiale dielettrico e del rame rappresenta un fattore critico. Tra le cause secondarie rientrano inoltre incongruenze nell’artwork e problematiche di fabbricazione, quali difetti di metallizzazione o altre variazioni del processo produttivo.
Come superare le complessità dell’HDI con gli strumenti giusti
Le piattaforme Allegro X e OrCAD X offrono un supporto molto valido per i microvia, inclusa la gestione delle configurazioni stacked e staggered. Nel Padstack Editor, i progettisti possono selezionare i microvia e impostare la matrice delle clearance (vedi figura sotto), definendo le regole di spacing tra microvia e microvia, tra microvia e core via (blind e buried), e tra microvia e via through-hole.
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