Microvia: un argomento sempre poco conosciuto

microvia

Man mano che i dispositivi elettronici, in particolare i prodotti ad alta tecnologia, diventano più sofisticati e si riducono di dimensioni diventa vincolante la necessità di realizzare microvia sempre più piccoli.

Una delle esigenze dei circuiti stampati riguarda il trasferimento affidabile dei segnali attraverso i suoi vari strati; a questo riguardo il riempimento dei via con il rame fornisce un’extra capacità. Un via è un foro conduttivo placcato in rame, è praticato in un PCB (doppiafaccia o multistrato) ed è utilizzato per effettuare collegamenti elettrici tra i vari layer. Ci sono tre principali tipi di via: through-hole via, blind via e buried via.

Il via through-hole (a foro passante) attraversa il PCB e può essere utilizzato per collegare tutti gli strati o solo quelli esterni, è il via più comune e di più facile realizzazione.

I microvia ciechi (blind) e interrati (buried) riempiti di rame consentono di ottenere schede di interconnessione ad alta densità (HDI) e forniscono un trasferimento affidabile del segnale; associate a questo tipo di via ci sono varie difficoltà da superare, ma si hanno anche molti vantaggi.

Per sommi capi l'IPC-T-50 (Revision M - Standard Only: Terms and Definitions for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) definisce un microvia come una "struttura cieca con un aspect ratio massimo di 1:1 che penetra negli strati con una profondità totale non superiore a 0,25 mm [0,00984 in]".

Oggi per praticare i fori per i microvia vengono comunemente utilizzati i laser e i recenti progressi con questo tipo di foratura hanno consentito la creazione di microvia con dimensione fino a 15 µm. Sebbene i laser possano perforare un solo strato alla volta, i produttori di PCB forano i diversi strati separatamente prima di impilarli. È meno probabile che si riscontrino difetti di fabbricazione quando si lavora con microvia rispetto a quanto si otterrebbe con i normali via, perché la foratura laser non lascia residui di lavorazione all’interno dei fori. I microvia, tuttavia, hanno la stessa probabilità di riscontrare gli stessi problemi degli altri tipi di via a seguito della placcatura.

 

Blind e buried via

Come accennato i microvia possono essere ciechi (blind via) o interrati (buried via). I microvia ciechi collegano uno strato esterno di un PCB a uno o più strati interni e non attraversano l'intero spessore della scheda. I via ciechi sono utili per aumentare la densità dei collegamenti tra i vari circuiti della scheda. Se è necessario instradare i segnali da uno strato esterno a uno strato interno, i via ciechi sono spesso il percorso più breve per farlo.

I microvia interrati collegano due o più strati interni e non raggiungono le superfici esterne, da cui la loro presenza non è visibile. Come detto sono creati con laminazioni consecutive.

I copper-filled sono via riempiti con rame puro o con resina epossidica mista a rame. Questo riempimento migliora la conduttività del via, aiutandolo a trasferire più efficacemente i segnali tra i punti della scheda che collega. Molti tipi di via possono essere riempiti di rame, inclusi i via standard, i microvia, i via ciechi e i via interrati.

È inoltre possibile riempire i via con altri materiali, come oro, argento, resina epossidica conduttiva, resina epossidica non conduttiva e placcatura elettrochimica. Il tipo più comune di via fill è la resina epossidica non conduttiva. Il riempimento in rame offre particolari vantaggi che lo rendono l’ideale in molte applicazioni.

Esempio di via-in-pad su BGA (cortesia Sierra Circuits) 

I vantaggi dei microvia

L'uso dei microvia, sia ciechi che interrati, è vantaggioso per vari motivi, tra cui i principali sono il risparmio di spazio, la riduzione delle emissioni EMI e il miglioramento della conducibilità termica ed elettrica.

Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo dei microvia è che possono far risparmiare spazio, che parallelamente si traduce anche in una riduzione dei costi. Più spazio occupano i via, maggiore diventa la dimensione della scheda con un aggravio del costo di progetto.

I microvia sono un componente cruciale dei PCB HDI, che spesso presentano sia via passanti che blind e buried via. Oltre alle dimensioni e al peso ridotto, queste schede forniscono anche prestazioni elettriche di fascia alta, grazie alla breve distanza tra i componenti e al loro maggior numero.

I microvia, grazie alle loro dimensioni ridotte, possono anche facilitare l’utilizzo dei via-in-pad in modo efficace. In tecnologia SMT i via-in-pad, infatti, consentono di risparmiare spazio sfruttando i pad per creare le connessioni. I via convenzionali a volte sono troppo grandi per adattarsi ai pad, laddove i microvia possono invece essere inseriti senza problemi di fabbricazione né di saldatura.

I microvia via interrati e ciechi sono più facili da fabbricare rispetto agli omologhi convenzionali, perché sono realizzati strato per strato facilitando l’operazione di renderli ciechi o interrati, un processo questo che richiede appunto di lavorare strato per strato.

I microvia sono utili anche per instradare i segnali dei ball grid array (BGA). I via-in-pad possono essere inseriti facilmente all'interno dei pad dei BGA fine-pitch, risparmiando spazio sulla superficie ed aumentando le possibilità di irraggiare i percorsi dei segnali verso tutti i circuiti che compongono la scheda.

I microvia possono anche aiutare a ridurre l'interferenza elettromagnetica (EMI), che si verifica quando un campo elettromagnetico interferisce col regolare funzionamento di un dispositivo elettronico. Poiché presentano un rischio ridotto di EMI, i microvia sono particolarmente utili nei circuiti soggetti a EMI, come quelli utilizzati in applicazioni ad alta frequenza o ad alta velocità. I circuiti ad alta velocità spesso generano problemi di radiazione; riducendo le dimensioni dei via si riduce la potenziale  radiazione, che si traduce in una minore incidenza EMI. Per i circuiti ad alta velocità gli stub sono un'altra causa di problemi EMI. Gli stub possono riflettere i segnali nei conduttori e attenuare o addirittura annullare il segnale originale. Uno stub è la parte inutilizzata di un via, non collega alcun livello e non ha alcuna funzione utile. La parte di via inutilizzata (o stub) di un PCB multistrato è la causa della discontinuità di impedenza nella linea. La realizzazione strato per strato dei microvia aiuta ad evitare di avere stub.

Il riempimento dei via con rame offre anche ulteriori vantaggi, in particolare nelle aree dove oltre alla conduttività elettrica è richiesta anche quella termica.

L'uso del rame per riempire un via aumenta la sua conduttività termica, che aiuta a trasortare il calore lontano dal punto in cui è generato, con conseguente maggiore durata dei componenti e minor rischio di difetti a carico della scheda. Invece di disperdersi in diverse direzioni sulla scheda, il calore viaggerà attraverso il via nella direzione desiderata fino al dissipatore. Il rame ha una conduttività termica superiore rispetto all'oro, che è un altro materiale talvolta utilizzato per riempire i via.

Il rame ha anche una conduttività elettrica maggiore rispetto all'oro. La conducibilità del rame in un via consentirà alle correnti di attraversare tutti i vari strati senza sovraccaricare alcun punto del PCB. Questa caratteristica rende i microvia riempiti di rame ideali per le applicazioni ad alta tensione e per quelle che implicano correnti elevate.

Esempio di via-in-pad su BGA (cortesia Sierra Circuits)
Esempio di via-in-pad su BGA (cortesia Sierra Circuits)

Problemi e potenziali difetti dei microvia

Al di là dei benefici, ci sono anche vari potenziali problemi associati alla realizzazione dei microvia, che a volte possono portare a difetti di interconnessione, difetti che si verificano vicino alla placcatura e allo strato di rame interno. Questi difetti possono causare problemi di affidabilità, circuiti aperti, problemi intermittenti con il crescere della temperatura e guasti circuitali. Può essere difficile rilevarli perché il PCB potrebbero funzionare correttamente durante i test dopo la fase di fabbricazione, ma poi rivelare problemi durante l'assemblaggio o l'utilizzo.

Un tipo comune di difetto si verifica perché alcuni detriti finiscono nel foro di interconnessione e poi vengono incorporati nel rivestimento interno di rame. Questi detriti derivano spesso dal processo di foratura tradizionale, un problema mitigato dall’utilizzo del laser usato nella realizzazione dei microvia. È comunque importante, prima del riempimento con rame, verificare che tutti i fori siano privi di detriti (fibra di vetro e materiale inorganico), sbavature di perforazione e altri materiali.

Un altro tipo comune di difetto è un guasto definito Copper-Bond Failure in cui la connessione tra il rame del foro e i layer interni si interrompe fisicamente. Può verificarsi a causa di un'elevata sollecitazione durante il montaggio e l'utilizzo, o per via di una lamina dei layer debole o di una combinazione di questi fattori. Questo tipo di problemi si verificano tanto sui microvia quanto sui via standard.

Un altro problema abbastanza comune che si verifica nel processo di placcatura in rame per i microvia è il riempimento incompleto e la formazione di vuoti. Difetti che portano a problemi di affidabilità. Secondo recenti studi il riempimento incompleto di rame aumenta i livelli di stress nei microvia. L'impatto che un vuoto ha sull'affidabilità dei microvia dipende dalle sue caratteristiche come la dimensione, la forma e la posizione; condizioni estreme di svuotamento ne riducono significativamente la durata.

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