Via in Pad یعنی چه و چرا داخل پد BGA ویا میگذاریم؟
Via in Pad (ویای داخل پد) ساختاری است که در آن سوراخ ویا دقیقاً زیر خودِ پد لحیم قطعه قرار میگیرد، نه کنار آن؛ و چون سطح پد باید برای لحیمکاری صاف بماند، ویا با اپوکسی پر و سپس با لایه مس مسطح و آبکاری میشود (Plugged/Filled & Capped). پاسخ کوتاه به سؤال اصلی: تا Pitch حدود ۰.۸ میلیمتر میشود ویا را با یک ترک کوتاه کنار پد گذاشت (الگوی Dog-bone)، اما از ۰.۶۵ میلیمتر به پایین فضای بین پدها آنقدر کم است که نه ویای کنار پد جا میشود و نه ترک عبوری؛ در این حالت ویا باید داخل خود پد برود. اگر ویای داخل پد پر و مسطح نشود، خمیر لحیم هنگام ریفلو داخل سوراخ ویا کشیده میشود (Solder Wicking)، مفصل لحیم خالی میماند و قطعه میتواند تاب بخورد یا حتی بلند شود.
این مقاله مکمل راهنمای انواع Via و Via Stitching است؛ آنجا انواع ویا و قواعد دوخت را گفتهایم و اینجا روی یک سناریوی خاص تمرکز داریم: بیرون کشیدن صدها سیگنال از زیر یک BGA با Pitch ریز.
مشکل فرار از BGA: هندسهٔ کانال بین پدها
BGA سیگنالها را روی یک شبکه دوبعدی از گویهای لحیم زیر پکیج قرار میدهد. ردیف اول (بیرونی) مستقیماً روی لایه سطح به بیرون میرود؛ مشکل از ردیف دوم شروع میشود: هر سیگنال داخلی باید یا بین پدها عبور کند یا با ویا به لایه داخلی برود. تعداد ترکهایی که بین دو پد مجاور جا میشود با این رابطه حساب میشود:
کانال = (Pitch − قطر پد − ۲ × فاصله ایمنی) ÷ (عرض ترک + فاصله ترکها)
با قواعد معمول ساخت (عرض/فاصله ۵ یا ۴ میل) نتیجه را ببینید:
- Pitch ۱.۰ میلیمتر (پد ۰.۵): فضای خالص حدود ۱۲.۷ میل میماند → یک ترک بین هر دو پد. Dog-bone استاندارد کافی است.
- Pitch ۰.۸ میلیمتر (پد ۰.۴): حدود ۹.۷ میل → باز هم یک ترک، اما با حاشیه خطای کم.
- Pitch ۰.۵ میلیمتر (پد ۰.۳): فقط حدود ۱.۹ میل باقی میماند → صفر ترک. هیچ ترکی بین پدها جا نمیشود؛ Dog-bone عملاً شکست میخورد و Via in Pad لازم میشود.
- Pitch ۰.۴ میلیمتر: حتی ویای معمولی هم بزرگ است؛ HDI با میکرویای لیزری و استک ویا وارد بازی میشود.
(اعداد بالا محاسبات هندسی بر پایه قواعد طراحی اعلامی AtlasPCB هستند و بسته به قابلیت ساخت کارخانه شما کمی جابهجا میشوند.)
الگوی Dog-bone را هم دقیقتر بشناسید: ویا با یک گردن کوتاه ۴ تا ۵ میلیعرضی به پد وصل میشود و معمولاً بهصورت مورب (۴۵ درجه) بین چهار پد قرار میگیرد تا بیشترین فاصله را داشته باشد. در Pitch ۰.۸ میلیمتر، قطر سوراخ ویا حدود ۸ تا ۱۰ میل و پد ویا ۱۸ تا ۲۰ میل انتخاب میشود. اشکال Dog-bone فقط جا نیست؛ آن گردن کوتاه یک Stub ناخواسته است که در سرعتهای بالا بازتاب سیگنال میسازد و فضای زیر پکیج را هم اشغال میکند.
قواعد انتخاب استراتژی بر اساس BGA Pitch
| Pitch | استراتژی فرار | فناوری ساخت | لایه تقریبی |
|---|---|---|---|
| ۱.۲۷ و ۱.۰ mm | Dog-bone با ویای Through-hole | استاندارد FR-4 | ۴–۶ |
| ۰.۸ mm | Dog-bone با قواعد سختگیرانهتر | استاندارد، تلرانس مهم است | ۶ |
| ۰.۶۵ mm | مرز تصمیم: Dog-bone فشرده یا Via in Pad | HDI سبک / ویای پرشده | ۶–۸ |
| ۰.۵ mm | Via in Pad (Filled & Capped) | HDI با میکروویا | ۶–۱۰ |
| ۰.۴ mm | استک میکروویا در پد | HDI چندمرحلهای (Sequential Lamination) | ۸–۱۲+ |
یک نکته هزینهای که زود باید تصمیمش را بگیرید: هرچه زودتر استراتژی ویا را بر اساس Pitch انتخاب کنید، لایههای کمتری نیاز میشود. مثلاً یک BGA با ۱۲ ردیف عمق در Pitch ۰.۵ میلیمتر، با Via in Pad حدود ۶ تا ۷ لایه مسیریابی میخواهد (هر لایه داخلی ۲ تا ۳ ردیف توپ را فرار میدهد)؛ با اصرار بر فناوری معمولی یا باید لایهها را چند برابر کنید یا اصلاً طرح قابل مسیریابی نمیشود.
چرا ویای داخل پد باید پر و مسدود شود؟ سه خرابی واقعی
ویای بازِ داخل پد سه مشکل در مونتاژ و بهرهبرداری میسازد:
- مکیدن خمیر لحیم (Solder Wicking): در ریفلو، خمیر لحیم ذوبشده داخل حفره ویا جریان پیدا میکند. نتیجه مفصل لحیمی کمحجم، ضعیف و مستعد ترک است. این معروفترین دلیل رد شدن طرحهای Via in Pad بدون پرکردن است.
- حباب و خالیماندگی (Void): هوای حبسشده در ویا هنگام گرمشدن بیرون میزند و در خمیر لحیم حباب میسازد؛ در بازرسی X-Ray بهصورت Voidهای بزرگ دیده میشود.
- ناهمواری سطح: سربازِ قطعه روی دهانه ویا تراز نمینشیند و در قطعات ریز مثل BGA با Pitch ۰.۵، حتی ناهمواری چند ده میکرومتری اتصال را خراب میکند.
راهحل، ساختار Filled & Capped است: سوراخ با اپوکسی غیررسانا (یا رسانا برای ویاهای جریانبالا) کاملاً پر میشود، سطح سنگزنی و مسطح میشود (تلرانس مسطحسازی در منابع صنعتی حدود ±۱۰ میکرومتر ذکر شده)، بعد یک لایه مس روی آن آبکاری میشود و در آخر پوشش سطحی (ENIG یا ENEPIG) روی آن مینشیند. سطح نهایی کاملاً صاف و لحیمپذیر است و همان رفتار پد معمولی را دارد.
پرکردن ویا یک فایده جانبی هم دارد: فضای آزادشده زیر پکیج را برای عبور ترکهای بیشتر باز میکند و امکان میدهد ویاهای فرارِ ردیفهای داخلی هم فشردهتر چیده شوند.
انواع حفاظت ویا در IPC-4761: کدام Type را در نقشه ساخت بنویسیم؟
استاندارد IPC-4761 (راهنمای طراحی برای حفاظت ساختار ویای برد چاپی) هفت دسته حفاظت تعریف میکند. جدول خلاصه بر اساس مستندات Altium و MADPCB:
| Type | نام | ماده پوشش | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|
| I-a/b | Tented (یکطرفه/دوطرفه) | ماسک لحیم خشک | حفاظت سبک؛ برای ویای زیر BGA کافی نیست |
| II-a/b | Tented & Covered | ماسک خشک + ماسک LPI | پوشش بهتر، باز هم نه برای پد لحیم |
| III-a/b | Plugged | اپوکسی پرکننده (جزئی) | جلوگیری از نشت خمیر؛ سطح کاملاً صاف نمیشود |
| IV-a/b | Plugged & Covered | اپوکسی + ماسک LPI | ویای نزدیک پد SMD |
| V | Filled | اپوکسی، پرکردن کامل | وقتی صافی سطح حیاتی نباشد |
| VI-a/b | Filled & Covered | اپوکسی + ماسک LPI | پرکردن کامل با پوشش ماسک |
| VII | Filled & Capped | اپوکسی مخصوص + آبکاری مس تا مسطحسازی | Via in Pad، استک میکروویا، HDI |
برای ویای داخل پد BGA که سطح لحیمپذیر میخواهد، عملاً فقط Type VII جواب میدهد؛ بقیه انواع یا سطح را صاف نمیکنند یا پوشششان برای لحیمکاری مستقیم روی پد طراحی نشده. نکته عملی: در فایل ساخت و Fabrication Note صراحتاً بنویسید کدام ویاها Type VII میخواهند؛ تولیدکننده نباید حدس بزند. بعضی کارخانهها برای Tenting حداکثر قطر سوراخ ۰.۳ میلیمتر و برای پرکردن بازه ۰.۲۵ تا ۰.۵ میلیمتر را پوشش میدهند (اعداد اعلامی MADPCB؛ قابلیت ساخت هر کارخانه متفاوت است).
یک هشدار فرایندی هم از همان منابع: Plugging دوطرفه (Type III-b/IV-b) ممکن است گاز حبسشده داخل ویا هنگام لحیمکاری باعث ترک شود؛ به همین دلیل بعضی تولیدکنندهها پرکردن یکطرفه را ترجیح میدهند. در سفارش ساخت، روش پرکردن را با تأمینکننده هماهنگ کنید.
استک میکروویا: وقتی یک ویا برای فرار کافی نیست
در Pitch ۰.۵ و ۰.۴ میلیمتر، یک لایه HDI (مثلاً ۱+N+۱) ممکن است فقط یک ردیف اضافه را فرار بدهد. برای پکیجهای عمیقتر دو چیدمان رایج است:
- Stacked Microvia (استکشده): میکروویاهای چند لایه متوالی دقیقاً روی هم، داخل همان پد BGA. فشردهترین حالت؛ هر لایه HDI با لایهگذاری متوالی (Sequential Lamination) اضافه میشود و ویای لایه قبل پر و مسطح میشود تا ویای بعدی روی آن بنشیند. چیدمانهای ۲+N+۲ و ۳+N+۳ برای BGA با Pitch ۰.۵ میلیمتر رایجاند.
- Staggered Microvia (پلکانی): ویاهای لایههای متوالی کمی نسبت به هم جابهجا میشوند. ساختش سادهتر و ارزانتر است، اما زیر پد BGA معمولاً فضای این جابهجایی وجود ندارد؛ Staggered بیشتر خارج از ناحیه پد به کار میرود.
در استک ویا هر اینترفیس پرشده یک نقطه شکست بالقوه است؛ کیفیت پرکردن و مسطحسازی در هر مرحله مستقیماً روی قابلیت اطمینای کل ستون ویا اثر میگذارد. به همین دلیل استک ویا را فقط از تولیدکنندهای بخواهید که تجربه HDI چندمرحلهای دارد و در بازبینی فایل Gerber هم این ساختارها را کنترل میکند.
چکلیست DFM پیش از ارسال فایل ساخت
- Pitch و عمق ردیفهای BGA را بشمارید؛ استراتژی فرار (Dog-bone، Via in Pad، استک میکروویا) را قبل از شروع Routing انتخاب کنید، نه بعد از بنبست.
- اگر Via in Pad دارید، در نقشه ساخت نوع حفاظت را با ارجاع به IPC-4761 Type VII مشخص کنید و فهرست ویاهای مشمول را در یک لایه مکانیکی جدا بدهید.
- قطر ویای داخل پد را طوری انتخاب کنید که Annular Ring سالم بماند؛ قواعد حلقه و فاصله سوراخ را در راهنمای Annular Ring و فاصله دریل مرور کنید.
- پوشش سطحی پدهای Via in Pad را ENIG یا ENEPIG در نظر بگیرید؛ HASL سطح کاملاً مسطحی نمیدهد و برای Pitch ریز مناسب نیست (مقایسه کامل در راهنمای ENIG و HASL).
- برای ویاهای توانبالا که جریان زیاد از پد BGA میگذرد (مثل تغذیه FPGA)، پرکردن با اپوکسی رسانا مسی را ارزیابی کنید؛ در غیر این صورت اپوکسی غیررسانا کافی است چون دیواره مسی ویا جریان را حمل میکند.
- لایههای مرجع زیر BGA را قربانی نکنید؛ ویاهای فرار باید به لایههایی بروند که صفحه زمین/توان پیوسته دارند. جزئیات در راهنمای Stackup چهارلایه.
- باز شدن (Aperture) استنسیل روی پدهای Via in Pad را بازبینی کنید؛ سطح صاف ویای Capped رفتار چاپ خمیر را تغییر نمیدهد، ولی پدهای کوچک Pitch ریز ممکن است به کاهش Aperture نیاز داشته باشند (موضوع راهنمای طراحی استنسیل).
- کل این موارد را با قواعد DFM پیش از Routing چک کنید تا حداقلهای کارخانه با هندسه انتخابی شما سازگار باشد.
جمعبندی
- Via in Pad یعنی ویا دقیقاً زیر پد لحیم؛ در Pitch زیر ۰.۶۵ میلیمتر معمولاً تنها گزینه فرار از BGA است، چون بین پدها نه ویا جا میشود نه ترک.
- ویای داخل پد بدون پرکردن، خمیر لحیم را میمکد و مفصل را خراب میکند؛ ساختار درست، Filled & Capped مطابق IPC-4761 Type VII با سطح مسطح و آبکاری مس است.
- هندسه کانال بین پدها را حساب کنید: در ۰.۵ میلیمتر Pitch عملاً صفر ترک بین پدها جا میشود و استراتژی باید از ابتدا روی Via in Pad بسته شود.
- برای پکیجهای عمیق در Pitch ۰.۵ و ۰.۴، استک میکروویا با لایهگذاری متوالی (۲+N+۲ یا ۳+N+۳) راهحل استاندارد است؛ Staggered زیر پد جا نمیشود.
- انتخابهای زودهنگام (استراتژی ویا، تعداد لایه، نوع حفاظت) هم قابلیت مسیریابی را تعیین میکند هم هزینه ساخت را.
منابع
- BGA Escape Routing — AtlasPCB (محاسبات کانال و قواعد Pitch)
- BGA Fanout Routing Strategies: Dog-Bone vs Via-in-Pad — AtlasPCB
- Via Protection in PCB: IPC-4761 — MADPCB (جدول انواع I تا VII و پارامترهای پرکردن)
- IPC-4761 Via Types — Altium Resources
- Effective BGA Escape Routing Strategies — JLCPCB Blog