VIPPO در طراحی PCB: 3 مزایای کلیدی برای الکترونیک با عملکرد بالا

Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) به عنوان یک تکنیک تغییر دهنده بازی در طراحی مدرن PCB ظهور کرده است و به چالش‌های حیاتی در الکترونیک با چگالی بالا و عملکرد بالا می‌پردازد. با قرار دادن vias های آبکاری شده از طریق پدها مستقیماً در داخل پدهای اجزا - به جای قرار دادن آنها در کنار آنها - VIPPO فضا را بهینه می کند، یکپارچگی سیگنال را افزایش می دهد و مدیریت حرارتی را بهبود می بخشد. این نوآوری به ویژه در دستگاه های امروزی کوچک شده، از تلفن های هوشمند و پوشیدنی ها گرفته تا حسگرهای صنعتی و تجهیزات 5G، که در آن هر میلی متر فضا و هر دسی بل از وضوح سیگنال اهمیت دارد، ارزشمند است.

این راهنما سه مزیت اصلی VIPPO در طراحی PCB را بررسی می کند، آن را با طرح بندی های سنتی مقایسه می کند و برجسته می کند که چرا برای مهندسان و تولیدکنندگانی که قصد دارند مرزهای عملکرد الکترونیکی را جابجا کنند، ضروری شده است.

VIPPO چیست؟
VIPPO (Via-in-Pad Plated Over) یک تکنیک طراحی PCB است که در آن vias مستقیماً در پدهای لحیم کاری اجزای نصب سطحی (SMD)، مانند BGAs (Ball Grid Arrays)، QFPs و اجزای غیرفعال کوچک ادغام می شوند. برخلاف vias سنتی - که در مجاورت پدها قرار می گیرند و به فضای مسیریابی اضافی نیاز دارند - vias های VIPPO عبارتند از:

الف. با اپوکسی رسانا یا مس پر شده است تا یک سطح صاف و قابل لحیم کاری ایجاد شود.
ب. آبکاری شده است تا از ادغام یکپارچه با پد اطمینان حاصل شود و شکاف هایی که می توانند لحیم را به دام بیندازند یا باعث خرابی اتصالات شوند، از بین برود.
ج. برای طرح های با چگالی بالا بهینه شده است، جایی که محدودیت های فضا، قرار دادن vias سنتی را غیرعملی می کند.

این رویکرد نحوه چیدمان PCB ها را تغییر می دهد و امکان فاصله گذاری تنگ تر اجزا و استفاده کارآمدتر از فضای برد را فراهم می کند.

مزیت 1: قابلیت اطمینان و دوام پیشرفته
VIPPO به دو منبع رایج خرابی PCB می پردازد: اتصالات لحیم ضعیف و نقص های مربوط به vias. طراحی آن ذاتاً اتصالات را تقویت می کند و آن را برای کاربردهای حیاتی ایده آل می کند.

اتصالات لحیم قوی تر
vias های سنتی که در خارج از پدهای اجزا قرار می گیرند، «مناطق سایه» ایجاد می کنند که در آن جریان لحیم ناهموار است و خطر اتصالات سرد یا حفره ها را افزایش می دهد. VIPPO این مشکل را با موارد زیر از بین می برد:

الف. ایجاد یک سطح پد صاف و پیوسته (به لطف vias های پر شده و آبکاری شده)، که توزیع یکنواخت لحیم را تضمین می کند.
ب. کاهش تنش مکانیکی روی اتصالات با کوتاه کردن فاصله بین جزء و via، به حداقل رساندن خم شدن در طول چرخه حرارتی.

نقطه داده: مطالعه ای توسط موسسه فناوری روچستر نشان داد که اتصالات لحیم VIPPO 2.8 برابر بیشتر از چرخه های حرارتی (-40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد) در مقایسه با طرح بندی های سنتی vias قبل از نشان دادن علائم خستگی، دوام آوردند.

حالت های خرابی کاهش یافته
vias های پر نشده یا نامناسب می توانند رطوبت، شار یا آلاینده ها را به دام بیندازند و به مرور زمان منجر به خوردگی یا اتصال کوتاه شوند. VIPPO این خطرات را از طریق موارد زیر کاهش می دهد:

الف. پر کردن رسانا: پر کردن مس یا اپوکسی via را آب بندی می کند و از تجمع زباله جلوگیری می کند.
ب. سطوح آبکاری شده: یک روکش صاف و آبکاری شده، شکاف هایی را که خوردگی می تواند از آنجا شروع شود، از بین می برد.

تاثیر در دنیای واقعی: شرکت Versatronics Corp. کاهش 14 درصدی در نرخ خرابی های میدانی برای PCB هایی که از VIPPO استفاده می کنند، گزارش داد که به دلیل اتصال کوتاه کمتر و مشکلات مربوط به خوردگی است.

VIPPO در مقابل vias سنتی (قابلیت اطمینان)

مزیت 2: عملکرد حرارتی و الکتریکی برتر
در طرح های با توان بالا و فرکانس بالا، مدیریت گرما و حفظ یکپارچگی سیگنال بسیار مهم است. VIPPO در هر دو زمینه برتری دارد و از طرح بندی های سنتی vias بهتر عمل می کند.

مدیریت حرارتی بهبود یافته
افزایش گرما یک عامل محدود کننده اصلی در عملکرد الکترونیکی است، به ویژه در طرح های متراکم با اجزای پرمصرف (به عنوان مثال، پردازنده ها، تقویت کننده های قدرت). VIPPO اتلاف گرما را با موارد زیر افزایش می دهد:

الف. ایجاد مسیرهای حرارتی مستقیم از پد جزء به سینک های حرارتی داخلی یا خارجی از طریق vias های پر شده.
ب. کاهش مقاومت حرارتی: vias های VIPPO پر شده با مس دارای مقاومت حرارتی ~0.5 درجه سانتیگراد/وات هستند، در مقایسه با ~2.0 درجه سانتیگراد/وات برای vias های سنتی.

مطالعه موردی: در یک PCB ایستگاه پایه 5G، VIPPO دمای عملکرد یک تقویت کننده قدرت را 12 درجه سانتیگراد در مقایسه با یک طرح سنتی کاهش داد و عمر اجزا را تقریباً 30٪ افزایش داد.

یکپارچگی سیگنال پیشرفته
سیگنال های با فرکانس بالا (≥1 گیگاهرتز) از دست دادن، انعکاس و تداخل متقابل رنج می برند که مجبور به طی مسیرهای طولانی و غیرمستقیم هستند. VIPPO این مشکلات را با موارد زیر به حداقل می رساند:

الف. کوتاه کردن مسیرهای سیگنال: vias در داخل پدها، انحرافات اطراف vias های سنتی خارج از پد را از بین می برد و طول ردیابی را 30 تا 50 درصد کاهش می دهد.
ب. کاهش ناپیوستگی امپدانس: vias های پر شده، امپدانس ثابت (تحمل ±5٪) را حفظ می کنند که برای 5G، PCIe 6.0 و سایر پروتکل های پرسرعت بسیار مهم است.

داده های عملکرد: vias های سنتی 0.25–0.5Ω مقاومت ایجاد می کنند. vias های VIPPO این مقدار را به 0.05–0.1Ω کاهش می دهند و تلفات سیگنال را تا 80٪ در طرح های با فرکانس بالا کاهش می دهند.

VIPPO در مقابل vias سنتی (عملکرد)

مزیت 3: انعطاف پذیری طراحی و مینیاتوری سازی
با کوچک شدن دستگاه ها و افزایش تراکم اجزا، مهندسان با محدودیت های فضایی بی سابقه ای روبرو هستند. VIPPO با به حداکثر رساندن فضای برد، امکانات طراحی جدیدی را باز می کند.

فعال کردن طرح های اتصال با چگالی بالا (HDI)
PCB های HDI - با اجزای با گام ریز (≤0.4 میلی متر) و مسیریابی متراکم - برای قرار دادن قابلیت های بیشتر در فضاهای کوچکتر به VIPPO متکی هستند. مزایای کلیدی عبارتند از:

الف. ردپای کاهش یافته: VIPPO مناطق «نگه داشتن» مورد نیاز در اطراف vias های سنتی خارج از پد را از بین می برد و به اجزا اجازه می دهد تا 20 تا 30 درصد به هم نزدیکتر قرار گیرند.
ب. مسیریابی کارآمدتر: vias در داخل پدها، لایه های داخلی را برای سیگنال یا صفحات قدرت آزاد می کند و نیاز به لایه های اضافی (و هزینه ها) را کاهش می دهد.

مثال: یک PCB تلفن هوشمند با استفاده از VIPPO 6.2٪ اجزای بیشتری را در همان منطقه در مقایسه با یک طرح سنتی جای داد و امکانات پیشرفته ای مانند آنتن های 5G mmWave و سیستم های چند دوربینه را فعال کرد.

ساده سازی طرح بندی های پیچیده
قرار دادن vias سنتی اغلب طراحان را مجبور می کند تا ردیابی ها را در اطراف پدها مسیریابی کنند و طرح بندی های شلوغ و ناکارآمدی را ایجاد می کنند که مستعد تداخل متقابل هستند. VIPPO این کار را با موارد زیر ساده می کند:

الف. اجازه دادن به اتصالات مستقیم از پدهای اجزا به لایه های داخلی، کاهش تعداد vias های مورد نیاز.
ب. فعال کردن «دوخت via» در داخل پدها برای تقویت اتصالات زمین، که برای کاهش EMI بسیار مهم است.

تاثیر طراحی: مهندسان کاهش 40 درصدی در زمان مسیریابی برای طرح های سنگین BGA (به عنوان مثال، ریزپردازنده ها) هنگام استفاده از VIPPO، به لطف مسیرهای ردیابی ساده شده، گزارش می دهند.

کاربردهای ایده آل برای VIPPO
VIPPO به ویژه در صنایعی که مینیاتوری سازی و عملکرد غیرقابل مذاکره هستند، ارزشمند است:

پیاده سازی VIPPO: بهترین شیوه ها
برای به حداکثر رساندن مزایای VIPPO، این دستورالعمل های طراحی و ساخت را دنبال کنید:

1. پر کردن via: از پر کردن مس برای طرح های با توان بالا (هدایت حرارتی برتر) یا پر کردن اپوکسی برای کاربردهای کم هزینه و کم مصرف استفاده کنید.
2. اندازه پد: اطمینان حاصل کنید که پد 2 تا 3 برابر قطر via است تا قابلیت لحیم کاری حفظ شود (به عنوان مثال، یک via 0.3 میلی متری به یک پد 0.6 تا 0.9 میلی متری نیاز دارد).
3. کیفیت آبکاری: آبکاری مس ≥25 میکرومتر را مشخص کنید تا از هدایت via و استحکام مکانیکی اطمینان حاصل شود.
4. همکاری با تولید کننده: با سازندگان PCB با تجربه در VIPPO (مانند LT CIRCUIT) برای اعتبارسنجی طرح ها کار کنید، زیرا حفاری و پر کردن دقیق بسیار مهم است.

چرا LT CIRCUIT در پیاده سازی VIPPO برتری دارد
LT CIRCUIT از VIPPO برای ارائه PCB های با عملکرد بالا برای کاربردهای سخت، با موارد زیر استفاده می کند:

1. فرآیندهای پرکننده پیشرفته (مس و اپوکسی) برای اطمینان از vias های بدون حفره.
2. حفاری لیزری دقیق (تحمل ±5 میکرومتر) برای اجزای با گام ریز.
3. آزمایش دقیق (بازرسی اشعه ایکس، چرخه حرارتی) برای تأیید یکپارچگی VIPPO.

تخصص آنها در VIPPO به مشتریان کمک کرده است تا اندازه PCB را تا 30٪ کاهش دهند و در عین حال یکپارچگی سیگنال و عملکرد حرارتی را بهبود بخشند - گواهی بر تأثیر دگرگون کننده این تکنیک.

سوالات متداول
س: آیا VIPPO گرانتر از طرح های via سنتی است؟
پاسخ: بله، VIPPO حدود 10 تا 15 درصد به هزینه های PCB اضافه می کند، به دلیل مراحل پر کردن و آبکاری، اما این اغلب با کاهش تعداد لایه ها و بهبود بازده در طرح های با چگالی بالا جبران می شود.

س: آیا می توان از VIPPO با تمام انواع اجزا استفاده کرد؟
پاسخ: VIPPO با SMDs، به ویژه BGAs و QFPs، بهترین عملکرد را دارد. برای اجزای بزرگ از طریق سوراخ، که در آن اندازه پد، ادغام via را غیر ضروری می کند، کمتر عملی است.

س: آیا VIPPO به نرم افزار طراحی خاصی نیاز دارد؟
پاسخ: اکثر ابزارهای طراحی PCB مدرن (Altium، KiCad، Mentor PADS) از VIPPO پشتیبانی می کنند، با ویژگی هایی برای خودکارسازی قرار دادن via-in-pad و مشخصات پر کردن.

س: حداقل اندازه via برای VIPPO چقدر است؟
پاسخ: vias های VIPPO با لیزر حفاری شده می توانند به کوچکی 0.1 میلی متر باشند و آنها را برای اجزای با گام فوق العاده ریز (≤0.4 میلی متر گام) مناسب می کند.

س: VIPPO چگونه بر بازکاری تأثیر می گذارد؟
پاسخ: بازکاری امکان پذیر است اما نیاز به مراقبت دارد - از ایستگاه های هوای گرم با کنترل دمای دقیق استفاده کنید تا از آسیب رساندن به vias های پر شده در هنگام برداشتن اجزا جلوگیری شود.

نتیجه
VIPPO چیزی بیش از یک ترفند طراحی است. این یک سنگ بنای مهندسی PCB مدرن است که دستگاه های کوچک، قدرتمند و قابل اعتمادی را که چشم انداز الکترونیک امروزی را تعریف می کنند، فعال می کند. با افزایش قابلیت اطمینان، افزایش عملکرد حرارتی و الکتریکی، و فعال کردن مینیاتوری سازی بی سابقه، VIPPO به چالش برانگیزترین چالش ها در طراحی با چگالی بالا می پردازد.

همانطور که فناوری به پیشرفت خود ادامه می دهد - با 6G، هوش مصنوعی و IoT که تقاضا برای دستگاه های کوچکتر و سریعتر را هدایت می کنند - VIPPO برای مهندسانی که قصد دارند مفاهیم جاه طلبانه را به محصولات کاربردی و آماده بازار تبدیل کنند، ضروری باقی خواهد ماند.