La anatomía de un volcán de gases: por qué la vía en pad requiere tapas tipo VII

La física es indiferente a los plazos de tus proyectos. No le importa tu objetivo de la Lista de Materiales, y ciertamente no le importa que hayas ahorrado veinte centavos por placa saltando el ciclo de recubrimiento secundario. Cuando colocas un via dentro de la almohadilla de un componente—que la densidad moderna a menudo exige—creas un recipiente a presión. Trata ese recipiente con indiferencia, como un agujero ciego estándar, y estarás construyendo una bomba microscópica justo debajo de tu silicio más caro.

Durante el proceso de reflujo, la temperatura pasa más allá del punto líquido del soldador SAC305 (alrededor de 217°C) y alcanza un pico cercano a 245°C. En esa ventana de sesenta segundos, cualquier humedad, vehículo de flujo o aire atrapado dentro de ese via se expandirá. Los gases se expanden agresivamente. Si el via está simplemente 'tendido' con máscara de soldadura, esa fina película de polímero se estira como un globo hasta fallar. Cuando estalla, expulsa la soldadura fundida que sitting en la parte superior. El resultado es un cráter en la unión, un componente levantado o un 'vacío' lo suficientemente grande como para fallar la inspección IPC de Clase 3. Este es el efecto volcán. El gas no tiene más remedio que ir hacia arriba, y lleva tu confiabilidad con él.

La Muerte del Hueso de Perro

Hubo un tiempo en que podías evitar completamente este problema usando 'fanouts' de hueso de perro. Ruteabas un trazo corto desde la almohadilla BGA a un via en espacio abierto, manteniendo la almohadilla sólida y el agujero separado. Esa era prácticamente la era del diseño digital de alto rendimiento.

Cuando estás mirando un Xilinx UltraScale+ o un sensor de alta densidad con un paso de 0.4 mm, simplemente no existe la geometría para enrutar una traza entre almohadillas. Un trazo estándar de 3 mil con un espaciamiento de 3 mil requiere más espacio del que los fabricantes de silicio te han dado. Estás obligado a taladrar directamente en la almohadilla. Algunos ingenieros, quizás aferrándose a hábitos de la era de paso de 1.27 mm, intentan reducir los anillos de la anilla a niveles peligrosos para mantener vivo el hueso de perro, pero están luchando contra una batalla perdida contra el rendimiento. La tolerancia de desvío de la broca de una fábrica de nivel medio eventualmente te hará daño. La física y la geometría dictan que el via debe ir en la almohadilla. La pregunta ya no es 'si', sino 'cómo' llenar ese agujero.

La Ilusión de la Tienda y el Plugging

El error más común—y el que causa más fallos catastróficos en el campo—es suponer que la máscara de soldadura estándar puede sellar un via en la almohadilla. Esto a menudo se especifica como IPC-4761 Tipo VI, o 'tendido y cubierto'. Es una opción seductora porque no cuesta nada adicional; el ingeniero de CAM simplemente deja la apertura de la máscara sobre el via cerrada.

Pero la máscara de soldadura líquida fotoimagenable (LPI) no es un material estructural. Es una capa delgada de pintura. Cuando tapas un via en una almohadilla, atrapas aire dentro del tubo. Durante esa subida a 245°C, el aire se expande. La máscara se suaviza. La presión aumenta hasta que atraviesa la tapa de soldadura fundida, creando el volcán mencionado anteriormente. Incluso si no explota, la burbuja de gas puede quedar atrapada en la soldadura que se enfría, creando un vacío masivo que funciona como aislante térmico. Has colocado efectivamente tu procesador de alta potencia sobre un cojín de aire en lugar de un camino de calor de cobre. Tendar es una trampa.

Algunos diseñadores tratan de ser astutos pidiendo vias 'plugged'. Asumen que 'plugged' significa que el agujero está llenado de forma sólida. Sin embargo, en la terminología de la fábrica, 'rellenar' a menudo solo significa disparar un poco más de máscara de soldadura en el agujero para bloquear la luz. Rara vez llena completamente el tubo. Peor aún, crea una superficie no plana. El LPI cura y se encoge, dejando una hendidura o depresión en el centro de la almohadilla.

Cuando la fábrica de ensamblaje imprime pasta de soldadura en esa almohadilla hundida, el cálculo de volumen es incorrecto. La pasta se filtra hacia la hendidura. La bola BGA, esperando una superficie plana, ahora tiene que cubrir un espacio. Esto conduce a defectos de 'pilar en cabeza', donde la bola descansa sobre la almohadilla pero nunca la moja, creando una conexión intermitente que pasará la prueba de fábrica pero fallará la primera vez que el cliente deje caer el dispositivo. Un plug no es una tapa, y una hendidura es un defecto que espera suceder.

La Única Salida: Tipo VII (VIPPO)

La única solución de ingeniería que respeta la física del reflujo es IPC-4761 Tipo VII. En la industria, esto se conoce coloquialmente como VIPPO (Via en la almohadilla cubierto con plating). No es un solo paso—es una secuencia de operaciones de fabricación diseñadas para convertir un agujero de nuevo en una almohadilla de cobre sólida y plana.

El proceso comienza después del taladro y la galvanoplastia inicial. El fabricante introduce una resina epoxi especializada en el cilindro de la vía. Esto no es máscara de soldadura; es un compuesto dedicado a rellenar agujeros. Una vez curado, la placa pasa por una etapa de planicidad — esencialmente un lijado mecánico que nivela el exceso de epoxi con la superficie de cobre. Finalmente, la placa regresa al tanque de galvanoplastia. Se plota una capa de cobre sobre el agujero relleno y lijado.

El resultado es una almohadilla que parece y actúa como cobre sólido. No hay ningún agujero por donde escape el gas. No hay ninguna hendidura para que la soldadura se filtre. La esfera BGA se encuentra sobre una superficie conductora y perfectamente plana. El calor del componente viaja a través de la tapa de cobre, hacia las paredes de la galvanoplastia de la vía y hacia los planos internos. Esto crea una almohadilla de cobre monolítica inmune a la desgasificación.

La planaridad es la parte innegociable de esta secuencia. Si especificas “vía rellena” sin especificar “con tapa y galvanizada,” obtienes un cilindro lleno de epoxi con resina expuesta en la parte superior. La soldadura no se adhiere al epoxi. Terminas con una rosquilla de cobre con un centro no mojable, lo cual es argumentablemente peor que la hendidura. Necesitas la tapa.

El Mito de la Conductividad

Al especificar el material de relleno, encontrarás un debate persistente: relleno conductor vs. no conductor. Muchos ingenieros creen intuitivamente que “conductor es mejor” y especifican epoxi con plata o cobre cargado, pensando que mejora el rendimiento térmico. Para clases estándar de fiabilidad, esto casi siempre es un error.

Las pastas conductoras tienen un Coeficiente de Expansión Térmica (CTE) que difiere significativamente del laminado FR4 circundante. A medida que la placa se calienta y enfría durante la operación, la placa se expande a una tasa (expansión en el eje Z) y el relleno conductor se expande a otra. Esta discrepancia estresa el galvanizado de cilindro de cobre. Tras suficientes ciclos térmicos, el relleno actúa como una cuña, agrietando la rodilla de cobre o separando el galvanizado de la pared del agujero.

El epoxi no conductor está formulado específicamente para igualar el CTE de laminados FR4 estándar Tg170. Se mueve con la placa. Y en cuanto al argumento térmico: la transferencia de calor en una vía ocurre principalmente a través del cilindro de galvanizado de cobre, no del núcleo. La diferencia en resistencia térmica entre una vía cargada con plata y una vía con epoxi estándar es insignificante para 95% de aplicaciones. A menos que modifiques 50 amperios de corriente continua, donde la resistencia eléctrica del cilindro es el único métrico, el riesgo de fiabilidad del relleno conductor supera la ganancia teórica. Usa relleno no conductor.

Escribiendo la Nota Fab

No puedes confiar en el ingeniero CAM para adivinar tu intención. Si simplemente dejas las vías en las almohadillas y envías los archivos Gerber, un taller concienzudo detendrá el trabajo. Un taller económico solo los procesará como agujeros abiertos, y la soldadura se filtrará por el cilindro durante el ensamblaje, dejando la pata del componente seca — el clásico “ladrón de soldadura.”

Debes agregar una capa específica o un bloque de texto claro en tu dibujo de fabricación. Tiene que ser explícito. No uses términos vagos como “rellenado.” Usa la definición estándar de la industria:

“Todas las vías en almohadillas BGA (o capas específicas) serán IPC-4761 Tipo VII. Rellenadas con epoxi no conductor, planas, y galvanizadas con una capa mínima de 12μm de cobre. La superficie final debe estar plana y ser soldable.”

Este proceso añade costo. Dependiendo del volumen y del taller, puede añadir de 15% a 30% al precio de la placa base porque requiere ciclos adicionales de galvanoplastia y pasos manuales de planarización. Pero no estás pagando por un agujero; estás pagando por la ausencia de un volcán. Compara ese aumento de costo de 20% con el costo de desechar una producción de 5,000 unidades porque los QFNs están flotando sobre burbujas de aire. Las matemáticas son simples. La física no negocia.