A Anatomia de um Vulcão em Emissão: Por que Via-in-Pad Requer Tampas do Tipo VII

A física é indiferente aos seus prazos de projeto. Ela não se importa com sua meta de Bill of Materials, e certamente não liga se você economizou vinte centavos por placa pulando o ciclo de revestimento secundário. Quando você coloca uma via dentro de uma pad de componente — o que a densidade moderna muitas vezes exige — você cria um vaso de pressão. Tratar esse vaso casualmente, como um orifício passante padrão, e você está construindo uma bomba microscópica diretamente debaixo do seu silicone mais caro.

Durante o processo de reflow, a temperatura passa do ponto de liquidação da solda SAC305 (cerca de 217°C) e atinge picos próximos a 245°C. Nesse período de sessenta segundos, qualquer umidade, veículo de fluxo ou ar preso dentro dessa via irá se expandir. Os gases se expandem agressivamente. Se a via estiver apenas “tendada” com máscara de solda, essa fina camada de polímero se alonga como um balão até falhar. Quando ela estoura, ela ejetar a solda fundida que está em cima dela. O resultado é um crater em toda a junta, um componente levantado ou um “vazio” grande o suficiente para falhar na inspeção IPC Classe 3. Este é o efeito vulcão. O gás não tem para onde ir a não ser para cima, levando sua confiabilidade junto.

A Morte do Osso de Cão

Houve uma época em que você podia evitar completamente esse problema usando “dog-bone” fanouts. Você roteava uma trilha curta do pad BGA até uma via em espaço aberto, mantendo o pad sólido e o orifício separado. Essa eraquição está praticamente encerrada para o design digital de alto desempenho.

Quando você está olhando para um Xilinx UltraScale+ ou um sensor de alta densidade com uma pitch de 0,4mm, a geometria para roteamento de uma trilha entre pads simplesmente não existe. Uma trilha padrão de 3 mils com espaçamento de 3 mils requer mais espaço do que os fabricantes de silício proporcionaram. Você é forçado a perfurar diretamente no pad. Alguns engenheiros, talvez mantendo hábitos da era de pitch de 1,27mm, tentam encolher os anéis de anel até níveis perigosos para manter o dado do dog-bone vivo, mas eles estão lutando contra uma perda de rendimento. A tolerância de desvio da broca de uma casa de fabricação de médio porte eventualmente irá afetar você. A física e a geometria ditam que a via deve ir no pad. A questão não é mais “se”, mas “como” você preenche esse orifício.

A Ilusão de Tenting e Plugging

O erro mais comum — e aquele que causa mais falhas catastróficas em campo — é presumir que a máscara de solda padrão pode selar uma via-em-pad. Isso é frequentemente especificado como IPC-4761 Tipo VI, ou “tendido e coberto”. É uma opção sedutora porque não custa nada a mais; o engenheiro de CAM simplesmente deixa a abertura da máscara sobre a via fechada.

Mas a Máscara de Solda Fotoprintável Líquida (LPI) não é um material estrutural. É uma fina camada de tinta. Quando você tende uma via em uma pad, você prende o ar dentro do tubo. Durante essa elevação para 245°C, o ar se expande. A máscara amolece. A pressão aumenta até explodir através da tampa de solda fundida, criando o vulcão mencionado anteriormente. Mesmo que ela não exploda, a bolha de gás pode permanecer presa na solda resfriada, criando um vazio massivo que atua como isolante térmico. Você colocou efetivamente seu processador de alta potência em uma almofada de ar, ao invés de um caminho de calor de cobre. Tenten é uma armadilha.

Alguns designers tentam ser engenhosos ao pedir vias “plugadas”. Eles presumem que “plugado” significa que o orifício está preenchido de forma sólida. No entanto, na terminologia da fábrica, “plugging” muitas vezes significa apenas injetar um pouco mais de máscara de solda no orifício para bloquear a luz. Raramente preenche completamente o tubo. Pior ainda, cria uma superfície não plana. O LPI cura e encolhe, deixando uma fenda ou depressão no centro do pad.

Quando a casa de montagem aplica pasta de solda nesse pad ondulado, o cálculo de volume está errado. A pasta se espalha na fenda. A bola do BGA, esperando uma superfície plana, agora precisa atravessar uma lacuna. Isso leva a defeitos de “ cabeça na almofada”, onde a bola repousa na pad, mas nunca realmente se molha nela, criando uma conexão intermitente que passará no teste de fábrica, mas falhará na primeira vez que o cliente deixar cair o dispositivo. Um plugue não é uma tampa, e uma fenda é um defeito esperando para acontecer.

A Única Saída: Tipo VII (VIPPO)

A única solução de engenharia que respeita a física do reflow é o IPC-4761 Tipo VII. Na indústria, isso é coloquialmente conhecido como VIPPO (Via em Pad Revestida). Não é uma única etapa — é uma sequência de operações de fabricação projetadas para transformar um orifício de volta em uma pad de cobre sólida, plana e uniforme.

O processo começa após a perfuração e revestimento iniciais. O fabricante força uma resina epóxi especializada para dentro do robe do via. Isto não é máscara de solda; é um composto dedicado ao enchimento de furos. Após a cura, a placa passa por uma fase de planarização — essencialmente uma lixagem mecânica que alisa o excesso de epóxi com a superfície de cobre. Finalmente, a placa volta para o tanque de galvanoplastia. Uma camada de cobre é depositada sobre o furo preenchido e lixado.

O resultado é uma pad que parece e age como cobre sólido. Não há furo para gás escapar. Não há cavidade para a solda penetrar. A bola BGA repousa em uma superfície condutora e perfeitamente plana. O calor do componente viaja através da tampa de cobre, para as paredes do revestimento do via, e até os planos internos. Isso cria uma pad de cobre monolítica imune à liberação de gases.

Aplanagem é a parte inegociável desta sequência. Se você especificar "via preenchido" sem indicar "coberto e galvanizado", obterá um tubo cheio de epóxi com resina exposta na parte superior. A solda não adere ao epóxi. Você ficará com uma rosquinha de cobre com um centro não molhável, o que pode ser pior que a cavidade. Você precisa do revestimento.

O Mito da Condutividade

Ao especificar o material de enchimento, você enfrentará um debate persistente: enchimento Condutivo vs. Não Condutivo. Muitos engenheiros acreditam intuitivamente que "condutivo é melhor" e especificam epóxi carregado com prata ou cobre, pensando que melhora o desempenho térmico. Para classes de confiabilidade padrão, isso quase sempre é um erro.

Pastas condutivas possuem um Coeficiente de Expansão Térmica (CET) que difere significativamente do laminado FR4 ao redor. À medida que a placa aquece e esfria durante a operação, ela expande a uma taxa (expansão no eixo Z) e o enchimento condutivo expande-se de outra. Essa incompatibilidade tenseas a camada de cobre do tubo do via. Após ciclos térmicos suficientes, o enchimento age como uma cunha, rachando o joelho de cobre ou separando o revestimento da parede do furo.

Epóxi não condutivo é formulado especificamente para combinar com o CET de laminados FR4 Tg170 padrão. Ele se move com a placa. E, quanto ao argumento térmico: a transferência de calor em um via acontece principalmente através do cilindro de cobre revestido, não do núcleo. A diferença de resistência térmica entre um via carregado com prata e um via preenchido com epóxi padrão é negligenciável para a maioria das aplicações. A menos que você esteja encaminhando 50 amps de corrente contínua onde a resistência elétrica do tubo é o único critério, o risco de confiabilidade do enchimento condutivo supera o ganho teórico. Mantenha o enchimento não condutivo.

Escrevendo a Nota Fab

Você não pode confiar no engenheiro de CAM para adivinhar sua intenção. Se você simplesmente deixar os vias nos pads e enviar os arquivos Gerber, uma loja conscientiosa irá pausar o trabalho. Uma loja de orçamento irá processá-los como furos abertos, e a solda penetra no tubo durante a montagem, deixando o pino do componente seco — o clássico "ladrão de solda".

Você deve adicionar uma camada específica ou um bloco de texto claro no seu desenho de fabricação. Precisa ser explícito. Não use termos vagos como "plugado". Use a definição padrão da indústria:

"Todos os vias em pads de BGA (ou camadas específicas) devem ser IPC-4761 Tipo VII. Preenchidos com epóxi não condutivo, planarizados e revestidos com uma camada de cobre mínimo de 12μm. A superfície final deve ser plana e soldável."

Este processo aumenta o custo. Dependendo do volume e da loja, pode acrescentar de 15% a 30% ao preço da placa base, pois requer ciclos extras de galvanoplastia e etapas manuais de planarização. Mas você não está pagando por um furo; está pagando pela ausência de um vulcão. Compare esse aumento de custo de placa de 20% com o custo de descartar uma produção de 5.000 unidades porque os QFNs estão flutuando em bolhas de ar. A matemática é simples. A física não negocia.