Il Ruolo della Progettazione dei Via nelle Prestazioni dei PCB - Tipi, Utilizzi e Linee Guida

Con dispositivi elettronici sempre più veloci, piccoli e complessi, la complessa progettazione dei circuiti stampati (PCB) diventa ancora più critica e, tra le tante caratteristiche vitali, i via spiccano come alcuni dei componenti piccoli ma essenziali.

A occhio nudo, i via possono sembrare dei piccoli fori sparsi sulle familiari superfici verdi o blu di un circuito stampato. Tuttavia, il loro ruolo è tutt'altro che secondario. Questi piccoli percorsi conduttivi collegano i diversi strati di un PCB, consentendo ai segnali e all'alimentazione di fluire senza soluzione di continuità attraverso la struttura multistrato. Senza i via, i sofisticati circuiti su cui facciamo affidamento ogni giorno non sarebbero possibili.

I via assicurano l'integrità del segnale, mantengono la connettività elettrica e gestiscono le prestazioni termiche. La loro progettazione, il loro posizionamento e il loro tipo possono determinare le prestazioni di un circuito stampato, influenzando direttamente l'affidabilità e l'efficienza dell'intero sistema.

La comprensione dei diversi tipi di via, delle loro applicazioni e delle migliori pratiche di progettazione, è fondamentale per chiunque si occupi di layout di circuiti stampati o di ingegneria elettrica. Che si tratti di via passanti, ciechi o interrati, ognuno di essi ha uno scopo specifico e comporta una serie di considerazioni progettuali. Ottimizzare l'implementazione dei via non significa solo collegare gli strati, ma anche consentire al PCB e al dispositivo che alimenta di funzionare al meglio.

In questo articolo ci addentreremo nel mondo dei via per circuiti stampati, facendo luce sul loro ruolo critico nell'elettronica moderna e offrendo spunti su come una progettazione accurata dei via possa migliorare significativamente le prestazioni complessive del sistema.

Che cos'è un via?

Un via è un percorso conduttivo che consente il passaggio di segnali elettrici o di energia tra gli strati di un PCB multistrato. Questi percorsi si formano praticando piccoli fori nella scheda, che vengono poi placcati con materiale conduttivo, solitamente rame. Senza i via, un PCB sarebbe confinato a un singolo strato di circuiti, limitandone fortemente la funzionalità e la densità.

I via sono più che semplici tunnel verticali: sono parte integrante dell'instradamento dei segnali. Nei progetti ad alta velocità o ad alta frequenza, le loro proprietà elettriche, come l'induttanza, la capacità e l'impedenza, devono essere considerate con attenzione per evitare il degrado delle prestazioni.

Utilizzo dei via nella progettazione dei circuiti stampati

I via svolgono un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni e le funzionalità del PCB. I loro usi principali includono:

• Trasmissione del segnale: I via consentono ai segnali elettrici di attraversare i vari strati del PCB, collegando circuiti e componenti situati su piani diversi. Questo aspetto è fondamentale nelle applicazioni ad alta velocità, dove è necessario preservare l'integrità del segnale.
• Distribuzione dell'alimentazione: I via aiutano a distribuire le connessioni di alimentazione e di terra tra gli strati, assicurando che i componenti ricevano un'alimentazione stabile senza interferenze.
• Gestione termica: La dissipazione del calore è fondamentale per evitare guasti ai componenti. Le canaline riempite di materiali conduttivi, come il rame, aiutano a trasferire il calore lontano dalle aree critiche.
• Ottimizzazione dello spazio: Consentendo le connessioni tra gli strati, i via permettono di realizzare progetti più compatti e di ospitare densità di componenti più elevate all'interno di spazi ridotti per i circuiti stampati.

Tipi di via e loro applicazioni

Esistono diversi tipi di via, ciascuno adattato a specifiche configurazioni di PCB e a requisiti di prestazioni (Figura 1). La più comune è il via a foro passante, che passa dallo strato superiore a quello inferiore e collega tutti gli strati intermedi. Pur essendo semplici ed economici, i via a foro passante possono occupare preziosi spazi sulla scheda e introdurre componenti parassite nei progetti ad alta velocità.

Per risolvere questi problemi, i progettisti ricorrono spesso a via ciechi e interrati. I via ciechi collegano uno strato esterno a uno o più strati interni senza attraversare completamente la scheda. I via interrati sono completamente racchiusi negli strati interni, invisibili dalla superficie della scheda. Questi tipi di via consentono una maggiore densità di strati e un migliore controllo dell'integrità del segnale, anche se con un costo di produzione più elevato.

Poi ci sono i microvia, una pietra miliare dei progetti di interconnessione ad alta densità (HDI). Sono perforati al laser e hanno in genere un diametro inferiore a 150 micron. Grazie alle loro dimensioni ridotte e alla possibilità di essere impilati o sfalsati, i microvia consentono un instradamento più stretto e componenti con passo più ravvicinato, essenziali negli smartphone, negli indossabili e nei dispositivi IoT compatti di oggi.

Un altro tipo meno affascinante, ma molto importante, è il via termico. Questi via sono spesso utilizzati per allontanare il calore dai componenti ad alta potenza, trasferendolo a un'area di rame più ampia o addirittura a un dissipatore su un altro strato. La gestione termica è un aspetto spesso sottovalutato della progettazione dei via, ma che diventa fondamentale nell'elettronica di potenza e nelle schede LED.

Figura 1: Sezione trasversale di un PCB multistrato che mostra fori passanti, ciechi e via interrati (Fonte: GlobalWell PCBA)

Impatto sull'integrità del segnale e sulle prestazioni

La progettazione dei via svolge un ruolo fondamentale nel mantenimento dell'integrità del segnale, in particolare nelle applicazioni ad alta velocità dove ogni aspetto del percorso del segnale diventa critico. La presenza di via può introdurre discontinuità nel percorso del segnale, causando riflessioni e disadattamenti di impedenza che possono degradare la qualità del segnale. Per mitigare questi effetti, i progettisti ricorrono spesso a tecniche come il back-drilling per rimuovere gli stub inutilizzati dei via, che possono altrimenti agire come strutture risonanti e compromettere l'integrità del segnale.

La gestione termica (Figura 2) rappresenta un altro aspetto cruciale in cui la progettazione dei via ha un impatto significativo. I via termici, specificamente progettati e posizionati vicino ai componenti ad alta potenza, creano percorsi efficienti per la dissipazione del calore. Il posizionamento strategico di questi via aiuta a prevenire la formazione di punti caldi e garantisce una distribuzione più uniforme della temperatura su tutta la scheda, migliorando in ultima analisi l'affidabilità e la longevità del sistema elettronico.

Figura 2: Dettaglio di un PCB con via termici (Fonte: FS PCBA)

Linee guida per la progettazione dei via

Un'efficace progettazione dei via è essenziale per ottenere prestazioni elevate, affidabilità ed efficienza nei circuiti stampati. Di seguito sono riportate alcune linee guida consigliate.

Contenimento del numero di via

Sebbene i via siano essenziali per le transizioni tra gli strati, ognuno di essi introduce induttanza e capacità parassite. Questi elementi parassiti possono avere un impatto negativo sull'integrità del segnale, soprattutto alle alte frequenze.

• Induttanza: Un via si comporta come un filo di lunghezza ridotta e possiede intrinsecamente un'induttanza. Questa induttanza può causare discontinuità di impedenza, con conseguenti riflessioni del segnale. L'induttanza di un via è approssimativamente proporzionale alla sua lunghezza. Pertanto, riducendo al minimo il numero delle transizioni tra gli strati che un segnale subisce, si riduce direttamente l'impatto induttivo complessivo.
• Capacità: Il corpo dei via e i piani circostanti formano un condensatore a piastre parallele. Questa capacità può causare ritardi nel segnale e influenzare l'impedenza. La capacità è influenzata dal diametro del via, dalla distanza dai piani circostanti e dalla costante dielettrica del materiale del PCB.

Tecniche per ridurre al minimo il numero di vie:

• Assegnazione strategica dei layer: pianificare lo stack-up dei layer e assegnare i segnali ai layer in modo ponderato può ridurre la necessità di transizioni eccessive tra i layer. Raggruppando i segnali correlati su layer adiacenti si può ridurre al minimo il numero di via necessari per collegarli.
• Strategie di routing ottimizzate: L'impiego di tecniche di instradamento efficienti, come la priorità del routing orizzontale su ogni livello prima di passare a un altro, può aiutare a ridurre al minimo le connessioni verticali non necessarie.
• Posizionamento dei componenti: Anche il posizionamento intelligente dei componenti può svolgere un ruolo importante. Posizionando i componenti che devono essere interconnessi vicino l'uno all'altro sullo stesso strato, si può ridurre la necessità di far viaggiare i segnali attraverso più strati tramite via.

Ottimizzazione tramite posizionamento

Il posizionamento dei via è fondamentale quanto la loro quantità (Figura 3). I via mal posizionati possono allungare la lunghezza delle tracce, creare disadattamenti di impedenza e aggravare i problemi di integrità del segnale.

• Riduzione della lunghezza delle tracce: la collocazione dei via più vicini ai pin dei componenti da collegare riduce al minimo la lunghezza delle tracce su ogni strato. Le tracce più corte presentano in genere una migliore integrità del segnale grazie alla riduzione delle perdite e delle riflessioni.
• Evitare le curve strette: Quando una traccia passa attraverso una via, evitare curve a 90 gradi immediatamente prima o dopo le vie. Queste curve strette possono causare discontinuità di impedenza. Utilizzate invece curve graduali per garantire un percorso del segnale più fluido.
• Mantenimento della continuità del segnale: Quando si instradano coppie differenziali o altri segnali critici, assicurarsi che i via utilizzati per entrambi i segnali siano posizionati simmetricamente e il più vicino possibile l'uno all'altro. Ciò contribuisce a mantenere il bilanciamento dei segnali e a ridurre al minimo lo skew.
• Via per segnali di massa e di alimentazione: Per le connessioni di massa e di potenza, il posizionamento strategico di più via può aiutare a ridurre l'induttanza e a migliorare la capacità di trasporto della corrente, contribuendo a una rete di alimentazione più stabile. La distribuzione uniforme dei via di massa può anche migliorare i percorsi di ritorno del segnale.

Figura 3: Primo piano di un PCB con layout BGA denso e utilizzo di microvie (Fonte: Altium Resources)

Utilizzo di via di dimensioni adeguate

Le dimensioni dei via devono essere attentamente considerate in base all'applicazione.

• Diametro del foro: I diametri di foratura più piccoli comportano generalmente una minore capacità parassita e un'impronta più piccola sugli strati del PCB, consentendo una maggiore densità di instradamento. Tuttavia, i via più piccoli possono presentare limitazioni in termini di capacità di trasporto della corrente e di producibilità (rapporto di aspetto - il rapporto tra lo spessore della scheda e il diametro della foratura).
• Diametro del pad: La piazzola fornisce il collegamento tra il cilindro del via e la traccia di rame su ogni strato. La dimensione del pad deve essere sufficientemente grande per garantire una connessione affidabile durante la saldatura e per adattarsi a potenziali disallineamenti durante la produzione. Tuttavia, pad più grandi possono aumentare la capacità parassita e limitare lo spazio di instradamento.
• Capacità di trasporto della corrente: Per i via di potenza, il diametro del corpo del via è fondamentale per gestire la corrente richiesta senza eccessive cadute di tensione o riscaldamento. I via di diametro maggiore offrono una resistenza inferiore.
• Frequenza del segnale: A frequenze più elevate, spesso si preferiscono via più piccoli per ridurre al minimo le riflessioni del segnale e le discontinuità di impedenza.

Effetti degli stub

I fori passanti che collegano più strati creano stub, ovvero porzioni inutilizzate del foro passante. Questi stub possono agire come strutture risonanti, causando riflessioni del segnale e problemi di integrità del segnale, in particolare alle frequenze più elevate dove la lunghezza dello stub diventa una frazione significativa della lunghezza d'onda del segnale.

Tecniche di mitigazione degli effetti di via stub:

• Foratura posteriore (foratura a profondità controllata): Questo processo prevede la foratura della porzione inutilizzata del cilindro del via dal lato posteriore del PCB dopo la placcatura iniziale. La foratura posteriore elimina o riduce in modo significativo la lunghezza dello stub. Tuttavia, aggiunge un'ulteriore fase di produzione e un costo aggiuntivo.
• Via ciechi e interrati: Per loro natura, i via ciechi e interrati non si estendono attraverso tutti gli strati, eliminando così la creazione di stub per i segnali collegati. Questo è un vantaggio significativo nei progetti ad alta velocità.
• Ottimizzazione del posizionamento delle vie: A volte, un'attenta assegnazione degli strati e il posizionamento delle vie possono ridurre al minimo la lunghezza degli stub, anche con le vie a foro passante. Ad esempio, se un segnale passa dal layer 1 al layer 3 in una scheda a 4 strati, può essere utile posizionare il via in modo che lo stub sul layer 4 sia corto.

Garantire un corretto adattamento dell'impedenza

I via introducono discontinuità di impedenza nel percorso del segnale a causa delle loro caratteristiche induttive e capacitive. Queste discontinuità possono causare riflessioni del segnale che ne compromettono l'integrità.

Tecniche per migliorare l'adattamento dell'impedenza intorno ai via:

• Distanza dal piano di massa: La distanza tra la piazzola del via e il piano di massa circostante influisce sulla capacità e sull'impedenza del via. L'ottimizzazione di questa distanza può aiutare a far corrispondere l'impedenza del passaggio all'impedenza della traccia.
• Aggiunta di via di massa: La collocazione di via di massa vicino ai via di segnale può contribuire a fornire un percorso di ritorno migliore per i segnali ad alta frequenza e a ridurre le discontinuità di impedenza. Queste maglie di terra creano un ambiente elettromagnetico più controllato intorno alla via di segnale.
• Cucitura dei via: per i segnali critici, soprattutto alle alte frequenze, l'uso di più via a distanza ravvicinata (cucitura dei via) può contribuire a creare un ambiente di impedenza più uniforme e a migliorare l'integrità del segnale.

Considerazioni sulla produzione e standard industriali

Il processo di produzione dei via per circuiti stampati richiede un'attenzione particolare agli standard e alle best practice del settore. L'Institute for Printed Circuits (IPC) fornisce linee guida complete attraverso standard come IPC-2221 e IPC-6012, che specificano i requisiti per la progettazione e le prestazioni dei via. Questi standard assicurano coerenza e affidabilità nella produzione di PCB, affrontando aspetti critici come la protezione dei via e i requisiti di qualifica.

Le moderne tecniche di produzione hanno ampliato le possibilità di implementazione dei via, ma presentano anche alcune limitazioni che i progettisti devono considerare. Ad esempio, la produzione di via ciechi e interrati comporta processi complessi che richiedono tecniche precise di foratura e placcatura. L'aspect ratio dei via - il rapporto tra il diametro e la profondità del foro - rimane una considerazione critica che influisce sia sulla producibilità che sull'affidabilità.

05.06.2025