Devre Kartlarının Gizli Kahramanları: PCB Via’larıyla Tanışın !

Selamlar herkese. Yeni bir yazıma hoşgeldiniz, uzun zamandır yazmıyordum. Ara sıra gaza gelip tekrardan yazıyorum. Aslında bildiklerimi, deneyimlediklerimi aktarmayı oldukça seviyorum fakat bir yazı yazıp onu toparlamaya çalışmak zor geliyor.

Via’lar PCB tasarımında oldukça önemli bir rol oynamaktadır, dolayısıyla bildiklerimin bir kısmını bu yazıda anlatmaya çalışacağım. Umarım başarılı olabilirim 🙂

Nedir Bu Via ?

İlk önce açılımı ile başlayalım. Bu yazıya başlamadan önce ben de via’nın bir kısaltma olduğunu bilmiyordum.

Via’nın açılımı “vertical interconnect access” olarak yapılır. Türkçe’ye “dikey bağlantı erişimi” olarak çevrilir.

Aslına baktığımızda ismi kendisini açıklıyor. Dolayısıyla via, PCB üzerinde farklı katmanlardaki izole bakır yolları birbirine bağlamak için kullanılan deliklerdir. Daha net bir tanım koymamız gerekir ise via, PCB üzerindeki farklı katmanlar arasında elektriksel bağlantı sağlayan küçük deliklerdir diyebiliriz.

Via’nın ne olduğunu anlayabilmek için biraz daha açalım. PCB katmanlardan oluşur. PCB’de en basit tanımla bir katman bakırdır bir katman yalıtkan materyallerdir. Dolayısıyla ayrı ayrı bakır katmanlar elde edilir ve yalıtkan sayesinde bu bakır katmanlar birbirine değmeden, kısa devre olmadan istenilen şekilde şekillendirilebilir fakat bu durumda bakır katmanlar birbirinden izole durumdadır. Dolayısı ile, bizim bu bakır katmanları istediğimiz yerden bağlayabilmemiz gerekir. İşte bu noktada devreye via’lar girer. Bu iki izole bakırı birbirine bağlamak için via kullanılır.

Dolayısıyla, bir katmandan geçiremediğimiz bir hattı diğer bir katmanda geçirmemiz için bize imkan sunar. PCB tasarımı yapmamış bir kişi önemini kavrayabilir mi via’ların emin değilim ama oldukça hayati bir olgudur kendileri.

Via’lar üzerinden bir benzetme yapmak gerekirse iki adet karşılıklı araba için yol düşünün, bunları bir köprü ile bağlarsak araba oradan geçebilir. Via için aynısı geçerlidir, bakır katmanları bağlantısız fakat via ile bağlarsak yoldan akım akabilir hale geliyor.

PCB’de via’nız yoksa muhtemelen tek yüz bir PCB tasarlamaktasınızdır muhtemelen, her hattınızı tek yüzeyden götürmeye çalışıyorsunuzdur. Via ile alt katmana inip hattı çok daha kısa bir şekilde gitmesi gerektiği yere götürebilirsiniz belki fakat tek yüzlü bir PCB’de bunu başaramazsınız. Hattın oldukça uzadığı durumlar oluşmaktadır. Hat da ne kadar uzarsa sinyalin bütünlüğünü yani signal integrity’sini kötüleştiriyoruz diyebiliriz genel anlamda.

Via’lar Nerelerde Kullanılır ?

Via’ların birden çok kullanım alanı vardır. Bazılarını aşağıda yazacağım ve açıklayacağım 🙂

• Katman Bağlantısı: PCB’ler genellikle çok katmanlıdır. Via’lar, bu farklı katmanlar arasında elektriksel bağlantı sağlar. Örneğin, bir sinyal üst katmandan alt katmana geçmelidir, bu durumda via kullanılır.
• Güç Dağıtımı: Güç hatları genellikle iç katmanlarda bulunur. Via’lar, bu güç hatlarını PCB’nin diğer katmanlarına bağlar ve güç dağıtımını sağlar.
• Toprak Bağlantısı: Toprak hatları da genellikle iç katmanlarda bulunur. Via’lar, toprak bağlantılarını tesis ederek düşük empedanslı bir toprak referansı oluşturur. (Çok önemli bir kullanım alanıdır.)
• Bileşen Bağlantısı: Via’lar, yüzey montajlı bileşenlerin altındaki katmanlara bağlanmasını sağlar. Özellikle çok katmanlı PCB’lerde, bu tip via’lar bileşenlerin bağlantıları için önemlidir. Misal olarak, çok sayıda ball’a sahip bir BGA verilebilir. BGA’nın en dıştaki 2 ball sırasını en üst katmandan hat olarak çıkabilsek de genellikle iç taraflardaki ball’lar için via atılır ve alt katmanlardan çıkılır.
• Isı Transferi: Via’lar aynı zamanda ısı transferinde de rol oynar. Bileşenlerin altındaki bakır yüzeyler ve via’lar, ısıyı yaymaya yardımcı olabilir. (Oldukça önemli kullanım alanlarından biridir, çok fayda sağlar).
• Via Dikişi: Yüksek frekans hatların yan tarafına sıralı şekilde via dizilir. Yanında giden sinyal için hem crosstalk’u önler hem de EMC için pozitif bir etkidir.

Yukarıdaki görsel bir dikiş (stitching) örneğidir. Hattın yanından via dikişi geçilmiştir.

Göründüğü üzere via’ların kullanım alanları ve PCB’ye yaptığı katkı say say bitmiyor. Gerçekten gizli kahramanlarıdır, cep boy 🙂

Via Türleri Nelerdir ?

Yaygın olarak kullanılan via türleri:

• Delik Via’lar (Through-hole Via): Bu tip via, PCB’nin tüm katmanları boyunca uzanır ve farklı katmanları birbirine bağlamak için kullanılır. Delik via’lar genellikle daha büyük çaplıdır ve daha fazla akım taşıma kapasitesine sahip olabilir. Çoğu PCB’de gördüğünüz via’lardır, PCB’lerin üzerine baktığınızda net bir şekilde görülürler. Üstü soldermask ile kaplı olabilir veya olmayabilir. Her halükarda görülebilir. PTH (plating through-hole) ve NPTH (non-plating through-hole) olmak üzere iki türü vardır. PTH vias, farklı PCB katmanları arasında elektriksel bağlantı sağlamak için kullanılırken, NPTH vias, PCB’nin mekanik bağlantısı için kullanılır.
• Gömülü Via’lar (Blind Via): Yalnızca belirli katmanlara ulaşan via’lardır. PCB’nin en dış katmanından başlayan ve içeride bir katmanda sonlanan via çeşididir. 2 katmanlı bir kartta Blind via bulunmaz. Kartın en az 4 katman olması gerekmektedir. Örnek vermek gerekirse, 1. katmandan 3.katmana kadar giden bir via blind via’dır. Dolayısıyla 4. katmanda gözlemlenmez. Blind vialar, daha karmaşık devre tasarımlarına izin verir.
• Gömülü Delik Via’lar (Buried Via): Sadece PCB’nin iç katmanlarında bulunan via’lardır. Blind Via gibi 2 katmanlı bir kartta bulunmazlar. En az 4 katman gereklidir. Örnek vermek gerekirse, 2 ve 3. katmanı bağlayan bir via buried via’dır. Dolayısıyla 1 ve 4. katmanda gözlemlenmez. Gömülü delik via’lar genellikle daha küçük çaplıdır.
• Microvia’lar: Yüksek yoğunluklu devre kartı tasarımlarında kullanılan küçük çaplı via’lardır. Microvia’lar, genellikle çok katmanlı PCB’lerde, özellikle BGA (Ball Grid Array) paketleri altında ve yanında kullanılır.
• Laser Delik Via’lar: Lazer teknolojisi kullanılarak delik delinen via türüdür. Bu, daha yüksek yoğunluktaki devre kartları ve ince iz genişlikleri için uygundur.
• Stacked Via: PCB’nin farklı katmanları arasında bağlantı sağlamak için kullanılır. Stacked vias, blind veya buried vias olabilir. PCB üzerinde bir bütün halinde değil de tek tek delinirler.
• Staggered Via: PCB’nin farklı katmanları arasında bağlantı sağlamak için kullanılır. Staggered vias, stacked vias gibi farklı katmanlar arasında bağlantı sağlar. Bir sinyali atlamalı olarak götürmek için kullanılırlar.
• Microvia: PCB’nin farklı katmanları arasında bağlantı sağlamak için kullanılır. Microvias, PCB’nin daha küçük boyutlu ve daha yoğunluğu yüksek olan bölgelerinde kullanılır. Tek bir katmandan altındaki veya üstündeki katmana geçmek için kullanılır.
• Vias in Pad: PCB’nin farklı katmanları arasında bağlantı sağlamak için kullanılır. Vias in Pad, PCB’nin bileşenlerinin altında yer alan pad’lerde kullanılır.

Peki Via’ların Akım Taşıma Kapasitesi Nasıl Belirlenir ?

Via’ların akım taşıma kapasitesi, via’nın çapına, iç kaplamasına, kullanılan malzemelere ve tasarım parametrelerine bağlı olarak değişiklik gösterir. Genel olarak, via’nın akım taşıma kapasitesi, via boyunca geçen akımın ısı üretimine neden olmadan geçebileceği maksimum akıma işaret eder.

Via’nın akım taşıma kapasitesini belirleyen faktörler şunlardır:

• Via Çapı: Genellikle, via çapı arttıkça akım taşıma kapasitesi de artar. Daha geniş bir çap, daha düşük bir direnç ve daha fazla akım taşıma kapasitesi sağlar.
• İç Kaplama: Via’nın iç kısmına kaplanan iletken malzeme (genellikle bakır), akım taşıma kapasitesini etkiler. Kalın bir iç kaplama, daha yüksek akım taşıma kapasitesi sağlayabilir.
• Çevresel Koşullar: PCB’nin çalışma ortamı ve çevresel koşullar da akım taşıma kapasitesini etkileyebilir. Özellikle yüksek sıcaklık gibi ekstrem koşullar, via’nın ısı dağılımını etkileyerek akım taşıma kapasitesini azaltabilir.

Via’nın akım taşıma kapasitesini belirlemek için genellikle termal analiz ve simülasyon araçları kullanılır. Bu araçlar, via’nın ısı dağılımını ve sıcaklık profiline bakarak akım taşıma kapasitesini tahmin edebilir. Bu, via tasarımında güvenilir ve güvenli bir akım taşıma kapasitesi elde etmek için önemlidir.

Via Covering Nedir ? Türleri Nelerdir ?

PCB via covering, bir PCB’de yer alan via’ların özel bir kaplama ile kapatılması veya korunması işlemidir. Via kaplaması, PCB’nin performansını artırır ve viaları dış etkenlere karşı korur.

• Tenting: Via’nın sadece üst kısmının kaplanmasıdır. Via’nın üstü soldermask ile kapatılır. Maskeyi kaldırdığımız zaman via’nın alt kısmı açık kalır ve lehimleme işlemleri sırasında erişilebilir olur. İç kısmına herhangi bir işlem yapılmaz.
• Plugging: Via’nın tamamen kaplanmasıdır. Via’nın hem üst kısmı hem alt kısmı hem de iç kısmı kaplanır ve böylece via tamamen korunur. Bu yöntem, PCB üzerinde daha düz bir yüzey sağlar ve lehimleme işlemleri sırasında via’ya erişimi engeller.
• Filling: Via’nın içerisine bir dolgu malzemesi enjekte edilerek kaplanmasıdır. Bu yöntemde, via tamamen dolgu malzemesi ile doldurulur ve böylece daha iyi bir elektriksel performans sağlanır.

Via kaplama yöntemi, PCB tasarımına ve uygulama gereksinimlerine bağlı olarak seçilir. Her bir yöntemin avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır ve kullanılacak olan yöntem, tasarımcının tercihine bağlı olarak belirlenir.

PTH Via’nın Üretim Süreci

PTH (Plated Through Hole) via’lar, PCB tasarımında en yaygın kullanılan via türüdür. PTH via’ların üretim sürecinin temel adımları:

• Delik Delme (Drilling): İlk adım, PCB üzerinde via’nın yerini belirleyerek via deliğini açmaktır. CNC delme makineleri kullanılarak bu delikler hassas bir şekilde açılır. PTH via’lar için delik çapı belirli bir toleransa sahip olmalıdır.
• Delik Temizleme (Deburring): Delikler açıldıktan sonra, deliklerin kenarlarındaki keskin kenarları temizlemek ve düzeltmek için bir deburring işlemi uygulanır. Bu adım, deliklerin kaplama işlemine daha iyi hazırlanmasını sağlar.
• Yüzey Hazırlığı: Via delikleri açıldıktan sonra, PCB’nin yüzeyi kaplama işlemi için hazırlanır. Yüzey temizlenir ve özel kimyasallar kullanılarak deliklerin etrafındaki yüzey aktive edilir.
• Elektrokaplama (Electroplating): PTH via’lar, elektrokaplama adı verilen bir süreçle kaplanır. Via delikleri, bir elektrolit çözeltisi içinde batırılır ve üzerine bir kaplama metal (genellikle bakır) elektrolitik olarak çökeltilir. Bu adım, via deliğini kaplayan metal tabakasını oluşturur ve farklı katmanlar arasında elektriksel bağlantı sağlar.
• Kaplama Kontrolü: Elektrokaplama işlemi sonrasında, kaplama kalitesi kontrol edilir. Kaplama kalitesi, via deliklerinin kaplanmış olup olmadığını ve kaplamanın yeterli kalınlıkta olup olmadığını belirler.
• Lehim Maske Uygulaması: PTH via’ların üzerine lehim uygulanacaksa, lehim maskesi uygulanır. Lehim maskesi, via deliklerini lehim uygulamasından korur.
• Son Kontrol ve Test: PCB üretim sürecinin son aşamasında, üretilen PTH via’lar ve genel PCB kalite kontrol testlerinden geçer. Bu adım, deliklerin doğru konumda olduğunu, kaplamanın uygun olduğunu ve PCB’nin işlevselliğini doğrulamak için yapılır.

Via Annular Ring Nedir ?

PCB annular ring, bir via’nın veya bir deliğin çevresindeki bakır halkayı ifade eder. Annular ring, via deliği çapının yarı çapı ile deliğin çevresi arasındaki boşluğu temsil eder. Genellikle bu terim, deliğin iç çapının yarısının, dış çapın yarısından çıkarılmasıyla hesaplanan bir ölçüdür.

Formülle ifade edilirse:

Annular Ring=(Dış Çap – İç Çap) / 2

Annular ring, PCB tasarımında oldukça önemlidir çünkü bu alan, lehimleme işlemi sırasında lehimin güvenilir bir şekilde via veya pad ile bağlanmasını sağlar. İyi bir annular ring tasarımı, lehimleme sırasında olası hataları ve güçlü bir mekanik bağlantıyı destekler.

Genellikle, belirli bir uygulamanın gereksinimlerine ve PCB üretim sürecine bağlı olarak belirlenen minimum annular ring genişlikleri vardır. Bu genişlik, PCB’nin güvenilir ve dayanıklı bir şekilde üretilmesini sağlamak amacıyla belirlenir. İyi bir PCB tasarımında, annular ring genişliği ve via çapları doğru bir şekilde seçilmelidir.

Yazımızı tamamladık. Umarım faydalı olabilmişimdir. Sorularınız var ise iletişime geçmekten çekinmeyin.