مواصفات تصميم قطر فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة

في التصميم الإلكتروني الحديث،, تصميم لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) يُعد جزءًا أساسيًا من عملية تطوير المنتج بأكملها. ويؤثر تصميم الثقوب، على وجه الخصوص، تأثيرًا مباشرًا على مؤشرات الأداء الرئيسية مثل سلامة الإشارة، والقوة الميكانيكية، وقابلية التصنيع. وفيما يلي شرح مفصل لعدة جوانب لمساعدة المستخدمين على الفهم الكامل والإتقان التام للعناصر الأساسية لتصميم ثقوب لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).

مقدمة موجزة عن الثقوب الموصلة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

تُعد لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) مكونات أساسية أو وحدات أساسية في بناء الدوائر، حيث يتم توصيل عناصر الدائرة المختلفة بها. ومع ذلك، فإن العامل الأكثر أهمية في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة وتركيب المكونات هو تصنيع الثقوب المختلفة. ويتم تصنيع هذه الثقوب باستخدام تقنيات وعمليات مختلفة. لكل نوع من الثقوب عملية تصنيع وخصائص أداء فريدة. وتتمثل الوظائف الأساسية للثقوب في تسهيل تركيب المكونات على اللوحة، وتوفير توصيلات كهربائية قوية وموثوقة، وتعزيز القوة الهيكلية للوحة الدوائر المطبوعة.

تعريف «الفتحة» في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

في اللوحات ثنائية الجوانب ومتعددة الطبقات، يُعرف «الفيّا» بأنه ثقب مشترك يتم حفره عند تقاطع المسارات الموصلة المطبوعة التي يجب ربطها بين الطبقات من أجل توصيل تلك المسارات. ومن حيث عملية تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة, ، يتم ترسيب طبقة معدنية كيميائيًا على السطح الأسطواني لجدار الثقب لربط رقائق النحاس في الطبقات الوسيطة، بينما يتم تحويل السطحين العلوي والسفلي للثقب إلى نقاط لحام دائرية. وتشمل المعلمات الرئيسية للثقب القطر الخارجي للثقب، وحلقة اللحام، وحجم ثقب الحفر.

مزايا وعيوب ثقوب التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

ميزة

يحل توصيل الإشارات محل عملية التوصيل السابقة باستخدام الجسور، مما يجعل العملية أكثر بساطة ويحسن كفاءة الإنتاج.

عيب

تتميز الثقوب (الفياس) بكل من السعة الطفيلية والمحاثة الطفيلية. وفي تصميم الدوائر الرقمية عالية السرعة، غالبًا ما تفوق الآثار الضارة للمحاثة الطفيلية الناتجة عن الثقوب (الفياس) آثار السعة الطفيلية. وفي خطوط النقل، يتجلى ذلك في شكل انقطاعات في المعاوقة وتأخيرات في الإشارات عالية السرعة. أما في أنظمة إمداد الطاقة، فإن الحث التسلسلي الطفيفي يضعف مساهمة المكثفات الالتفافية، مما يقلل من التأثير الترشيحي الإجمالي لنظام إمداد الطاقة.

الأنواع من مادة PCB الفتحات

الثقوب المارة (PTH)	عادةً ما يبلغ قطر الثقوب المعدنية التي تخترق اللوحة بأكملها 0.2 مم أو أكثر.
الثقب الأعمى	بالنسبة للثقوب المحلية الممتدة من السطح إلى الطبقة الداخلية، يُوصى بأن تكون نسبة العمق إلى القطر ≤1:1.
مدفون عبر	تتطلب الثقوب البينية بين الطبقات عملية تصفيح متعددة الطبقات.

قواعد تصميم فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) : حدود الحجم، ومتطلبات التباعد، ومواصفات التصنيع

بغض النظر عن نوع PCB, ، وهناك مواصفات ومتطلبات محددة تتعلق بتصميمها. وفيما يلي ملخص للقواعد والمواصفات ذات الصلة بتصميم فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB).

تتطلب المواصفات الأساسية للتصميم ما يلي:

نسبة فتحة العدسة إلى سماكة اللوحة (نسبة العمق إلى القطر)	بالنسبة للثقوب المارة العادية، يُوصى بأن تظل نسبة العمق إلى القطر في حدود 1:10 أو 1:12 لتجنب حدوث عيوب في عملية الطلاء الكهربائي.
العلاقة بين الوسادة والفتحة	يبلغ عرض الحلقة الخارجية عادةً ≥ 5 ميل، ويبلغ عرض الحلقة الداخلية عادةً ≥ 8 ميل، وذلك لضمان القوة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي.
متطلبات تباعد الثقوب	يُنصح بأن تكون المسافة بين المركزين أو المسافة من الحافة ≥ 0.5 مم. وإذا كانت أقل من 0.3 مم، فمن السهل أن يتسبب ذلك في حدوث جسور لحام أو كسر أثناء المعالجة.
اقتراحات لتحسين العمليات	بالنسبة للثقوب التي يبلغ قطرها 0.5 مم أو أقل، يُوصى بتطبيق معالجة بسد الثقوب وزيت مانع للتسرب لمنع تدفق مادة اللحام إلى داخل الثقب.

الأحجام والمواصفات الشائعة

ثقب عابر قياسي	القطر الداخلي المعتاد ≥ 0.2 مم، والقطر الخارجي ≥ 0.4 مم (في الحالات القصوى، قد يصل القطر الخارجي إلى 0.35 مم).
الثقوب الدقيقة/الثقوب العمياء	يبلغ القطر الداخلي للثقب الأعمى من الدرجة الأولى عادةً 0.1 ملم، بينما يبلغ القطر الخارجي 0.25 ملم.
ثقوب التوصيل بين مصدر الطاقة والأرضية	يُنصح باستخدام مقاس أكبر قليلاً (قطر خارجي يتراوح بين 0.55 مم و0.7 مم أو أكثر) لتوصيل تيار كهربائي أكبر. .
إرسال إشارة عبر	تتراوح الأقطار الشائعة الاستخدام بين 0.4 مم و 0.55 مم.

قواعد التباعد والتخطيط

المسافة بين الثقوب	يُعتبر البعد بين المراكز الذي يبلغ 0.5 مم أو أكثر هو المثالي؛ أما البعد الذي يقل عن 0.3 مم فيُعتبر مخالفة.
اللوحات والفتحات	تجنب وضع الثقوب المارة مباشرةً على اللوحات الصغيرة (مثل لوحات RC مقاس 0402 أو أصغر). يُنصح بالحفاظ على مسافة تبلغ 4-8 مل لمنع حدوث ظاهرة «تومبستون» أو تسرب اللحام أثناء عملية اللحام.
متطلبات التوصيل	عادةً ما تتطلب الثقوب التي يبلغ قطرها 0.5 مم أو أقل سدّها وتغليفها. أما الثقوب الموجودة أسفل رقائق BGA فيجب أن تكون متمركزة على اللوحة وأن يتم سدها.

المعلمات الرئيسية للتصميم

مواصفات فتحة العدسة	حدود الحفر الميكانيكي: 0.15-6.5 مم (قياسي) / 0.1-0.15 مم (عالي الدقة)
	الحفر بالليزر: قادر على إحداث ثقوب دقيقة يتراوح قطرها بين 0.05 و0.1 ملم.
	الحد الأقصى لنسبة العرض إلى الارتفاع: ≤10:1 (التصميم القياسي)، يُوصى بـ ≤8:1
متطلبات تباعد الثقوب	تبلغ المسافة من حافة الثقب إلى السلك 0.15 ملم أو أكثر.
	يبلغ التباعد بين الثقوب الموصلة في نفس الشبكة 0.1 مم أو أكثر.
	يبلغ التباعد بين الثقوب الموصلة في أنواع الشبكات المختلفة 0.2 مم أو أكثر.
تصميم الوسادة	قطر الوسادة القياسي = قطر الثقب + 0.2 مم (عرض الحلقة 0.1 مم من كل جانب)
	يمكن تقليل عرض حلقة لوحة HDI إلى 0.075 مم.
	يُنصح باستخدام وسادات NSMD في مناطق BGA.

متطلبات سلامة الإشارة

عن طريق التحكم في المعاوقة	قم بزيادة حجم لوحة مقاومة اللحام (بما لا يقل عن ضعف حجم الفتحة).
	يتم استخدام تقنية الحفر العكسي (طول الركيزة المتبقية ≤ 0.15 مم).
	ثقوب تمرير الإشارات عالية السرعة ≤ 2 لكل مسار إرسال
تصميم لتبديد الحرارة	الطاقة/التأريض عبر تباعد المصفوفة 2-3 مم
	يبلغ قطر فتحات تبديد الحرارة 0.3 مم أو أكثر.
	معالجة بالحبر الداكن (زيادة في معامل الانبعاث بمقدار 30%)

مواصفات عملية التصنيع

متطلبات مقاومة اللحام	عمق السدادة ≤ 0.8 ضعف قطر المسام
	سماكة الحبر 8-15 ميكرومتر
	يجب أن يكون قطر فتحة النافذة من أحد الجوانب ≥0.05 مم.
تعويضات الحفر	تعويض الحفر الميكانيكي = قطر الثقب × 3% + 0.05 مم
	تعويض الحفر بالليزر ±0.01 مم
معايير الاختبار	يبلغ سمك النحاس في جدار الثقب ≥18 ميكرومتر (1 أونصة من النحاس الأساسي).
	دقة موضع الثقب ±0.05 مم (عملية LDI)
	ليونة النحاس في الثقوب المارة ≥15% (تتوافق مع معيار IPC6012B)

متطلبات التصميم الخاصة

تصميم الفتحة المتدرجة	فرق الارتفاع بين الدرجات ≤ 0.3 مم
	زاوية الانتقال ≥ 120°
	المسافة بين الطبقات المتجاورة ≥ 3 × سماكة اللوحة
علاج سد الثقوب	سدادات لاصقة موصلة للثقوب: مناسبة للأقطار التي لا تتجاوز 0.3 مم
	حشو الراتنج: يتيح عملية التسوية.
	نسبة القطر الأقصى للمقبس: 1:1.5
يُنصح بالنظر في عملية التصميم المحددة.	تحقق من ذلك عن طريق قياس المعاوقة باستخدام أداة حساب المعاوقة (مثل Polar SI9000).
	إجراء تحليل قابلية التصنيع (DFM) (باستخدام أدوات مثل Valor وNPI).

النسبة المثلى لثقوب التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

عندما يسمح المساحة بذلك، يُعتبر حجم الثقب الذي يتراوح بين 0.3 مم و0.5 مم هو الحجم الأمثل عمومًا. وتتمثل النسبة المثلى في أن يكون القطر الخارجي للثقب أكبر بـ 12 ميل من قطره الداخلي؛ على سبيل المثال، إذا كان قطر الثقب 12 ميل، فسيكون القطر الخارجي 24 ميل، مما يؤدي إلى تحقيق النسبة المثلى. يؤثر حجم القطر الخارجي بشكل معين على صعوبة المحاذاة أثناء الإنتاج وموثوقية المنتج. لكل عملية إنتاج حدود تفاوت مسموح بها. إذا كان القطر الخارجي صغيرًا جدًّا، وانحرفت عمليات الحفر والمحاذاة بشكل كبير، فقد تتعرض لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) النهائية لخطر حدوث ثقوب متفجرة (ما يسميه مصنعو لوحات الدوائر المطبوعة “الوسادات المكسورة”). كما يمكن أن تؤدي الوسادات المكسورة إلى عدم كفاية سعة حمل التيار في المنتج.

اعتبارات تصميم فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

1. يجب مراعاة كل من التكلفة وجودة الإشارة عند اختيار الحجم المناسب للثقب المار. على سبيل المثال، بالنسبة لتصميمات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) لوحدات الذاكرة المكونة من 6 إلى 10 طبقات، يُوصى باستخدام مواصفات 10/20 ميل (ثقب الحفر/المنصة)؛ أما بالنسبة للوحات الدوائر الصغيرة عالية الكثافة، فيمكن أيضًا تجربة قطر ثقب مار يبلغ 8/18 ميل. في ظل الظروف التكنولوجية الحالية، يصعب استخدام أحجام ثقوب توصيل أصغر. أما بالنسبة لثقوب التوصيل الخاصة بالطاقة أو التأريض، فيمكن النظر في استخدام أحجام أكبر لتقليل المعاوقة.

2. يساعد استخدام لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) الأقل سمكًا في تقليل معلمتين طفيفتين للثقوب الموصلة.

3. تجنب تغيير طبقة مسارات الإشارات على لوحة الدوائر المطبوعة قدر الإمكان، أي قلل من استخدام الثقوب المارة غير الضرورية إلى أدنى حد ممكن.

4. يجب حفر فتحات دبابيس الطاقة والتأريض على مسافة قريبة من بعضها البعض، ويجب أن يكون طول السلك بين الثقب الدبوس والدبوس قصيرًا قدر الإمكان، لأن ذلك سيزيد من الحث. وفي الوقت نفسه، يجب أن تكون أسلاك الطاقة والتأريض سميكة قدر الإمكان لتقليل المعاوقة.

5. إن وضع ثقوب التوصيل الأرضية بالقرب من ثقوب التوصيل في طبقة الإشارة يوفر أقرب حلقة أرضية للإشارة. ويمكن حتى وضع عدد كبير من ثقوب التوصيل الأرضية الزائدة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، شريطة أن يكون التصميم مرنًا. وينطبق نموذج ثقوب التوصيل المذكور أعلاه على الحالات التي توجد فيها نقاط التوصيل على جميع الطبقات. في بعض الأحيان، يمكن تقليل عدد نقاط التوصيل الموجودة على بعض الطبقات أو حتى إزالتها، خاصةً عندما تكون كثافة الثقوب عالية للغاية، حيث إن ذلك قد يؤدي إلى حدوث انقطاعات في الأخاديد، مما يؤدي بدوره إلى تكوين حلقات مقطوعة في طبقة النحاس. لحل هذه المشكلة، إلى جانب تعديل مواقع الثقوب، يمكن أيضًا النظر في وضع الثقوب مباشرةً على طبقة النحاس.

نموذج مكافئ لثقوب التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) في الدوائر عالية السرعة

تؤدي الثقوب (الفياس) حتمًا إلى ظهور سعة وحث طفيفين. ورغم أن ذلك قد لا يكون ملحوظًا في خطوط النقل منخفضة السرعة أو عالية التردد، إلا أنه قد يتسبب في حدوث تأخيرات أو تشوهات في شكل الموجة في خطوط النقل عالية السرعة، حيث يصبح هذا التأثير ملحوظًا وقد يؤثر على نجاح أو فشل تصميم النظام. تعمل الثقوب في خطوط النقل كانقطاعات في المعاوقة، مما يتسبب في انعكاس الإشارة. بشكل عام، تكون المعاوقة المكافئة للثقب أقل بحوالي 12% من معاوقة خط النقل. على سبيل المثال، سينخفض معاوقة خط نقل 50 أوم بمقدار 6 أوم عند المرور عبر ثقب (يعتمد الانخفاض الدقيق على حجم الثقب وسماكة اللوحة، وهو ليس مطلقًا). ومع ذلك، فإن الانعكاس الناتج عن انقطاع المعاوقة في الثقب لا يكاد يُذكر، حيث يبلغ معامل الانعكاس (44-50)/(44+50) = 0.06 فقط. وتعود المشكلات التي تسببها الثقوب في المقام الأول إلى تأثيرات السعة والحث الطفيفين.

اختر شركة «جيوان إلكترونيكس» كشريكك في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بكميات كبيرة

شركة جيوان للإلكترونيات هي منصة بنية تحتية ذكية شاملة تعتمد على الذكاء الاصطناعي مخصصة للمنتجات الإلكترونية. ومن خلال دمج البرمجيات الصناعية ومنظومات المهندسين،, الشركة المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) من خلال دمج النظم الإيكولوجية لسلسلة التوريد والنظم الإيكولوجية للتصنيع المرن، قمنا ببناء نظام إيكولوجي مغلق الحلقة في مجال سلسلة التوريد الإلكترونية، ونلتزم بجعل ابتكار الأجهزة أكثر بساطة. منذ تأسيسنا، قمنا بتطوير “حل جي يوان”، الذي يتميز بقدرات فائقة في تصميم حلول إنترنت الأشياء؛ ووكلاء الذكاء الاصطناعي وأدوات أتمتة التصميم الإلكتروني؛ وأدوات تحليل التصميم الداخلية الخاصة بقابلية التصنيع؛ وخدمات شراء المكونات الإلكترونية الشاملة؛ ونظام بحث وتطوير لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) متعددة الطبقات عالي الموثوقية ونظام التصنيع الذكي؛ وتجميع SMT؛; PCBA; ؛ وخدمات متكاملة لتصنيع المنتجات الإلكترونية. نقدم للعملاء حلاً ذكيًّا متكاملاً يربط بين التصميم والإنتاج والمشتريات والتسليم، مما يُعيد تشكيل النموذج التقليدي المجزأ الذي يتسم بعدم التكافؤ في المعلومات في مجال تصنيع المنتجات الإلكترونية، ويُحسّن كفاءة السلسلة بأكملها بدءًا من التصميم وحتى الإنتاج الضخم، ويخلق قيمة للأفكار الإبداعية للمستخدمين.

تلخيص

تُعد ثقوب لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) عنصرًا حاسمًا في تصميم هذه اللوحات وفي الأداء السليم للأجهزة والمشاريع الإلكترونية. فهذه الثقوب ضرورية لإقامة التوصيلات الكهربائية بين طبقات لوحة الدائرة المختلفة ولتوفير القوة الميكانيكية. ولذلك، عند تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، من الضروري الالتزام بقواعد ومواصفات التصميم لتجنب مشكلات الجودة المختلفة أثناء الإنتاج الضخم، والتي قد تؤدي إلى تأخير الجدول الزمني للمشروع.

يلخص هذا المقال القواعد والمتطلبات الخاصة بتصميم فتحات التوصيل في لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، والتي جمعها فريق الهندسة في شركة Geyuan Electronics. ويجب تعديل متطلبات التصميم هذه وفقًا لسيناريو الاستخدام المحدد (الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية/الصناعية/السيارات، إلخ) وتردد الإشارة (رقمي/ترددات راديوية عالية). على سبيل المثال، تتطلب اللوحات الإلكترونية للسيارات هامش أمان إضافي يبلغ 20% أو أكثر، في حين أن لوحات الدوائر المطبوعة عالية التردد قد تتطلب تفاوتات أكثر صرامة في المعاوقة (±5%). إذا كانت لديك احتياجات لإنتاج كميات كبيرة من لوحات الدوائر المطبوعة، يرجى الاتصال بنا للحصول على المساعدة.