Auslegungsspezifikationen für den Durchmesser von Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

In der modernen Elektronikentwicklung, Entwurf von Leiterplatten (PCB) ist ein wesentlicher Bestandteil des gesamten Produktentwicklungsprozesses. Insbesondere die Lochauslegung hat direkten Einfluss auf wichtige Leistungskennzahlen wie Signalintegrität, mechanische Festigkeit und Herstellbarkeit. Im Folgenden werden verschiedene Aspekte näher erläutert, um Anwendern zu helfen, die Kernelemente der Lochauslegung bei Leiterplatten vollständig zu verstehen und zu beherrschen.

Eine kurze Einführung in PCB-Durchkontaktierungen

Leiterplatten (PCBs) sind entscheidende Komponenten oder Grundeinheiten im Schaltungsbau, auf denen verschiedene Schaltungselemente angeschlossen werden. Der entscheidende Faktor beim Leiterplattendesign und bei der Bestückung mit Bauteilen ist jedoch die Herstellung der verschiedenen Löcher. Diese Löcher werden mithilfe verschiedener Techniken und Verfahren hergestellt. Jede Art von Bohrung weist einen eigenen Fertigungsprozess und spezifische Leistungsmerkmale auf. Die Hauptfunktionen von Bohrungen bestehen darin, die Bestückung der Leiterplatte zu erleichtern, robuste und zuverlässige elektrische Verbindungen herzustellen sowie die strukturelle Festigkeit der Leiterplatte zu erhöhen.

Definition einer Leiterplatten-Durchkontaktierung

Bei doppelseitigen und mehrschichtigen Leiterplatten ist eine Durchkontaktierung ein gemeinsames Loch, das an der Schnittstelle von Leiterbahnen gebohrt wird, die zwischen den Schichten verbunden werden müssen, um die Leiterbahnen miteinander zu verbinden. In Bezug auf Herstellungsprozess von Leiterplatten, wird eine Metallschicht chemisch auf die zylindrische Oberfläche der Via-Wand aufgebracht, um die Kupferfolien der Zwischenschichten zu verbinden, während die Ober- und Unterseite der Via zu kreisförmigen Lötpads ausgearbeitet werden. Zu den wichtigsten Parametern einer Via zählen der Außendurchmesser des Lochs, der Löt ring und die Bohrlochgröße.

Vor- und Nachteile von Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

Vorteil

Die Signalverbindung ersetzt das bisherige Verfahren mit Jumpern, wodurch der Prozess vereinfacht und die Produktionseffizienz gesteigert wird.

Mangel

Vias weisen sowohl parasitäre Kapazität als auch parasitäre Induktivität auf. Bei der Entwicklung von digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen überwiegen die nachteiligen Auswirkungen der parasitären Induktivität von Vias häufig die Auswirkungen der parasitären Kapazität. In Übertragungsleitungen äußert sich dies in Impedanzsprüngen und Verzögerungen bei Hochgeschwindigkeitssignalen. In Stromversorgungssystemen schwächt die parasitäre Reiheninduktivität den Beitrag von Bypass-Kondensatoren ab und verringert so die Gesamtfilterwirkung des Stromversorgungssystems.

Typen von Leiterplatten Durchkontaktierungen

Durchstecklöcher (PTH)	Metallisierte Löcher, die die gesamte Leiterplatte durchdringen, haben in der Regel einen Durchmesser von ≥ 0,2 mm.
Blind-Via	Bei lokalen Durchkontaktierungen, die von der Oberfläche bis zur inneren Schicht reichen, wird ein Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser von ≤ 1:1 empfohlen.
Beigesetzt über	Durchkontaktierungen zwischen den Schichten erfordern einen mehrschichtigen Laminierungsprozess.

Entwurfsregeln für Durchkontaktierungen auf Leiterplatten : Größenbeschränkungen, Abstandsanforderungen und Fertigungsspezifikationen

Unabhängig von der Art der Leiterplatte, … gibt es entsprechende Spezifikationen und Anforderungen für dessen Auslegung. Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der relevanten Regeln und Spezifikationen für die Auslegung von Durchkontaktierungen auf Leiterplatten.

Die grundlegenden Konstruktionsvorgaben erfordern

Verhältnis von Öffnungsdurchmesser zu Plattendicke (Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser)	Bei gewöhnlichen Durchgangslöchern wird empfohlen, das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser auf 1:10 oder 1:12 zu begrenzen, um eine mangelhafte Galvanisierung zu vermeiden.
Zusammenhang zwischen Pad und Apertur	Die Breite des Außenrings beträgt typischerweise ≥ 5 mil, die des Innenrings typischerweise ≥ 8 mil, um die mechanische Festigkeit und die elektrische Verbindung zu gewährleisten.
Anforderungen an den Lochabstand	Es wird empfohlen, einen Mittenabstand oder Randabstand von ≥ 0,5 mm einzuhalten. Liegt dieser unter 0,3 mm, kann es bei der Bearbeitung leicht zu Lötbrücken oder Brüchen kommen.
Vorschläge zur Prozessoptimierung	Bei Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ≤ 0,5 mm wird empfohlen, eine Versiegelung und eine Ölbehandlung durchzuführen, um zu verhindern, dass Lötzinn in die Durchkontaktierung fließt.

Gängige Größen und Spezifikationen

Standard-Durchsteckbohrung	Üblicher Innendurchmesser ≥ 0,2 mm, Außendurchmesser ≥ 0,4 mm (in Extremfällen kann der Außendurchmesser bis zu 0,35 mm betragen).
Mikrolöcher/Blindlöcher	Der Innendurchmesser eines Sacklochs erster Ordnung beträgt in der Regel 0,1 mm, der Außendurchmesser 0,25 mm.
Stromversorgungs-/Masse-Durchkontaktierungen	Es wird empfohlen, eine etwas größere Größe (Außendurchmesser 0,55 mm – 0,7 mm oder mehr) zu verwenden, um einen höheren Strom führen zu können. .
Signal über	Üblicherweise werden Durchmesser von 0,4 mm bis 0,55 mm verwendet.

Regeln für Abstände und Layout

Lochabstand	Ein Mittenabstand von ≥ 0,5 mm ist ideal; ein Abstand von weniger als 0,3 mm gilt als Verstoß.
Pads und Durchkontaktierungen	Vermeiden Sie es, Durchkontaktierungen direkt auf winzigen Pads (z. B. ≤ 0402 RC-Pads) zu platzieren. Es wird empfohlen, einen Abstand von 4–8 mil einzuhalten, um ein „Tombstoning“ oder das Auslaufen von Lötzinn beim Löten zu verhindern.
Anforderungen an den Stecker	Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ≤ 0,5 mm müssen in der Regel verfüllt und vergossen werden. Durchkontaktierungen unter BGAs müssen auf dem Kontaktfeld zentriert und verfüllt werden.

Wichtige Auslegungsparameter

Blendenangaben	Mechanische Bohrgrenzen: 0,15–6,5 mm (Standard) / 0,1–0,15 mm (Hochpräzision)
	Laserbohren: Ermöglicht die Herstellung von Mikrobohrungen mit einem Durchmesser von 0,05–0,1 mm.
	Einschränkung des Seitenverhältnisses: ≤ 10:1 (Standardausführung), empfohlen ≤ 8:1
Anforderungen an den Lochabstand	Der Abstand vom Lochrand zum Draht beträgt ≥ 0,15 mm.
	Der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen innerhalb desselben Netzwerks beträgt ≥ 0,1 mm.
	Der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen beträgt bei verschiedenen Netzwerktypen ≥ 0,2 mm.
Pad-Design	Standard-Scheibendurchmesser = Lochdurchmesser + 0,2 mm (0,1 mm Ringbreite auf jeder Seite)
	Die Ringbreite der Leiterplatte kann auf 0,075 mm reduziert werden.
	Für BGA-Bereiche werden NSMD-Pads empfohlen.

Anforderungen an die Signalintegrität

Über Impedanzregelung	Vergrößern Sie das Anti-Löt-Pad (≥ das Zweifache der Öffnung).
	Es kommt die Rückbohrtechnik zum Einsatz (Restpfahllänge ≤ 0,15 mm).
	Hochgeschwindigkeits-Signal-Vias: ≤ 2 pro Übertragungspfad
Kühlungskonzeption	Stromversorgung/Masse über einen Abstand zwischen den Pins von 2–3 mm
	Der Durchmesser der Wärmeableitungslöcher beträgt ≥ 0,3 mm.
	Behandlung mit dunkler Tinte (Erhöhung des Emissionsgrades um 30%)

Spezifikationen für den Fertigungsprozess

Anforderungen an die Lötbeständigkeit	Steckertiefe ≤ 0,8-facher Porendurchmesser
	Tintenstärke 8–15 μm
	Der Durchmesser der Fensteröffnung auf einer Seite sollte ≥ 0,05 mm betragen.
Bohrungsausgleich	Mechanischer Bohrungsausgleich = Bohrungsdurchmesser × 3% + 0,05 mm
	Laserbohrungsausgleich ±0,01 mm
Prüfnormen	Die Kupferdicke der Lochwand beträgt ≥ 18 μm (1 oz Basiskupfer).
	Genauigkeit der Lochposition ±0,05 mm (LDI-Verfahren)
	Duktilität des Kupfers in Durchkontaktierungen ≥ 15% (entspricht IPC6012B)

Besondere Anforderungen an die Konstruktion

Stufenbohrung	Stufenunterschied ≤ 0,3 mm
	Übergangswinkel ≥ 120°
	Abstand zwischen benachbarten Schichten ≥ 3 × Plattendicke
Behandlung zur Füllung von Löchern	Leitfähige Klebe-Blindstopfen für Bohrungen: geeignet für Durchmesser ≤ 0,3 mm
	Verfüllung mit Harz: ermöglicht die Planarisierung.
	Maximales Verhältnis des Steckerdurchmessers: 1:1,5
Es wird empfohlen, den jeweiligen Entwurfsprozess zu berücksichtigen.	Überprüfen Sie dies anhand der Impedanz mit einem Impedanzmessgerät (z. B. Polar SI9000).
	Führen Sie eine DFM-Analyse durch (unter Verwendung von Tools wie Valor und NPI).

Optimales Verhältnis der PCB-Durchkontaktierungen

Sofern der Platz es zulässt, gilt eine Via-Größe von 0,3 mm bis 0,5 mm im Allgemeinen als optimal. Das optimale Verhältnis besteht darin, dass der Außendurchmesser der Via 12 mil größer ist als ihr Innendurchmesser; beträgt der Via-Durchmesser beispielsweise 12 mil, würde der Außendurchmesser 24 mil betragen, was zu diesem optimalen Verhältnis führt. Die Größe des Außendurchmessers hat einen gewissen Einfluss auf die Schwierigkeit der Ausrichtung während der Fertigung und auf die Zuverlässigkeit des Produkts. Jeder Fertigungsprozess unterliegt Toleranzen. Ist der Außendurchmesser zu klein und weichen die Bohr- und Ausrichtungsprozesse erheblich ab, besteht bei der fertigen Leiterplatte die Gefahr von Lochbrüchen (was Leiterplattenhersteller als “broken pads” bezeichnen). Gebrochene Pads können zudem zu einer unzureichenden Strombelastbarkeit des Produkts führen.

Überlegungen zum Design von Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

1. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl einer geeigneten Via-Größe sowohl die Kosten als auch die Signalqualität. Für Leiterplattenentwürfe von Speichermodulen mit 6 bis 10 Lagen wird beispielsweise eine Spezifikation von 10/20 mil (Bohrloch/Pad) empfohlen; bei kleinen Leiterplatten mit hoher Packungsdichte kann auch ein Via-Durchmesser von 8/18 mil ausprobiert werden. Unter den derzeitigen technologischen Bedingungen ist es schwierig, kleinere Via-Größen zu verwenden. Bei Stromversorgungs- oder Masse-Vias können größere Größen in Betracht gezogen werden, um die Impedanz zu reduzieren.

2. Durch die Verwendung einer dünneren Leiterplatte lassen sich zwei parasitäre Parameter von Durchkontaktierungen reduzieren.

3. Vermeiden Sie es so weit wie möglich, die Lage der Signalleitungen auf der Leiterplatte zu ändern, d. h., beschränken Sie die Verwendung unnötiger Durchkontaktierungen auf ein Minimum.

4. Die Stromversorgungs- und Massepins sollten nahe beieinander gebohrt werden, und die Leitungslänge zwischen der Durchkontaktierung und dem Pin sollte so kurz wie möglich sein, da dies die Induktivität erhöht. Gleichzeitig sollten die Stromversorgungs- und Masseleitungen so dick wie möglich ausgeführt werden, um die Impedanz zu verringern.

5. Durch die Platzierung von Masse-Vias in der Nähe von Vias auf der Signalschicht entsteht die kürzeste Masseschleife für das Signal. Selbst eine große Anzahl redundanter Masse-Vias kann auf der Leiterplatte platziert werden, sofern das Design flexibel ist. Das oben genannte Via-Modell gilt für Szenarien, in denen auf allen Schichten Pads vorhanden sind. Manchmal können Pads auf einigen Schichten reduziert oder sogar entfernt werden, insbesondere wenn die Via-Dichte extrem hoch ist, da dies zur Bildung unterbrochener Gräben führen kann, die wiederum unterbrochene Schleifen in der Kupferschicht verursachen. Um dieses Problem zu lösen, kann man neben der Anpassung der Via-Positionen auch in Betracht ziehen, die Vias direkt auf der Kupferschicht zu platzieren.

Äquivalenzmodell für PCB-Durchkontaktierungen in Hochgeschwindigkeitsschaltungen

Durchkontaktierungen führen zwangsläufig zu parasitären Kapazitäten und Induktivitäten. Während dies bei Übertragungsleitungen mit niedriger Geschwindigkeit oder hohen Frequenzen möglicherweise nicht auffällt, kann es bei Hochgeschwindigkeitsleitungen zu Verzögerungen oder Wellenformverzerrungen führen, die erheblich werden und möglicherweise den Erfolg oder Misserfolg des Systemdesigns beeinflussen. Vias auf Übertragungsleitungen wirken als Impedanzdiskontinuitäten und verursachen Signalreflexionen. Im Allgemeinen ist die Ersatzimpedanz einer Durchkontaktierung etwa 12% niedriger als die der Übertragungsleitung. Beispielsweise verringert sich die Impedanz einer 50-Ohm-Übertragungsleitung beim Durchlaufen einer Durchkontaktierung um 6 Ohm (die genaue Verringerung hängt von der Größe der Durchkontaktierung und der Plattendicke ab und ist nicht absolut). Die durch die Impedanzdiskontinuität einer Durchkontaktierung verursachte Reflexion ist jedoch vernachlässigbar, mit einem Reflexionskoeffizienten von nur (44–50)/(44+50) = 0,06. Die durch Durchkontaktierungen verursachten Probleme sind in erster Linie auf die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten zurückzuführen.

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Zusammenfassen

Löcher in Leiterplatten sind ein entscheidender Bestandteil des Leiterplattenentwurfs und für die ordnungsgemäße Funktion elektronischer Geräte und Projekte von entscheidender Bedeutung. Diese Löcher sind unerlässlich, um elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Leiterplattenlagen herzustellen und für mechanische Festigkeit zu sorgen. Daher ist es beim Entwurf einer Leiterplatte von entscheidender Bedeutung, die Entwurfsregeln und Spezifikationen einzuhalten, um verschiedene Qualitätsprobleme während der Serienfertigung zu vermeiden, die den Projektzeitplan verzögern könnten.

Dieser Artikel fasst die Regeln und Anforderungen für das Design von Leiterplatten-Durchkontaktierungen zusammen, die vom Ingenieurteam von Geyuan Electronics zusammengestellt wurden. Diese Designanforderungen müssen je nach konkretem Anwendungsszenario (Unterhaltungselektronik/Industrie/Automobilbereich usw.) und Signalfrequenz (digital/Hochfrequenz-HF) angepasst werden. Beispielsweise erfordern elektronische Leiterplatten für den Automobilbereich eine zusätzliche Sicherheitsmarge von 20% oder mehr, während für Hochfrequenz-Leiterplatten möglicherweise strengere Impedanztoleranzen (±5%) erforderlich sind. Wenn Sie Bedarf an der Produktion von Leiterplatten in großen Stückzahlen haben, wenden Sie sich bitte an uns, damit wir Ihnen weiterhelfen können.