Entwurfsregeln für Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

In der modernen Elektronikentwicklung, Entwurf von Leiterplatten (PCB) ist ein entscheidender Bestandteil des gesamten Produktentwicklungsprozesses. Insbesondere das Via-Design wirkt sich direkt auf wichtige Leistungsindikatoren wie Signalintegrität, mechanische Festigkeit und Herstellbarkeit aus. Eine moderne Leiterplatte kann Tausende von Leiterbahnen, Anschlussflächen und Durchkontaktierungen enthalten, um Signale zu leiten und Strom zwischen den Pins der Bauelemente zu übertragen. Die Aufgabe des Leiterplattenentwicklers besteht darin, diese Komponenten zu organisieren und zu entwerfen, sie korrekt zu verbinden und einen Kontakt mit anderen Signal- oder Stromnetzen zu vermeiden. Dies erfordert das Verlegen von Leiterbahnen im Leiterplattenentwurf und den Einsatz von Durchkontaktierungen, um die Lücken zwischen den Schichten zu überbrücken.

Auch wenn die Verwendung von Durchkontaktierungen auf den ersten Blick einfach erscheinen mag, kommen in der Praxis viele verschiedene Arten von Durchkontaktierungen zum Einsatz. Für jeden Durchkontaktierungstyp gelten möglicherweise unterschiedliche Anwendungsregeln. Als Leiterplattenentwickler ist es Ihre Aufgabe, die Durchkontaktierungen übersichtlich zu organisieren und die richtigen Regeln für jeden Typ in Ihrem CAD-System anzuwenden. Im Folgenden werden verschiedene Aspekte näher erläutert, damit Anwender die Kernpunkte und Regeln des Designs von Leiterplatten-Durchkontaktierungen vollständig verstehen und beherrschen können. .

Was sind PCB-Durchkontaktierungen?

Eine Durchkontaktierung auf einer Leiterplatte ist ein Loch, durch das elektrische Signale und Stromsignale zwischen verschiedenen Schichten übertragen werden können. Bei komplexen mehrschichtigen Leiterplattenentwürfen durchqueren Durchkontaktierungen in der Regel mehrere Schichten, um Verbindungen zwischen diesen herzustellen, während sie bei einlagigen Leiterplattenentwürfen dazu dienen, die Schaltungsführung zu erleichtern.

Leiterplatte über Typen

Durchgangsbohrung	Durchkontaktierungen sind am weitesten verbreitet und am einfachsten herzustellen. Allerdings unterliegen sie Mindestgrößenbeschränkungen und nehmen in Bauformen mit hoher Bestückungsdichte viel Platz ein.
Sacklöcher und verdeckte Löcher	Blind-Vias und Buried-Vias beginnen entweder an der äußeren Schicht und durchqueren den Leiterplattenstapel nur teilweise (Blind-Vias) oder verlaufen ausschließlich zwischen den inneren Schichten (Buried-Vias). Diese Durchkontaktierungen erfordern im Vergleich zu Standard-Durchkontaktierungen mehr Fertigungsschritte. Aufgrund der Anforderungen an die Signalintegrität und der Möglichkeit, zusätzliche Leiterbahnen oberhalb und/oder unterhalb dieser Durchkontaktierungen anzulegen, sind diese Durchkontaktierungen jedoch kürzer und in Entwürfen daher vorteilhafter.
Microvia	Mikrovias, auch als lasergebohrte Durchkontaktierungen bekannt, erstrecken sich nur über zwei Schichten; sie sind eine ideale Verdrahtungsmethode für dichte Bauteile mit kleinem Rastermaß und hoher Pin-Anzahl.

Leiterplatte Durchkontaktierungen

Elektrische Signalverbindung herstellen	Durch die Verwendung von Durchkontaktierungen, die mehrere Schichten durchqueren, können verschiedene elektrische Signale miteinander verbunden werden, um einen vollständigen Schaltkreis zu bilden. Dies ist besonders wichtig für die Übertragung von Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssignalen.
Bestimmen Sie den Einbauort und die Ausrichtung der Leiterplatte	Durch Durchkontaktierungen lassen sich Leiterplatten an Geräten befestigen, was eine präzise Positionierung der Leiterplatte innerhalb des Geräts ermöglicht. Während des Bestückungsprozesses erleichtern Durchkontaktierungen zudem die präzise Positionierung von ICs und anderen Bauteilen. Dies trägt ebenfalls dazu bei, den Produktionsprozess zu beschleunigen und die Produktionseffizienz zu steigern.
Wärmeableitungsfunktion	Hochleistungsbauelemente benötigen Durchkontaktierungen zur Wärmeableitung. Über diese Durchkontaktierungen kann die Wärme an einen an der Unterseite der Leiterplatte angebrachten Kühlkörper abgeleitet werden, wodurch die Temperatur der Bauteile gesenkt und die Zuverlässigkeit sowie die Leistung der Bauelemente erhöht werden.

Leiterplatte gemäß den Regeln

Über die Größeneinstellung	Die Abmessungen der Durchkontaktierungen sollten auf der Grundlage der Auslegungsdicke der Leiterplatte, der Anzahl der Schichten und der zu verbindenden elektrischen Signale festgelegt werden. Im Allgemeinen liegen die Mindestanforderungen für die Fertigung bei einem Durchmesser von 8 mil und einer Breite von 0,15 mm. Bei der Auslegung der Durchkontaktierungen sollte sichergestellt werden, dass ausreichend Platz vorhanden ist und die Anzahl der Durchkontaktierungen innerhalb der Schichten ausreicht, um alle erforderlichen Verbindungen zu gewährleisten.
Über die Positionseinstellung	Durchkontaktierungen sollten von anderen kritischen Bauteilen, insbesondere von empfindlichen Sensoren, ferngehalten werden. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollten die Durchkontaktierungen in der Mitte der Pads an einer im Layout gut zugänglichen Stelle platziert werden.
Bestätigung der Abmessungen	Bei der Layout-Gestaltung sollten die Durchkontaktierungen den vorgegebenen Abmessungen entsprechen. Dies kann die Herstellungskosten senken und die Produktionseffizienz steigern. Bei anderen Außenabmessungen sollte auf ein angemessenes Seitenverhältnis der Durchkontaktierungen geachtet werden, und der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen sollte beim eigentlichen Schneiden sorgfältig berücksichtigt werden, um die Ausbeute in der Fertigungslinie sicherzustellen.

Anwendungsbereiche und Verfahren der herkömmlichen Durchsteckmontage Leiterplattenentwürfe

In der aktuellen Leiterplattenfertigung Nach den geltenden Normen sind standardmäßig plattierte Durchkontaktierungen zu einem grundlegenden Bestandteil des Leiterplattenentwurfs geworden. Durchkontaktierungen können in Leiterplatten jeder gewünschten Größe gebohrt werden, wodurch Leiterbahnen oder Kupferbahnen mit Durchkontaktierungen auf jeder beliebigen Schicht der Leiterplatte verbunden werden können. Durchkontaktierungen finden vielfältige Verwendung, darunter:

Herkömmliche Verkabelung	Durchkontaktierungen sind ein gängiges Verfahren, um Signalbahnen von einer Leiterplattenebene auf eine andere zu führen.
Fluchtwegverkabelung	Bei oberflächenmontierten Bauteilen müssen die Pins in der Regel direkt mit Durchkontaktierungen verbunden werden, um die Verdrahtung auf den inneren Schichten von mehrschichtigen Leiterplatten zu ermöglichen. Diese Escape- oder Fan-Out-Durchkontaktierungen werden üblicherweise vor dem Verlegen anderer Leiterbahnen verlegt. Das Platzierungsmuster der Escape-Durchkontaktierungen sollte so festgelegt werden, dass in den darunter liegenden inneren Schichten der Leiterplatte möglichst viele Verdrahtungswege offenbleiben.
Stromverkabelung	Vias werden auch verwendet, um Bauteile mit Versorgungs- oder Masseflächen oder Leiterbahnen zu verbinden. Die meisten Versorgungs-Vias sind größer als normale Verdrahtungs-Vias, um die höheren Ströme aufnehmen zu können, die durch sie fließen können.

Besondere Anwendungsmöglichkeiten von Durchkontaktierungen bei der Leiterplattenkonstruktion

Durchkontaktierungen werden auf Leiterplatten auch für spezielle Zwecke oder in besonderen Situationen verwendet, darunter die folgenden:

Wärmeableitungslöcher	Bei Bauteilen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, sind Durchkontaktierungen in der Regel in ein großes zentrales Massepad eingebettet, um eine effektive Wärmeableitung über die Masseebene der Leiterplatte zu ermöglichen. Diese Durchkontaktierungen sind entscheidend, um zu verhindern, dass sich durch Wärmeentwicklung Fehlfunktionen bei anderen Bauteilen auf der Leiterplatte ergeben.
Nahtloch	Diese Durchkontaktierungen ermöglichen mehrere Verbindungen für Hochstromschaltungen, die über mehrere Stromleitungen auf verschiedenen Schichten der Leiterplatte geführt werden. Nahtdurchkontaktierungen tragen zudem dazu bei, Wärme aus diesen Schaltungen abzuleiten und die Induktivität der Verbindungen zu verringern.
Abschirmungsloch	Durch die Anordnung mehrerer Erdungs-Vias um empfindliche Schaltungen herum entsteht ein Faraday-Käfig-Effekt. Diese Verdrahtungsmethode trägt dazu bei, die Auswirkungen potenzieller EMI-Probleme auf die Schaltung zu unterdrücken.
Erdungsdurchgangsbohrung	Bei Hochgeschwindigkeits-Schaltungen werden Masseübertragungs-Vias verwendet, um die Signalrückwege zwischen mehreren Masseebenen aufrechtzuerhalten, wenn das Signal zwischen den Schichten weitergeleitet wird.
Erdungsdurchgangsbohrung	Bei Hochgeschwindigkeits-Schaltungen werden Masseübertragungs-Vias verwendet, um die Signalrückwege zwischen mehreren Masseebenen aufrechtzuerhalten, wenn das Signal zwischen den Schichten weitergeleitet wird.
Loch in der Platte	Vias können innerhalb der Pads von hochpackungsdichten Oberflächenmontagebauelementen wie beispielsweise Ball-Grid-Array-Gehäusen (BGA) platziert werden. Dies trägt zur Lösung von Abstandsproblemen bei, doch die Herstellung von In-Pad-Vias kann für Hersteller, die mechanische Bohrer für Standard-Durchkontaktierungen verwenden, eine Herausforderung darstellen. Mikrovias bieten hier eine bessere Lösung.

Entwurfsregeln für Durchsteckbohrungen auf Leiterplatten und Vorsichtsmaßnahmen während der Fertigung.

Durchkontaktierungen erfordern auf jeder Schicht der Leiterplatte ein Pad. Das Pad muss groß genug für die Bohrung sein, aber dennoch klein genug, um nicht zu viel Platz einzunehmen. Außerdem müssen auf den ebenen Schichten der Leiterplatte Standard-Anti-Pads vorgesehen werden, deren Größe dem Bohrdurchmesser angemessen ist. Der Metallring, der das Durchgangsloch auf der äußeren Schicht der Leiterplatte umgibt, wird als Annulus bezeichnet, und der Annulus ist einer der Hauptfaktoren, die die Zuverlässigkeitsklasse der Leiterplatte bestimmen. Bei Leiterplatten der Klasse 1 darf der Annulus durch das Bohren beschädigt werden, während bei Klasse 2 der Bohrer tangential zum Annulus verlaufen muss. Leiterplatten der Klasse 3 weisen die höchste Zuverlässigkeitsklasse auf, und die Dicke des Annulus darf an keiner Stelle um den Bohrer herum weniger als 5 mil betragen.

Eine weitere wichtige Designregel für Durchkontaktierungen besteht darin, die Größe der Durchkontaktierung anhand des Seitenverhältnisses zwischen dem Durchmesser des Bohrlochs und der Leiterplattenstärke zu wählen. Mechanische Bohrer haben eine begrenzte Bohrtiefe, und das Seitenverhältnis bestimmt die Grenze dieser Tiefe. In der Regel legen Leiterplattenhersteller ein Seitenverhältnis von maximal 10:1 fest, was bedeutet, dass bei einer 62-mil-dicken Leiterplatte die kleinste zuverlässig bohrbare Via-Größe 6 mil beträgt.

Werden Durchkontaktierungen zur Verbindung von Hochgeschwindigkeitssignalen auf den ersten beiden Lagen einer 12-lagigen Leiterplatte verwendet, können die meisten ungenutzten Durchkontaktierungen als Antennen wirken und Probleme mit der Signalintegrität verursachen. Um dem entgegenzuwirken, führen viele Hersteller eine Rückbohrung der ungenutzten Durchkontaktierungsabschnitte durch. Das Rückbohren erfordert spezifische Anweisungen und Daten von den Entwicklern, in denen festgelegt wird, welche Durchkontaktierungen entfernt werden sollen. Allerdings erhöht das Rückbohren die Herstellungskosten, und eine bessere Option ist in der Regel die Verwendung von Mikrovias, Blind-Vias oder vergrabenen Durchkontaktierungen, um die Leistung der Leiterplatte zu verbessern.

Schließlich können Durchkontaktierungen bei Bedarf abgedeckt oder verfüllt werden, doch wie beim Rückbohren erfordert auch dieser Vorgang, dass der Leiterplattenentwickler dem Hersteller konkrete Anweisungen gibt:

Öl zum Abdecken von Durchgangslöchern	Das Abdecken von Durchkontaktierungen mit einer Lötmaske füllt das Durchgangsloch zwar nicht vollständig aus, es muss jedoch darauf geachtet werden, dass sich beim Erhitzen während des Lötvorgangs keine Luftblasen im Gehäuse bilden, da dies zu Gasleckagen führen könnte. In der Regel wird in der Mitte der Lötmaske über der Durchkontaktierung ein kleines Loch belassen, damit heiße Luft entweichen kann. Die Lötmaske für die Durchkontaktierung hilft dabei, die Durchkontaktierung näher an das Oberflächenmontage-Pad-Muster heranzuführen, ohne dass Lötzinn durch das Loch fließen kann.
Verfüllung mit leitfähiger Paste	Durchkontaktierungen werden mit Epoxidharz gefüllt, das mit metallischen Werkstoffen wie Gold, Silber oder Kupfer verbunden ist. Dieses Verfahren zur Füllung von Durchkontaktierungen trägt dazu bei, die Strombelastbarkeit und die Wärmeableitung der Durchkontaktierungen zu verbessern, ist jedoch kostspielig.
Nichtleitender Schlammpfropf	Dieses Verfahren zum Verschließen von Durchkontaktierungen schützt die Durchkontaktierungen, ohne dass eine Oberflächenbehandlung erforderlich ist, verbessert jedoch weder die Wärmeableitung noch die Strombelastbarkeit. Bei diesem Verfahren kommen in der Regel Lötmasken oder ähnliche Materialien zum Einsatz.

Entwurfsregeln für blinde und vergrabene Durchkontaktierungen auf Leiterplatten

Um mehr Platz für die Leiterbahnführung auf Leiterplatten zu schaffen, haben Hersteller ein Verfahren entwickelt, mit dem die Anzahl der Leiterplattenlagen begrenzt wird, die von Durchkontaktierungen durchdrungen werden können. Diese Durchkontaktierungen werden als „Blind-Vias“ oder „Buried-Vias“ bezeichnet, doch sollten Entwickler beachten, dass ihre Herstellung teurer ist als die von herkömmlichen Durchkontaktierungen.

Was ist ein Sackloch und welche Konstruktionsregeln gelten dafür?

Blind-Vias beginnen auf der äußeren Schicht einer Leiterplatte und durchdringen nur einen Teil des Leiterplattenstapels. Da Blind-Vias maschinell gebohrt werden, gelten für sie dieselben Beschränkungen hinsichtlich der Bohrgröße wie für Durchkontaktierungen. Innerhalb des Leiterplattenstapels ermöglichen Blind-Vias jedoch zusätzliche Verlegungskanäle unterhalb oder oberhalb von ihnen. Dies verschafft Blindvias einen erheblichen Vorteil gegenüber rückseitig gebohrten Durchkontaktierungen, da diese aufgrund ihrer röhrenförmigen Gestalt keine Verlegung unterhalb oder oberhalb von ihnen zulassen. Darüber hinaus werden Blindvias sequenziell hergestellt, was bedeutet, dass Schichtenpaare gebohrt und beschichtet werden, bevor sie miteinander verbunden werden. Da Blindvias zusätzliche Schritte im Fertigungsprozess erfordern, sind sie nicht kosteneffizient, doch kann ihr Einsatz aus Gründen der Signalintegrität oder der elektrischen Leistungsfähigkeit erforderlich sein. Leiterplattenentwickler sollten Blindvias mit Bedacht einsetzen und sie nur dann verwenden, wenn dies notwendig ist und nachdem sie die Fertigungsdetails mit dem Leiterplattenhersteller abgeklärt haben.

Was ist ein unterirdisches Bohrloch und seine Gestaltungsregeln?

Vergrabene Durchkontaktierungen werden ebenso wie blinde Durchkontaktierungen mechanisch gebohrt, allerdings liegen ihre Start- und Endpunkte auf den inneren Schichten der Leiterplatte und nicht auf der Oberfläche. Vergrabene Durchkontaktierungen sind besonders nützlich bei Leiterplatten mit hoher Verdrahtungsdichte, da sie die Verlegung von Leiterbahnen oberhalb und unterhalb der Durchkontaktierungen ermöglichen. Allerdings sind vergrabene Durchkontaktierungen ebenso wie blinde Durchkontaktierungen kostspielig, und ihre Wirtschaftlichkeit ist nur dann hoch, wenn durch ihren Einsatz die Anzahl der Schichten auf der Leiterplatte deutlich reduziert werden kann. Neben mechanisch gebohrten blinden und vergrabenen Durchkontaktierungen stellen mit Lasern gebohrte Mikrovias eine bessere Alternative dar.

Entwurfsregeln auf der Leiterplatte via Design

Mikrovias sind Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 6 mil, die in der Regel mit Lasern gebohrt werden. Aufgrund ihrer winzigen Größe durchdringen Mikrovias in der Regel nur eine Schicht, können jedoch sowohl auf äußeren als auch auf inneren Leiterplattenebenen eingesetzt werden. Wegen ihrer geringen Größe eignen sich Mikrovias für viele Anwendungen, bei denen Durchkontaktierungen nicht realisierbar sind, allerdings sind ihre Herstellungskosten deutlich höher. Weitere Designregeln für Leiterplatten-Vias im Zusammenhang mit Mikrovias sind:

Seitenverhältnis	Mikroporen sind sehr klein, was die Galvanisierung in ihrem Inneren erschwert. Am besten ist es, ihren Durchmesser größer als ihre Tiefe zu wählen.
Pad-Größe	Aufgrund des geringeren Durchmessers der Microvias können Leiterplattenentwickler kleinere Anschlussflächen verwenden – bis zu einer Größe von 12 mil –, wodurch mehr Leiterbahnen zur Verfügung stehen.
Abflussloch	Mikrovias werden in der Regel verschlossen und galvanisch beschichtet, damit sie bündig mit anderen Metallkomponenten abschließen. Durch dieses Verschlussverfahren eignen sich Mikrovias ideal für Durchsteckmontage-Anwendungen.

Mikrovias finden im PCB-Layout breite Anwendung und sind ein Schlüsselelement bei Designs mit hoher Packungsdichte. Ohne die Platzierung von Mikrovias innerhalb der kleinen Pads von BGAs mit hoher Packungsdichte wäre es unmöglich, diese Prozessoren und Speicherbausteine mit hoher Pin-Anzahl zu verlegen. Mikrovias können auch in Kombination mit anderen Via-Typen verwendet werden. Mikrovias lassen sich nicht nur übereinander stapeln, sondern auch mit vergrabenen oder blinden Vias kombinieren.

Verwendung von PCB-Vias Design ?

Überlegungen während der Entwurfsphase	Bei der Entwicklung einer Leiterplatte müssen Ingenieure die Position, Größe und Anzahl der Durchkontaktierungen auf der Grundlage der Schaltungsanforderungen und der Schichtstruktur der Leiterplatte festlegen. Dies erfordert von den Ingenieuren umfangreiche Erfahrung und Fachkenntnisse, um die Sinnhaftigkeit und Zuverlässigkeit des Entwurfs sicherzustellen.
Wählen Sie den geeigneten Via-Typ aus	Wählen Sie den geeigneten Via-Typ entsprechend dem jeweiligen Anwendungsszenario und den Anforderungen aus. So können beispielsweise Blind-Vias für die Verbindung von Leiterbahnen auf der Oberfläche mit denen in den inneren Schichten gewählt werden; Buried-Vias eignen sich für Verbindungen, die vollständig im Inneren der Leiterplatte verborgen sein müssen; und Durchgangs-Vias sollten für Verbindungen gewählt werden, die die gesamte Leiterplatte durchdringen müssen.
Über Parameter optimieren	Um die elektrische Leistung und die mechanische Festigkeit zu verbessern, müssen Parameter wie der Durchmesser der Durchkontaktierungen, das Öffnungsverhältnis und die Dicke der Kupferfolie optimiert werden. Durch die richtige Auswahl dieser Parameter lassen sich die negativen Auswirkungen von parasitären Kapazitäten und Induktivitäten wirksam reduzieren, wodurch die Qualität der Signalübertragung verbessert wird.
Vorsichtsmaßnahmen bei der Verarbeitung und Herstellung	Während des Herstellungsprozesses von Leiterplatten müssen Schlüsselkennwerte wie die Genauigkeit der Durchkontaktierungsbohrungen, die Rauheit der Bohrungswände und die Qualität der Kupferbeschichtung streng kontrolliert werden. Die Qualität dieser Kennwerte wirkt sich direkt auf die Leistungsfähigkeit der Durchkontaktierungen und die Gesamtqualität der Leiterplatte aus.

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Zusammenfassen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Durchkontaktierungen auf Leiterplatten ein entscheidendes Element beim Schaltungsdesign und beim Leiterbahnlayout sind. Sie verbinden nicht nur verschiedene Signale in Reihe, sondern erleichtern auch die Positionierung der Leiterplatte, die Wärmeableitung und weitere Funktionen. Die Platzierung von Durchkontaktierungen unterliegt bestimmten Spezifikationen und Anforderungen. Daher kann eine effektive Via-Platzierung die thermische Effizienz verbessern, die Produktionseffizienz steigern und die Gesamtqualität der Fertigung erhöhen, was somit erheblich zur Entwicklung der Elektronikfertigungsindustrie beiträgt. Wenn Sie eine Großserienfertigung von kundenspezifischen Leiterplattenprodukten benötigen, Bitte kontaktieren Sie uns um Hilfe.