Guida Come evitare le usanze Progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati Errori

Nella progettazione di circuiti stampati multistrato, i via sono strutture fondamentali che collegano i diversi strati del circuito e la loro progettazione influisce direttamente sulle prestazioni del circuito, sui costi di produzione e sull’affidabilità. Inoltre, i via sono strutture chiave che collegano le piste conduttive tra i diversi strati in circuiti stampati multistrato, e la qualità della loro progettazione influisce direttamente sulle prestazioni elettriche, sulla resistenza meccanica e sulla producibilità del circuito. Quello che può sembrare un semplice “foro” comporta in realtà molteplici considerazioni, tra cui la compatibilità di processo e l’integrità del segnale. Una corretta progettazione dei parametri dei via (come gli anelli di saldatura e l’apertura) è fondamentale per evitare successivi difetti di produzione e malfunzionamenti del circuito.

Secondo le statistiche di Geyuan Electronics ‘Secondo il nostro team di ingegneri, i costi di foratura rappresentano dal 30% al 40% del costo di produzione dei circuiti stampati multistrato. Pertanto, trovare il giusto equilibrio tra prestazioni e costi nei progetti ad alta velocità e ad alta densità è diventata una sfida significativa per gli ingegneri. Questo articolo, redatto dal nostro team di ingegneri, combina gli standard del settore e l’esperienza pratica per illustrare i punti fondamentali della progettazione dei via nei progetti di PCB multistrato personalizzati, aiutandovi a evitare le insidie più comuni.

Funzioni di base ed essenza delle vie nei circuiti stampati multistrato personalizzati

In progettazione di circuiti stampati (PCB), la funzione principale dei via è quella di realizzare collegamenti elettrici tra i diversi strati conduttivi di un PCB multistrato, fornendo al contempo un certo fissaggio meccanico (ad esempio, facilitando il fissaggio di componenti pesanti). Dal punto di vista strutturale, un via è costituito da tre parti: un foro, una barriera placcata e un anello. Essenzialmente una “linea di trasmissione verticale”, i via introducono induttanza parassita (tipicamente 0,5-2 nH) e capacità parassita (0,1-0,5 pF) nella trasmissione di segnali ad alta frequenza, e questi parametri aumentano con le dimensioni del via. Pertanto, la progettazione dei via deve trovare un equilibrio tra “affidabilità di connessione”, “integrità del segnale” e “fattibilità di processo”, garantendo la qualità della foratura e della placcatura e riducendo al minimo l’impatto sui segnali ad alta velocità.

L'importanza della progettazione delle vie in Circuiti stampati multistrato

1. Se il circuito è molto semplice, i fori di collegamento potrebbero non essere necessari, ma la loro presenza risulta indispensabile nella progettazione di un PCB multistrato.

2. Nel caso delle schede multistrato, i fori di collegamento possono aumentare la densità dei componenti.

3. Con l'aumentare del numero di circuiti stampati multistrato, la densità delle piste diventerà sempre maggiore. I fori passanti consentono di collegare tra loro piste diverse su strati diversi del circuito stampato e fungono da componenti di collegamento verticale.

4. Senza fori di collegamento, è facile trovarsi in difficoltà durante il processo di instradamento, e i componenti BGA, i connettori e persino i circuiti stampati multistrato risulteranno disposti in modo molto fitto.

5. I via facilitano la trasmissione di segnali e alimentazione tra gli strati. Senza i via, tutti i componenti si troverebbero su un unico piano e vi sarebbero componenti a montaggio superficiale. Tuttavia, nei PCB multistrato i componenti a montaggio superficiale non possono essere disposti su un unico piano.

Geyuan Electronics’ l’esperienza del team di ingegneri nella progettazione di fori passanti per circuiti stampati multistrato

La progettazione è un aspetto fondamentale nell’ingegneria dei circuiti stampati multistrato, dove una singola modifica può avere conseguenze di vasta portata. Scegliendo le dimensioni in modo appropriato, standardizzando le distanze e ottimizzando le strategie relative ai fori di ventilazione, è possibile soddisfare i requisiti dei segnali ad alta velocità contenendo al contempo i costi. Ancora più importante, una stretta collaborazione con il Produttore di circuiti stampati ‘La competenza del team di ingegneri in materia di dettagli di processo è fondamentale per tradurre le specifiche di progettazione in prodotti affidabili e distinguersi in un mercato altamente competitivo. Di seguito sono riportate alcune sintesi delle esperienze relative alla progettazione dei via nei circuiti stampati (PCB) del team di ingegneri di Geyuan Electronics, accumulate grazie alla progettazione di oltre 10.000 progetti di PCB multistrato per i clienti, a titolo di riferimento.

Dimensioni della via non è detto che sia migliore quanto più è piccolo; deve essere bilanciato con i limiti del processo

Le vie sono costituite da fori di foratura e dalle aree circostanti. La scelta delle dimensioni deve seguire i seguenti principi:

Specifiche relative al diametro interno ed esterno	Il diametro interno del foro passante è ≥0,2 mm (8 mil), mentre il diametro esterno è ≥0,4 mm (16 mil); in casi estremi, il diametro esterno può essere ridotto a 0,35 mm (14 mil).
Formula empirica	Il diametro esterno è in genere pari al doppio del diametro interno ± 2 mil. Ad esempio, un diametro interno di 8 mil corrisponde a un diametro esterno di 14/16/18 mil.
Limiti del processo	Un diametro del foro troppo piccolo aumenta il rischio di deviazione durante la foratura e, quando la profondità del foro supera 6 volte il suo diametro, è difficile garantire l'uniformità della galvanizzazione.
Suggerimenti di progettazione	Per i circuiti ad alta velocità, si preferiscono vie di dimensioni più ridotte per ridurre la capacità parassita, ma è necessario verificare le capacità di produzione con il produttore del PCB per evitare di perseguire ciecamente dimensioni estreme. Un diametro della via troppo piccolo aumenta il rischio di disallineamento durante la foratura e, quando la profondità della via supera sei volte il suo diametro, è difficile garantire l’uniformità della placcatura.

Progettazione di alto livello deve essere usato con cautela quando si sigillano fori ciechi a tenere sotto controllo i costi

Per i pacchetti BGA (passo dei pin ≥ 0,65 mm), i via ciechi sepolti non sono raccomandati a causa del loro costo elevato. Se è necessario utilizzarli, si raccomandano i via ciechi di primo ordine (come TOP-L2 o BOTTOM-L2), con un diametro interno di 0,1 mm (4 mil) e un diametro esterno di 0,25 mm (10 mil). Sebbene i via ciechi di ordine superiore possano aumentare la densità di cablaggio, la difficoltà di produzione e i costi aumentano in modo esponenziale.

Vie e piazzole dovrebbe evitare il rischio di “tombstoning”

Sebbene il posizionamento dei fori di collegamento direttamente sui pad possa ridurre l'induttanza dei conduttori, può causare il flusso della pasta saldante all'interno dei fori stessi, con conseguente formazione di "tombstoning" della saldatura. .

Distanza di sicurezza	Si raccomanda di mantenere una distanza compresa tra 4 e 8 mil tra i via e i bordi dei pad.
Area BGA	Il via deve essere centrato tra i due pad per evitare disallineamenti che potrebbero causare ponti di saldatura e cortocircuiti. Una volta completata l’operazione, i via devono essere tappati e ricoperti di pasta saldante per garantire che le sfere di saldatura del BGA risultino piatte.

La distanza tra le vie il design dovrebbe prevenire tramite rottura e garantire l'affidabilità

Una distanza troppo ridotta tra i fori di collegamento può facilmente causare il fallimento della foratura. Le specifiche richiedono:

Distanza minima	≥0,5 mm (consigliato); è da evitare a tutti i costi un valore compreso tra 0,35 e 0,4 mm, mentre è vietato un valore ≤0,3 mm. .
Aree ad alta densità	Utilizzando disposizioni sfalsate o regolando l'apertura, è possibile ottimizzare lo spazio disponibile.

Olio per la pulizia degli orifizi è elemento fondamentale per migliorare la resa di saldatura

Per i fori passanti di piccolo diametro (≤0,5 mm) e in casi particolari, è necessario tappare e sigillare con olio:

Dispositivi con involucro metallico	I fori di collegamento nella parte inferiore del corpo principale devono essere tappati per evitare cortocircuiti con l'involucro esterno.
Ad eccezione dei fori di dissipazione del calore	È possibile mantenere le aperture per migliorare la dissipazione del calore. .

Cuscinetti fissi può può essere ottimizzato in modo intelligente ricorrendo a fori di collegamento per migliorare l'affidabilità

I pad per i connettori delle cuffie, i pulsanti, gli FPC e simili sono soggetti a sollecitazioni meccaniche. Durante la fase di progettazione, è possibile aggiungere uno o due fori di collegamento distribuiti uniformemente per aumentare l'adesione della lamina di rame e impedire che i pad si stacchino.

Design delle aperture di ventilazione richiede una strategia vantaggiosa per tutti che concilia l'integrità del segnale e i costi

fori di ventilazione dei dispositivi a chip convenzionali	Si raccomanda di posizionare i fori di collegamento (via) sulla parte esterna del dispositivo, in modo che le tracce degli strati interni possano passare tra i due fori, evitando così di intersecare il piano di riferimento. Pratiche errate aumenteranno la complessità del tracciamento e comprometteranno l'integrità del piano.
Fori di ventilazione BGA	I fori di collegamento devono essere rigorosamente centrati sui pad; non devono essere sfalsati né posizionati direttamente sui pad. I fori di collegamento presenti nei pad tendono a causare giunti di saldatura freddi e possono interrompere il piano di alimentazione/massa, causando problemi di integrità del segnale.

Considerazioni sulla progettazione dei fori passanti in circuiti stampati multistrato e standard per la selezione degli anelli di saldatura e i diametri dei fori

Gli anelli di saldatura e i diametri dei fori passanti sono parametri fondamentali nella progettazione dei fori passanti e devono essere determinati in base allo spessore del PCB, allo spessore della lamina di rame e al processo di produzione. Raccomandiamo di optare per valori standard per gli anelli di saldatura e i diametri dei fori passanti (ad esempio, 0,7 mm + 0,3 mm). Tuttavia, si prega di tenere presenti le seguenti considerazioni progettuali.

Diametro della punta

Il diametro del pozzo, noto anche come diametro del foro di trivellazione, determina la conduttività e i parametri parassiti del pozzo.

Selezione standard

Per i PCB standard (spessore 1,6 mm), il diametro minimo consigliato dei fori è di 0,3 mm (il limite per la foratura meccanica è in genere di 0,2 mm, mentre la foratura laser può arrivare fino a 0,1 mm), con diametri dei fori comunemente utilizzati che vanno da 0,4 mm a 0,6 mm. Ad esempio, i fori di collegamento di segnale possono avere un diametro di 0,4 mm, mentre quelli di alimentazione (per un’elevata capacità di trasporto di corrente) possono variare da 0,6 mm a 1,0 mm.

Spessore della piastra corrispondente

Il rapporto tra l'apertura e lo spessore della scheda deve essere ≤1:10 (ad esempio, per uno spessore della scheda di 1,6 mm, l'apertura massima è di 0,16 mm). Il superamento di questo rapporto comporterà una placcatura non uniforme sulle pareti dei fori (differenza di spessore >20%), compromettendo l’affidabilità della conduttività. Se lo spessore della scheda raggiunge i 2,0 mm, si raccomanda che l’apertura sia ≥0,3 mm.

Anello anulare

Un anello di saldatura è un anello di lamina di rame che circonda un via, utilizzato per migliorare il collegamento tra il via e la lamina di rame dello stesso strato. La sua larghezza (larghezza dell'anello di saldatura = (diametro del pad – diametro del via) / 2) deve soddisfare i seguenti requisiti:

Larghezza minima dell'anello di saldatura	Il processo standard richiede un diametro del pad ≥0,15 mm (ovvero, diametro del pad = diametro del foro + 0,3 mm). Ad esempio, quando il diametro del foro è 0,4 mm, il diametro del pad dovrebbe essere ≥0,7 mm (0,7 - 0,4 = 0,3 mm, e l'anello di saldatura su un solo lato è di 0,15 mm).
Ottimizzazione dei segnali ad alta velocità	Per i segnali ad alta frequenza (≥1 GHz), il diametro del via può essere ridotto a 0,1 mm (ma è necessario verificare le capacità di lavorazione con il produttore) al fine di ridurre la capacità parassita.
Rafforzamento dell'alimentazione	La larghezza dell'anello di saldatura per i fori di passaggio ad alta corrente può essere aumentata fino a oltre 0,2 mm, migliorando la resistenza del collegamento con la lamina di rame e prevenendo il surriscaldamento causato dalla concentrazione di corrente.

Esempio tipico di combinazione nella progettazione di fori passanti per circuiti stampati multistrato presso Geyuan Electronics

Segnale tramite	Con un'apertura di 0,4 mm e un diametro del pad di 0,7 mm (anello di saldatura da 0,15 mm), è adatto alla maggior parte dei segnali digitali e ai segnali analogici a bassa frequenza.
Alimentazione tramite	Apertura 0,6 mm + diametro del pad 1,0 mm (anello di saldatura 0,2 mm) per garantire una trasmissione di corrente compresa tra 1 A e 3 A (con uno spessore del rame di 1 oz = 35 μm).
Aree ad alta densità	Con un diametro del foro di 0,3 mm e un diametro del pad di 0,6 mm (anello di saldatura da 0,15 mm), è adatto ad aree con spazio limitato, come il fondo di un BGA.

Nella progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati multistrato, alcuni tipi particolari di fori richiedono particolare attenzione al rapporto di aspetto delle fessure e al problema delle espansioni dei fori

Oltre ai fori passanti circolari, in alcuni casi particolari sono necessari fori a fessura, la cui progettazione richiede particolare attenzione:

Foro per la fessura

Le fessure sono rettangolari o ovali e vengono utilizzate per collegare pin di forma irregolare (come i pin DIP dei connettori) o per la trasmissione di corrente elevata.

Limitazione del formato	Il rapporto tra la lunghezza e la larghezza della fessura deve essere ≤5:1 (ad esempio, se la larghezza è di 0,5 mm, la lunghezza massima è di 2,5 mm). Il superamento di tale rapporto può facilmente causare la deviazione dell'utensile durante la foratura e comportare una finitura irregolare delle pareti del foro.
Requisiti relativi ai rivestimenti	Gli angoli delle fessure devono essere arrotondati (raggio ≥ 0,2 mm) per evitare concentrazioni di sollecitazioni nel rivestimento in corrispondenza degli angoli retti, che potrebbero causare la formazione di crepe; lo spessore del rivestimento sulla parete del foro deve essere ≥ 20 μm per garantire l'affidabilità in presenza di correnti elevate.

Prevenzione dei blowhole

Per "pitting" si intende il distacco del rivestimento presente sulla parete del foro dall'anello di saldatura durante la saldatura o in ambienti ad alta temperatura. Analisi delle cause e soluzioni:

motivo	misura
Una larghezza insufficiente dell'anello di saldatura (<0,1 mm) provoca sollecitazioni termiche e sfaldamento alle alte temperature;	La larghezza dell'anello di saldatura è ≥0,15 mm per garantire la resistenza meccanica del collegamento;
Eventuali fori o bolle nel rivestimento sulla parete del foro possono causare l'infiltrazione del fondente e provocarne l'espansione durante la saldatura.	I produttori sono tenuti a utilizzare un processo di “rivestimento in rame acido” (che risulta più uniforme rispetto al rivestimento in rame alcalino) e a effettuare una prova di adesione del rivestimento (resistenza alla pelatura ≥ 0,5 N/mm).

Raccomandazioni di progettazione relative agli effetti di impedenza e alla densità dei fori passanti nella progettazione di circuiti stampati multistrato

Il progetto del circuito deve garantire un equilibrio tra l’integrità del segnale e la razionalità del layout:

Influenza dell'impedenza e ottimizzazione

Segnale ad alta frequenza tramite	Ogni via aggiuntiva ridurrà l'impedenza della coppia differenziale di 2-5 Ω (ad esempio, una coppia differenziale da 100 Ω potrebbe scendere a 95 Ω), rendendo necessaria una compensazione durante il tracciamento tramite la regolazione fine della larghezza della traccia (ad esempio, aumentando la larghezza della traccia di 0,02 mm).
Ridurre il numero di fori passanti	I segnali ad alta velocità (come il PCIe 4.0) dovrebbero evitare di attraversare gli strati. Se l'attraversamento degli strati è necessario, il numero di vie dovrebbe essere ≤2 e la distanza tra le due vie dovrebbe essere ≥5 mm (per ridurre l'accoppiamento reciproco).
Messa a terra tramite il sistema surround	Posizionare 2-4 vie di messa a terra attorno alla via del segnale ad alta velocità (a una distanza pari ad almeno 3 volte il diametro della via) per formare un “anello di schermatura” e ridurre le radiazioni e la diafonia.

Controllo della densità della disposizione

Spaziatura tra le vie	La distanza da centro a centro tra i fori di collegamento adiacenti deve essere ≥ 2 volte il diametro del foro (ad esempio, per un foro di collegamento da 0,4 mm, la distanza deve essere ≥ 0,8 mm) per evitare lo spostamento dei fori o il contatto tra le pareti dei fori (rischio di cortocircuito) causato dalle vibrazioni durante la foratura.
Vie nell'area BGA	I fori di collegamento situati sotto i giunti di saldatura del BGA devono essere sfalsati rispetto alla posizione dei giunti stessi e distanti almeno 0,3 mm dal bordo del giunto, per evitare che durante la saldatura la lega fluisca nei fori di collegamento (causando giunti freddi).

Altre precauzioni

Compatibile con la saldatura senza piombo	Il rivestimento dei fori passanti deve contenere piombo (o una lega senza piombo, come Sn-Ag-Cu) e avere uno spessore ≥2 μm per garantire che non si ossidi né si stacchi durante la saldatura a riflusso a 260 ℃.
Maschera di saldatura	I fori passanti non destinati alla saldatura (come i fori passanti di segnale) devono essere ricoperti da una maschera di saldatura per impedire la formazione di ponti di saldatura; qualora fosse necessario effettuare dei test, è possibile praticare un’apertura parziale della maschera di saldatura.

Raccomandazioni di convalida per la progettazione del processo dei fori passanti nei circuiti stampati multistrato

L'affidabilità della progettazione dei via deve essere garantita attraverso la verifica del processo:

Ispezione DFM	Utilizzare lo strumento DFM presente nel software di progettazione dei circuiti stampati (come ad esempio “Manufacturing Check” di Altium) per verificare che i parametri dei via siano conformi alle capacità di processo del produttore (ad esempio, diametro del foro ≥ 0,3 mm, anello di saldatura ≥ 0,15 mm).
Test su campioni	Il primo progetto di circuito stampato deve essere sottoposto a test di affidabilità dei fori passanti.
Test di continuità	La resistenza attraverso la via dovrebbe essere inferiore a 0,1 Ω se misurata con un multimetro.
Prova di shock termico	Dopo 100 cicli da -40 ℃ a 125 ℃, il tasso di variazione della resistenza dei fori di collegamento è ≤10%;
Prova di trazione	È stata applicata una forza di trazione di 5 N al punto di fissaggio per 10 secondi, senza che si verificassero distacchi o rotture.
Contattare il produttore	Prima di inviare il progetto, fornire al produttore del PCB una tabella dei parametri dei fori passanti (diametro del foro, anello di saldatura, quantità) per confermare la fattibilità del processo (in particolare per requisiti speciali quali la foratura laser e i fori passanti su lastre spesse).

Perché scegliere Geyuan Electronics come partner per la produzione di circuiti stampati multistrato su misura?

Geyuan Electronics è una piattaforma completa di infrastrutture intelligenti basata sull'intelligenza artificiale per il settore dell'elettronica. Grazie all'integrazione di software industriale ed ecosistemi di ingegneri, produttore di componenti originali (OEM) ecosistemi della catena di fornitura ed ecosistemi di produzione flessibili, abbiamo creato un ecosistema a ciclo chiuso nel settore della catena di fornitura elettronica, con l’obiettivo di semplificare l’innovazione hardware. Fin dalla nostra fondazione, abbiamo sviluppato una serie di attività, tra cui la “Geyuan Solution”, caratterizzata da eccellenti capacità di progettazione di soluzioni IoT, agenti di intelligenza artificiale e strumenti di automazione della progettazione elettronica, strumenti di analisi della progettabilità per la produzione, servizi completi di approvvigionamento di componenti elettronici, una piattaforma intelligente di ricerca e sviluppo e produzione di PCB multistrato ad alta affidabilità, nonché un servizio completo di assemblaggio SMT e PCBA piattaforma di servizi in outsourcing. Forniamo ai clienti soluzioni intelligenti ’one-stop" che integrano progettazione, produzione, approvvigionamento e consegna, ridefinendo il modello tradizionale del settore elettronico, caratterizzato da frammentazione e asimmetria informativa, migliorando l'efficienza dell'intera filiera dalla progettazione alla produzione di massa e creando valore per le idee creative degli utenti.

Riassumi

La progettazione dei via è il “pilastro invisibile” dell’affidabilità dei PCB. La scelta dei parametri deve seguire il principio “basato sul processo, orientato alle prestazioni”: Per gli scenari standard, si utilizza la combinazione classica di via con diametro di 0,4 mm + pad da 0,7 mm; per gli scenari ad alta frequenza, il numero di vie viene ridotto e l’anello di saldatura viene ottimizzato; per gli scenari ad alta corrente, il diametro della via e la larghezza dell’anello di saldatura vengono aumentati. È fondamentale ricordare durante la progettazione che per i via non vale il principio “più sono piccoli, meglio è” né “più sono, meglio è”. Devono invece soddisfare i requisiti di connettività riducendo al minimo i rischi di produzione attraverso controlli DFM e verifiche di processo. Un sistema di via ben progettato può evitare efficacemente problemi quali “scoppi delle via” e “giunti di saldatura freddi” durante la produzione in serie, garantendo un funzionamento stabile e a lungo termine del circuito. Se avete progetti personalizzati di PCB multistrato e avete bisogno di trovare fornitori partner per la progettazione e la produzione in serie, contattateci per ricevere assistenza.