Regole di progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati

Nella progettazione elettronica moderna, Progettazione di circuiti stampati (PCB) è una parte fondamentale dell’intero processo di sviluppo del prodotto. La progettazione dei via, in particolare, influisce direttamente su indicatori chiave di prestazione quali l’integrità del segnale, la resistenza meccanica e la producibilità. Un PCB avanzato può contenere migliaia di tracce, pad e vie per condurre i segnali e fornire alimentazione tra i pin dei dispositivi. La responsabilità del progettista di PCB è quella di organizzare e progettare questi componenti, collegandoli correttamente ed evitando il contatto con altre reti di segnale o di alimentazione. Ciò richiede il tracciamento delle tracce nella progettazione del PCB e l’utilizzo di vie per colmare gli spazi tra gli strati.

Sebbene l'utilizzo dei via possa sembrare un'operazione semplice, nella progettazione effettiva possono essere impiegati molti tipi diversi di via. Ogni tipo di via può avere regole d’uso diverse e, se sei un progettista di PCB, è tua responsabilità mantenere le vie ben organizzate e applicare le regole corrette a ciascun tipo di via nel tuo sistema CAD. Di seguito verranno approfonditi diversi aspetti per aiutare gli utenti a comprendere appieno e padroneggiare i punti chiave e le regole fondamentali della progettazione delle vie nei PCB. .

Cosa sono i fori di collegamento nei circuiti stampati?

Un via su un PCB è un foro che consente il passaggio dei segnali elettrici e di alimentazione tra diversi strati. Nei progetti complessi di PCB multistrato, i via attraversano in genere più strati per creare collegamenti tra di essi, mentre nei progetti di PCB monostrato vengono utilizzati per facilitare il tracciamento dei circuiti.

PCB tramite tipi

Foro passante	I fori passanti sono i più comuni e i più semplici da realizzare. Tuttavia, presentano dei limiti di dimensione minima e occupano molto spazio nei progetti ad alta densità.
Fori ciechi e fori nascosti	I fori ciechi e i fori sepolti possono avere origine dallo strato esterno e attraversare solo parzialmente lo stack della scheda (fori ciechi) oppure attraversare esclusivamente gli strati interni (fori sepolti). Questi fori richiedono un numero maggiore di fasi di produzione rispetto ai fori standard. Tuttavia, a causa dei requisiti di integrità del segnale e della possibilità di creare percorsi di instradamento aggiuntivi al di sopra e/o al di sotto di essi, questi fori sono più corti e più apprezzati nei progetti.
Microvia	I microvia, noti anche come via perforati al laser, attraversano solo due strati; rappresentano un metodo di cablaggio ideale per componenti densi, con passo ridotto e un elevato numero di pin.

PCB vie

Realizzare il collegamento del segnale elettrico	Utilizzando i fori di collegamento per attraversare più strati, è possibile interconnettere segnali elettrici diversi in modo da formare un circuito completo. Ciò è particolarmente importante per la trasmissione di segnali ad alta frequenza e ad alta velocità.
Stabilire la posizione e il posizionamento del circuito stampato	I fori passanti consentono di fissare i circuiti stampati alle apparecchiature, garantendo un posizionamento preciso del circuito stampato all’interno del dispositivo. Durante il processo di assemblaggio, i fori passanti facilitano inoltre il posizionamento preciso dei circuiti integrati e di altri componenti. Ciò contribuisce anche ad accelerare il processo di produzione e a migliorarne l’efficienza.
Funzione di dissipazione del calore	I dispositivi ad alta potenza richiedono fori di collegamento (via) per la dissipazione del calore. Attraverso questi fori, il calore può essere trasferito a un dissipatore di calore montato sul lato inferiore del PCB, riducendo così la temperatura dei componenti e aumentando l'affidabilità e le prestazioni del dispositivo.

PCB secondo le regole

Impostazione delle dimensioni della via	Le dimensioni dei fori di collegamento devono essere determinate in base allo spessore di progetto della scheda, al numero di strati e ai segnali elettrici da collegare. In genere, i requisiti minimi di produzione prevedono un diametro minimo dei fori di collegamento pari a 8 mil e una larghezza minima pari a 0,15 mm. La progettazione dei fori di collegamento deve garantire uno spazio sufficiente e un numero di fori all'interno di ogni strato tale da supportare tutti i collegamenti necessari.
Impostazione della posizione via	I fori di collegamento devono essere tenuti lontani da altri componenti critici, in particolare dai sensori sensibili. Per ottenere risultati ottimali, i fori di collegamento devono essere posizionati al centro dei pad, in un punto facilmente accessibile nel progetto.
Conferma dell'indirizzo	Nella progettazione del layout, i fori di collegamento devono rispettare le dimensioni predefinite. Ciò consente di ridurre i costi di produzione e migliorare l'efficienza produttiva. Per quanto riguarda le altre dimensioni esterne, occorre prestare attenzione al rapporto di aspetto appropriato dei fori di collegamento, mentre la distanza tra i fori deve essere valutata con attenzione durante il taglio effettivo per garantire la resa della linea di produzione.

Ambiti di applicazione e metodi di montaggio dei componenti tradizionali a foro passante Progettazione di circuiti stampati

Allo stato attuale Produzione di circuiti stampati Secondo gli standard, i fori passanti placcati sono diventati un elemento fondamentale nella progettazione dei circuiti stampati. I fori passanti possono essere praticati su circuiti stampati di qualsiasi dimensione richiesta, consentendo alle piste o alle tracce in rame di collegarsi ai via su qualsiasi strato del circuito stampato. I fori passanti hanno una varietà di utilizzi, tra cui:

Cablaggio convenzionale	I fori passanti rappresentano un metodo standard per far passare le tracce di segnale da uno strato all'altro di un circuito stampato.
Cablaggio di emergenza	I componenti a montaggio superficiale richiedono in genere che i pin siano collegati immediatamente alle vie di collegamento per l'instradamento sugli strati interni dei circuiti stampati multistrato. Queste vie di collegamento di sfioro o di espansione vengono solitamente tracciate prima della posa delle altre piste. La disposizione delle vie di collegamento di sfioro dovrebbe essere definita in modo da lasciare il maggior numero possibile di percorsi di instradamento negli strati interni del circuito stampato sottostanti.
Cablaggio di alimentazione	I fori di collegamento vengono utilizzati anche per collegare i dispositivi ai piani di alimentazione/massa o alle piste. La maggior parte dei fori di collegamento di alimentazione è più grande rispetto ai normali fori di collegamento, per consentire il passaggio di correnti più elevate.

Usi speciali dei fori passanti nei circuiti stampati nella progettazione dei circuiti stampati

I fori passanti vengono utilizzati anche per scopi specifici o in situazioni particolari sui circuiti stampati, tra cui:

Fori di dissipazione del calore	Per i componenti che funzionano ad alte temperature, i via sono in genere integrati in un ampio pad di massa centrale per facilitare un'efficace dissipazione del calore attraverso il piano di massa della scheda. Questi via sono fondamentali per impedire che l'accumulo di calore provochi malfunzionamenti in altri componenti presenti sulla scheda.
Foro di sutura	Questi fori di collegamento garantiscono connessioni multiple per circuiti ad alta corrente che passano attraverso più piste di alimentazione su diversi strati del circuito stampato. I fori di collegamento "seam" contribuiscono inoltre a dissipare il calore generato da questi circuiti e a ridurre l'induttanza delle connessioni.
Foro di schermatura	Il posizionamento di più vie di messa a terra attorno ai circuiti sensibili crea un effetto “gabbia di Faraday”. Questo metodo di cablaggio contribuisce a ridurre l’impatto di potenziali problemi di interferenze elettromagnetiche (EMI) sul circuito.
Foro di messa a terra della trasmissione	Nei progetti ad alta velocità, i fori di trasmissione di massa vengono utilizzati per mantenere i percorsi di ritorno del segnale tra più strati di piano di massa quando il tracciato del segnale passa da uno strato all'altro.
Foro di messa a terra della trasmissione	Nei progetti ad alta velocità, i fori di trasmissione di massa vengono utilizzati per mantenere i percorsi di ritorno del segnale tra più strati di piano di massa quando il tracciato del segnale passa da uno strato all'altro.
Foro nella piastra	I via possono essere posizionati all'interno dei pad di componenti a montaggio superficiale ad alta densità, come i pacchetti BGA (Ball Grid Array). Ciò contribuisce a risolvere i problemi di spaziatura, ma la creazione di via all'interno dei pad può rappresentare una sfida per i produttori che utilizzano trapani meccanici nei fori passanti standard. I microvia offrono una soluzione migliore.

Regole di progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati e precauzioni da adottare durante la produzione.

I fori passanti richiedono la presenza di un pad su ogni strato del circuito stampato. Il pad deve essere sufficientemente ampio da consentire la foratura, ma abbastanza piccolo da non occupare troppo spazio. È inoltre necessario prevedere anti-pad standard sugli strati planari del circuito stampato, con dimensioni adeguate al diametro della punta da trapano. L’anello metallico che circonda il foro passante sullo strato esterno del circuito stampato è chiamato anello di protezione, ed è uno dei fattori principali che determinano la classe di affidabilità del circuito stampato. I circuiti stampati di Classe 1 consentono che l’anello venga danneggiato dalla foratura, mentre la Classe 2 richiede che la punta da trapano sia tangente all’anello. I circuiti stampati di Classe 3 presentano la classe di affidabilità più elevata e lo spessore dell’anello in qualsiasi punto attorno alla punta da trapano non deve essere inferiore a 5 mil.

Un’altra regola fondamentale nella progettazione dei fori passanti consiste nel selezionare le dimensioni del via in base al rapporto di aspetto tra il foro praticato e lo spessore della scheda. I trapani meccanici hanno una profondità di foratura limitata, e il rapporto di aspetto determina il limite di tale profondità. In genere, i produttori di schede richiedono un rapporto di aspetto non superiore a 10:1, il che significa che su una scheda dello spessore di 62 mil, la dimensione minima affidabile per un via forabile è di 6 mil.

Se si utilizzano fori passanti per collegare segnali ad alta velocità sui primi due strati di un circuito stampato a 12 strati, la maggior parte dei via inutilizzati può fungere da antenna, causando problemi di integrità del segnale. Per ovviare a questo problema, molti produttori eseguono la foratura posteriore delle parti dei via inutilizzate. La foratura posteriore richiede istruzioni e dati specifici da parte dei progettisti che indichino quali vie debbano essere rimosse. Tuttavia, la foratura posteriore aumenta i costi di produzione e, solitamente, un’opzione migliore consiste nell’utilizzare microvie, vie cieche o vie sepolte per migliorare le prestazioni del circuito stampato.

Infine, se necessario, i fori passanti possono essere coperti o riempiti, ma, come nel caso della foratura posteriore, anche questa operazione richiede che il progettista del PCB fornisca istruzioni specifiche al produttore:

Olio per la copertura dei fori passanti	La copertura dei via con la maschera di saldatura non riempie effettivamente il foro passante, ma è necessario prestare attenzione per evitare la formazione di bolle d’aria all’interno dell’alloggiamento durante il riscaldamento della saldatura, che potrebbero causare perdite di gas. In genere, al centro della maschera di saldatura che copre il via viene lasciato un piccolo foro per consentire la fuoriuscita dell’aria calda. La maschera di saldatura del cappuccio del via contribuisce ad avvicinare il via al tracciato dei pad di montaggio superficiale senza consentire alla saldatura di fluire attraverso il foro.
Tappatura con pasta conduttiva	I fori passanti vengono riempiti utilizzando resina epossidica legata a materiali metallici quali oro, argento o rame. Questo metodo di riempimento dei fori passanti contribuisce a migliorare la capacità di conduzione della corrente e le prestazioni di dissipazione del calore dei fori stessi, ma è costoso.
Tappo in pasta non conduttiva	Questo metodo di sigillatura dei fori di collegamento protegge i fori stessi senza richiedere alcun trattamento superficiale, ma non migliora la dissipazione del calore né la capacità di corrente. Questo metodo prevede in genere l'uso di una maschera di saldatura o di altri materiali simili.

Regole di progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati per fori ciechi e sepolti

Per ricavare più spazio per il tracciato sui circuiti stampati, i produttori hanno messo a punto un metodo per limitare il numero di strati del circuito stampato che i fori di collegamento possono attraversare. Questi fori sono denominati “fori ciechi” o “fori sepolti”, ma i progettisti devono tenere presente che la loro produzione è più costosa rispetto a quella dei fori passanti standard.

Che cos’è un foro cieco e quali sono le regole di progettazione relative a esso?

I via ciechi partono dallo strato esterno di un circuito stampato e penetrano solo in una parte dello stack del circuito. Poiché i via ciechi vengono forati a macchina, i limiti relativi alla dimensione della punta da trapano sono gli stessi dei fori passanti. Tuttavia, all’interno dello stack del circuito stampato, i via ciechi consentono la creazione di ulteriori canali di instradamento al di sotto o al di sopra di essi. Ciò conferisce ai fori ciechi un vantaggio significativo rispetto ai fori passanti forati dal retro, poiché questi ultimi, a causa della loro forma tubolare, non consentono il tracciamento al di sotto o al di sopra di essi. Inoltre, i fori ciechi vengono realizzati in modo sequenziale, il che significa che le coppie di strati vengono forate e placcate prima di essere unite tra loro. Poiché i fori ciechi richiedono fasi aggiuntive nel processo di produzione, non sono economicamente vantaggiosi, ma il loro utilizzo può essere necessario per motivi legati all’integrità del segnale o alle prestazioni elettriche. I progettisti di PCB dovrebbero utilizzare i fori ciechi con cautela, ricorrendo ad essi solo quando necessario e dopo aver verificato i dettagli di produzione con il produttore del PCB.

Che cos’è un pozzo sotterraneo e le sue regole di progettazione?

I via sepolti, come i via ciechi, vengono forati meccanicamente, ma i loro punti di inizio e fine si trovano sugli strati interni del circuito stampato, non sulla superficie. I via sepolti sono molto utili per i PCB con un cablaggio fitto, poiché consentono di posizionare i canali di instradamento sia sopra che sotto di essi. Tuttavia, come i fori ciechi, anche i fori sepolti sono costosi e il loro rapporto costo-efficacia non è elevato, a meno che il loro utilizzo non consenta di ridurre in modo significativo il numero di strati del circuito stampato. Oltre ai fori ciechi e sepolti praticati meccanicamente, un’opzione migliore è rappresentata dai microfori realizzati con il laser.

regole di progettazione su PCB per via del design

I microvia sono fori con un diametro inferiore a 6 mil, solitamente realizzati con il laser. A causa delle loro dimensioni ridotte, le microvie solitamente attraversano un solo strato, ma possono essere utilizzate sia sugli strati esterni che su quelli interni del circuito stampato. Proprio per le loro dimensioni ridotte, le microvie sono adatte a molte situazioni in cui i fori passanti non sono praticabili, ma il loro costo di produzione è significativamente più elevato. Altre regole di progettazione dei fori passanti dei PCB relative alle microvie includono:

Formato	I micropori sono di piccole dimensioni, il che rende difficile l’elettrodeposizione al loro interno. La prassi migliore consiste nel far sì che il loro diametro sia maggiore della loro profondità.
Dimensioni del tampone	Grazie al diametro ridotto delle microvie, i progettisti di circuiti stampati possono utilizzare pad di dimensioni inferiori, fino a 12 mil, lasciando così a disposizione un maggior numero di canali di instradamento.
foro dello scarico	Le microvie vengono solitamente otturate e sottoposte a galvanizzazione per renderle a filo con gli altri componenti metallici. Questo metodo di otturazione rende le microvie ideali per le applicazioni con fori passanti.

I microvia sono ampiamente utilizzati nella progettazione dei circuiti stampati (PCB) e costituiscono un elemento fondamentale nei progetti ad alta densità. Senza l’inserimento di microvia all’interno dei piccoli pad dei BGA ad alta densità, sarebbe impossibile instradare i segnali di questi processori e dispositivi di memoria con un elevato numero di pin. I microvia possono anche essere utilizzati in combinazione con altri tipi di via. I microvia possono essere impilati non solo uno sopra l’altro, ma anche insieme a via sepolti o ciechi.

Come utilizzare i fori passanti nei circuiti stampati design ?

Aspetti da considerare durante la fase di progettazione	Nella progettazione di un PCB, gli ingegneri devono stabilire la posizione, le dimensioni e il numero dei fori passanti in base ai requisiti del circuito e alla struttura degli strati della scheda. Ciò richiede che gli ingegneri dispongano di una vasta esperienza e competenza per garantire la razionalità e l’affidabilità del progetto.
Scegliere il tipo di via appropriato	Scegliere il tipo di via più adatto in base allo scenario applicativo specifico e ai requisiti. Ad esempio, le vie cieche possono essere utilizzate per collegare le tracce superficiali e quelle degli strati interni; le vie sepolte possono essere utilizzate per i collegamenti che devono essere completamente nascosti all’interno del PCB; infine, le vie passanti dovrebbero essere utilizzate per i collegamenti che devono attraversare l’intero PCB.
Ottimizzazione tramite parametri	Per migliorare le prestazioni elettriche e la resistenza meccanica, è necessario ottimizzare parametri quali il diametro dei via, il rapporto di apertura e lo spessore della lamina di rame. Una corretta scelta di questi parametri può ridurre efficacemente gli effetti negativi della capacità e dell'induttanza parassite, migliorando così la qualità della trasmissione del segnale.
Precauzioni da adottare durante la lavorazione e la produzione	Durante il processo di produzione dei circuiti stampati, è necessario controllare rigorosamente alcuni indicatori chiave quali la precisione di foratura dei via, la rugosità delle pareti dei fori e la qualità della placcatura in rame. La qualità di questi indicatori influisce direttamente sulle prestazioni dei via e sulla qualità complessiva del circuito stampato.

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Riassumi

In sintesi, i fori passanti sui circuiti stampati (PCB) rappresentano un elemento cruciale nella progettazione e nel tracciamento dei circuiti. Non solo collegano in serie segnali diversi, ma facilitano anche il posizionamento della scheda, la dissipazione del calore e altre funzioni. Il posizionamento dei fori passanti è regolato da specifiche e requisiti precisi. Pertanto, un posizionamento efficace dei fori passanti può migliorare l’efficienza termica, aumentare l’efficienza produttiva e migliorare la qualità complessiva della produzione, contribuendo così in modo significativo allo sviluppo dell’industria della produzione elettronica. Se avete bisogno di una produzione su larga scala di prodotti PCB personalizzati, vi preghiamo di contattarci per ricevere assistenza.