Specifiche di progettazione relative al diametro dei fori passanti nei circuiti stampati

Nella progettazione elettronica moderna, Progettazione di circuiti stampati (PCB) rappresenta una parte fondamentale dell'intero processo di sviluppo del prodotto. La progettazione dei fori, in particolare, influisce direttamente su indicatori chiave di prestazione quali l'integrità del segnale, la resistenza meccanica e la producibilità. Di seguito verranno approfonditi diversi aspetti per aiutare gli utenti a comprendere appieno e padroneggiare gli elementi fondamentali della progettazione dei fori nei circuiti stampati.

Breve introduzione ai fori passanti nei circuiti stampati

I circuiti stampati (PCB) sono componenti fondamentali o unità di base nella realizzazione dei circuiti, sui quali vengono collegati vari elementi circuitali. Tuttavia, il fattore più critico nella progettazione dei PCB e nel montaggio dei componenti è la realizzazione dei vari fori. Questi fori vengono realizzati utilizzando tecniche e processi diversi. Ogni tipo di foro presenta un processo di produzione e caratteristiche prestazionali unici. Le funzioni principali dei fori sono quelle di facilitare il montaggio dei componenti sulla scheda, garantire connessioni elettriche robuste e affidabili e migliorare la resistenza strutturale del PCB.

Definizione di "via" nei circuiti stampati

Nei circuiti stampati a doppia faccia e multistrato, un via è un foro comune praticato all’intersezione di piste conduttrici che devono essere collegate tra uno strato e l’altro per unire le piste stesse. In termini di Processo di produzione dei circuiti stampati, sulla superficie cilindrica della parete del via viene depositato chimicamente uno strato di metallo per collegare le lamine di rame degli strati intermedi, mentre le superfici superiore e inferiore del via vengono trasformate in piazzole di saldatura circolari. I parametri principali di un via includono il diametro esterno del foro, l'anello di saldatura e le dimensioni del foro.

Vantaggi e svantaggi dei fori passanti nei circuiti stampati

vantaggio

Il collegamento del segnale sostituisce la precedente procedura di collegamento tramite ponticelli, semplificando il processo e migliorando l'efficienza produttiva.

difetto

I via presentano sia capacità parassita che induttanza parassita. Nella progettazione di circuiti digitali ad alta velocità, gli effetti negativi dell’induttanza parassita dei via spesso superano quelli della capacità parassita. Nelle linee di trasmissione, ciò si manifesta con discontinuità di impedenza e ritardi nei segnali ad alta velocità. Nei sistemi di alimentazione, l'induttanza parassita in serie indebolisce il contributo dei condensatori di bypass, riducendo così l'effetto di filtraggio complessivo del sistema di alimentazione.

Tipi di PCB vie

Foretto passante (PTH)	I fori metallizzati che attraversano l’intera scheda hanno in genere un diametro pari o superiore a 0,2 mm.
Via cieca	Per i fori di collegamento locali che si estendono dalla superficie allo strato interno, si raccomanda che il rapporto profondità/diametro sia ≤1:1.
Via Buried	I fori di interconnessione tra gli strati richiedono un processo di laminazione multistrato.

Regole di progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati : Limiti dimensionali, requisiti di spaziatura e specifiche di produzione

Indipendentemente dal tipo di PCB, esistono specifiche e requisiti corrispondenti per la sua progettazione. Di seguito è riportato un riepilogo delle norme e delle specifiche pertinenti relative alla progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati.

Le specifiche tecniche fondamentali prevedono

Rapporto tra l'apertura e lo spessore della piastra (rapporto profondità-diametro)	Per i fori passanti standard, si raccomanda di mantenere il rapporto profondità/diametro entro 1:10 o 1:12 per evitare problemi di galvanizzazione.
Relazione tra cuscinetto e apertura	La larghezza dell'anello esterno è in genere ≥ 5 mil, mentre quella dell'anello interno è in genere ≥ 8 mil, al fine di garantire la resistenza meccanica e il collegamento elettrico.
Requisiti relativi alla distanza tra i fori	Si raccomanda che la distanza dal centro o dal bordo sia ≥ 0,5 mm. Se è inferiore a 0,3 mm, è facile che si verifichino ponti di saldatura o rotture durante la lavorazione.
Suggerimenti per l'ottimizzazione dei processi	Per i fori passanti con diametro ≤ 0,5 mm, si raccomanda di applicare un trattamento di otturazione e sigillatura con olio per impedire che la lega di saldatura penetri nel foro passante.

Dimensioni e specifiche comuni

Foro passante standard	Diametro interno standard ≥ 0,2 mm, diametro esterno ≥ 0,4 mm (in casi estremi, il diametro esterno può arrivare fino a 0,35 mm).
Microfori/Fori ciechi	Il diametro interno di un foro cieco di primo ordine è in genere pari a 0,1 mm, mentre il diametro esterno è pari a 0,25 mm.
Vie di alimentazione/massa	Si consiglia di utilizzare una misura leggermente più grande (diametro esterno compreso tra 0,55 mm e 0,7 mm o superiore) per trasportare una corrente maggiore. .
Segnale tramite	I diametri più comunemente utilizzati vanno da 0,4 mm a 0,55 mm.

Regole di spaziatura e impaginazione

Distanza tra i fori	Una distanza tra i centri pari o superiore a 0,5 mm è ideale; una distanza inferiore a 0,3 mm è considerata una violazione.
Pads e vie	Evitare di posizionare i fori passanti direttamente su pad di dimensioni molto ridotte (come i pad RC ≤ 0402). Si raccomanda di mantenere una distanza di 4-8 mil per evitare il fenomeno del “tombstoning” o la fuoriuscita di stagno durante la saldatura.
Requisiti relativi alle prese di corrente	I fori passanti con diametro ≤ 0,5 mm richiedono solitamente l'otturazione e l'incapsulamento. I fori passanti sotto i BGA devono essere centrati sul pad e otturati.

Parametri chiave di progettazione

Specifiche relative all’apertura	Limiti di foratura meccanica: 0,15-6,5 mm (standard) / 0,1-0,15 mm (alta precisione)
	Foratura laser: in grado di realizzare microfori da 0,05 a 0,1 mm.
	Limite del rapporto di aspetto: ≤10:1 (configurazione standard), consigliato ≤8:1
Requisiti relativi alla distanza tra i fori	La distanza dal bordo del foro al filo è ≥0,15 mm.
	La distanza tra i fori di collegamento all’interno della stessa rete è ≥0,1 mm.
	La distanza tra i fori di collegamento nei diversi tipi di rete è ≥0,2 mm.
Progettazione del pad	Diametro standard della rondella = diametro del foro + 0,2 mm (larghezza dell'anello di 0,1 mm su ciascun lato)
	La larghezza dell'anello della scheda HDI può essere ridotta a 0,075 mm.
	Per le aree BGA si consiglia l'uso di cuscinetti NSMD.

Requisiti di integrità del segnale

Tramite il controllo dell'impedenza	Aumentare le dimensioni del pad anti-saldatura (≥2 volte l'apertura).
	Viene utilizzata la tecnologia di foratura a ritroso (lunghezza residua del palo ≤ 0,15 mm).
	Vie di segnale ad alta velocità ≤ 2 per percorso di trasmissione
Progettazione del sistema di dissipazione del calore	Alimentazione/massa tramite spaziatura delle matrici di 2-3 mm
	Il diametro dei fori di dissipazione del calore è ≥0,3 mm.
	Trattamento con inchiostro scuro (aumento dell'emissività di 30%)

Specifiche del processo di produzione

Requisiti relativi alla resistenza alla saldatura	Profondità di penetrazione ≤ 0,8 volte il diametro dei pori
	Spessore dell’inchiostro: 8-15 μm
	Il diametro dell'apertura della finestra su un lato deve essere ≥0,05 mm.
Indennità per lavori di trivellazione	Compensazione meccanica di foratura = Diametro del foro × 3% + 0,05 mm
	Compensazione della foratura laser ±0,01 mm
Norme di prova	Lo spessore del rame della parete del foro è ≥18 μm (1 oz di rame di base).
	Precisione di posizionamento dei fori ±0,05 mm (processo LDI)
	Duttilità del rame nei fori passanti ≥15% (conforme alla norma IPC6012B)

Requisiti di progettazione specifici

Design con fori a gradini	Differenza tra i gradini ≤ 0,3 mm
	Angolo di transizione ≥ 120°
	Distanza tra strati adiacenti ≥ 3 × spessore della piastra
Trattamento di otturazione dei fori	Tappi adesivi conduttivi per fori: adatti a diametri ≤ 0,3 mm
	Riempimento con resina: consente la planarizzazione.
	Rapporto massimo del diametro del tappo: 1:1,5
Si raccomanda di tenere conto del processo di progettazione specifico.	Verificare l'impedenza utilizzando uno strumento di calcolo dell'impedenza (come il Polar SI9000).
	Eseguire l'analisi DFM (utilizzando strumenti quali Valor e NPI).

Rapporto ottimale dei fori di collegamento nei circuiti stampati

Quando lo spazio lo consente, una dimensione della via compresa tra 0,3 mm e 0,5 mm è generalmente considerata ottimale. Il rapporto ottimale prevede che il diametro esterno della via sia superiore di 12 mil rispetto al suo diametro interno; ad esempio, se il diametro della via è di 12 mil, il diametro esterno sarebbe di 24 mil, ottenendo così il rapporto ottimale. La dimensione del diametro esterno influisce in una certa misura sulla difficoltà di allineamento durante la produzione e sull’affidabilità del prodotto. Ogni processo produttivo presenta delle tolleranze. Se il diametro esterno è troppo piccolo e i processi di foratura e allineamento presentano deviazioni significative, il PCB finale potrebbe presentare il rischio di fori rotti (ciò che i produttori di PCB chiamano “pad rotti”). I pad rotti possono inoltre comportare una capacità di trasporto di corrente insufficiente nel prodotto.

Considerazioni sulla progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati

1. Nella scelta delle dimensioni adeguate per i via, occorre considerare sia i costi che la qualità del segnale. Ad esempio, per i progetti di PCB di moduli di memoria a 6-10 strati, si raccomanda una specifica di 10/20 mil (foro/pad); per i circuiti stampati di piccole dimensioni ad alta densità, si può anche provare un diametro dei via di 8/18 mil. Allo stato attuale della tecnologia, è difficile utilizzare vie di dimensioni inferiori. Per le vie di alimentazione o di massa, è possibile prendere in considerazione dimensioni maggiori al fine di ridurre l’impedenza.

2. L'utilizzo di un PCB più sottile contribuisce a ridurre due parametri parassiti dei via.

3. Evitare il più possibile di modificare lo strato delle piste di segnale sul PCB, ovvero ridurre al minimo l'uso di fori di collegamento non necessari.

4. I pin di alimentazione e di terra devono essere forati a breve distanza l'uno dall'altro e la lunghezza del conduttore tra il via e il pin deve essere la più breve possibile, poiché ciò aumenta l'induttanza. Allo stesso tempo, i cavi di alimentazione e di terra devono essere il più spessi possibile per ridurre l'impedenza.

5. Il posizionamento dei via di massa in prossimità dei via dello strato di segnale garantisce il circuito di massa più vicino al segnale. È possibile posizionare sul PCB anche un numero elevato di via di massa ridondanti, a condizione che il progetto sia flessibile. Il modello di via sopra menzionato si applica a scenari in cui sono presenti pad su tutti gli strati. A volte, i pad su alcuni strati possono essere ridotti o addirittura rimossi, specialmente quando la densità dei via è estremamente elevata, poiché ciò può portare alla formazione di trincee interrotte che creano anelli interrotti nello strato di rame. Per risolvere questo problema, oltre a regolare le posizioni dei via, si può anche considerare di posizionare i via direttamente sullo strato di rame.

Modello equivalente dei fori passanti nei circuiti stampati (PCB) nei circuiti ad alta velocità

I fori di collegamento introducono inevitabilmente capacità e induttanza parassite. Sebbene ciò possa non essere evidente nelle linee di trasmissione a bassa velocità o ad alta frequenza, può causare ritardi o distorsioni della forma d’onda nelle linee ad alta velocità, assumendo un’importanza significativa e potenzialmente influenzando il successo o il fallimento della progettazione del sistema. I via sulle linee di trasmissione agiscono come discontinuità di impedenza, causando la riflessione del segnale. In generale, l’impedenza equivalente di un via è di circa 12% inferiore a quella della linea di trasmissione. Ad esempio, una linea di trasmissione da 50 ohm subirà una riduzione dell’impedenza di 6 ohm quando il segnale attraversa un via (la riduzione esatta dipende dalle dimensioni del via e dallo spessore della scheda, e non è un valore assoluto). Tuttavia, la riflessione causata dalla discontinuità di impedenza di un via è trascurabile, con un coefficiente di riflessione pari a soli (44-50)/(44+50) = 0,06. I problemi causati dai via sono dovuti principalmente agli effetti della capacità e dell’induttanza parassite.

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Riassumi

I fori dei circuiti stampati (PCB) sono un elemento fondamentale nella progettazione dei PCB e nel corretto funzionamento dei dispositivi e dei progetti elettronici. Questi fori sono essenziali per stabilire collegamenti elettrici tra i diversi strati del circuito stampato e per garantire la resistenza meccanica. Pertanto, nella progettazione di un PCB, è fondamentale attenersi alle regole di progettazione e alle specifiche per evitare vari problemi di qualità durante la produzione in serie, che potrebbero ritardare i tempi di realizzazione del progetto.

Questo articolo riassume le regole e i requisiti per la progettazione dei fori passanti nei circuiti stampati (PCB), redatti dal team di ingegneri di Geyuan Electronics. Tali requisiti di progettazione devono essere adattati in base allo specifico scenario applicativo (elettronica di consumo/industriale/automotive, ecc.) e alla frequenza del segnale (digitale/RF ad alta frequenza). Ad esempio, le schede elettroniche per il settore automobilistico richiedono un margine di sicurezza aggiuntivo pari o superiore a 20%, mentre i PCB ad alta frequenza possono richiedere tolleranze di impedenza più rigorose (±5%). Se avete esigenze di produzione di PCB in grandi volumi, contattateci per ricevere assistenza.