Gids om aangepaste instellingen te vermijden Ontwerp van via's op printplaten Fouten

Bij het ontwerpen van meerlaagse printplaten zijn via’s cruciale structuren die verschillende circuitlagen met elkaar verbinden, en hun ontwerp heeft een directe invloed op de prestaties, de productiekosten en de betrouwbaarheid van het circuit. Bovendien zijn via’s essentiële structuren die geleidende sporen tussen verschillende lagen verbinden in meerlaagse printplaten, en de kwaliteit van het ontwerp heeft een directe invloed op de elektrische prestaties, de mechanische sterkte en de produceerbaarheid van het circuit. Wat op het eerste gezicht misschien een eenvoudig “gaatje” lijkt, brengt in werkelijkheid tal van overwegingen met zich mee, waaronder procescompatibiliteit en signaalintegriteit. Het correct ontwerpen van via-parameters (zoals soldeerringen en opening) is van fundamenteel belang om latere productiefouten en storingen in het circuit te voorkomen.

Volgens statistieken van Geyuan Electronics ‘Volgens ons engineeringteam maken boorkosten 30% tot 40% uit van de productiekosten van meerlaagse printplaten. Daarom is het vinden van een evenwicht tussen prestaties en kosten bij ontwerpen met hoge snelheden en hoge dichtheden een grote uitdaging geworden voor ingenieurs. Dit artikel, geschreven door ons engineeringteam, combineert industrienormen en praktische ervaring om de kernpunten van het via-ontwerp in op maat gemaakte meerlaagse PCB-projecten uit te leggen, zodat u veelvoorkomende valkuilen kunt vermijden.

Basisfuncties en essentie van via's op op maat gemaakte meerlaagse printplaten

In ontwerp van printplaten (PCB), de belangrijkste functie van via’s is het tot stand brengen van elektrische verbindingen tussen verschillende geleidende lagen van een meerlaagse printplaat, terwijl ze tegelijkertijd ook enige mechanische bevestiging bieden (zoals het ondersteunen bij de bevestiging van zware componenten). Qua opbouw bestaat een via uit drie delen: een boorgat, een geplateerde barrière en een ringvormige rand. Vias zijn in wezen een “verticale transmissielijn” en introduceren parasitaire inductie (doorgaans 0,5–2 nH) en parasitaire capaciteit (0,1–0,5 pF) bij hoogfrequente signaaloverdracht; deze parameters nemen toe met de grootte van de via. Daarom moet bij het ontwerp van via’s een evenwicht worden gevonden tussen “verbindingsbetrouwbaarheid”, “signaalintegriteit” en “proceshaalbaarheid”, waarbij de kwaliteit van het boren en de beplating wordt gewaarborgd en de impact op hogesnelheidssignalen tot een minimum wordt beperkt.

Het belang van via-ontwerp in Meerlaagse printplaten

1. Als het circuit heel eenvoudig is, zijn via’s wellicht niet nodig, maar bij het ontwerpen van een meerlaagse printplaat is het wel noodzakelijk om via’s aan te brengen.

2. Bij meerlaagse printplaten kunnen doorvoergaten de componentendichtheid verhogen.

3. Naarmate het aantal meerlaagse printplaten toeneemt, zal de dichtheid van de geleidingsbanen steeds groter worden. Via’s kunnen verschillende geleidingsbanen op verschillende lagen van de printplaat met elkaar verbinden en fungeren als verticale verbindingselementen.

4. Zonder via’s loop je tijdens het routeren al snel vast, en zullen componenten zoals BGA’s, connectoren en zelfs meerlaagse printplaten dicht op elkaar worden geplaatst.

5. Via’s vergemakkelijken de overdracht van signalen en stroom tussen de lagen. Zonder via’s bevinden alle componenten zich op één vlak, en zijn er componenten voor oppervlaktemontage. Componenten voor oppervlaktemontage in meerlaagse printplaten kunnen echter niet op één enkel vlak worden gerouteerd.

Geyuan Electronics’ de ervaring van het engineeringteam op het gebied van het ontwerpen van via’s voor meerlaagse printplaten

Het ontwerp is een cruciaal aspect van de ontwikkeling van meerlaagse printplaten, waarbij één enkele wijziging verstrekkende gevolgen kan hebben. Door de afmetingen zorgvuldig te kiezen, de afstanden te standaardiseren en de strategieën voor ventilatiegaten te optimaliseren, is het mogelijk om aan de eisen voor hogesnelheidssignalen te voldoen en tegelijkertijd de kosten te beheersen. Nog belangrijker is dat nauwe samenwerking met de Printed circuit board-fabrikant ‘De expertise van het engineeringteam van Geyuan Electronics op het gebied van procesdetails is van essentieel belang om ontwerpspecificaties om te zetten in betrouwbare producten en om zich te onderscheiden in een zeer concurrerende markt. Hieronder vindt u enkele ervaringsoverzichten over het ontwerp van via’s in printplaten, opgesteld door het engineeringteam van Geyuan Electronics en gebaseerd op de ervaring die is opgedaan bij het ontwerpen van meer dan 10.000 meerlaagse printplaatprojecten voor klanten, ter referentie.

Via maat is niet per se beter naarmate het kleiner is; dit moet worden afgewogen tegen de beperkingen van het proces

Vias bestaan uit boorgaten en de omliggende pads. Bij de keuze van de afmetingen moeten de volgende principes in acht worden genomen:

Specificaties voor binnen- en buitendiameter	De binnendiameter van het doorgaande gat is ≥0,2 mm (8 mil) en de buitendiameter is ≥0,4 mm (16 mil); in extreme gevallen kan de buitendiameter worden teruggebracht tot 0,35 mm (14 mil).
Empirische formule	De buitendiameter is doorgaans tweemaal de binnendiameter ± 2 mil. Zo komt een binnendiameter van 8 mil overeen met een buitendiameter van 14/16/18 mil.
Beperkingen van het proces	Een te kleine boordiameter vergroot het risico op afwijkingen tijdens het boren, en wanneer de boordiepte meer dan zes keer de boordiameter bedraagt, is het moeilijk om de gelijkmatigheid van het galvaniseren te garanderen.
Ontwerpsuggesties	Bij circuits voor hoge snelheden wordt de voorkeur gegeven aan kleinere via's om de parasitaire capaciteit te verminderen, maar de procesmogelijkheden moeten worden afgestemd met de printplaatfabrikant om te voorkomen dat er blindelings wordt gestreefd naar extreme afmetingen. Een te kleine via-diameter vergroot het risico op uitlijningsfouten bij het boren, en wanneer de diepte van de via meer dan zes keer de diameter bedraagt, is het moeilijk om de uniformiteit van de beplating te garanderen.

Ontwerp op hoog niveau moet met de nodige voorzichtigheid worden gebruikt bij het afdichten van blinde gaten naar de kosten beheersen

Voor BGA-behuizingen (pin-afstand ≥ 0,65 mm) worden verborgen blinde via’s niet aanbevolen vanwege hun hoge kosten. Als ze toch moeten worden gebruikt, worden blind-via's van de eerste orde (zoals TOP-L2 of BOTTOM-L2) aanbevolen, met een binnendiameter van 0,1 mm (4 mil) en een buitendiameter van 0,25 mm (10 mil). Hoewel blinde via’s van hogere orde de bedradingsdichtheid kunnen verhogen, nemen de productiemoeilijkheden en de kosten exponentieel toe.

Doorgangen en contactvlakken zou moeten het risico op 'tombstoning' vermijden

Hoewel het plaatsen van via’s direct op de pads de inductie van de aansluitdraden kan verminderen, kan dit ertoe leiden dat soldeerpasta in de via’s stroomt, wat ‘solder tombstoning’ tot gevolg heeft. .

Veiligheidsafstand	Het wordt aanbevolen om een afstand van 4-8 mil aan te houden tussen de via’s en de randen van de padden.
BGA-gebied	De via moet precies in het midden tussen de twee pads worden geplaatst om een verkeerde uitlijning te voorkomen, die tot soldeerbruggen en kortsluitingen zou kunnen leiden. Na voltooiing moeten de via’s worden afgedekt en met soldeerpasta worden bedekt om ervoor te zorgen dat de BGA-soldeerbolletjes vlak liggen.

De afstand tussen de via's het ontwerp moet voorkomen door breuk en de betrouwbaarheid waarborgen

Als de afstand tussen de via's te klein is, kan dit gemakkelijk leiden tot mislukte boorbewerkingen. De specificaties schrijven het volgende voor:

Minimale afstand	≥0,5 mm (aanbevolen), 0,35–0,4 mm moet ten koste van alles worden vermeden en ≤0,3 mm is verboden. .
Gebieden met een hoge bevolkingsdichtheid	Door verspringende opstellingen te gebruiken of het diafragma aan te passen, kan de ruimtebenutting worden geoptimaliseerd.

Olie voor het afsluiten van doorvoeren is de sleutel tot het verbeteren van de lasopbrengst

Bij doorgaande gaten met een kleine diameter (≤0,5 mm) en in bijzondere gevallen is het noodzakelijk om de gaten af te sluiten en af te dichten met olie:

Apparaten met een metalen behuizing	De doorvoergaten aan de onderkant van het hoofdgedeelte moeten worden afgedicht om kortsluiting met de buitenbehuizing te voorkomen.
Met uitzondering van de warmteafvoeropeningen	Openingen kunnen worden aangebracht om de warmteafvoer te verbeteren. .

Vaste remblokken kan op slimme wijze worden verbeterd door gebruik te maken van via’s om de betrouwbaarheid te vergroten

De contactvlakken voor hoofdtelefoonaansluitingen, knoppen, FPC’s enz. zijn gevoelig voor mechanische belasting. Tijdens het ontwerpproces kunnen er gelijkmatig één of twee via’s worden toegevoegd om de hechting van de koperfolie te verbeteren en te voorkomen dat de contactvlakken losraken.

Ontwerp van de ventilatieopeningen vereist een win-winstrategie die een evenwicht biedt tussen signaalintegriteit en kosten

ventilatiegaten in conventionele chipapparaten	Het wordt aanbevolen om via's aan de buitenkant van het onderdeel te plaatsen, zodat de sporen in de binnenste lagen tussen de twee via's kunnen lopen, waardoor wordt voorkomen dat het referentievlak wordt doorsneden. Onjuiste werkwijzen vergroten de complexiteit van het routeren en brengen de integriteit van het vlak in gevaar.
BGA-ventilatiegaten	Vias moeten strikt gecentreerd zijn op de pads; ze mogen niet verschoven zijn of direct op de pads worden geplaatst. Vias in de pads kunnen gemakkelijk koude soldeerverbindingen veroorzaken en kunnen het voedings- of aardingsvlak doorsnijden, wat tot problemen met de signaalintegriteit kan leiden.

Overwegingen bij het ontwerp van via’s in meerlaagse printplaten en normen voor het selecteren van soldeerringen en gatdiameters

Soldeerringen en via-diameters zijn essentiële parameters bij het ontwerp van via’s en moeten worden bepaald op basis van de dikte van de printplaat, de dikte van de koperfolie en het productieproces. Wij raden standaardwaarden aan voor soldeerringen en via-diameters (bijv. 0,7 mm + 0,3 mm). Houd echter rekening met de volgende ontwerpoverwegingen.

Boordiameter

De boorgatdiameter, ook wel de boorgatdiameter genoemd, bepaalt de geleidbaarheid en de parasitaire parameters van het boorgat.

Standaardselectie

Voor standaard printplaten (1,6 mm dik) is de aanbevolen minimale gatdiameter 0,3 mm (de grens voor mechanisch boren ligt doorgaans bij 0,2 mm, terwijl met laserboren diameters tot 0,1 mm kunnen worden bereikt), waarbij de gangbare gatdiameters variëren van 0,4 mm tot 0,6 mm. Zo kunnen signaalvia's bijvoorbeeld 0,4 mm zijn, terwijl stroomvia's (voor een hoog stroomvermogensvermogen) 0,6 mm tot 1,0 mm kunnen zijn.

Overeenkomende plaatdikte

De verhouding tussen de diameter van de opening en de dikte van de printplaat moet ≤1:10 zijn (bijvoorbeeld: bij een printplaatdikte van 1,6 mm is de maximale diameter van de opening 0,16 mm). Overschrijding van deze verhouding leidt tot ongelijkmatige beplating op de wanden van de gaten (dikteverschil >20%), wat de betrouwbaarheid van de geleiding aantast. Als de dikte van de printplaat 2,0 mm bereikt, wordt aanbevolen dat de opening ≥0,3 mm is.

Ringvormige ring

Een soldeerring is een ring van koperfolie die een via omgeeft en die wordt gebruikt om de verbinding tussen de via en de koperfolie van dezelfde laag te verbeteren. De breedte ervan (breedte van de soldeerring = (diameter van het pad – diameter van de via) / 2) moet aan de volgende eisen voldoen:

Minimale breedte van de lasring	Volgens de standaardprocedure moet de diameter van het soldeerpad ≥0,15 mm bedragen (d.w.z. diameter van het soldeerpad = diameter van het gat + 0,3 mm). Als de gatdiameter bijvoorbeeld 0,4 mm is, moet de paddiameter ≥ 0,7 mm zijn (0,7 – 0,4 = 0,3 mm, en de enkelzijdige soldeerring is 0,15 mm).
Optimalisatie van hogesnelheidssignalen	Voor hoogfrequente signalen (≥ 1 GHz) kan de diameter van de via-ring worden verkleind tot 0,1 mm (waarbij de procesmogelijkheden echter met de fabrikant moeten worden afgestemd) om de parasitaire capaciteit te verminderen.
Kracht door versterking	De breedte van de soldeerring voor via’s met hoge stroomsterkte kan worden vergroot tot meer dan 0,2 mm, waardoor de verbindingssterkte met de koperfolie wordt verbeterd en oververhitting als gevolg van geconcentreerde stroom wordt voorkomen.

Een typisch voorbeeld van een combinatie van via-ontwerpen voor meerlaagse printplaten bij Geyuan Electronics

Signaal via	Met een opening van 0,4 mm en een paddiameter van 0,7 mm (soldeerring van 0,15 mm) is deze geschikt voor de meeste digitale signalen en analoge signalen met een lage frequentie.
Stroomtoevoer via	Opening 0,6 mm + paddiameter 1,0 mm (soldeerring 0,2 mm) voor een stroomdoorvoer van 1 A tot 3 A (bij een koperdikte van 1 oz = 35 μm).
Gebieden met een hoge bevolkingsdichtheid	Met een gatdiameter van 0,3 mm en een paddiameter van 0,6 mm (soldeerring van 0,15 mm) is het geschikt voor ruimtelijk beperkte gebieden, zoals de onderkant van een BGA.

Bij het ontwerpen van via’s voor meerlaagse printplaten moet bij bepaalde soorten gaten rekening worden gehouden met de aspectverhouding van de sleuven en met het probleem van ‘hole bursts’

Naast cirkelvormige doorvoergaten zijn er in bepaalde gevallen ook sleufgaten nodig, en het ontwerp daarvan vereist extra aandacht:

Sleufgat

De sleuven zijn rechthoekig of ovaal en worden gebruikt voor het aansluiten van onregelmatig gevormde pinnen (zoals DIP-pinnen van connectoren) of voor het doorgeven van hoge stroomsterktes.

Beperking van de beeldverhouding	De verhouding tussen de lengte en de breedte van de sleuf moet ≤5:1 zijn (bijvoorbeeld: als de breedte 0,5 mm is, bedraagt de maximale lengte 2,5 mm). Als deze verhouding wordt overschreden, kan het gereedschap tijdens het boren gemakkelijk afwijken, wat resulteert in een ruwe wand van het gat.
Eisen aan de coating	De hoeken van de sleuven moeten afgerond zijn (straal ≥ 0,2 mm) om spanningsconcentratie in de beplating op rechte hoeken te voorkomen, wat tot scheurvorming zou kunnen leiden; de dikte van de beplating op de wand van het gat moet ≥ 20 μm bedragen om de betrouwbaarheid bij hoge stroomsterkte te waarborgen.

Voorkomen van blaasgaten

Onder ‘pitting’ wordt verstaan het loskomen van de beplating op de wand van het gat van de lasring tijdens het lassen of in omgevingen met hoge temperaturen. Oorzaakanalyse en oplossingen:

reden	maatregel
Een onvoldoende breedte van de lasring (<0,1 mm) leidt bij hoge temperaturen tot thermische spanning en afbladdering;	De breedte van de lasring bedraagt ≥0,15 mm om de mechanische verbindingssterkte te waarborgen;
Kleine gaatjes of luchtbellen in de beplating op de wand van het gat kunnen ervoor zorgen dat vloeimiddel binnendringt en tijdens het lassen uitzetting veroorzaakt.	Fabrikanten zijn verplicht om een “zuurkoperplateringsproces” te gebruiken (dat gelijkmatiger is dan alkalisch koperplateren) en een hechtheidstest van de coating uit te voeren (afpelsterkte ≥ 0,5 N/mm).

Ontwerpaanbevelingen met betrekking tot impedantie-effecten en via-dichtheid bij het ontwerpen van meerlaagse printplaten

Bij het ontwerp moet een evenwicht worden gevonden tussen signaalintegriteit en een rationele lay-out:

Invloed van impedantie en optimalisatie

Hoogfrequent signaal via	Elke extra via verlaagt de impedantie van het differentiële paar met 2-5 Ω (een differentiële paar van 100 Ω kan bijvoorbeeld dalen tot 95 Ω), waardoor tijdens het routeren compensatie nodig is door de spoorbreedte nauwkeurig aan te passen (bijvoorbeeld door de spoorbreedte met 0,02 mm te vergroten).
Verminder het aantal doorvoergaten	Bij hogesnelheidssignalen (zoals PCIe 4.0) moet worden vermeden dat deze lagen kruisen. Als het kruisen van lagen toch noodzakelijk is, moet het aantal via’s ≤2 zijn en moet de afstand tussen de twee via’s ≥5 mm bedragen (om wederzijdse koppeling te verminderen).
Aarding via de behuizing	Plaats 2 tot 4 aardingsvia’s rondom de via voor het hogesnelheidssignaal (op een afstand van ≥3 keer de diameter van de via) om een “afschermring” te vormen en straling en overspraak te verminderen.

Regeling van de rangschikkingsdichtheid

Via spatiëring	De hart-op-hartafstand tussen aangrenzende via's moet ≥ 2 keer de diameter van het gat bedragen (bijvoorbeeld: voor een via van 0,4 mm moet de afstand ≥ 0,8 mm zijn) om te voorkomen dat de gaten verschuiven of dat de wandjes van de gaten met elkaar in contact komen (risico op kortsluiting) als gevolg van trillingen tijdens het boren.
Vias in het BGA-gebied	De via's onder de BGA-soldeerverbindingen moeten versprongen ten opzichte van de posities van de soldeerverbindingen liggen en zich op minimaal 0,3 mm afstand van de rand van de soldeerverbinding bevinden, om te voorkomen dat er tijdens het solderen soldeer in de via's stroomt (wat tot koude soldeerverbindingen leidt).

Overige voorzorgsmaatregelen

Geschikt voor loodvrij solderen	De doorvoergatbekleding moet lood bevatten (of een loodvrije legering zoals Sn-Ag-Cu) en een dikte hebben van ≥2 μm om te garanderen dat deze niet oxideert of afbladdert tijdens het reflow-solderen bij 260 ℃.
Soldeermasker	Vias die niet worden gesoldeerd (zoals signaalvias) moeten worden bedekt met een soldeermasker om soldeerbruggen te voorkomen; indien testen vereist is, kan het soldeermasker gedeeltelijk worden geopend.

Aanbevelingen voor de validatie van het ontwerp van via’s in meerlaagse printplaten

De betrouwbaarheid van het via-ontwerp moet worden gewaarborgd door middel van procesverificatie:

DFM-inspectie	Gebruik de DFM-tool in de PCB-ontwerpsoftware (zoals “Manufacturing Check” van Altium) om te controleren of de via-parameters voldoen aan de procesmogelijkheden van de fabrikant (bijv. gatdiameter ≥ 0,3 mm, soldeerring ≥ 0,15 mm).
Steekproefonderzoek	Het eerste printplaatontwerp moet worden onderworpen aan betrouwbaarheidstests voor de via’s.
Continuïteitstest	De weerstand over de via moet minder dan 0,1 Ω bedragen wanneer deze met een multimeter wordt gemeten.
Thermische schoktest	Na 100 cycli van -40 ℃ tot 125 ℃ bedraagt de verandering in de weerstand van de via ≤10%;
Trektest	Er werd gedurende 10 seconden een trekkracht van 5 N op de bevestigingsopening uitgeoefend, en er trad geen losraken of breuk op.
Neem contact op met de fabrikant	Voordat u het ontwerp indient, dient u de printplaatfabrikant een tabel met via-parameters (gatdiameter, soldeerring, aantal) te verstrekken om de haalbaarheid van het productieproces te bevestigen (met name bij speciale vereisten zoals laserboren en via’s in dikke printplaten).

Waarom zou u Geyuan Electronics kiezen als uw partner voor de productie van op maat gemaakte meerlaagse printplaten?

Geyuan Electronics is een door AI aangestuurd alles-in-één platform voor intelligente infrastructuur voor de elektronica-industrie. Door industriële software en ecosystemen van ingenieurs te integreren, fabrikant van originele onderdelen (OEM) toeleveringsketen-ecosystemen en flexibele productie-ecosystemen: we hebben een gesloten ecosysteem opgebouwd op het gebied van de elektronica-toeleveringsketen, met als doel hardware-innovatie eenvoudiger te maken. Sinds onze oprichting hebben we een breed scala aan bedrijfsactiviteiten ontwikkeld, waaronder de “Geyuan Solution” met uitmuntende ontwerpcapaciteiten voor IoT-oplossingen, AI-agenten en tools voor elektronische ontwerpautomatisering, analyse-tools voor produceerbaarheidsontwerp, one-stop-diensten voor de inkoop van elektronische componenten, een intelligent platform voor de R&D en productie van uiterst betrouwbare meerlaagse printplaten, en een one-stop-dienst voor SMT-assemblage en PCBA platform voor uitbestedingsdiensten. Wij bieden klanten allesomvattende, intelligente oplossingen die ontwerp, productie, inkoop en levering met elkaar verbinden. Hiermee geven we het traditionele, gefragmenteerde en door informatieasymmetrie gekenmerkte model van de elektronica-industrie een nieuwe vorm, verbeteren we de efficiëntie van de gehele keten – van ontwerp tot massaproductie – en creëren we waarde voor de creatieve ideeën van gebruikers.

Samenvatten

Het via-ontwerp vormt de “onzichtbare pijler” van de betrouwbaarheid van printplaten. Bij de keuze van de parameters moet het principe “procesgericht, prestatiegericht” worden gevolgd: Voor standaardscenario’s wordt de klassieke combinatie van een via-diameter van 0,4 mm en een pad van 0,7 mm gebruikt; voor hoogfrequente scenario’s wordt het aantal via’s verminderd en wordt de soldeerring geoptimaliseerd; voor scenario’s met hoge stroomsterkte worden de via-diameter en de breedte van de soldeerring vergroot. Het is cruciaal om tijdens het ontwerp in gedachten te houden: bij via’s geldt niet “hoe kleiner, hoe beter” of “hoe meer, hoe beter”. In plaats daarvan moeten ze voldoen aan de connectiviteitsvereisten en tegelijkertijd de productierisico’s minimaliseren door middel van DFM-controles en procesverificatie. Een goed ontworpen via-systeem kan problemen zoals “via-bursts” en “koude soldeerverbindingen” tijdens massaproductie effectief voorkomen, waardoor een stabiele werking van het circuit op lange termijn wordt gewaarborgd. Als u op maat gemaakte meerlaagse PCB-projecten heeft en op zoek bent naar partnerleveranciers voor ontwerp en massaproductie, neem dan contact met ons op voor hulp.