Ontwerpregels voor via’s op printplaten

In de moderne elektronica, Ontwerp van printplaten (PCB) vormt een cruciaal onderdeel van het gehele productontwikkelingsproces. Met name het ontwerp van de via’s heeft een directe invloed op belangrijke prestatie-indicatoren zoals signaalintegriteit, mechanische sterkte en produceerbaarheid. Een geavanceerde printplaat kan duizenden sporen, pads en via's bevatten om signalen door te geven en stroom te leveren tussen de pinnen van componenten. Het is de verantwoordelijkheid van de printplaatontwerper om deze componenten te ordenen en te ontwerpen, ze correct met elkaar te verbinden en contact met andere signaal- of stroomnetwerken te vermijden. Dit vereist het routeren van sporen in het printplaatontwerp en het gebruik van via's om de openingen tussen lagen te overbruggen.

Hoewel het gebruik van via’s op het eerste gezicht een eenvoudige handeling lijkt, kunnen er in de praktijk veel verschillende soorten via’s worden gebruikt. Elk type via kan andere gebruiksregels hebben, en als u een PCB-ontwerper bent, is het uw verantwoordelijkheid om via's overzichtelijk te houden en de juiste regels toe te passen op elk type via in uw CAD-systeem. Hieronder worden verschillende aspecten nader toegelicht om gebruikers te helpen de kernpunten en regels van het ontwerpen van PCB-via's volledig te begrijpen en onder de knie te krijgen. .

Wat zijn PCB-vias?

Een via op een printplaat is een gat waardoor elektrische en voedingssignalen tussen verschillende lagen kunnen worden doorgegeven. In complexe meerlaagse printplaatontwerpen lopen via’s doorgaans door meerdere lagen heen om verbindingen tussen die lagen tot stand te brengen, terwijl in enkellaagse printplaatontwerpen via’s worden gebruikt om de routing van schakelingen te vergemakkelijken.

PCB via typen

Doorgaand gat	Doorlopende gaten komen het meest voor en zijn het eenvoudigst te vervaardigen. Ze hebben echter wel minimale afmetingen en nemen veel ruimte in beslag in ontwerpen met een hoge dichtheid.
Blinde gaten en verborgen gaten	Blinde via’s en verborgen via’s beginnen ofwel vanaf de buitenste laag en doorkruisen de printplaatstapel slechts gedeeltelijk (blinde via’s), ofwel lopen ze uitsluitend tussen binnenste lagen (verborgen via’s). Deze via's vereisen meer fabricagestappen in vergelijking met standaard via's. Vanwege de eisen aan signaalintegriteit en de mogelijkheid om extra routeringspaden boven en/of onder deze via's te creëren, zijn deze via's echter korter en daarom de voorkeur in ontwerpen.
Microvia	Microvias, ook wel lasergeboorde vias genoemd, overspannen slechts twee lagen; ze vormen een ideale bedradingsmethode voor componenten met een hoge dichtheid, een kleine pitch en een groot aantal pinnen.

PCB doorgangen

Zorg voor een elektrische signaalverbinding	Door middel van via's die door meerdere lagen lopen, kunnen verschillende elektrische signalen met elkaar worden verbonden om zo een compleet circuit te vormen. Dit is met name van belang voor de overdracht van hoogfrequente en snelle signalen.
Bepaal de locatie en de plaatsing van de printplaat	Dankzij via's kunnen printplaten aan apparatuur worden bevestigd, waardoor de printplaat nauwkeurig in het apparaat kan worden gepositioneerd. Tijdens het assemblageproces zorgen via's er bovendien voor dat IC's en andere componenten nauwkeurig kunnen worden geplaatst. Dit draagt ook bij aan het versnellen van het productieproces en het verbeteren van de productie-efficiëntie.
Warmteafvoerfunctie	Apparaten met een hoog vermogen hebben via's nodig voor warmteafvoer. Via deze via's kan warmte worden afgevoerd naar een koellichaam dat aan de onderkant van de printplaat is bevestigd, waardoor de temperatuur van de componenten daalt en de betrouwbaarheid en prestaties van het apparaat toenemen.

PCB via regels

Via de instelling voor de grootte	De afmetingen van via’s moeten worden bepaald op basis van de ontwerpdikte van de printplaat, het aantal lagen en de elektrische signalen die moeten worden aangesloten. Over het algemeen geldt als minimale productie-eis een via-diameter van 8 mil en een via-breedte van 0,15 mm. Bij het ontwerp van via’s moet worden gezorgd voor voldoende ruimte en voldoende via’s binnen elke laag om alle benodigde verbindingen mogelijk te maken.
Via het instellen van de positie	Vias moeten uit de buurt van andere kritieke componenten worden gehouden, met name gevoelige sensoren. Voor een optimaal resultaat moeten de vias in het midden van de pads worden geplaatst, op een plek die in het ontwerp gemakkelijk bereikbaar is.
Via dimensiebevestiging	Bij het ontwerpen van de lay-out moeten de via's voldoen aan de vooraf vastgestelde afmetingen. Dit kan de productiekosten verlagen en de productie-efficiëntie verbeteren. Wat betreft andere externe afmetingen moet er aandacht worden besteed aan de juiste beeldverhouding van de via's, en moet tijdens het daadwerkelijke snijproces zorgvuldig rekening worden gehouden met de afstand tussen de via's om de opbrengst van de productielijn te waarborgen.

Toepassingsgebieden en methoden van traditionele doorvoergaten Ontwerpen van printplaten

In de huidige Printed circuit board-productie normen zijn standaard doorlopende gaten een fundamenteel onderdeel geworden van het ontwerp van printplaten. Doorlopende gaten kunnen in printplaten van elke gewenste afmeting worden geboord, waardoor geleiders of koperen sporen kunnen worden verbonden met via’s op elke laag van de printplaat. Doorlopende gaten hebben diverse toepassingen, waaronder:

Conventionele bekabeling	Doorvoergaten zijn een gangbare methode om signaalbanen van de ene laag van een printplaat naar de andere over te brengen.
Ontsnappingsbedrading	Bij componenten voor oppervlaktemontage moeten de pinnen doorgaans direct worden aangesloten op via’s voor de bedrading op de binnenlagen van meerlaagse printplaten. Deze ‘escape’- of ‘fan-out’-via’s worden meestal aangelegd voordat andere sporen worden getrokken. Het plaatsingspatroon van de ‘escape’-via’s moet zo worden bepaald dat er zoveel mogelijk bedradingspaden overblijven in de binnenlagen van de printplaat eronder.
Stroomkabels	Via’s worden ook gebruikt om componenten aan te sluiten op voedings- of aardingsvlakken of geleiders. De meeste voedingsvia’s zijn groter dan gewone bedradingsvia’s, zodat ze de grotere stromen kunnen verwerken die erdoorheen kunnen vloeien.

Specifieke toepassingen van doorvoergaten in printplaten bij het ontwerpen van printplaten

Doorvoergaten worden ook gebruikt voor speciale doeleinden of in bijzondere situaties op printplaten, waaronder de volgende:

Openingen voor warmteafvoer	Bij componenten die bij hoge temperaturen werken, worden via’s doorgaans ingebed in een groot centraal aardingsvlak om een effectieve warmteafvoer via het aardingsvlak van de printplaat mogelijk te maken. Deze via’s zijn van cruciaal belang om te voorkomen dat warmteophoping storingen veroorzaakt in andere componenten op de printplaat.
Hechtingsgat	Deze via's bieden meerdere verbindingen voor hoogstroomcircuits die via meerdere voedingssporen op verschillende lagen van de printplaat worden geleid. Naadvia's helpen bovendien bij het afvoeren van warmte uit deze circuits en verminderen de inductie van de verbindingen.
Afschermingsgat	Door meerdere aardingsvia's rondom gevoelige schakelingen aan te brengen, ontstaat een Faraday-kooieffect. Deze bedradingsmethode helpt de invloed van mogelijke EMI-problemen op de schakeling te onderdrukken.
Aardingsgat voor de transmissie	Bij ontwerpen voor hoge snelheden worden gronddoorvoeren gebruikt om de signaalretourpaden tussen meerdere aardvlaklagen in stand te houden wanneer de signaalrouting van de ene laag naar de andere overgaat.
Aardingsgat voor de transmissie	Bij ontwerpen voor hoge snelheden worden gronddoorvoeren gebruikt om de signaalretourpaden tussen meerdere aardvlaklagen in stand te houden wanneer de signaalrouting van de ene laag naar de andere overgaat.
Gat in de plaat	Vias kunnen worden aangebracht binnen de pads van componenten met een hoge pakkingsdichtheid voor oppervlaktemontage, zoals ball grid array (BGA)-behuizingen. Dit helpt bij het oplossen van ruimteproblemen, maar het aanbrengen van in-pad-vias kan een uitdaging vormen voor fabrikanten die gebruikmaken van mechanische boren in standaard doorgaande gaten. Microvias bieden een betere oplossing.

Ontwerpregels voor doorvoergaten in printplaten en voorzorgsmaatregelen tijdens de productie.

Voor doorvoergaten is op elke laag van de printplaat een pad nodig. Het pad moet groot genoeg zijn om te kunnen boren, maar toch klein genoeg om niet te veel ruimte in te nemen. Op de vlakke lagen van de printplaat moeten ook standaard anti-pads worden aangebracht, met een afmeting die geschikt is voor de boordiameter. De metalen ring rondom het doorvoergat op de buitenste laag van de printplaat wordt de annulus genoemd, en de annulus is een van de belangrijkste factoren die de betrouwbaarheidsklasse van de printplaat bepalen. Bij printplaten van klasse 1 is het toegestaan dat de annulus door het boren wordt beschadigd, terwijl bij klasse 2 de boor raak moet zijn aan de annulus. Printplaten van klasse 3 hebben de hoogste betrouwbaarheidsklasse en de dikte van de annulus mag op geen enkel punt rondom de boor minder dan 5 mil bedragen.

Een andere belangrijke ontwerpregel voor doorgaande gaten is dat de grootte van de via moet worden gekozen op basis van de aspectverhouding tussen het geboorde gat en de dikte van de printplaat. Mechanische boormachines hebben een beperkte boordiepte, en de aspectverhouding bepaalt de grens van die diepte. Doorgaans hanteren printplaatfabrikanten een aspectverhouding van maximaal 10:1, wat betekent dat op een printplaat met een dikte van 62 mil de kleinste betrouwbaar boorbare via-grootte 6 mil is.

Als er doorgaande gaten worden gebruikt om hogesnelheidssignalen op de eerste twee lagen van een 12-laags printplaat met elkaar te verbinden, kunnen de meeste ongebruikte via’s als antennes fungeren, wat problemen met de signaalintegriteit veroorzaakt. Om dit te verhelpen, boren veel fabrikanten de ongebruikte delen van de via’s aan de achterzijde door. Voor het achterboren zijn specifieke instructies en gegevens van ontwerpers nodig, waarin wordt aangegeven welke via's moeten worden verwijderd. Achterboren verhoogt echter de productiekosten, en een betere optie is meestal het gebruik van microvia's, blinde via's of begraven via's om de prestaties van de printplaat te verbeteren.

Ten slotte kunnen doorvoergaten, indien nodig, worden afgedekt of opgevuld, maar net als bij het achterboren vereist ook deze bewerking dat de printplaatontwerper specifieke instructies aan de fabrikant geeft:

Olie voor de afdekking van doorvoergaten	Het bedekken van via’s met een soldeermasker vult het doorgaande gat niet daadwerkelijk op, maar er moet wel op worden gelet dat er tijdens het verwarmen bij het solderen geen luchtbellen in de behuizing ontstaan, wat tot gaslekkage zou kunnen leiden. Meestal wordt er een klein gaatje in het midden van het soldeermasker boven de via achtergelaten, zodat hete lucht kan ontsnappen. Het soldeermasker over de via helpt om de via dichter bij het patroon van de oppervlaktemontagepads te brengen, zonder dat er soldeer door het gat kan stromen.
Afdichting met geleidende pasta	Doorgaande gaten worden opgevuld met epoxyhars waarin metaaldeeltjes zoals goud, zilver of koper zijn ingebed. Deze methode voor het opvullen van doorgaande gaten draagt bij aan een verbetering van de stroomcapaciteit en de warmteafvoer van de doorgaande gaten, maar is duur.
Niet-geleidende slurryplug	Deze methode voor het afdichten van via’s beschermt de via’s zonder dat er een oppervlaktebehandeling nodig is, maar leidt niet tot een verbetering van de warmteafvoer of de stroomcapaciteit. Bij deze methode wordt doorgaans gebruikgemaakt van soldeermasker of andere soortgelijke materialen.

Ontwerpregels voor via’s op printplaten: blinde en verborgen via’s

Om meer ruimte voor de bedrading op printplaten te creëren, hebben fabrikanten een methode bedacht om het aantal lagen van de printplaat te beperken waar vias doorheen kunnen gaan. Deze vias worden ‘blind vias’ of ‘buried vias’ genoemd, maar ontwerpers moeten er rekening mee houden dat de productie ervan duurder is dan die van standaard doorgaande gaten.

Wat is een blindgat en wat zijn de ontwerpregels daarvoor?

Blinde via’s beginnen op de buitenste laag van een printplaat en dringen slechts door een deel van de printplaatstapel heen. Omdat blinde via’s machinaal worden geboord, gelden hiervoor dezelfde beperkingen wat betreft boordiameter als voor doorgaande gaten. Binnen de printplaatstapel maken blinde via’s echter extra routekanalen mogelijk onder of boven zich. Dit geeft blinde via's een aanzienlijk voordeel ten opzichte van doorgeboorde doorgaande gaten, aangezien doorgaande gaten vanwege hun buisvorm geen routing onder of boven zich toestaan. Bovendien worden blinde via's sequentieel vervaardigd, wat betekent dat lagenparen worden geboord en geplateerd voordat ze aan elkaar worden gehecht. Omdat blinde via’s extra stappen in het productieproces vereisen, zijn ze niet kosteneffectief, maar het gebruik ervan kan noodzakelijk zijn omwille van signaalintegriteit of elektrische prestaties. PCB-ontwerpers dienen blinde via’s met de nodige voorzichtigheid te gebruiken en ze alleen in te zetten wanneer dat noodzakelijk is en nadat de productiedetails met de PCB-fabrikant zijn afgestemd.

Wat is een ondergrondse boorput en de ontwerpregels ervan?

Verborgen via’s worden, net als blinde via’s, mechanisch geboord, maar hun begin- en eindpunten bevinden zich op de binnenlagen van de printplaat, niet aan het oppervlak. Verborgen via’s zijn zeer nuttig voor printplaten met een hoge bedradingsdichtheid, omdat er zo boven en onder deze via’s routekanalen kunnen worden geplaatst. Net als blinde via’s zijn verborgen via’s echter ook duur, en hun kosteneffectiviteit is niet hoog, tenzij het gebruik ervan het aantal lagen op de printplaat aanzienlijk kan verminderen. Naast mechanisch geboorde blinde en verborgen via’s is het boren van microvia’s met lasers een betere optie.

ontwerpregels op een printplaat via het ontwerp

Microvias zijn gaten met een diameter van minder dan 6 mil, die doorgaans met lasers worden geboord. Vanwege hun minuscule afmetingen dringen microvia's meestal slechts één laag door, maar ze kunnen zowel op externe als interne lagen van printplaten worden toegepast. Door hun kleine afmetingen zijn microvia's geschikt voor veel situaties waarin doorgaande gaten niet haalbaar zijn, maar hun productiekosten zijn aanzienlijk hoger. Andere ontwerpregels voor via's op printplaten met betrekking tot microvia's zijn onder meer:

Beeldverhouding	Microporiën zijn klein van omvang, waardoor het moeilijk is om erin te galvaniseren. Het is het beste om hun diameter groter te maken dan hun diepte.
Afmetingen van het kussentje	Door de kleinere diameter van de microvia’s kunnen PCB-ontwerpers kleinere padmaten gebruiken, tot wel 12 mil, waardoor er meer routingkanalen overblijven.
afvoeropening	Microvia’s worden doorgaans afgedicht en gegalvaniseerd, zodat ze gelijk liggen met andere metalen onderdelen. Door deze afdichtingsmethode zijn microvia’s bij uitstek geschikt voor toepassingen met doorgaande gaten.

Microvia’s worden op grote schaal gebruikt bij het ontwerpen van printplaten en vormen een essentieel onderdeel van ontwerpen met een hoge dichtheid. Zonder microvia’s in de kleine pads van BGA’s met een hoge dichtheid te plaatsen, zou het onmogelijk zijn om de bedrading van deze processors en geheugenchips met een groot aantal pinnen aan te leggen. Microvia's kunnen ook worden gebruikt in combinatie met andere soorten via's. Microvia's kunnen niet alleen boven op elkaar worden gestapeld, maar ook in combinatie met begraven of blinde via's.

Hoe gebruik je een via op een printplaat? ontwerp ?

Aandachtspunten tijdens de ontwerpfase	Bij het ontwerpen van een printplaat moeten ingenieurs de locatie, de afmetingen en het aantal via’s bepalen op basis van de eisen van het circuit en de laagstructuur van de printplaat. Hiervoor is uitgebreide ervaring en expertise vereist om de rationaliteit en betrouwbaarheid van het ontwerp te waarborgen.
Kies het juiste type via	Kies het juiste type via op basis van het specifieke toepassingsscenario en de vereisten. Zo kunnen bijvoorbeeld blinde via’s worden gekozen voor het verbinden van sporen op het oppervlak met sporen in de binnenlagen; begraven via’s kunnen worden gekozen voor verbindingen die volledig verborgen moeten blijven in de printplaat; en doorgaande via’s moeten worden gekozen voor verbindingen die de gehele printplaat moeten doorkruisen.
Optimaliseren via parameters	Om de elektrische prestaties en de mechanische sterkte te verbeteren, moeten parameters zoals de diameter van de via’s, de openingsverhouding en de dikte van de koperfolie worden geoptimaliseerd. Door deze parameters zorgvuldig te kiezen, kunnen de nadelige effecten van parasitaire capaciteit en inductie effectief worden verminderd, waardoor de kwaliteit van de signaaloverdracht wordt verbeterd.
Voorzorgsmaatregelen tijdens de verwerking en productie	Tijdens het productieproces van printplaten is het noodzakelijk om belangrijke indicatoren, zoals de nauwkeurigheid van het boren van via’s, de ruwheid van de gatwanden en de kwaliteit van de koperbeplating, strikt te controleren. De kwaliteit van deze indicatoren heeft een directe invloed op de prestaties van de via’s en de algehele kwaliteit van de printplaat.

Kies voor Geyuan Electronics voor op maat gemaakte printplaten in massaproductie

Geyuan Electronics is een door AI aangestuurd, allesomvattend intelligent infrastructuurplatform voor de elektronica-industrie. Door industriële software en ecosystemen voor ingenieurs te integreren, fabrikant van originele onderdelen (OEM) toeleveringsketen-ecosystemen en flexibele productie-ecosystemen: we hebben een gesloten ecosysteem opgebouwd binnen de elektronica-toeleveringsketen, met als doel hardware-innovatie eenvoudiger te maken. Sinds onze oprichting hebben we een breed scala aan activiteiten ontwikkeld, waaronder de “Geyuan Solution” met superieure ontwerpcapaciteiten voor IoT-oplossingen, AI-agenten en tools voor elektronische ontwerpautomatisering, tools voor de analyse van de produceerbaarheid van ontwerpen, one-stop-diensten voor de inkoop van elektronische componenten, intelligente implementatie van hoogbetrouwbare meerlaagse PCB-R&D en -productie, SMT-assemblage, PCBA, en totaaloplossingen voor productontwikkeling en productie. Wij bieden onze klanten intelligente totaaloplossingen die ontwerp, productie, inkoop en levering met elkaar verbinden, waardoor het traditionele, gefragmenteerde model met informatieasymmetrie van de elektronica-productie de sector, door de efficiëntie van de gehele keten – van ontwerp tot massaproductie – te verbeteren en waarde te creëren voor de creatieve ideeën van gebruikers.

Samenvatten

Kortom, via’s op printplaten vormen een cruciaal onderdeel van het ontwerp en de routing van schakelingen. Ze verbinden niet alleen verschillende signalen in serie, maar bevorderen ook de positionering van de printplaat, de warmteafvoer en andere functies. De plaatsing van via’s is onderworpen aan specifieke specificaties en eisen. Daarom kan een effectieve plaatsing van via's de thermische efficiëntie verbeteren, de productie-efficiëntie verhogen en de algehele productiekwaliteit verbeteren, wat een belangrijke bijdrage levert aan de ontwikkeling van de elektronica-industrie. Als u op grote schaal op maat gemaakte printplaatproducten wilt laten produceren, Neem dan contact met ons op voor hulp.