Een uitgebreide gids voor het ontwerpen van contactvlakken op printplaten

In PCB-ontwerp, zijn er maar weinig onderdelen die zo cruciaal zijn als PCB-pads. Op deze kleine maar krachtige geleidende vlakken gebeurt alle magie, aangezien ze de sleutelpunten vormen voor het aansluiten van componenten, signaaloverdracht en het vormen van soldeerverbindingen. Of je nu oppervlakte-gemonteerde componenten, doorvoergaten of circuits met hoge dichtheid ontwerpt, het is essentieel om de ins en outs van PCB-pads te begrijpen. In deze gids gaan we in op verschillende soorten pads, ontwerpnormen, lay-outregels en veelvoorkomende valkuilen. Dus als u streeft naar betere soldeerbaarheid, sterkere verbindingen en geen herwerk…

Inleiding tot PCB-pads

PCB-pads zijn de blootliggende metalen oppervlakken op een printplaat waarop de aansluitdraden, aansluitingen of pinnen van componenten worden gesoldeerd. Als uw pads te klein zijn, ernstig scheef staan of een ruw oppervlak hebben, kan het hele assemblageproces mislukken, wat mogelijk tot productstoringen leidt. Pads zijn meer dan alleen kleine metalen schijfjes; ze vormen een combinatie van mechanische bevestigingspunten, elektrische contacten en warmtegeleiders. PCB-pads worden hoofdzakelijk onderverdeeld in twee categorieën: pads voor oppervlaktemontage (SMD) en pads met doorvoergaten (PTH). Hoewel hun functies vergelijkbaar zijn, verschillen ze aanzienlijk in structuur, lay-out en toepassing. Terwijl sporen signalen transporteren, zijn pads de plek waar signalen hun werk doen – het fysieke contact tussen componenten en de printplaat. Simpel gezegd: zonder pads is er geen soldeer; zonder soldeer is er geen circuit.

Soorten PCB-pads

Een soldeerpad is een basisbouwsteen van de oppervlakte-montage en wordt gebruikt om het landpatroon van een printplaat te vormen. Het verwijst naar verschillende combinaties van pads die zijn ontworpen voor specifieke soorten componenten. Soldeerpads zijn geleidende patronen die worden gebruikt voor elektrische verbindingen, het monteren van componenten of beide. Hieronder staan enkele veelvoorkomende en speciale soorten PCB-pads.

Standaardpads

vierkante kussentjes	Dit type pad wordt vaak gebruikt wanneer de componenten op de printplaat groot en schaars zijn en de bedrading eenvoudig is. Het is gemakkelijk toe te passen bij het met de hand vervaardigen van een printplaat.
Ronde kussentjes	Wordt veel gebruikt bij enkelzijdige en dubbelzijdige printplaten met regelmatig geplaatste componenten. Als de dichtheid van de printplaat het toelaat, kunnen de pads groter worden gemaakt om te voorkomen dat ze tijdens het solderen losraken.
Eilandkussens	De verbindingen tussen de soldeerpunten zijn in één geheel geïntegreerd. Dit wordt vaak toegepast bij verticale, onregelmatig geplaatste installaties.
Veelhoekige kussentjes	Wordt gebruikt om soldeerpunten met een vergelijkbare buitendiameter maar verschillende gatdiameters van elkaar te onderscheiden, wat de verwerking en montage vergemakkelijkt.
ovale kussentjes	Deze pads hebben voldoende oppervlakte om de afpelsterkte te verbeteren en worden vaak gebruikt in DIP-componenten (Dual In-Line Package).
Open kussentjes	Dit wordt vaak gebruikt om ervoor te zorgen dat de gaten in handmatig gerepareerde printplaten na het golfsolderen niet door soldeer worden afgesloten.

Speciale kussentjes

Soldeerpunten met pruimenbloesemmotief	Parallelle contactvlakken worden doorgaans gebruikt op de plaats van grote via’s voor aarding, en er zijn verschillende redenen voor dit ontwerp: 1) Het bevestigingsgat moet worden gemetalliseerd en aangesloten op GND. Als het bevestigingsgat volledig is gemetalliseerd, kan het gat tijdens het reflow-solderen gemakkelijk worden geblokkeerd. 2) Het gebruik van interne metalen schroefgaten kan leiden tot slechte aarding als gevolg van installatie of herhaaldelijke demontage. Het gebruik van stervormige gaten zorgt echter voor een goede aarding, ongeacht veranderingen in de belasting.
Kruisvormige soldeerpunten	Kruisvormige soldeerpunten, ook wel bekend als ‘hot solder pads’ of ‘hot air solder pads’, worden gebruikt om warmteverlies tijdens het solderen te verminderen, waardoor koude soldeerverbindingen of het loslaten van de printplaat als gevolg van overmatige warmteafvoer worden voorkomen. 1) Wanneer uw soldeerpunten als aardingslijnen fungeren. Kruisvormige patronen kunnen het oppervlak van de aardverbinding verkleinen, de warmteafvoer vertragen en het solderen vergemakkelijken.2) Wanneer uw printplaat machinaal moet worden bestukt en er reflow-solderen plaatsvindt, kunnen kruisvormige pads het loslaten van de printplaat voorkomen (omdat er meer warmte nodig is om de soldeerpasta te smelten).
Druppelvormig kussen	Dit type pad wordt vaak gebruikt wanneer de met het pad verbonden spoorlijn dun is, om te voorkomen dat het pad loslaat of dat de spoorlijn van het pad afbreekt. Dit type pad wordt vaak gebruikt in hoogfrequente schakelingen.

Basisnormen voor het ontwerp van kussens

Specificaties inzake afmetingen en vorm

De afmetingen van het pad moeten precies overeenkomen met de aansluitdraden of aansluitklemmen van de component. Op basis van ervaring in de sector mag de minimale breedte van één zijde van het pad niet minder dan 0,25 mm bedragen, en mag de totale diameter niet meer dan driemaal de diameter van het componentgat bedragen. Bij doorvoercomponenten met een gatdiameter van bijvoorbeeld 0,8 mm moet de paddiameter binnen 2,4 mm worden gehouden om kortsluiting door te grote pads te voorkomen. Voor bedradingsscenario’s met hoge dichtheid worden elliptische of langwerpige pads aanbevolen. Voor enkelzijdige printplaten is de aanbevolen paddiameter 1,6 mm, terwijl voor dubbelzijdige printplaten met laagspanningsbedrading de paddiameter kan worden teruggebracht tot de gatdiameter plus 0,5 mm.

Optimalisatie van spatiëring en lay-out

De afstand tussen de pads is een cruciale parameter om kortsluiting te voorkomen. Normen schrijven een afstand van meer dan 0,4 mm voor tussen de randen van twee pads. Voor componenten met een aansluitafstand ≤ 2,0 mm (zoals DIP-behuizingen) wordt een padontwerp voor meerlaagse printplaten aanbevolen met een diameter die gelijk is aan de gatdiameter plus 0,2 tot 0,4 mm. Bij het plaatsen van componenten moet het principe van de golfsoldeerrichting worden gevolgd: de as van lineaire componenten met meerdere aansluitingen (zoals connectoren) moet parallel lopen aan de transportrichting, terwijl lichte componenten (zoals diodes) verticaal moeten worden geplaatst om te voorkomen dat componenten gaan zweven doordat één uiteinde tijdens het solderen als eerste stolt.

Ontwerpnormen voor pads op printplaten ontwerp

Het ontwerp van de pads is een cruciale stap om de soldeerkwaliteit en de betrouwbaarheid van het circuit te waarborgen. Een goed ontworpen pad verhoogt niet alleen de productie-efficiëntie, maar vermindert ook aanzienlijk het aantal soldeerfouten. Hieronder volgen gangbare ontwerpnormen en specificaties voor pads. Ontwerpnormen voor de vorm en afmetingen van PCB-pads

1. Roep de standaardpakketbibliotheek voor printplaten op.

2. De minimale diameter van één zijde van het kussentje bedraagt ten minste 0,25 mm, en de maximale diameter van het gehele kussentje bedraagt niet meer dan driemaal de diameter van het gat in het onderdeel.

3. Zorg ervoor dat de afstand tussen de randen van de twee kussentjes groter is dan 0,4 mm.

4. Pads met een gatdiameter van meer dan 1,2 mm of een paddiameter van meer dan 3,0 mm moeten worden ontworpen in de vorm van een ruit of een pruimenbloesem.

5. Voor een dichte bedrading worden ovale en langwerpige aansluitvlakken aanbevolen. De diameter of minimale breedte van de aansluitvlakken op een enkelzijdige printplaat bedraagt 1,6 mm; bij dubbelzijdige printplaten hoeven de aansluitvlakken voor laagspanningslijnen slechts de diameter van het gat plus 0,5 mm te hebben. Te grote aansluitvlakken kunnen gemakkelijk onnodige brugvorming veroorzaken.

Standaardafmetingen voor via’s op printplaten

De binnendiameter van het pad is doorgaans niet kleiner dan 0,6 mm, omdat gaten kleiner dan 0,6 mm moeilijk te bewerken zijn bij het ponsen. Meestal is de binnendiameter van het pad gelijk aan de diameter van de metalen aansluitdraad plus 0,2 mm. Als de diameter van de metalen aansluitdraad van de weerstand bijvoorbeeld 0,5 mm is, bedraagt de binnendiameter van het bijbehorende pad 0,7 mm. De diameter van het pad is afhankelijk van de binnendiameter.

Materialen voor printplaatcontactpunten en oppervlaktebehandeling

Soldeerpunten bestaan niet alleen uit koper; de oppervlaktebehandeling ervan is net zo belangrijk. De meeste soldeerpunten zijn op koper gebaseerd. Onbehandeld koper oxideert echter snel, dus voeren fabrikanten oppervlaktebehandelingen uit om een goede soldeerbaarheid en duurzaamheid te garanderen. Dit leidt tot technologieën zoals HASL, ENIG en OSP. Bovendien beïnvloedt elk oppervlaktebehandelingsproces de prestaties van de soldeerpunten tijdens het soldeerproces.

• Nivelleren met hete lucht (HASL) is een veelgebruikt en voordelig proces, maar het leidt tot oneffen oppervlakken.

• Chemisch nikkel-goudplateren (ENIG) zorgt voor een glad, betrouwbaar oppervlak en een langere levensduur, waardoor het ideaal is voor componenten met een fijne pitch en gouden contactvlakken.

• OSP (Organic Solderability Protectant) is een loodvrij, milieuvriendelijk alternatief, maar het is gevoeliger voor oxidatie.

Problemen als gevolg van onjuiste padafmetingen op printplaten

De afmetingen, vorm en positie van de pads in een printplaatpakket hebben een directe invloed op de produceerbaarheid van de printplaat. Het gebruik van pads met de verkeerde afmetingen of op de verkeerde plaats tijdens het solderen bij de assemblage van printplaten kan tot diverse problemen leiden. Hier volgen enkele voorbeelden:

Zwevende onderdelen	Als een component voor oppervlaktemontage op te grote of onjuist geplaatste pads wordt geplaatst, kan de component gaan verschuiven en uit positie raken tijdens het reflow-solderen. Dit kan ertoe leiden dat er soldeerbruggen ontstaan naar andere metalen en dat de afstand tussen de componenten onvoldoende is tijdens het afkoelen, het herstelwerk en het testen van de printplaat.
Onvolledige soldeerverbindingen	Als de pads te klein zijn of te dicht bij elkaar liggen, is er mogelijk onvoldoende ruimte om voldoende soldeerfilets te vormen. Dit kan leiden tot slechte soldeerverbindingen of helemaal geen soldeerpunten.
Soldeerbruggen	Te grote opbouwpads kunnen ervoor zorgen dat componenten gaan ‘zweven’, wat kan leiden tot soldeerbruggen. Dit gebeurt wanneer soldeer een pad of metalen element op een ander circuit kruist en zo een directe kortsluiting veroorzaakt. Soldeerbruggen kunnen ook ontstaan als de juiste soldeermasker- en soldeerpasta-elementen niet in de vorm van het pad zijn ontworpen in de CAD-software.
Een monument oprichten	Er kunnen soldeerproblemen ontstaan wanneer twee vastgemonteerde SMT-componenten, zoals weerstanden en condensatoren, soldeerpunten van verschillende grootte hebben. Het ene soldeerpunt warmt sneller op dan het andere, waardoor het gesmolten soldeersel de component van het andere soldeerpunt omhoog trekt en deze er als een grafsteen aan vastplakt.
Afzuiging van de soldeerkern	Ook bij doorvoergaten kunnen er problemen ontstaan als de constructie niet correct is. Als de boor te groot is voor de aansluitdraden van de componenten die in het gat worden gestoken, kan het soldeersel door de kern van het gat worden weggezogen voordat er een goede verbinding tot stand is gekomen. Aan de andere kant maakt een te kleine boor het moeilijk om de aansluitdraden van de componenten in te brengen en vertraagt dit het assemblageproces.
Ontkoppeling via doorvoergaten	Doorvoergatpads moeten een stevige ring hebben om de soldeerbaarheid te waarborgen; deze ring bestaat uit het metaal tussen de wand van het gat en de buitenrand van de pad. De ring is zo ontworpen dat hij groot genoeg is om de boor zoals bedoeld uit het midden van het gat te laten afwijken. Als het pad echter te klein is, kan er enige breuk in de ring optreden, en te veel breuk kan leiden tot onjuist solderen of beschadigde en onvolledige schakelingen. Als de pad te klein is voor het te boren gat, kan de boor tijdens normale boorwerkzaamheden licht gaan slingeren en afwijken van de vorm van het pad.
Kortsluiting met andere metalen	Als de pads te klein zijn, komen de sporen op het oppervlak te dicht bij de componenten te liggen die erop zijn gesoldeerd, waardoor er mogelijke kortsluitingspunten kunnen ontstaan. Aan de andere kant kunnen te grote pads de routing ertussen beperken, waardoor het ontwerpen van de printplaat moeilijker wordt.

Overwegingen bij het ontwerp van pads voor verschillende soorten printplaten

Gestandaardiseerde maatcontrole, verfijnde lay-outoptimalisatie en mechanismen ter voorkoming van defecten kunnen de soldeeropbrengst en de betrouwbaarheid van het product aanzienlijk verbeteren. Naarmate elektronische componenten kleiner en compacter worden, zal het ontwerp van pads in de toekomst steeds meer steunen op AI-ondersteunde simulaties en DFM-tools (Design for Manufacturability), waardoor een paradigmaverschuiving plaatsvindt van een op ervaring gebaseerde naar een datagestuurde aanpak. Hieronder volgt onze samenvatting van aandachtspunten bij het ontwerp van pads voor verschillende soorten printplaten.

Ontwerp en toepassing van SMD-contactpunten

SMD-pads vormen de basis van de oppervlaktemontagetechnologie en worden op grote schaal gebruikt in allerlei producten, van smartphones tot LED-lampen. De vorm van de pads hangt af van het onderdeel. Zo maken chipweerstanden bijvoorbeeld gebruik van rechthoekige pads, terwijl quad flat packages (QFP’s) nauwkeurige afstanden en afmetingen vereisen die zijn afgestemd op de fijne aansluitpinnen. Daarom,

• Een slechte indeling van de SMD-pads kan leiden tot ‘tombstoning’ (d.w.z. dat één kant van het pad omhoog komt tijdens het reflow-solderen) of tot het ontstaan van bruggen (d.w.z. dat soldeer aangrenzende pads met elkaar verbindt, wat een kortsluiting tot gevolg heeft).
• Bij een succesvol ontwerp van SMD-pads wordt de IPC-7351-norm gevolgd om een optimaal soldeervolume, een optimale padlengte en een optimale afstand tussen de pads te garanderen.

Functie- en ontwerpregels van doorvoergaten

Hoewel doorvoergat-pads in het tijdperk van de oppervlaktemontagetechnologie misschien wat verouderd lijken, spelen ze nog steeds een cruciale rol in ontwerpen voor hoge stroomsterkte, hoge mechanische sterkte en voedingen. Deze pads moeten plaats bieden aan de aansluitdraden van componenten, het vloeien van soldeer mogelijk maken en tegelijkertijd de structurele en elektrische integriteit van beide zijden van de printplaat behouden. De verhouding tussen de diameter van het gat en de afmeting van het pad is van cruciaal belang. Het pad moet een voldoende groot ringvormig oppervlak hebben (d.w.z. de koperen laag rondom het gat) om een goede connectiviteit en mechanische bevestiging te garanderen.

Het stapelen van pads in meerlaagse printplaten

In meerlaagse printplaten, wordt het ontwerp van de pads nog belangrijker. Elke pad maakt deel uit van een padstack, en deze stack is een verticale structuur die bestaat uit bovenste en onderste pads, verbindingen tussen interne lagen en via’s. Niet alle pads in de stack zijn zichtbaar. Interne pads worden via via’s aangesloten op voedings- of aardvlakken. Onjuiste afmetingen van de pads kunnen leiden tot problemen met de signaalintegriteit of er zelfs toe leiden dat de printplaat niet kan worden geproduceerd. In moderne ontwerpen kan gebruik worden gemaakt van via-in-pad-technologie, waarbij via’s direct onder de pads van componenten worden geplaatst; dit komt veel voor bij BGA-pakketten en componenten met een fijne pitch. Hoewel deze techniek ruimte bespaart, vereist het geavanceerde processen zoals het afdichten van via’s en planarisatie.

PCB-pads in een ontwerp met hoge dichtheid

In lay-outs met een hoge dichtheid, zoals mobiele apparaten of HDI-printplaten, is ruimte uiterst kostbaar. Pads moeten kleiner, dichter en zuiverder worden ontworpen dan ooit tevoren. Naarmate de afmetingen van de pads afnemen, neemt de produceerbaarheid af en neemt het risico op defecten toe. Daarom maken veel ontwerpers gebruik van micro-pads (zo klein als 0,3 mm) en fine-pitch-pads (minder dan 0,4 mm) en voeren ze grondige DFM-beoordelingen (Design for Manufacturing) uit. Om dit te bereiken, moet u wellicht gebruikmaken van via’s in de pads, met laser geboorde microvia’s en een nauwkeurigere uitlijning van het soldeermasker. Dit is niet alleen een kwestie van lay-out, maar ook een afweging tussen elektrische prestaties, mechanische integriteit en procescapaciteit.

Afmetingen van de pads voor handmatige en automatische montage

Het ontwerp van de soldeerpunten is niet voor iedereen hetzelfde; de montagewijze van de printplaat is van cruciaal belang. Handmatig solderen biedt meer flexibiliteit, waardoor grotere pads mogelijk zijn die technici gemakkelijker kunnen verwarmen en solderen. Zo kan een handmatig gesoldeerde 1206-component bijvoorbeeld een pad van 1,8 mm lang gebruiken, terwijl bij geautomatiseerd reflow-solderen mogelijk slechts 1,4 mm nodig is. Als uw printplaat automatisch wordt geplaatst en met reflow-solderen wordt gesoldeerd, moeten de afmetingen van de pads voldoen aan de IPC-7351-norm voor padpatronen. Dit omvat stencilopeningen, het volume van de soldeerpasta en uitlijningstoleranties.

IPC-norm voor het ontwerp van printplaten

IPC-normen vormen uw vangnet. IPC-7351 is de aanbevolen richtlijn voor de geometrie van contactvlakken, terwijl IPC-2221 algemene ontwerpnormen voor printplaten behandelt. Deze normen zijn gebaseerd op jarenlange gegevens uit de sector en helpen giswerk met betrekking tot de afmetingen van contactvlakken te voorkomen, met name bij componenten met een ongebruikelijke vorm of pakketten met een fijne pitch.

Conclusie

Van SMD tot through-hole, van koellichaam-type tot druppelvormig: PCB-pads zijn veel meer dan alleen een paar koperen ringen; ze vormen de levensader van een schakeling. Goed ontworpen pads zorgen voor sterkere soldeerverbindingen, betere warmteafvoer en minder productieproblemen. Deze gids behandelt alle aspecten van het ontwerp van pads: materialen, IPC-normen, lay-outs met hoge dichtheid, veelvoorkomende defecten, en hulpmiddelen en leveranciers om een succesvol ontwerp te garanderen. Of u nu prototypes met de hand soldeert of miljoenen printplaten naar een fabrikant stuurt, de kwaliteit van de pads kan bepalend zijn voor het succes of falen van het gehele product. Besteed aandacht aan pads, streef naar uitmuntendheid, en uw printplaten zullen u belonen met betrouwbaarheid en hoge prestaties. Als u printplaten in grote hoeveelheden wilt laten produceren, neem dan contact op met ons team voor hulp.