Specyfikacje projektowe dotyczące średnicy przelotek w płytkach drukowanych

We współczesnym projektowaniu układów elektronicznych, Projektowanie płytek drukowanych (PCB) stanowi kluczowy element całego procesu rozwoju produktu. W szczególności projekt otworów ma bezpośredni wpływ na kluczowe wskaźniki wydajności, takie jak integralność sygnału, wytrzymałość mechaniczna oraz możliwość produkcji. Poniżej omówiono kilka aspektów, które pomogą użytkownikom w pełni zrozumieć i opanować podstawowe elementy projektowania otworów w płytkach drukowanych.

Krótkie wprowadzenie do przelotek w płytkach drukowanych

Płytki drukowane (PCB) są kluczowymi elementami lub podstawowymi jednostkami w konstrukcji obwodów, do których podłączane są różne elementy obwodu. Jednak najważniejszym czynnikiem w projektowaniu płytek drukowanych i montażu elementów jest wykonanie różnych otworów. Otwory te są wytwarzane przy użyciu różnych technik i procesów. Każdy rodzaj otworu ma swój unikalny proces produkcyjny i charakterystykę użytkową. Głównymi funkcjami otworów są: ułatwienie montażu elementów na płytce, zapewnienie solidnych i niezawodnych połączeń elektrycznych oraz zwiększenie wytrzymałości konstrukcyjnej płytki PCB.

Definicja przelotki w płytce drukowanej

W płytkach dwustronnych i wielowarstwowych przelotka to otwór wykonany w miejscu przecięcia się ścieżek drukowanych, które muszą zostać połączone między warstwami w celu zapewnienia połączenia tych ścieżek. Pod względem Proces produkcji płytek drukowanych, na cylindryczną powierzchnię ścianki przelotki nakłada się chemicznie warstwę metalu w celu połączenia folii miedzianych warstw pośrednich, natomiast górną i dolną powierzchnię przelotki przekształca się w okrągłe podkładki lutownicze. Do głównych parametrów przelotki należą: średnica zewnętrzna otworu, pierścień lutowniczy oraz rozmiar otworu wywierconego.

Zalety i wady przelotek w płytkach drukowanych

zaleta

Połączenie sygnałowe zastępuje dotychczasowy proces łączenia za pomocą zworek, co upraszcza tę procedurę i zwiększa wydajność produkcji.

wada

Przejścia mają zarówno pojemność pasożytniczą, jak i indukcyjność pasożytniczą. Przy projektowaniu szybkich obwodów cyfrowych szkodliwe skutki indukcyjności pasożytniczej wynikającej z przejść często przeważają nad skutkami pojemności pasożytniczej. W liniach transmisyjnych objawia się to nieciągłościami impedancji i opóźnieniami w sygnałach o dużej prędkości. W układach zasilających indukcyjność szeregowa osłabia działanie kondensatorów obejściowych, zmniejszając w ten sposób ogólną skuteczność filtrowania układu zasilającego.

Rodzaje z płytki drukowanej przelotki

Otwory przelotowe (PTH)	Otwory metalizowane, które przebiegają przez całą płytkę, mają zazwyczaj średnicę ≥0,2 mm.
Przelotka ślepa	W przypadku lokalnych przelotek biegnących od powierzchni do warstwy wewnętrznej zaleca się, aby stosunek głębokości do średnicy wynosił ≤1:1.
Pochowany w Via	Przelotki międzywarstwowe wymagają wielowarstwowego procesu laminowania.

Zasady projektowania przelotek w płytkach drukowanych : Ograniczenia wymiarowe, wymagania dotyczące odstępów oraz specyfikacje produkcyjne

Niezależnie od rodzaju PCB, istnieją odpowiednie specyfikacje i wymagania dotyczące jego projektowania. Poniżej przedstawiono podsumowanie istotnych zasad i specyfikacji dotyczących projektowania przelotek w płytkach drukowanych.

Podstawowe wymagania projektowe obejmują

Stosunek otworu do grubości blachy (stosunek głębokości do średnicy)	W przypadku zwykłych otworów przelotowych zaleca się, aby stosunek głębokości do średnicy mieścił się w przedziale 1:10 lub 1:12, co pozwoli zapobiec nieprawidłowemu osadzaniu galwanicznemu.
Związek między podkładką a otworem	Szerokość pierścienia zewnętrznego wynosi zazwyczaj ≥ 5 mil, a szerokość pierścienia wewnętrznego – ≥ 8 mil, co ma na celu zapewnienie wytrzymałości mechanicznej i połączenia elektrycznego.
Wymagania dotyczące odstępów między otworami	Zaleca się, aby odległość między środkami lub odległość od krawędzi wynosiła co najmniej 0,5 mm. Jeśli jest ona mniejsza niż 0,3 mm, podczas obróbki łatwo może dojść do powstania mostków lutowniczych lub pęknięć.
Propozycje dotyczące optymalizacji procesów	W przypadku przelotek o średnicy ≤ 0,5 mm zaleca się zastosowanie zabiegu zatykania przelotek i uszczelniania olejem, aby zapobiec przedostawaniu się lutu do przelotki.

Typowe rozmiary i parametry techniczne

Standardowy otwór przelotowy	Typowa średnica wewnętrzna wynosi ≥ 0,2 mm, a średnica zewnętrzna ≥ 0,4 mm (w skrajnych przypadkach średnica zewnętrzna może wynosić zaledwie 0,35 mm).
Mikrootwory/otwory ślepe	Wewnętrzna średnica otworu ślepego pierwszego rzędu wynosi zazwyczaj 0,1 mm, a średnica zewnętrzna – 0,25 mm.
Przelotki zasilania/masy	Zaleca się stosowanie nieco większego rozmiaru (średnica zewnętrzna 0,55 mm – 0,7 mm lub większa), aby umożliwić przepływ większego prądu. .
Sygnał za pośrednictwem	Najczęściej stosowane średnice to 0,4 mm – 0,55 mm.

Zasady dotyczące odstępów i układu

Odległość między otworami	Idealna odległość między środkami wynosi ≥ 0,5 mm; odległość mniejsza niż 0,3 mm jest uznawana za niezgodność.
Podkładki i przelotki	Należy unikać umieszczania przelotek bezpośrednio na bardzo małych padach (takich jak pady RC ≤ 0402). Zaleca się zachowanie odstępu wynoszącego 4–8 mil, aby zapobiec powstawaniu efektu „tombstoning” lub wyciekaniu lutu podczas lutowania.
Wymagania dotyczące wtyczek	Przelotki o średnicy ≤ 0,5 mm zazwyczaj wymagają zaślepienia i hermetyzacji. Przelotki pod układami BGA muszą być wyśrodkowane na polu lutowniczym i zaślepione.

Kluczowe parametry projektowe

Specyfikacja przysłony	Mechaniczne granice wiercenia: 0,15–6,5 mm (standardowe) / 0,1–0,15 mm (wysoka precyzja)
	Wiercenie laserowe: umożliwia wykonywanie mikrootworów o średnicy 0,05–0,1 mm.
	Ograniczenie współczynnika kształtu: ≤10:1 (wykonanie standardowe), zalecane ≤8:1
Wymagania dotyczące odstępów między otworami	Odległość od krawędzi otworu do drutu wynosi ≥0,15 mm.
	Odległość między przelotkami w tej samej sieci wynosi ≥0,1 mm.
	Odległość między przelotkami w różnych typach sieci wynosi co najmniej 0,2 mm.
Projekt podkładki	Standardowa średnica podkładki = średnica otworu + 0,2 mm (szerokość pierścienia 0,1 mm z każdej strony)
	Szerokość pierścienia płytki drukowanej HDI można zmniejszyć do 0,075 mm.
	W obszarach BGA zaleca się stosowanie podkładek NSMD.

Wymagania dotyczące integralności sygnału

Poprzez regulację impedancji	Zwiększyć rozmiar płytki zapobiegającej przylutowaniu (co najmniej dwukrotnie większy od otworu).
	Zastosowano technologię wiercenia wstecznego (długość resztkowa słupa ≤ 0,15 mm).
	Przelotki sygnałowe o dużej prędkości – nie więcej niż 2 na ścieżkę transmisji
Konstrukcja zapewniająca odprowadzanie ciepła	Zasilanie/masa poprzez odstępy między elementami w układzie rzędu 2–3 mm
	Średnica otworów wentylacyjnych wynosi ≥0,3 mm.
	Obróbka ciemnym tuszem (wzrost emisyjności o 30%)

Specyfikacje procesu produkcyjnego

Wymagania dotyczące odporności na lutowanie	Głębokość wbicia ≤ 0,8 średnicy porów
	Grubość warstwy farby: 8–15 μm
	Średnica otworu okiennego po jednej stronie powinna wynosić ≥0,05 mm.
Odszkodowanie za wiercenie	Mechaniczna kompensacja wiercenia = średnica otworu × 3% + 0,05 mm
	Kompensacja wiercenia laserowego ±0,01 mm
Normy testowania	Grubość miedzi w ściance otworu wynosi ≥18 μm (1 uncja miedzi bazowej).
	Dokładność pozycjonowania otworów ±0,05 mm (technologia LDI)
	Plastyczność miedzi w otworach przelotowych ≥15% (zgodna z normą IPC6012B)

Szczególne wymagania projektowe

Konstrukcja z otworami schodkowymi	Różnica wysokości stopni ≤ 0,3 mm
	Kąt przejścia ≥ 120°
	Odstęp między sąsiednimi warstwami ≥ 3 × grubość płyty
Zabieg wypełniania ubytków	Przewodzące zatyczki samoprzylepne do otworów: przeznaczone do otworów o średnicy ≤ 0,3 mm
	Wypełnianie żywicą: umożliwia wyrównanie powierzchni.
	Maksymalny współczynnik średnicy wtyku: 1:1,5
Zaleca się uwzględnienie konkretnego procesu projektowania.	Sprawdź impedancję za pomocą narzędzia do obliczania impedancji (np. Polar SI9000).
	Przeprowadzić analizę DFM (z wykorzystaniem narzędzi takich jak Valor i NPI).

Optymalny stosunek liczby przelotek na płytce drukowanej

Jeśli pozwala na to miejsce, za optymalny uważa się zazwyczaj rozmiar przelotki wynoszący 0,3 mm–0,5 mm. Optymalny stosunek polega na tym, że średnica zewnętrzna przelotki jest o 12 mil większa od jej średnicy wewnętrznej; na przykład, jeśli średnica przelotki wynosi 12 mil, średnica zewnętrzna wyniesie 24 mil, co daje optymalny stosunek. Wielkość średnicy zewnętrznej ma pewien wpływ na trudność wyrównania podczas produkcji oraz na niezawodność produktu. Każdy proces produkcyjny charakteryzuje się pewnymi tolerancjami. Jeśli średnica zewnętrzna jest zbyt mała, a procesy wiercenia i wyrównywania znacznie odbiegają od normy, na gotowej płytce PCB może pojawić się ryzyko pęknięcia otworów (co producenci płytek PCB nazywają “uszkodzonymi padami”). Uszkodzone pady mogą również prowadzić do niewystarczającej zdolności przewodzenia prądu w produkcie.

Kwestie związane z projektowaniem przelotek w płytkach drukowanych

1. Przy doborze odpowiedniej wielkości przelotki należy uwzględnić zarówno koszt, jak i jakość sygnału. Na przykład w przypadku projektów płytek drukowanych modułów pamięci o 6–10 warstwach zaleca się stosowanie przelotek o wymiarach 10/20 mil (otwór/podkładka); w przypadku małych płytek drukowanych o dużej gęstości upakowania można również wypróbować przelotki o średnicy 8/18 mil. W obecnych warunkach technologicznych trudno jest stosować przelotki o mniejszych rozmiarach. W przypadku przelotek zasilających lub uziemiających można rozważyć zastosowanie większych rozmiarów w celu zmniejszenia impedancji.

2. Zastosowanie cieńszej płytki drukowanej pozwala ograniczyć dwa parametry pasożytnicze przelotek.

3. Należy w miarę możliwości unikać zmian w układzie ścieżek sygnałowych na płytce drukowanej, czyli ograniczyć do minimum stosowanie zbędnych przelotek.

4. Otwory pod piny zasilania i uziemienia należy wywiercić blisko siebie, a długość przewodu między przelotką a pinem powinna być jak najkrótsza, ponieważ zwiększa to indukcyjność. Jednocześnie przewody zasilające i uziemiające powinny być jak najgrubsze, aby zmniejszyć impedancję.

5. Umieszczenie przelotek uziemienia w pobliżu przelotek warstwy sygnałowej zapewnia sygnałowi najkrótszą pętlę uziemienia. Nawet dużą liczbę zbędnych przelotek uziemienia można umieścić na płytce drukowanej, o ile projekt jest elastyczny. Wspomniany model przelotek ma zastosowanie w sytuacjach, w których na wszystkich warstwach znajdują się pady. Czasami można zmniejszyć liczbę padów na niektórych warstwach lub nawet je usunąć, zwłaszcza gdy gęstość przelotek jest wyjątkowo wysoka, ponieważ może to prowadzić do powstania przerwanych rowków tworzących przerwane pętle w warstwie miedzianej. Aby rozwiązać ten problem, oprócz dostosowania położenia przelotek, można również rozważyć umieszczenie przelotek bezpośrednio na warstwie miedzianej.

Model ekwiwalentny przelotek w płytkach drukowanych w obwodach o dużej prędkości

Przelotki nieuchronnie powodują powstanie pojemności i indukcyjności pasożytniczych. Chociaż zjawisko to może być niezauważalne w liniach transmisyjnych o niskiej prędkości lub wysokiej częstotliwości, w liniach o dużej prędkości może powodować opóźnienia lub zniekształcenia przebiegu, stając się istotnym czynnikiem i potencjalnie wpływając na powodzenie lub niepowodzenie projektu systemu. Przelotki w liniach transmisyjnych działają jak nieciągłości impedancji, powodując odbicie sygnału. Ogólnie rzecz biorąc, impedancja równoważna przelotki jest o około 12% niższa niż impedancja linii transmisyjnej. Na przykład impedancja linii transmisyjnej o impedancji 50 omów ulegnie zmniejszeniu o 6 omów podczas przejścia przez przelotkę (dokładna wielkość zmniejszenia zależy od rozmiaru przelotki i grubości płytki i nie jest wartością bezwzględną). Jednak odbicie spowodowane nieciągłością impedancji przelotki jest znikome, a współczynnik odbicia wynosi zaledwie (44–50)/(44+50) = 0,06. Problemy spowodowane przez przelotki wynikają przede wszystkim z wpływu pojemności i indukcyjności pasożytniczych.

Wybierz firmę Geyuan Electronics jako partnera w produkcji płytek drukowanych na dużą skalę

Geyuan Electronics to oparta na sztucznej inteligencji, kompleksowa platforma infrastruktury inteligentnej przeznaczona dla produktów elektronicznych. Dzięki integracji oprogramowania przemysłowego oraz ekosystemów inżynierów, producent oryginalnego wyposażenia (OEM) ekosystemów łańcucha dostaw oraz ekosystemów elastycznej produkcji stworzyliśmy ekosystem o obiegu zamkniętym w dziedzinie elektronicznego łańcucha dostaw, którego celem jest uproszczenie procesu wprowadzania innowacji sprzętowych. Od momentu powstania opracowaliśmy “Geyuan Solution”, które charakteryzuje się doskonałymi możliwościami projektowania rozwiązań IoT; agentami AI i narzędziami do automatyzacji projektowania układów elektronicznych; wewnętrznymi narzędziami do analizy wykonalności projektowej; kompleksowymi usługami w zakresie zaopatrzenia w komponenty elektroniczne; wysoce niezawodnym systemem badań i rozwoju wielowarstwowych płytek drukowanych oraz inteligentnej produkcji; montażem SMT; PCBA; oraz kompleksowe usługi w zakresie produkcji wyrobów elektronicznych. Oferujemy klientom kompleksowe, inteligentne rozwiązanie łączące projektowanie, produkcję, zaopatrzenie i dostawę, zmieniając tradycyjny, rozdrobniony i charakteryzujący się asymetrią informacyjną model produkcji wyrobów elektronicznych, zwiększając wydajność całego łańcucha – od projektu po produkcję seryjną – oraz tworząc wartość dla kreatywnych pomysłów użytkowników.

Podsumuj

Otwory w płytkach drukowanych stanowią kluczowy element projektu płytki drukowanej oraz prawidłowego działania urządzeń i projektów elektronicznych. Otwory te są niezbędne do zapewnienia połączeń elektrycznych między poszczególnymi warstwami płytki drukowanej oraz do zapewnienia wytrzymałości mechanicznej. Dlatego podczas projektowania płytki drukowanej niezwykle ważne jest przestrzeganie zasad projektowania i specyfikacji, aby uniknąć różnych problemów związanych z jakością podczas produkcji seryjnej, które mogłyby opóźnić realizację projektu.

W niniejszym artykule podsumowano zasady i wymagania dotyczące projektowania przelotek w płytkach drukowanych, opracowane przez zespół inżynierów firmy Geyuan Electronics. Wymagania projektowe należy dostosować do konkretnego zastosowania (elektronika użytkowa/przemysłowa/motoryzacyjna itp.) oraz częstotliwości sygnału (cyfrowa/wysokoczęstotliwościowa RF). Na przykład płytki elektroniczne stosowane w motoryzacji wymagają dodatkowego marginesu bezpieczeństwa wynoszącego co najmniej 20%, natomiast płytki PCB wysokoczęstotliwościowe mogą wymagać ściślejszych tolerancji impedancji (±5%). Jeśli potrzebują Państwo produkcji płytek PCB na dużą skalę, prosimy o kontakt w celu uzyskania pomocy.