Especificações de projeto relativas ao diâmetro das vias em placas de circuito impresso

No design eletrónico moderno, Conceção de PCB (placa de circuito impresso) é uma parte crucial de todo o processo de desenvolvimento do produto. O projeto dos orifícios, em particular, tem um impacto direto em indicadores-chave de desempenho, tais como a integridade do sinal, a resistência mecânica e a facilidade de fabrico. A seguir, iremos abordar vários aspetos para ajudar os utilizadores a compreender e dominar plenamente os elementos essenciais do projeto de orifícios em placas de circuito impresso (PCB).

Uma breve introdução às vias em placas de circuito impresso (PCB)

As placas de circuito impresso (PCB) são componentes cruciais ou unidades básicas na construção de circuitos, às quais são ligados vários elementos de circuito. No entanto, o fator mais crítico na conceção das PCB e na montagem dos componentes é a fabricação dos vários orifícios. Estes orifícios são fabricados utilizando diferentes técnicas e processos. Cada tipo de orifício tem o seu processo de fabrico e características de desempenho únicos. As principais funções dos orifícios consistem em facilitar a montagem dos componentes na placa, proporcionar ligações elétricas robustas e fiáveis e reforçar a resistência estrutural da PCB.

Definição de via numa placa de circuito impresso (PCB)

Nas placas de circuito impresso de dupla face e multicamadas, uma via é um orifício comum perfurado na intersecção de condutores impressos que precisam de ser ligados entre camadas, a fim de interligar esses condutores. Em termos de Processo de fabrico de placas de circuito impresso, é depositada quimicamente uma camada de metal na superfície cilíndrica da parede da via para ligar as folhas de cobre das camadas intermédias, enquanto as superfícies superior e inferior da via são transformadas em pontos de soldadura circulares. Os principais parâmetros de uma via incluem o diâmetro exterior do orifício, o anel de soldadura e o tamanho do orifício de perfuração.

Vantagens e desvantagens das vias nos PCB

vantagem

A ligação por sinal substitui o anterior processo de ligação por pontes, simplificando o processo e melhorando a eficiência da produção.

deficiência

As vias possuem tanto capacitância parasítica como indutância parasítica. Na conceção de circuitos digitais de alta velocidade, os efeitos prejudiciais da indutância parasítica das vias superam frequentemente os efeitos da capacitância parasítica. Nas linhas de transmissão, isto manifesta-se sob a forma de descontinuidades de impedância e atrasos nos sinais de alta velocidade. Nos sistemas de alimentação, a indutância em série parasítica enfraquece a contribuição dos condensadores de derivação, reduzindo assim o efeito de filtragem global do sistema de alimentação.

Tipos de PCB vias

Orifício de passagem (PTH)	Os orifícios metalizados que atravessam toda a placa têm, normalmente, um diâmetro ≥ 0,2 mm.
Via cega	No caso das vias locais que se estendem desde a superfície até à camada interior, recomenda-se que a relação profundidade/diâmetro seja ≤ 1:1.
Enterrado Via	As vias entre camadas requerem um processo de laminação multicamadas.

Regras de conceção de vias em placas de circuito impresso (PCB) : Limites de dimensões, requisitos de espaçamento e especificações de fabrico

Independentemente do tipo de PCB, existem especificações e requisitos correspondentes para o seu projeto. Segue-se um resumo das regras e especificações relevantes para o projeto de vias em placas de circuito impresso (PCB).

As especificações de conceção principais exigem

Relação entre a abertura e a espessura da placa (relação profundidade/diâmetro)	No caso de orifícios de passagem comuns, recomenda-se que a relação profundidade/diâmetro seja mantida entre 1:10 e 1:12, para evitar um mau resultado na galvanoplastia.
Relação entre a almofada e a abertura	A largura do anel exterior é normalmente ≥ 5 mil e a largura do anel interior é normalmente ≥ 8 mil, para garantir a resistência mecânica e a ligação elétrica.
Requisitos relativos ao espaçamento entre furos	Recomenda-se que a distância entre centros ou entre bordas seja ≥ 0,5 mm. Se for inferior a 0,3 mm, é fácil que se verifiquem pontes de solda ou quebras durante o processamento.
Sugestões para a otimização de processos	No caso de vias com um diâmetro ≤ 0,5 mm, recomenda-se a aplicação de um tratamento de obstrução e vedação com óleo para impedir que a solda penetre na via.

Tamanhos e especificações comuns

Orifício de passagem padrão	Diâmetro interior habitual ≥ 0,2 mm, diâmetro exterior ≥ 0,4 mm (em casos extremos, o diâmetro exterior pode chegar a 0,35 mm).
Micro-orifícios/Orifícios cegos	O diâmetro interior de um furo cego de primeira ordem é, normalmente, de 0,1 mm, e o diâmetro exterior é de 0,25 mm.
Vias de alimentação/terra	Recomenda-se utilizar um tamanho ligeiramente maior (diâmetro exterior de 0,55 mm a 0,7 mm ou superior) para conduzir uma corrente maior. .
Sinal através de	Os diâmetros mais comuns são 0,4 mm – 0,55 mm.

Regras de espaçamento e disposição

Espaçamento entre furos	Uma distância entre centros de ≥ 0,5 mm é ideal; uma distância inferior a 0,3 mm é considerada uma infração.
Pads e vias	Evite colocar vias diretamente sobre pads minúsculos (tais como pads RC ≤ 0402). Recomenda-se manter um espaçamento de 4 a 8 mil para evitar o efeito «tombstone» ou fugas de solda durante a soldadura.
Requisitos relativos às fichas	As vias com um diâmetro ≤ 0,5 mm requerem, normalmente, o enchimento e o encapsulamento. As vias sob os BGAs devem ser centradas na almofada e enchidas.

Parâmetros-chave de conceção

Especificações da abertura	Limites de perfuração mecânica: 0,15-6,5 mm (padrão) / 0,1-0,15 mm (alta precisão)
	Perfuração a laser: permite criar microfuros com 0,05-0,1 mm.
	Limitação da relação de aspecto: ≤10:1 (modelo padrão), recomendado ≤8:1
Requisitos relativos ao espaçamento entre furos	A distância entre a borda do orifício e o fio é ≥0,15 mm.
	O espaçamento entre as vias na mesma rede é ≥ 0,1 mm.
	O espaçamento entre as vias nos diferentes tipos de rede é ≥ 0,2 mm.
Conceção da almofada	Diâmetro padrão da pastilha = diâmetro do orifício + 0,2 mm (largura do anel de 0,1 mm de cada lado)
	A largura do anel da placa HDI pode ser reduzida para 0,075 mm.
	Recomenda-se a utilização de almofadas NSMD nas áreas BGA.

Requisitos de integridade do sinal

Através do controlo de impedância	Aumente o tamanho da área anti-solda (≥2 vezes a abertura).
	É utilizada a tecnologia de perfuração de retorno (comprimento residual do estaca ≤ 0,15 mm).
	Vias de sinal de alta velocidade ≤ 2 por caminho de transmissão
Concepção da dissipação de calor	Alimentação/terra através do espaçamento entre os elementos de 2-3 mm
	O diâmetro dos orifícios de dissipação de calor é ≥ 0,3 mm.
	Tratamento com tinta escura (aumento da emissividade de 30%)

Especificações do processo de fabrico

Requisitos de resistência à soldadura	Profundidade do tampão ≤ 0,8 vezes o diâmetro do poro
	Espessura da tinta: 8-15 μm
	O diâmetro da abertura da janela num dos lados deve ser ≥ 0,05 mm.
Indemnização por perfuração	Compensação mecânica de perfuração = Diâmetro do furo × 3% + 0,05 mm
	Compensação da perfuração a laser ±0,01 mm
Normas de ensaio	A espessura do cobre na parede do orifício é ≥18 μm (1 oz de cobre de base).
	Precisão da posição dos orifícios: ±0,05 mm (processo LDI)
	Ductilidade do cobre em orifícios de passagem ≥15% (em conformidade com a norma IPC6012B)

Requisitos especiais de conceção

Conceção de orifícios escalonados	Diferença entre degraus ≤ 0,3 mm
	Ângulo de transição ≥ 120°
	Espaçamento entre camadas adjacentes ≥ 3 × espessura da placa
Tratamento de tamponamento de fendas	Tampões adesivos condutores para orifícios: adequados para diâmetros ≤ 0,3 mm
	O preenchimento com resina: permite a planarização.
	Rácio máximo do diâmetro do tampão: 1:1,5
Recomenda-se ter em conta o processo de conceção específico.	Verifique a impedância utilizando uma ferramenta de cálculo de impedância (como o Polar SI9000).
	Realizar uma análise de DFM (utilizando ferramentas como o Valor e o NPI).

Proporção ideal das vias em placas de circuito impresso (PCB)

Quando o espaço o permite, um tamanho de via entre 0,3 mm e 0,5 mm é geralmente considerado ideal. A relação ideal consiste em que o diâmetro exterior da via seja 12 mil maior do que o seu diâmetro interior; por exemplo, se o diâmetro da via for 12 mil, o diâmetro exterior seria 24 mil, resultando na relação ideal. O tamanho do diâmetro exterior tem um certo impacto na dificuldade de alinhamento durante a produção e na fiabilidade do produto. Cada processo de produção tem as suas tolerâncias. Se o diâmetro exterior for demasiado pequeno e os processos de perfuração e alinhamento apresentarem desvios significativos, a placa de circuito impresso (PCB) final pode correr o risco de apresentar orifícios rebentados (o que os fabricantes de PCB designam por “pads partidos”). Os pads partidos também podem levar a uma capacidade insuficiente de condução de corrente no produto.

Considerações sobre o desenho de vias em placas de circuito impresso (PCB)

1. Tenha em conta tanto o custo como a qualidade do sinal ao selecionar um tamanho adequado para as vias. Por exemplo, para projetos de PCB de módulos de memória de 6 a 10 camadas, recomenda-se uma especificação de 10/20 mil (furo/pad); para placas de circuito pequenas de alta densidade, também se pode experimentar um diâmetro de via de 8/18 mil. Nas condições tecnológicas atuais, é difícil utilizar vias de dimensões mais pequenas. No caso de vias de alimentação ou de terra, podem ser consideradas dimensões maiores para reduzir a impedância.

2. A utilização de uma placa de circuito impresso mais fina ajuda a reduzir dois parâmetros parasíticos das vias.

3. Evite, tanto quanto possível, alterar a camada dos traços de sinal na placa de circuito impresso, ou seja, minimize a utilização de vias desnecessárias.

4. Os pinos de alimentação e de terra devem ser perfurados próximos uns dos outros, e o comprimento do fio entre a via e o pino deve ser o mais curto possível, uma vez que isso aumentará a indutância. Ao mesmo tempo, os fios de alimentação e de terra devem ter a maior secção transversal possível, para reduzir a impedância.

5. A colocação de vias de terra perto das vias da camada de sinal proporciona o circuito de terra mais próximo para o sinal. É possível colocar um grande número de vias de terra redundantes na placa de circuito impresso, desde que o projeto seja flexível. O modelo de via acima referido aplica-se a cenários em que existem pads em todas as camadas. Por vezes, os pads em algumas camadas podem ser reduzidos ou mesmo removidos, especialmente quando a densidade de vias é extremamente elevada, uma vez que isto pode levar à formação de trincheiras interrompidas que criam circuitos fechados incompletos na camada de cobre. Para resolver este problema, além de ajustar as posições das vias, pode-se também considerar a colocação das vias diretamente na camada de cobre.

Modelo equivalente das vias de PCB em circuitos de alta velocidade

Os vias introduzem inevitavelmente capacitância e indutância parasíticas. Embora isto possa não ser percetível em linhas de transmissão de baixa velocidade ou de alta frequência, pode causar atrasos ou distorções na forma de onda em linhas de alta velocidade, tornando-se significativo e podendo afetar o sucesso ou o fracasso do projeto do sistema. As vias nas linhas de transmissão atuam como descontinuidades na impedância, causando reflexão do sinal. Geralmente, a impedância equivalente de uma via é cerca de 12% inferior à da linha de transmissão. Por exemplo, uma linha de transmissão de 50 ohms terá a sua impedância reduzida em 6 ohms ao passar por uma via (a redução exata depende do tamanho da via e da espessura da placa, e não é absoluta). No entanto, a reflexão causada pela descontinuidade de impedância de uma via é insignificante, com um coeficiente de reflexão de apenas (44-50)/(44+50) = 0,06. Os problemas causados pelas vias devem-se principalmente aos efeitos da capacitância e indutância parasíticas.

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Resumir

Os orifícios nas placas de circuito impresso (PCB) são um componente crítico na conceção das mesmas e no bom funcionamento dos dispositivos e projetos eletrónicos. Estes orifícios são essenciais para estabelecer ligações elétricas entre as diferentes camadas da placa de circuito e para proporcionar resistência mecânica. Por conseguinte, ao conceber uma PCB, é fundamental respeitar as regras e especificações de conceção, a fim de evitar diversos problemas de qualidade durante a produção em série, o que poderia atrasar o calendário do projeto.

Este artigo resume as regras e os requisitos para o desenho de vias em placas de circuito impresso (PCB), compilados pela equipa de engenharia da Geyuan Electronics. Estes requisitos de desenho devem ser ajustados de acordo com o cenário de aplicação específico (eletrónica de consumo/industrial/automóvel, etc.) e a frequência do sinal (digital/RF de alta frequência). Por exemplo, as placas eletrónicas para o setor automóvel requerem uma margem de segurança adicional de 20% ou superior, enquanto as placas de circuito impresso de alta frequência podem exigir tolerâncias de impedância mais rigorosas (±5%). Se necessitar de produção de placas de circuito impresso em grande volume, contacte-nos para obter assistência.