Подробное руководство по проектированию контактных площадок печатных плат
В Проектирование печатных плат, немногие элементы имеют такое же решающее значение, как контактные площадки печатной платы. Именно на этих крошечных, но мощных проводящих участках происходит вся «магия», поскольку они являются ключевыми точками для подключения компонентов, передачи сигнала и формирования паяных соединений. Независимо от того, разрабатываете ли вы схемы с поверхностным монтажом, сквозными отверстиями или схемы высокой плотности, понимание всех тонкостей контактных площадок печатной платы имеет решающее значение. В этом руководстве мы рассмотрим различные типы контактных площадок, стандарты проектирования, правила компоновки и типичные ошибки. Поэтому, если вы стремитесь к лучшей паяемости, более прочным соединениям и полному отсутствию доработок…
Введение в контактные площадки печатных плат
Контактные площадки на печатной плате — это открытые металлические участки, к которым припаиваются выводы, клеммы или штырьки компонентов. Если площадки слишком малы, сильно смещены или имеют шероховатую поверхность, это может привести к сбою всего процесса сборки и, в конечном итоге, к выходу изделия из строя. Контактные площадки — это не просто небольшие металлические диски; они объединяют в себе механические крепления, электрические контакты и тепловые каналы. Контактные площадки печатных плат в основном делятся на две категории: площадки для поверхностного монтажа (SMD) и площадки для сквозного монтажа (PTH). Хотя их функции схожи, они значительно различаются по структуре, расположению и применению. В то время как дорожки передают сигналы, контактные площадки являются местом, где сигналы реализуются — это физический контакт между компонентами и печатной платой. Проще говоря: без контактных площадок нет пайки; без пайки нет схемы.
Типы контактных площадок на печатных платах
Пайная площадка — это основной элемент сборки с поверхностным монтажом, используемый для формирования схемы размещения элементов на печатной плате. Под этим термином понимаются различные комбинации площадок, предназначенные для конкретных типов компонентов. Пайные площадки представляют собой проводящие элементы, используемые для электрических соединений, монтажа компонентов или для обоих целей. Ниже приведены некоторые распространенные и специальные типы площадок для печатных плат.
Стандартные прокладки
| квадратные прокладки | Такой тип контактных площадок часто используется в тех случаях, когда компоненты на печатной плате крупные и их количество невелико, а трассировка проста. Его легко реализовать при изготовлении печатной платы вручную. |
| Круглые прокладки | Широко применяются в односторонних и двусторонних печатных платах с регулярным расположением компонентов. Если плотность размещения на плате позволяет, площадки могут быть увеличены, чтобы предотвратить их отрыв во время пайки. |
| Островные прокладки | Соединения между контактными площадками для пайки объединены в единый блок. Такая конструкция широко применяется в вертикальных установках с нерегулярным расположением. |
| Многоугольные накладки | Используется для различения паяльных площадок с одинаковым внешним диаметром, но разным диаметром отверстий, что облегчает обработку и сборку. |
| овальные накладки | Эти прокладки обладают достаточной площадью, что повышает их устойчивость к отслоению, и широко используются в устройствах в корпусах типа DIP (dual in-line package). |
| Подушечки открытой формы | Этот метод часто применяется для того, чтобы отверстия в контактных площадках, отремонтированных вручную, не были загерметизированы припоем после пайки в потоке. |
Специальные прокладки
| Паяльные площадки «Сливовый цвет» | Параллельные контактные площадки обычно используются в местах расположения крупных переходных отверстий для заземления, и у такой конструкции есть несколько причин: 1) Монтажное отверстие необходимо металлизировать и соединить с GND. Если монтажное отверстие полностью металлизировано, его легко заблокировать во время пайки методом рефлоу. 2) Использование внутренних металлических отверстий для винтов может привести к плохому заземлению из-за монтажа или многократного демонтажа. Однако использование контактных площадок в форме звезды обеспечивает хорошее заземление независимо от изменений напряжения. |
| Крестообразные контактные площадки для пайки | Крестообразные паяльные площадки, также известные как «горячие» паяльные площадки или площадки для пайки горячим воздухом, используются для уменьшения теплопотерь во время пайки, что позволяет предотвратить образование холодных паяных соединений или отслоение печатной платы, вызванное чрезмерным отводом тепла. 1) Когда паяльные площадки выполняют функцию заземляющих линий. Крестообразные конфигурации могут уменьшить площадь заземления, замедлить рассеивание тепла и облегчить пайку. 2) Если ваша печатная плата требует машинной установки компонентов и пайки методом рефлоу, крестообразные площадки могут предотвратить отслоение печатной платы (поскольку для плавления паяльной пасты требуется больше тепла). |
| Подушка в форме капли | Контактные площадки такого типа часто используются в тех случаях, когда подключенная к ним дорожка имеет небольшую ширину, чтобы предотвратить отслоение площадки или отрыв дорожки от неё. Такие контактные площадки широко применяются в высокочастотных схемах. |
Основные стандарты проектирования прокладок
| Характеристики размера и формы | Размер контактной площадки должен точно соответствовать выводам или клеммам компонента. Исходя из отраслевого опыта, минимальная ширина одной стороны контактной площадки не должна быть меньше 0,25 мм, а общий диаметр не должен превышать трёхкратного диаметра отверстия для компонента. Например, для компонентов с сквозными отверстиями диаметром 0,8 мм диаметр контактной площадки должен быть не более 2,4 мм, чтобы избежать образования перемычек из-за чрезмерно больших площадок. В случаях высокоплотной разводки рекомендуется использовать эллиптические или продолговатые контактные площадки. Для односторонних плат рекомендуемый диаметр контактной площадки составляет 1,6 мм, тогда как для двухсторонних плат с низковольтной разводкой диаметр контактной площадки можно уменьшить до значения, равного диаметру отверстия плюс 0,5 мм. |
| Оптимизация расстояний и компоновки | Расстояние между контактными площадками является ключевым параметром для предотвращения коротких замыканий. Стандарты требуют, чтобы расстояние между краями двух контактных площадок превышало 0,4 мм. Для компонентов с шагом выводов ≤2,0 мм (таких как корпуса DIP) рекомендуется использовать многослойную конструкцию контактных площадок с диаметром, равным диаметру отверстия +0,2–0,4 мм. При размещении компонентов необходимо соблюдать принцип направления пайки волной припоя: ось многовыводных линейных устройств (таких как разъёмы) должна быть параллельна направлению перемещения, а лёгкие компоненты (такие как диоды) следует располагать вертикально, чтобы избежать «плавания» компонентов из-за того, что во время пайки один их конец затвердевает первым. |
Стандарты проектирования контактных площадок на печатных платах дизайн
Проектирование контактных площадок является важнейшим этапом, обеспечивающим качество пайки и надёжность схемы. Правильно спроектированная контактная площадка не только повышает эффективность производства, но и значительно снижает количество дефектов пайки. Ниже приведены распространённые стандарты и технические требования к проектированию контактных площадок. Стандарты проектирования формы и размеров контактных площадок печатных плат
1. Вызовите стандартную библиотеку корпусов печатных плат.
2. Минимальный диаметр одной из сторон прокладки составляет не менее 0,25 мм, а максимальный диаметр всей прокладки — не более 3-кратного диаметра отверстия детали.
3. Постарайтесь, чтобы расстояние между краями двух прокладок было больше 0,4 мм.
4. Контактные площадки с диаметром отверстия более 1,2 мм или диаметром площадки более 3,0 мм следует проектировать в форме ромба или цветка сливы.
5. Для плотной разводки рекомендуется использовать овальные и продолговатые контактные площадки. Диаметр или минимальная ширина площадок на односторонней плате составляет 1,6 мм; на двухсторонних платах площадки для низковольтных линий должны иметь размер, равный диаметру отверстия плюс 0,5 мм. Слишком большие площадки могут легко привести к нежелательному образованию перемычек.
Стандарт размеров контактных площадок и сквозных отверстий на печатной плате
Внутренний диаметр контактной площадки, как правило, составляет не менее 0,6 мм, поскольку отверстия диаметром менее 0,6 мм сложно обрабатывать при штамповке. Обычно внутренний диаметр контактной площадки равен диаметру металлического вывода плюс 0,2 мм. Например, если диаметр металлического вывода резистора составляет 0,5 мм, то внутренний диаметр его контактной площадки равен 0,7 мм. Диаметр контактной площадки зависит от внутреннего диаметра.
Материалы для контактных площадок печатных плат и обработка их поверхности
Контактные площадки — это не просто медь; не менее важную роль играет обработка их поверхности. Большинство паяльных площадок изготавливаются на основе меди. Однако чистая медь быстро окисляется, поэтому производители проводят обработку поверхности, чтобы обеспечить хорошую паяемость и долговечность. Это привело к появлению таких технологий, как HASL, ENIG и OSP. Кроме того, каждый процесс обработки поверхности влияет на характеристики паяльных площадок во время пайки.
- Выравнивание горячим воздухом (HASL) — это широко распространённый и экономичный процесс, однако он приводит к неровностям поверхности.
- Безелектролитное никель-золотое покрытие (ENIG) обеспечивает гладкую и надежную поверхность, а также более длительный срок службы, что делает его идеальным решением для компонентов с мелким шагом и золотых контактов.
- OSP (органическое покрытие, обеспечивающее паяемость) — это безсвинцовый, экологически безопасный вариант, однако он более подвержен окислению.
Проблемы, вызванные неправильным размером контактных площадок на печатной плате
Размер, форма и расположение контактных площадок в корпусе печатной платы напрямую влияют на технологичность её изготовления. Использование контактных площадок неправильного размера или в неправильном положении во время пайки при сборке печатной платы может привести к различным проблемам. Вот несколько примеров:
| Плавающие компоненты | Если компонент для поверхностного монтажа размещен на контактных площадках, которые слишком велики или расположены с неправильным расстоянием, он может сместиться и выйти из положения во время пайки методом рефлоу. Это может привести к образованию перемычек из припоя на других металлических элементах и стать причиной недостаточного расстояния между компонентами во время термического охлаждения, доработки и тестирования печатной платы. |
| Неполные паяные соединения | Если контактные площадки слишком малы или расположены слишком близко друг к другу, может не хватить места для формирования достаточных паяных швов. Это может привести к некачественным паяным соединениям или полному отсутствию паяных точек. |
| Создание паяных перемычек | Слишком большие площадки для поверхностного монтажа могут привести к смещению компонентов, что, в свою очередь, может вызвать образование паяных мостов. Это происходит, когда припой пересекает площадку или металлический элемент другой цепи и создает прямое короткое замыкание. Паяные мосты также могут возникать, если при проектировании формы площадки в CAD-программе не были учтены требования к паяльной маске и параметрам паяльной пасты. |
| Установка памятника | Проблемы с пайкой могут возникать, когда два неподвижных компонента поверхностного монтажа (SMT), например резисторы и конденсаторы, имеют контактные площадки разного размера. Одна из площадок нагревается быстрее другой, и расплавленный припой отрывает компонент от другой площадки, приклеивая его к себе, как надгробный камень. |
| Отсасывание припоя из сердечника | При неправильной конструкции контактных площадок с сквозными отверстиями также могут возникнуть проблемы. Если размер сверла слишком велик по сравнению с выводами компонента, вводимыми в отверстие, припой может быть вытянут через сердцевину отверстия до того, как будет обеспечено надлежащее соединение. С другой стороны, слишком маленький размер сверла затруднит вставку выводов компонентов и замедлит процесс сборки. |
| Отключение через отверстия | Контактные площадки со сквозными отверстиями должны иметь сплошное кольцо для обеспечения паяемости; это кольцо представляет собой участок металла между стенкой отверстия и внешним периметром площадки. Размер кольца рассчитан таким образом, чтобы быть достаточно большим для обеспечения предусмотренного отклонения сверла от центра отверстия. Однако, если площадка слишком мала, в кольце могут возникнуть трещины, а их чрезмерное количество может привести к некачественной пайке или повреждению и неполноте схемы. Если размер площадки слишком мал для просверливаемого отверстия, сверло может слегка колебаться и отклоняться от контура площадки во время обычных операций сверления. |
| Короткое замыкание с другими металлами | Слишком маленькие контактные площадки приведут к тому, что поверхностные дорожки будут располагаться слишком близко к компонентам, припаянным к ним, что создаст потенциальные зоны металлического короткого замыкания. С другой стороны, слишком большие контактные площадки могут ограничивать прокладку трасс между ними, затрудняя прокладку трасс на печатной плате. |
Рекомендации по проектированию контактных площадок для различных типов печатных плат
Стандартизированный контроль размеров, усовершенствованная оптимизация компоновки и механизмы предотвращения дефектов могут значительно повысить выход пайки и надежность продукции. По мере того как электронные компоненты становятся всё меньше и плотнее, проектирование контактных площадок в будущем будет в большей степени опираться на моделирование с использованием искусственного интеллекта и инструменты DFM (проектирование с учётом технологичности), что приведёт к кардинальному сдвигу от подходов, основанных на опыте, к подходам, основанным на данных. Ниже приводится наше краткое изложение рекомендаций по проектированию контактных площадок для различных типов печатных плат.
Проектирование и применение из Контакты для поверхностного монтажа
Контактные площадки для поверхностного монтажа (SMD) являются основой технологии поверхностного монтажа и широко используются в самых разных изделиях — от смартфонов до светодиодных светильников. Форма контактных площадок зависит от типа компонента. Например, для чиповых резисторов используются прямоугольные площадки, тогда как для корпусов типа QFP (Quad Flat Package) требуются точные расстояния и размеры, соответствующие выводам с мелким шагом. Поэтому,
- Неправильная компоновка контактных площадок для поверхностного монтажа (SMD) может привести к образованию «надгробных камней» (то есть к подъему одной стороны площадки во время пайки методом рефлоу) или к образованию перемычек (то есть к соединению соседних площадок припоем, что приводит к короткому замыканию).
- Успешное проектирование контактных площадок для поверхностного монтажа (SMD) осуществляется в соответствии со стандартом IPC-7351, что позволяет обеспечить оптимальный объем припоя, длину контактных площадок и расстояние между ними.
Правила функциональности и дизайна из контакты для сквозного монтажа
Хотя контактные площадки для сквозных отверстий могут казаться несколько устаревшими в эпоху технологии поверхностного монтажа, они по-прежнему играют ключевую роль в конструкциях, требующих высокого тока, высокой механической прочности и в схемах источников питания. Эти площадки должны обеспечивать размещение выводов компонентов, обеспечивать протекание припоя и при этом сохранять структурную и электрическую целостность обеих сторон печатной платы. Соотношение между диаметром отверстия и размером контактной площадки имеет решающее значение. Контактная площадка должна иметь достаточную кольцевую площадь (т. е. слой меди, окружающий отверстие), чтобы обеспечить надёжную связь и механическое крепление.
Укладка прокладок в многослойных печатных платах
В многослойные печатные платы, проектирование контактных площадок приобретает ещё большее значение. Каждая контактная площадка является частью «стека» площадок, а этот стек представляет собой вертикальную структуру, включающую верхние и нижние площадки, соединения между внутренними слоями и переходные отверстия. Не все площадки в стеке видны. Внутренние площадки соединяются с плоскостями питания или заземления через переходные отверстия. Неправильные размеры контактных площадок могут привести к проблемам с целостностью сигнала или даже сделать печатную плату не поддающейся производству. В современных проектах может применяться технология «via-in-pad», при которой переходные отверстия размещаются непосредственно под контактными площадками компонентов; она широко используется в корпусах BGA и компонентах с мелким шагом. Хотя эта техника позволяет сэкономить место, она требует применения сложных технологических процессов, таких как заделка переходных отверстий и планаризация.
Контакты печатной платы в схеме высокой плотности
В схемах с высокой плотностью размещения, таких как мобильные устройства или Печатные платы HDI, пространство является чрезвычайно ценным ресурсом. Контакты должны быть спроектированы так, чтобы быть меньше, плотнее и чище, чем когда-либо прежде. По мере уменьшения размеров контактных площадок снижается технологичность изготовления и возрастает риск появления дефектов. Именно поэтому многие разработчики используют микроплощадки (размером всего 0,3 мм) и площадки с мелким шагом (менее 0,4 мм), а также проводят тщательные проверки на соответствие принципам DFM (Design for Manufacturing — проектирование с учетом технологичности). Для достижения этой цели может потребоваться использование сквозных отверстий внутри контактных площадок, микросквозных отверстий, просверленных лазером, и более точного выравнивания паяльной маски. Это не просто вопрос компоновки, а поиск баланса между электрическими характеристиками, механической целостностью и технологической осуществимостью.
Размеры подложек для ручной и автоматической сборки
Конструкция контактных площадок не может быть универсальной; решающее значение имеет метод монтажа печатной платы. Ручная пайка обеспечивает большую гибкость, позволяя использовать более крупные контактные площадки, которые техническим специалистам проще нагревать и паять. Например, для ручной пайки компонента 1206 может использоваться контактная площадка длиной 1,8 мм, тогда как при автоматической пайке методом рефлоу может потребоваться площадка длиной всего 1,4 мм. Если ваша плата будет подвергаться автоматической установке компонентов и пайке методом рефлоу, размеры контактных площадок должны соответствовать стандарту расположения контактных площадок IPC-7351. Это включает отверстия в трафарете, объем паяльной пасты и допуски на центрирование.
Стандарт проектирования печатных плат IPC
Стандарты IPC — это ваша гарантия безопасности. Стандарт IPC-7351 является основным руководством по геометрии контактных площадок, а стандарт IPC-2221 охватывает общие стандарты проектирования печатных плат. Эти стандарты основаны на многолетних данных отрасли и помогают избежать догадок при определении размеров контактных площадок, особенно при работе с компонентами нестандартной формы или корпусами с мелким шагом.
Заключение
От SMD до компонентов с сквозными отверстиями, от контактов с радиатором до контактов типа «капля» — контактные площадки печатной платы — это гораздо больше, чем просто несколько медных колец; они являются жизненно важной частью схемы. Правильно спроектированные контактные площадки обеспечивают более прочные паяные соединения, лучшее отведение тепла и меньше производственных сложностей. В этом руководстве рассмотрены все аспекты проектирования контактных площадок: материалы, стандарты IPC, компоновки высокой плотности, типичные дефекты, а также инструменты и поставщики, необходимые для успешного проектирования. Независимо от того, паяете ли вы прототипы вручную или отправляете миллионы плат на производство, качество контактных площадок может определить успех или провал всего продукта. Уделяйте внимание контактным площадкам, стремитесь к совершенству, и ваши печатные платы отблагодарят вас надёжностью и высокой производительностью. Если вам требуется крупносерийное производство печатных плат, обратитесь за помощью к нашей команде.