Руководство «Как избежать обычаев» Проектирование сквозных отверстий на печатных платах Ошибки

При проектировании многослойных печатных плат переходные отверстия являются критически важными элементами, соединяющими различные слои схемы, и их конструкция напрямую влияет на рабочие характеристики схемы, производственные затраты и надежность. Кроме того, переходные отверстия являются ключевыми элементами, соединяющими проводящие дорожки между различными слоями в многослойные печатные платы, а качество их проектирования напрямую влияет на электрические характеристики схемы, её механическую прочность и технологичность. То, что на первый взгляд может показаться простой “дыркой”, на самом деле требует учёта множества факторов, включая совместимость с технологическим процессом и целостность сигнала. Правильное проектирование параметров переходных отверстий (таких как паяльные кольца и апертура) имеет основополагающее значение для предотвращения последующих производственных браков и сбоев в работе схемы.

Согласно статистическим данным из Geyuan Electronics ‘По данным нашей инженерной команды, затраты на сверление составляют от 30% до 40% от себестоимости производства многослойных печатных плат. Поэтому поиск баланса между производительностью и стоимостью в высокоскоростных и высокоплотных конструкциях стал серьезной задачей для инженеров. В данной статье, подготовленной нашей инженерной командой, на основе отраслевых стандартов и практического опыта разъясняются ключевые моменты проектирования переходных отверстий в индивидуальных проектах многослойных печатных плат, что поможет вам избежать типичных ошибок.

Основные функции и суть переходных отверстий на многослойных печатных платах индивидуального изготовления

В проектирование печатных плат (PCB), основная функция сквозных отверстий заключается в обеспечении электрической связи между различными проводящими слоями многослойной печатной платы, а также в обеспечении определенной механической фиксации (например, для крепления тяжелых компонентов). Конструктивно сквозное отверстие состоит из трех частей: просверленного отверстия, гальванического барьера и кольцевого кольца. По сути являясь “вертикальной линией передачи”, переходные отверстия вносят паразитную индуктивность (обычно 0,5–2 нГн) и паразитную ёмкость (0,1–0,5 пФ) при передаче высокочастотных сигналов, и эти параметры увеличиваются с ростом размера переходного отверстия. Поэтому при проектировании переходных отверстий необходимо найти баланс между “надёжностью соединения”, “целостностью сигнала” и “технологической осуществимостью”, обеспечивая качество сверления и гальванического покрытия и одновременно сводя к минимуму влияние на высокоскоростные сигналы.

Важность проектирования переходных отверстий в Многослойные печатные платы

1. Если схема очень простая, переходные отверстия могут и не понадобиться, однако при проектировании многослойной печатной платы их наличие считается обязательным.

2. В случае многослойных плат сквозные отверстия позволяют увеличить плотность размещения компонентов.

3. По мере увеличения количества многослойных печатных плат плотность проводных дорожек будет становиться всё выше и выше. Сквозные отверстия позволяют соединять между собой различные проводные дорожки на разных слоях печатной платы и выполняют функцию вертикальных соединительных элементов.

4. Без переходных отверстий в процессе трассировки легко зайти в тупик, а компоненты типа BGA, разъёмы и даже многослойные печатные платы будут располагаться очень плотно.

5. Переходные отверстия облегчают передачу сигналов и питания между слоями. Без переходных отверстий все компоненты располагаются на одной плоскости, и среди них есть компоненты для поверхностного монтажа. Однако компоненты для поверхностного монтажа в многослойных печатных платах невозможно разместить на одной плоскости.

’Geyuan Electronics» опыт инженерной команды в проектировании многослойных переходных отверстий для печатных плат

Проектирование трасс является ключевым аспектом разработки многослойных печатных плат, где даже одно изменение может иметь далеко идущие последствия. Благодаря правильному подбору размеров, стандартизации расстояний и оптимизации схем расположения вентиляционных отверстий можно обеспечить соответствие требованиям к высокоскоростным сигналам и одновременно контролировать затраты. Что ещё более важно, тесное взаимодействие с Производитель печатных плат ‘Знание инженерной командой компании деталей технологического процесса имеет решающее значение для воплощения проектных спецификаций в надежные продукты и выделения компании на высококонкурентном рынке. Ниже приведены некоторые выводы по проектированию сквозных отверстий в печатных платах, сделанные инженерной командой Geyuan Electronics на основе опыта, накопленного в ходе разработки более 10 000 проектов многослойных печатных плат для клиентов, для вашего сведения.

По размеру не обязательно тем лучше, чем он меньше; это необходимо учитывать с учётом ограничений технологического процесса

Проводные отверстия состоят из просверленных отверстий и окружающих их площадок. При выборе размеров следует руководствоваться следующими принципами:

Технические характеристики внутреннего и внешнего диаметра	Внутренний диаметр сквозного отверстия составляет ≥0,2 мм (8 мил), а внешний диаметр — ≥0,4 мм (16 мил); в крайних случаях внешний диаметр может быть уменьшен до 0,35 мм (14 мил).
Эмпирическая формула	Наружный диаметр, как правило, в два раза превышает внутренний диаметр ± 2 мил. Например, внутренний диаметр 8 мил соответствует наружному диаметру 14/16/18 мил.
Ограничения процесса	Слишком малый диаметр отверстия повышает риск отклонения траектории сверления, а когда глубина отверстия превышает 6-кратный диаметр отверстия, становится сложно гарантировать равномерность гальванического покрытия.
Предложения по дизайну	В высокоскоростных схемах предпочтительно использовать переходные отверстия меньшего размера для снижения паразитной ёмкости, однако необходимо согласовать технологические возможности с производителем печатных плат, чтобы не стремиться слепо к достижению экстремальных размеров. Слишком маленький диаметр переходного отверстия повышает риск несоосности при сверлении, а когда глубина переходного отверстия превышает шестикратный диаметр, становится сложно гарантировать равномерность гальванического покрытия.

Общая концепция следует применять с осторожностью при заделывании глухих отверстий до контролировать расходы

Для корпусов BGA (шаг выводов ≥ 0,65 мм) не рекомендуется использовать потайные слепые переходные отверстия из-за их высокой стоимости. Если их использование неизбежно, рекомендуется применять слепые переходные отверстия первого порядка (такие как TOP-L2 или BOTTOM-L2) с внутренним диаметром 0,1 мм (4 мил) и внешним диаметром 0,25 мм (10 мил). Хотя слепые переходные отверстия более высокого порядка могут повысить плотность проводки, сложность изготовления и стоимость растут экспоненциально.

Проходные отверстия и контактные площадки следует избежать риска «томбстонинга»

Хотя размещение переходных отверстий непосредственно на контактных площадках может снизить индуктивность выводов, это может привести к попаданию паяльной пасты в переходные отверстия, что, в свою очередь, вызовет образование «надгробий» при пайке. .

Безопасное расстояние	Рекомендуется соблюдать зазор 4–8 мил между переходными отверстиями и краями контактных площадок.
Площадь BGA	Переходное отверстие должно быть выровнено по центру между двумя контактными площадками, чтобы избежать смещения, которое может привести к образованию паяных мостиков и коротких замыканий. По завершении работы переходные отверстия необходимо заделать и покрыть паяльной пастой, чтобы обеспечить ровную поверхность паяльных шариков BGA.

Расстояние между переходными отверстиями дизайн должен предотвратить путем разбивания и обеспечить надежность

Слишком малое расстояние между переходными отверстиями может легко привести к сбоям при сверлении. Технические требования предусматривают:

Минимальное расстояние	≥0,5 мм (рекомендуется); следует любой ценой избегать значений 0,35–0,4 мм, а значения ≤0,3 мм запрещены. .
Районы с высокой плотностью населения	Используя шахматную расстановку или регулируя размер проёмов, можно оптимизировать использование пространства.

Масло для очистки сопел является ключ к повышению выхода сварки

Для сквозных отверстий малого диаметра (≤0,5 мм) и в особых случаях требуется заделка и герметизация с использованием масла:

Устройства в металлическом корпусе	Проходные отверстия в нижней части основного корпуса необходимо заделать, чтобы предотвратить короткое замыкание с внешним корпусом.
За исключением отверстий для отвода тепла	Отверстия можно оставить для улучшения отвода тепла. .

Несъемные накладки может может быть грамотно усовершенствована за счет использования переходных отверстий для повышения надёжности

Контакты разъемов для наушников, кнопок, гибких печатных плат и т. п. подвержены механическим нагрузкам. На этапе проектирования можно равномерно добавить одну-две переходные отверстия, чтобы усилить сцепление медной фольги и предотвратить отрыв контактов.

Конструкция вентиляционного отверстия требует стратегия, выгодная для всех сторон, обеспечивающая баланс между целостностью сигнала и стоимостью

отверстия для вентилятора в традиционных чиповых устройствах	Рекомендуется размещать переходные отверстия по внешнему периметру устройства, обеспечивая прохождение дорожек внутренних слоев между двумя переходными отверстиями, что позволит избежать пересечения опорной плоскости. Неправильные методы увеличат сложность трассировки и поставят под угрозу целостность опорной плоскости.
Отверстия для вентилятора BGA	Переходные отверстия должны быть строго центрированы относительно контактных площадок; они не должны быть смещены или располагаться непосредственно на площадках. Переходные отверстия, расположенные на площадках, часто приводят к образованию холодных паяных соединений и могут пересекать плоскость питания/заземления, что ведет к проблемам с целостностью сигнала.

Рекомендации по проектированию переходных отверстий в многослойные печатные платы и стандарты для выбора паяльных колец и диаметры отверстий

Диаметры паяльных колец и сквозных отверстий являются ключевыми параметрами при проектировании сквозных отверстий и должны определяться с учетом толщины печатной платы, толщины медной фольги и технологического процесса изготовления. Мы рекомендуем использовать стандартные значения для диаметров паяльных колец и сквозных отверстий (например, 0,7 мм + 0,3 мм). Однако следует учитывать следующие рекомендации по проектированию.

Диаметр сверла

Диаметр скважины, также называемый диаметром бурового ствола, определяет проводимость и паразитные параметры скважины.

Стандартный выбор

Для стандартных печатных плат (толщиной 1,6 мм) рекомендуемый минимальный диаметр отверстия составляет 0,3 мм (предельное значение для механического сверления обычно составляет 0,2 мм, тогда как при лазерном сверлении можно достичь диаметра всего 0,1 мм), при этом обычно используемые диаметры отверстий варьируются от 0,4 мм до 0,6 мм. Например, диаметр сигнальных сквозных отверстий может составлять 0,4 мм, а диаметр силовых сквозных отверстий (для высокой токопроводимости) — от 0,6 мм до 1,0 мм.

Соответствующая толщина пластины

Соотношение размера отверстия к толщине платы должно составлять не более 1:10 (например, при толщине платы 1,6 мм максимальный размер отверстия составляет 0,16 мм). Превышение этого соотношения приведет к неравномерному нанесению покрытия на стенки отверстий (разница в толщине >20%), что повлияет на надежность проводимости. Если толщина платы достигает 2,0 мм, рекомендуется, чтобы размер отверстия был ≥0,3 мм.

Кольцевое кольцо

Паяльное кольцо — это кольцо из медной фольги, окружающее переходное отверстие, которое используется для усиления соединения между переходным отверстием и медной фольгой того же слоя. Его ширина (ширина паяльного кольца = (диаметр контактной площадки — диаметр переходного отверстия) / 2) должна соответствовать следующим требованиям:

Минимальная ширина сварного кольца	В соответствии со стандартной технологией диаметр контактной площадки должен быть не менее 0,15 мм (т. е. диаметр контактной площадки = диаметр отверстия + 0,3 мм). Например, если диаметр отверстия составляет 0,4 мм, диаметр контактной площадки должен быть ≥0,7 мм (0,7–0,4 = 0,3 мм, а диаметр одностороннего паяльного кольца составляет 0,15 мм).
Оптимизация высокоскоростных сигналов	Для высокочастотных сигналов (≥1 ГГц) диаметр кольца переходного отверстия можно уменьшить до 0,1 мм (однако необходимо согласовать технологические возможности с производителем), чтобы снизить паразитную ёмкость.
Усиление мощности	Ширину паяного кольца для высокотоковых переходных отверстий можно увеличить до значения свыше 0,2 мм, что повышает прочность соединения с медной фольгой и предотвращает перегрев, вызванный концентрацией тока.

Типичный пример комбинации при проектировании сквозных отверстий для многослойных печатных плат в компании «Гэюань Электроникс»

Сигнал через	Благодаря апертуре 0,4 мм и диаметру контактной площадки 0,7 мм (с паяльным кольцом 0,15 мм) он подходит для большинства цифровых сигналов и низкочастотных аналоговых сигналов.
Питание через	Отверстие 0,6 мм + диаметр контактной площадки 1,0 мм (паяльное кольцо 0,2 мм) для обеспечения пропускания тока 1–3 А (при толщине меди 1 унция = 35 мкм).
Районы с высокой плотностью населения	Благодаря диаметру отверстия 0,3 мм и диаметру контактной площадки 0,6 мм (паяльное кольцо 0,15 мм) он подходит для применения в местах с ограниченным пространством, таких как нижняя часть корпуса BGA.

При проектировании сквозных отверстий в многослойных печатных платах при работе с особыми типами отверстий необходимо уделять внимание соотношению сторон прорезей и проблеме разрыва отверстий

Помимо круглых переходных отверстий, в определенных случаях требуются продольные отверстия, и их проектированию необходимо уделять особое внимание:

Отверстие для шпонки

Пазы имеют прямоугольную или овальную форму и используются для соединения выводов нестандартной формы (например, выводов разъемов типа DIP) или для передачи сильных токов.

Ограничение соотношения сторон	Соотношение длины и ширины паза должно составлять ≤5:1 (например, при ширине 0,5 мм максимальная длина составляет 2,5 мм). Превышение этого соотношения может легко привести к смещению инструмента во время сверления и образованию шероховатых стенок отверстия.
Требования к покрытию	Углы пазов должны быть скруглены (радиус ≥ 0,2 мм) для предотвращения концентрации напряжений в покрытии под прямым углом, что может привести к образованию трещин; толщина покрытия на стенке отверстия должна быть ≥ 20 мкм для обеспечения надежности при высоком токе.

Предотвращение образования пузырей

Под термином «отслоение» понимается отрыв гальванического покрытия от стенки отверстия и сварного кольца в процессе сварки или в условиях воздействия высоких температур. Анализ причин и способы устранения:

причина	мера
Недостаточная ширина сварного кольца (<0,1 мм) приводит к возникновению термических напряжений и отслоению при высоких температурах;	Ширина сварного кольца составляет ≥0,15 мм для обеспечения прочности механического соединения;
Мелкие отверстия или пузырьки в покрытии на стенках отверстия могут привести к проникновению флюса и его расширению во время сварки.	Производители обязаны применять технологию “кислотного медалирования” (которая обеспечивает более равномерное покрытие, чем щелочное медалирование) и проводить испытание на адгезию покрытия (прочность на отрыв ≥ 0,5 Н/мм).

Рекомендации по проектированию, касающиеся влияния импеданса и плотности переходных отверстий при разработке многослойных печатных плат

При проектировании необходимо соблюдать баланс между целостностью сигнала и рациональностью компоновки:

Влияние импеданса и его оптимизация

Высокочастотный сигнал через	Каждая дополнительная переходная отверстие снижает импеданс дифференциальной пары на 2–5 Ом (например, импеданс дифференциальной пары 100 Ом может снизиться до 95 Ом), что требует компенсации при трассировке путем точной настройки ширины дорожки (например, увеличения ширины дорожки на 0,02 мм).
Уменьшить количество переходных отверстий	Высокоскоростные сигналы (такие как PCIe 4.0) не должны пересекать слои. Если пересечение слоев необходимо, количество переходных отверстий должно быть ≤2, а расстояние между двумя переходными отверстиями — ≥5 мм (для уменьшения взаимной связи).
Заземление через корпус	Разместите 2–4 заземляющие переходные отверстия вокруг переходного отверстия для высокоскоростного сигнала (на расстоянии, не меньшем, чем в 3 раза больше диаметра переходного отверстия), чтобы сформировать “экранирующее кольцо” и уменьшить излучение и перекрестные помехи.

Регулирование плотности расположения

Интервалы между символами	Расстояние по центрам между соседними переходными отверстиями должно быть не менее чем в 2 раза больше диаметра отверстия (например, для переходного отверстия диаметром 0,4 мм расстояние должно составлять не менее 0,8 мм), чтобы избежать смещения отверстий или соединения стенок отверстий (риск короткого замыкания), вызванных вибрацией во время сверления.
Переходные отверстия в области BGA	Переходные отверстия, расположенные под паяными соединениями BGA, должны быть смещены относительно положения паяных соединений и находиться на расстоянии не менее 0,3 мм от края паяного соединения, чтобы предотвратить попадание припоя в переходные отверстия во время пайки (что может привести к образованию холодных паяных соединений).

Другие меры предосторожности

Совместимость с пайкой без свинца	Покрытие сквозных отверстий должно содержать свинец (или бессвинцовый сплав, например Sn-Ag-Cu) и иметь толщину ≥2 мкм, чтобы гарантировать отсутствие окисления или отслоения во время пайки методом рефлоу при температуре 260 °C.
Паяльная маска	Проходные отверстия, не предназначенные для пайки (например, сигнальные проходные отверстия), должны быть покрыты паяльной маской для предотвращения образования паяных мостиков; если требуется проведение испытаний, можно выполнить частичное открытие паяльной маски.

Рекомендации по валидации при проектировании технологического процесса изготовления сквозных отверстий в многослойных печатных платах

Надежность конструкции переходных отверстий необходимо обеспечить посредством верификации технологического процесса:

Контроль DFM	Используйте инструмент DFM в программном обеспечении для проектирования печатных плат (например, “Manufacturing Check” от Altium), чтобы убедиться, что параметры переходных отверстий соответствуют технологическим возможностям производителя (например, диаметр отверстия ≥ 0,3 мм, паяное кольцо ≥ 0,15 мм).
Проверка образцов	Первая схема печатной платы должна пройти испытания на надежность переходных отверстий.
Проверка непрерывности	Сопротивление в переходном отверстии при измерении мультиметром должно быть менее 0,1 Ом.
Испытание на термический шок	После 100 циклов перехода от -40 ℃ до 125 ℃ скорость изменения сопротивления сквозного отверстия составляет ≤10%;
Испытание на растяжение	К силовому каналу в течение 10 секунд прилагалась тяговая сила в 5 Н, при этом отрыва или разрыва не произошло.
Связаться с производителем	Перед отправкой проекта предоставьте производителю печатных плат таблицу параметров переходных отверстий (диаметр отверстия, паяльное кольцо, количество) для подтверждения технологической осуществимости проекта (особенно в случае особых требований, таких как лазерное сверление и переходные отверстия в толстых пластинах).

Почему стоит выбрать компанию «Geyuan Electronics» в качестве партнера по изготовлению многослойных печатных плат по индивидуальному заказу?

Geyuan Electronics — это комплексная интеллектуальная инфраструктурная платформа на базе искусственного интеллекта для электронной промышленности. Благодаря интеграции промышленного программного обеспечения и экосистем инженеров, производитель оригинального оборудования (OEM) экосистемы цепочек поставок и экосистемы гибкого производства мы создали замкнутую экосистему в сфере цепочек поставок электроники, стремясь упростить инновации в области аппаратного обеспечения. С момента основания мы развили целый ряд направлений деятельности, включая “Geyuan Solution” с передовыми возможностями по разработке решений в области Интернета вещей (IoT), AI-агенты и инструменты автоматизации проектирования электроники, инструменты анализа технологичности конструкции, комплексные услуги по закупке электронных компонентов, интеллектуальную платформу для НИОКР и производства многослойных печатных плат высокой надёжности, а также комплексные услуги по SMT-сборке и PCBA Платформа услуг аутсорсинга. Мы предоставляем клиентам комплексные интеллектуальные решения, объединяющие проектирование, производство, закупки и доставку, что позволяет преобразовать традиционную фрагментированную модель электронной промышленности, характеризующуюся информационной асимметрией, повысить эффективность всей цепочки от проектирования до серийного производства и создать ценность для творческих идей пользователей.

Обобщить

Проектирование переходных отверстий является “невидимой опорой” надежности печатной платы. Выбор их параметров должен осуществляться в соответствии с принципом “с учетом технологического процесса и с ориентацией на эксплуатационные характеристики”: Для стандартных сценариев используется классическое сочетание диаметра переходного отверстия 0,4 мм и площадки 0,7 мм; для высокочастотных сценариев количество переходных отверстий уменьшается, а паяльное кольцо оптимизируется; для сценариев с высоким током диаметр переходного отверстия и ширина паяльного кольца увеличиваются. При проектировании важно помнить: вводные отверстия — это не тот случай, когда “чем меньше, тем лучше” или “чем больше, тем лучше”. Напротив, они должны соответствовать требованиям к соединяемости и при этом минимизировать производственные риски посредством проверок DFM и верификации технологического процесса. Хорошо спроектированная система переходных отверстий позволяет эффективно избежать таких проблем, как “разрывы переходных отверстий” и “холодные паяные соединения” при серийном производстве, обеспечивая долгосрочную стабильную работу схемы. Если у вас есть индивидуальные проекты многослойных печатных плат и вам нужны партнеры-поставщики для проектирования и серийного производства, обращайтесь к нам за помощью.