Технические требования к диаметру сквозных отверстий печатных плат
В современном проектировании электронных устройств, Проектирование печатных плат (PCB) является важнейшей частью всего процесса разработки продукта. В частности, проектирование отверстий напрямую влияет на ключевые показатели эффективности, такие как целостность сигнала, механическая прочность и технологичность. Ниже будут подробно рассмотрены несколько аспектов, которые помогут пользователям полностью понять и освоить основные элементы проектирования отверстий в печатных платах.
Краткое введение в сквозные отверстия печатных плат
Печатные платы (ПП) являются ключевыми компонентами или базовыми элементами при создании электронных схем, к которым подключаются различные элементы схемы. Однако наиболее важным фактором при проектировании печатных плат и монтаже компонентов является изготовление различных отверстий. Эти отверстия изготавливаются с использованием различных технологий и процессов. Каждый тип отверстия имеет свой уникальный технологический процесс изготовления и эксплуатационные характеристики. Основные функции отверстий заключаются в облегчении монтажа компонентов на плате, обеспечении прочных и надёжных электрических соединений, а также в повышении прочности конструкции печатной платы.
Определение сквозного отверстия на печатной плате
В двухсторонних и многослойных платах сквозное отверстие представляет собой общее отверстие, просверленное в месте пересечения печатных проводников, которые необходимо соединить между слоями для обеспечения связи между ними. С точки зрения Процесс изготовления печатных плат, на цилиндрическую поверхность стенки переходного отверстия химическим способом наносится слой металла для соединения медных фольг промежуточных слоев, а верхняя и нижняя поверхности переходного отверстия превращаются в круглые паяльные площадки. К основным параметрам переходного отверстия относятся внешний диаметр отверстия, паяльное кольцо и размер просверленного отверстия.
Преимущества и недостатки сквозных отверстий в печатных платах
| преимущество | Подключение сигналов заменяет прежнюю процедуру установки перемычек, что упрощает процесс и повышает эффективность производства. |
| недостаток | Переходные отверстия обладают как паразитным объемом, так и паразитной индуктивностью. При проектировании высокоскоростных цифровых схем вредное воздействие паразитной индуктивности переходных отверстий зачастую превышает влияние паразитного объема. В линиях передачи это проявляется в виде разрывов импеданса и задержек в высокочастотных сигналах. В системах питания паразитная последовательная индуктивность ослабляет вклад обходных конденсаторов, тем самым снижая общий фильтрующий эффект системы питания. |
Типы печатной платы проходные отверстия
| Сквозное отверстие (PTH) | Диаметр металлизированных сквозных отверстий, проходящих через всю плату, обычно составляет ≥0,2 мм. |
| Скрытая переходная отверстие | Для локальных переходных отверстий, проходящих от поверхности до внутреннего слоя, рекомендуется, чтобы отношение глубины к диаметру не превышало 1:1. |
| Похороненный по обычаю | Межслойные переходные отверстия требуют применения процесса многослойного ламинирования. |
Правила проектирования сквозных отверстий на печатных платах : Ограничения по размерам, требования к расстояниям и технические условия изготовления
Независимо от типа печатная плата, существуют соответствующие технические условия и требования к его проектированию. Ниже приводится краткое изложение соответствующих правил и технических условий, касающихся проектирования сквозных отверстий в печатных платах.
Основные проектные требования предусматривают
| Отношение апертуры к толщине пластины (отношение глубины к диаметру) | Для обычных сквозных отверстий рекомендуется поддерживать соотношение глубины к диаметру в пределах 1:10 или 1:12, чтобы избежать некачественного гальванического покрытия. |
| Взаимосвязь между подкладкой и апертурой | Ширина внешнего кольца, как правило, составляет ≥ 5 мил, а ширина внутреннего кольца — ≥ 8 мил, что обеспечивает механическую прочность и надежность электрического соединения. |
| Требования к расстоянию между отверстиями | Рекомендуемое расстояние между центрами или от края должно составлять ≥ 0,5 мм. Если оно составляет менее 0,3 мм, это может привести к образованию паяных мостиков или к поломке при обработке. |
| Предложения по оптимизации процессов | Для сквозных отверстий диаметром ≤ 0,5 мм рекомендуется проводить заделку отверстий и обработку герметизирующим маслом, чтобы предотвратить попадание припоя в сквозное отверстие. |
Распространенные размеры и технические характеристики
| Стандартное сквозное отверстие | Обычно внутренний диаметр составляет ≥ 0,2 мм, а внешний — ≥ 0,4 мм (в крайних случаях внешний диаметр может составлять всего 0,35 мм). |
| Микроотверстия/глухие отверстия | Внутренний диаметр глухой отверстины первого порядка обычно составляет 0,1 мм, а внешний — 0,25 мм. |
| Проходные отверстия для питания/заземления | Для пропускания более сильного тока рекомендуется использовать провод чуть большего размера (внешний диаметр 0,55–0,7 мм или больше). . |
| Сигнал через | Обычно используются диаметры от 0,4 мм до 0,55 мм. |
Правила расстановки и верстки
| Расстояние между отверстиями | Идеальным является расстояние между центрами ≥ 0,5 мм; расстояние менее 0,3 мм считается нарушением. |
| Контактные площадки и переходные отверстия | Не размещайте переходные отверстия непосредственно на миниатюрных контактных площадках (например, площадках RC размером ≤ 0402). Рекомендуется соблюдать расстояние 4–8 мил, чтобы предотвратить образование «надгробий» или утечку припоя во время пайки. |
| Требования к штекерам | Сквозные отверстия диаметром ≤ 0,5 мм обычно требуют заделки и герметизации. Сквозные отверстия под корпусами BGA должны быть выровнены по центру контактной площадки и заделаны. |
Основные проектные параметры
| Технические характеристики диафрагмы | Пределы механического сверления: 0,15–6,5 мм (стандартные) / 0,1–0,15 мм (высокоточные) |
| Лазерное сверление: позволяет создавать микроотверстия диаметром 0,05–0,1 мм. | |
| Ограничение по соотношению сторон: ≤10:1 (стандартная конструкция), рекомендуемое значение ≤8:1 | |
| Требования к расстоянию между отверстиями | Расстояние от края отверстия до проволоки составляет ≥0,15 мм. |
| Расстояние между переходными отверстиями в одной и той же сети составляет ≥0,1 мм. | |
| Расстояние между переходными отверстиями в различных типах сетей составляет ≥0,2 мм. | |
| Конструкция прокладки | Стандартный диаметр прокладки = диаметр отверстия + 0,2 мм (ширина кольца по 0,1 мм с каждой стороны) |
| Ширина кольца печатной платы HDI может быть уменьшена до 0,075 мм. | |
| Для зон с BGA рекомендуется использовать прокладки NSMD. |
Требования к целостности сигнала
| Путем регулирования импеданса | Увеличьте размер контактной площадки для защиты от припоя (не менее чем в 2 раза по сравнению с размером отверстия). |
| Применяется технология обратного бурения (остаточная длина сваи ≤ 0,15 мм). | |
| Число высокоскоростных сигнальных переходных отверстий — не более 2 на каждый канал передачи | |
| Конструкция системы отвода тепла | Питание/заземление через расстояние между элементами матрицы 2–3 мм |
| Диаметр отверстий для отвода тепла составляет ≥0,3 мм. | |
| Обработка тёмными чернилами (повышение коэффициента излучаемости на 30%) |
Технические условия на производственный процесс
| Требования к термостойкости при пайке | Глубина заделки ≤ 0,8 диаметра поровой ячейки |
| Толщина слоя краски: 8–15 мкм | |
| Диаметр оконного проема с одной стороны должен составлять ≥0,05 мм. | |
| Компенсация за буровые работы | Механическая компенсация при сверлении = диаметр отверстия × 3% + 0,05 мм |
| Компенсация лазерного сверления ±0,01 мм | |
| Стандарты тестирования | Толщина медной оболочки стенок отверстия составляет ≥18 мкм (1 унция базовой меди). |
| Точность расположения отверстий ±0,05 мм (технология LDI) | |
| Пластичность меди в сквозных отверстиях ≥15% (соответствует стандарту IPC6012B) |
Особые требования к конструкции
| Конструкция ступенчатого отверстия | Разница между ступенями ≤ 0,3 мм |
| Угол перехода ≥ 120° | |
| Расстояние между соседними слоями ≥ 3 × толщина пластины | |
| Процедура закупорки отверстий | Проводящие клеевые заглушки для отверстий: подходят для диаметров ≤ 0,3 мм |
| Заполнение смолой: обеспечивает планаризацию. | |
| Максимальное соотношение диаметров заглушки: 1:1,5 | |
| Рекомендуется учитывать особенности конкретного процесса проектирования. | Проверить импеданс с помощью прибора для расчета импеданса (например, Polar SI9000). |
| Провести анализ DFM (с использованием таких инструментов, как Valor и NPI). |
Оптимальное соотношение переходных отверстий на печатной плате
При наличии достаточного пространства размер переходного отверстия в диапазоне 0,3–0,5 мм обычно считается оптимальным. Оптимальное соотношение заключается в том, что внешний диаметр переходного отверстия должен быть на 12 мил больше его внутреннего диаметра; например, если диаметр переходного отверстия составляет 12 мил, то его внешний диаметр будет равен 24 мил, что обеспечит оптимальное соотношение. Размер внешнего диаметра оказывает определённое влияние на сложность центрирования в процессе производства и на надёжность изделия. Каждый производственный процесс имеет свои допуски. Если внешний диаметр слишком мал, а процессы сверления и центрирования имеют значительные отклонения, на конечной печатной плате может возникнуть риск разрыва отверстий (что производители печатных плат называют “сломанными контактными площадками”). Повреждённые контактные площадки также могут привести к недостаточной токопроводимости изделия.
Рекомендации по проектированию сквозных отверстий на печатных платах
1. При выборе подходящего размера переходных отверстий следует учитывать как стоимость, так и качество сигнала. Например, для проектов печатных плат модулей памяти с 6–10 слоями рекомендуется использовать размеры 10/20 мил (диаметр отверстия/площадка); для небольших печатных плат высокой плотности также можно попробовать использовать переходные отверстия диаметром 8/18 мил. В современных технологических условиях использование переходных отверстий меньшего размера затруднительно. Для переходных отверстий питания или заземления можно рассмотреть возможность использования больших размеров с целью снижения импеданса.
2. Использование печатной платы меньшей толщины позволяет снизить два паразитных параметра сквозных переходов.
3. По возможности избегайте изменения расположения сигнальных дорожек на печатной плате, то есть сводите к минимуму использование ненужных переходных отверстий.
4. Выводы питания и заземления следует просверлить близко друг к другу, а длина отвода между переходным отверстием и выводом должна быть как можно короче, так как это приведёт к увеличению индуктивности. В то же время провода питания и заземления должны быть как можно толще, чтобы снизить импеданс.
5. Размещение переходных отверстий заземления рядом с переходными отверстиями сигнального слоя обеспечивает наиболее замкнутый контур заземления для сигнала. На печатной плате можно разместить даже большое количество избыточных переходных отверстий заземления, при условии, что конструкция является гибкой. Упомянутая выше модель переходных отверстий применима к случаям, когда контактные площадки присутствуют на всех слоях. Иногда контактные площадки на некоторых слоях можно уменьшить или даже удалить, особенно при чрезвычайно высокой плотности переходных отверстий, так как это может привести к образованию разрывов в канавках, создающих разорванные контуры в медном слое. Для решения этой проблемы, помимо корректировки положения переходных отверстий, можно также рассмотреть возможность их размещения непосредственно на медном слое.
Эквивалентная модель сквозных отверстий печатных плат в высокочастотных схемах
Переходные отверстия неизбежно вносят паразитную ёмкость и индуктивность. Хотя это может быть незаметно в низкоскоростных или высокочастотных линиях передачи, в высокоскоростных линиях это может вызывать задержки или искажения формы сигнала, которые становятся значительными и потенциально могут повлиять на успех или провал проектирования системы. Переходные отверстия на линиях передачи действуют как разрывы импеданса, вызывая отражение сигнала. Как правило, эквивалентный импеданс переходного отверстия примерно на 12% ниже, чем у линии передачи. Например, импеданс 50-омной линии передачи при прохождении через переходное отверстие уменьшится на 6 Ом (точное значение уменьшения зависит от размера переходного отверстия и толщины платы и не является абсолютным). Однако отражение, вызванное разрывом импеданса в переходном отверстии, пренебрежимо мало: коэффициент отражения составляет всего (44–50)/(44 + 50) = 0,06. Проблемы, вызванные переходными отверстиями, в первую очередь связаны с влиянием паразитной ёмкости и индуктивности.
Выберите компанию Geyuan Electronics в качестве партнера по производству печатных плат в больших объемах
Geyuan Electronics представляет собой универсальную интеллектуальную инфраструктурную платформу на базе искусственного интеллекта для электронных изделий. Благодаря интеграции промышленного программного обеспечения и экосистем инженеров, производитель оригинального оборудования (OEM) экосистем цепочек поставок и гибких производственных экосистем мы создали замкнутую экосистему в сфере электронных цепочек поставок, стремясь упростить инновации в области аппаратного обеспечения. С момента основания мы разработали “Решение Geyuan”, которое отличается превосходными возможностями по проектированию решений для Интернета вещей (IoT); ИИ-агентами и инструментами автоматизации проектирования электроники; внутренними инструментами анализа технологичности конструкции; комплексными услугами по закупке электронных компонентов; высоконадежной системой НИОКР и интеллектуального производства многослойных печатных плат; сборкой SMT; PCBA; а также комплексные услуги по производству электронной продукции. Мы предлагаем клиентам комплексное интеллектуальное решение, объединяющее проектирование, производство, закупки и доставку, что позволяет преобразовать традиционную фрагментированную модель производства электронной продукции, характеризующуюся информационной асимметрией, повысить эффективность всей цепочки от проектирования до серийного производства и создать ценность для творческих идей пользователей.
Обобщить
Отверстия в печатных платах являются важнейшим элементом при их проектировании, а также для обеспечения надлежащего функционирования электронных устройств и проектов. Эти отверстия необходимы для установления электрических соединений между различными слоями печатной платы и обеспечения механической прочности. Поэтому при проектировании печатной платы крайне важно соблюдать правила проектирования и технические требования, чтобы избежать различных проблем с качеством при серийном производстве, которые могут привести к задержкам в реализации проекта.
В данной статье приведены правила и требования к проектированию переходных отверстий на печатных платах, составленные инженерной командой компании Geyuan Electronics. Эти проектные требования необходимо корректировать с учетом конкретного сценария применения (потребительская электроника, промышленность, автомобилестроение и т. д.) и частоты сигнала (цифровой сигнал или высокочастотный радиосигнал). Например, для автомобильных электронных плат требуется дополнительный запас прочности 20% или более, в то время как для высокочастотных печатных плат могут требоваться более строгие допуски по импедансу (±5%). Если у вас есть потребности в крупносерийном производстве печатных плат, пожалуйста, свяжитесь с нами для получения помощи.