1. Úvod do otvorů v deskách plošných spojů
Deska plošných spojů (PCB) je velmi důležitou součástí nebo stavebním kamenem pro tvorbu obvodů, na kterých se připojují různé součástky. Nejdůležitějším faktorem pro návrh a manipulaci se všemi součástkami na desce je však to, že se pomocí různých technik a procesů vyrábějí různé typy otvorů. Každý typ otvoru má svůj vlastní výrobní proces a provozní vlastnosti. Hlavní funkcí otvorů je usnadnit montáž součástek na desku a zajistit silné a spolehlivé elektrické spojení a strukturální pevnost desky plošných spojů. V tomto tutoriálu se budeme zabývat různými typy otvorů v deskách plošných spojů, které jsou důležité pro přesný návrh a výrobu desek plošných spojů podle požadavků projektu. Tak pojďme na to!
2. Typy otvorů v deskách plošných spojů
2.1 Pokovené průchozí otvory (PTH)
Pokovování průchozích otvorů, známé také jako bezproudové pokovování mědí. Tyto otvory jsou vyvrtány skrz desku a vyloženy mědí, což je vodivý materiál. Pro vyložení pokovením se používá cín nebo zlato, které pomáhá vytvořit spojení mezi vrstvami desky plošných spojů.
Funkcí těchto otvorů je vytváření elektrických spojení mezi různými vrstvami desky plošných spojů nebo součástkami připojenými k desce. Tyto otvory jsou také užitečné pro zajištění nízkého odporu pro vývody součástek a měděné dráty a pro zvýšení mechanické stability sestavy desky plošných spojů.
Průchozí otvory v plechu jsou také užitečné pro vytváření silných spojení mezi vrstvami oboustranné desky nebo vícevrstvé desky.
Hlavní použití PTH je v pokovování mědí pryskyřicí, pokovování mědí nebo diamantové pokovování mědí.
2.2 Nepokovené průchozí otvory (NPTH)
V tomto typu otvoru v desce plošných spojů se na stěnách otvorů nepoužívají žádné měděné pokovování; v důsledku toho nemají válcové otvory vodivou povahu ani elektrické vlastnosti. Nejlépe se používají tam, kde je deska opatřena měděnými stopami na jedné straně, ale nejsou dobrou volbou pro vícevrstvé desky, protože použití těchto otvorů snižuje počet vrstev desky.
Výroba těchto otvorů je však snadný a rychlý proces a používají se k obrábění otvorů pro upevnění desek v pracovním bodě. Jsou také určeny pro šrouby nebo svorníky, které je upevňují a používají se jako chladič pro odvod tepla.
2.3Poloviční otvory
Poloviční otvory v desce plošných spojů, nazývané také poloviční otvory v desce plošných spojů nebo prohlubně, jsou částečně vyvrtány skrz otvory vytvořené na okraji desky a tyto otvory jsou do poloviny vyfrézovány. Tyto otvory se používají k pájení další desky plošných spojů na základní desce. Jednoduše řečeno, vytvářejí spojení mezi dvěma samostatnými deskami a jsou hlavní součástí spojů komponent s vysokou hustotou. Pro připojení Bluetooth na jiné desce se používají pokovené průchozí otvory.
2.3 Průchozí otvory
Hlavním účelem průchozích otvorů je vytvoření silného elektrického spojení pro různé vrstvy desek plošných spojů a také jejich použití pro propojení pokovených součástek průchozími otvory atd. Propojení různých vrstev vícevrstvých desek pomocí průchozích otvorů usnadňuje tok signálu mezi vrstvami a připojenými součástkami.
Slepé Vias
Slepé průchody desky jsou vytvořeny od horní nebo spodní vrstvy k vnitřním vrstvám a neprocházejí deskou zcela jako pokovené průchody. V tomto pohledu nevidíme druhou stranu desky.
Tyto průchody se vyrábějí mechanickým vrtáním a někdy se k vrtání slepých průchodů používají lasery. Pro vrtání těchto typů průchodů se ujistěte o jejich přesných rozměrech. Je to sice složitý proces, ale slepé průchody můžeme vrtat přímo na desku.
Hlavním použitím slepých průchodů je vytvoření spojení s jednou vnější vrstvou s minimálně jednou vnitřní vrstvou. Poměr stran těchto průchodů je 1:1 nebo větší.
Zaslepené průchodky jsou součástí výroby desek plošných spojů HDI, ale ujistěte se, že deska se zaslepenými průchodkami není vždy HDI PCB.
Zakopané prokovy
Zapuštěné průchodky jsou vytvořeny mezi vnitřními vrstvami desky plošných spojů a nejsou viditelné z vnější strany desky. Hlavním účelem těchto průchodek je vytvořit spojení mezi 2 nebo více vnitřními vrstvami. Pro každou úroveň připojení definujte otvory jako samostatné vrtací soubory.
Poměr stran pro zakopané průchody je 1:12 nebo větší.
Podle norem IPC není doporučený průměr slepých a zapuštěných průchodů větší než 6 mil.
Skládaný Vias
Skládané průchody jsou slepé nebo zakopané průchody, které se používají k vytváření spojení mezi různými vrstvami desky s obvodem pro více než tři vrstvy. Skládané průchody se dodávají se dvěma nebo více průchody konfigurovanými na sobě, které procházejí mnoha vrstvami desek s obvodem.
Hlavní využití stohovaných průchodů je ve vícevrstvých deskách a také v deskách HDI. Konstrukce stohovaných průchodů je taková, že každý průchod ve stohu je konfigurován s jednou vnitřní vrstvou desky.
Hlavní vlastností těchto průchodů je zajištění nepřetržitého elektrického spojení v různých vrstvách. Používají se vrstvené průchody v projektech, kde je omezený prostor, ale složitá konstrukce.
Rozložené Vias
Přesazené prostupy se vytvářejí, když jsou propojeny prostupy různých vrstev desky plošných spojů, ale nepřekrývají se. Přesazené prostupy se v takových spojích vyskytují s mnoha prostupy, které nemají přímé spojení, protože osy vrtání jsou odlišné.
Schované prostupy vytvářejí na desce klikatý vzor, když se na ni díváme z jakékoli strany. Schované prostupy se používají hlavně v deskách HDI a vícevrstvých deskách plošných spojů.
Přeskočit průchody
Tato propojka prochází mnoha vrstvami desky, ale nemá žádné elektrické spojení s žádnou vrstvou. Překrývající se propojky mohou být slepé, zaslepené nebo zapuštěné. Tyto propojky jsou důležité pro desku HDI pro vytváření kompaktních a složitých obvodů. Přeskakující propojky vytvářejí vertikální elektrická spojení mezi vrstvami desky, což zajišťuje husté uspořádání součástek a zkracuje délku signálové cesty.
Průchodky v podložce
Propojení v kontaktní plošce (diadém) je méně běžný typ propojení na desce plošných spojů a v tomto provedení je propojení vytvořeno přímo pod kontaktní ploškou pro povrchovou montáž, namísto vedení vodičů kolem plošky. Propojením kontaktní plošky pro povrchovou montáž s vnitřní vrstvou desky.
Hlavní vlastnosti, které napomáhají použití těchto průchodů, jsou snadné směrování a regulace parazitní indukčnosti. Nevýhodou je, že při přetavování prochází pájecí pasta průchody a ovlivňuje pájení na desce plošných spojů.
2.4 montážních otvorů
V desce plošných spojů jsou vytvořeny montážní otvory, které poskytují body pro montáž desky k šasi. Tyto otvory mají větší rozměry než jiné typy otvorů na deskách a obvykle se vyrábějí v rozích desky. Pro vytvoření pevného a stabilního spojení mezi deskou a montážními součástmi se kolem montážních otvorů používají měděné kontaktní plošky.
2.5 Zahloubení a zahloubení otvorů
Zahloubené otvory se vyrábějí pro šrouby nebo vruty a dodávají se s plochými hlavami, které mají větší rozměr než šroubové konstrukce. Tyto otvory mají dva průměry, větší průměr v horní části pro manipulaci s hlavou šroubu a menší průměr pro tělo šroubu nebo vrutu.
Zahlubovače se používají v aplikacích, kde je potřeba, aby šrouby měly kuželové hlavy. Tyto otvory se vyrábějí v kuželovém úhlu, který odpovídá kuželovité části hlavy šroubu, což pomáhá šroubu lícovat s povrchem desky. Pro výrobu zahlubovačů se obvykle používají vrtáky s úhlem 82 nebo 90 stupňů.
obrázek Zahloubení a zahloubení otvorů
2.6 Výchozí otvory (zarovnávací otvory)
Výchozí otvory, nazývané zarovnávací otvory, jsou malé a definované otvory vyvrtané na desce desky, které se používají jako referenční body pro automatizované výrobní nástroje. Jejich hlavní funkcí je zajištění přesného zarovnání v různých fázích, jako je spojování součástek, proces šablonování a testování, což zajišťuje přesné připojení všech součástek na deskách pro montáž desky.
Obrázek: Fiduciální otvory
2.7 Speciální typy otvorů v deskách plošných spojů
- Razítkové otvory
Otvory pro raznice, nazývané také odlamovací otvory, jsou malé otvory vytvořené v řadě nebo postupně s hranami každé desky plošných spojů v panelu. Tyto otvory vypadají jako hrany raznic, proto se jim říká otvory pro raznice. Hlavním využitím těchto otvorů je depanelizace desek plošných spojů. V procesu depanelizace se jedna deska oddělí od většího panelu. Tento proces se používá ke zvýšení efektivity výroby a snížení nákladů.
3. Úvahy o návrhu otvorů v desce plošných spojů
Pro návrh otvorů v desce plošných spojů je třeba zvážit mnoho faktorů, které jsou zde uvedeny.
Velikost otvoru a poměr stran
Hodnota velikosti otvoru je založena na technikách vrtání a počtu vrstev desky. Poměr hloubky otvoru k průměru otvoru se nazývá poměr stran.
| Technika vrtání | Min. Průměr díry | Maximální poměr stran |
| Mechanické vrtání | 0.2 mm | 10:1 |
| Laserové vrtání (mikrootvory) | 0.075 mm | 1: 1 1.5 na: 1 |
| Chemické leptání | ~50 µm | ~ 1 1: XNUMX |
| EDM (elektrický výboj) | 0.1 mm | 5:1 |
| Ultrazvukové vrtání | 0.2 mm | 5:1 |
Detaily tolerance vrtáku a prstencového kroužku
Prstencový kroužek je pokryt mědí kolem pokoveného otvoru. Pokud kroužek nemá správnou šířku, způsobuje to problémy se spolehlivostí desky.
| Velikost otvoru (mm) | Tolerance vrtáku (± mm) | Minimální průměr prstence (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Tloušťka pokovování pro PTH a propojovací kabely
Tloušťka pokovení dle konstrukčních požadavků zajišťuje dobrou mechanickou pevnost desky a elektrickou vodivost.
| Díra | Tloušťka měděného pokovování | Standard |
| Pokovený průchozí otvor (PTH) | 25-50 um | IPC-6012 |
| Mikrovia (HDI) | 5-25 um | IPC-6016 |
| Slepý/pohřbený Via | 15-30 um | IPC-6012 |
| Průchodky v podložce | 25 – 50 µm (plněné, pokovené) | IPC-4761 |
Materiál
Použití materiálů pro desku také ovlivňuje přesnost otvoru
| Materiál | Vrtací prvek |
| FR-4 | Má snadné vrtací funkce a snadno si poradí se všemi typy otvorů |
| Vysokoteplotní FR-4 | Pro vytvoření otvorů v tomto materiálu se používají silnější vrtáky |
| Hliníkové desky plošných spojů | Pro vytváření otvorů v této desce se používají CNC frézky nebo speciální vrtačky. |
| Keramické PCB | ultrazvukové nebo laserové vrtání se používá k vytváření otvorů v keramických deskách |
| Flexibilní desky plošných spojů | použité chemické leptání nebo laserové vrtání |
4. Funkce otvorů v desce plošných spojů
Elektrická propojení mezi vrstvami
Hlavním využitím otvorů v deskách plošných spojů je vytváření elektrických spojení mezi vrstvami plošných spojů. Například pokovené průchozí otvory pomáhají přenášet signál a energii z jedné strany desky na druhou.
Slepé, zapuštěné a průchozí otvory pomáhají vytvářet vícevrstvé spoje pro desky plošných spojů HDI.
Pro vysokorychlostní přenos signálu v různých kompaktních provedeních se používají mikroprochodky.
Montáž komponentů
Většinou se pro připojení součástek na desce používá technologie montáže skrz otvory, nebo THT, které používají skrz pokovené otvory pro pájení a zasouvání vývodů součástek do otvorů.
Otvory v desce plošných spojů také vytvářejí silné spojení s deskou ve srovnání s povrchovou montáží (SMT). Otvory jsou nejvhodnější pro připojení vysoce výkonných součástek, jako jsou konektory a kondenzátory.
Ztráta tepla
Otvory v desce plošných spojů také zajišťují odvod tepla generovaného různými součástkami na desce a zabraňují přehřátí. Tepelné průchodky pomáhají odvádět teplo z zahřátých součástek k chladiči. Prostupky v podložce naopak zvyšují odvod tepla regulací tepelného odporu.
5. Běžné problémy s otvory v deskách plošných spojů a jak se jim vyhnout
Nesprávné zarovnání otvoru
- V této poloze vrtání otvoru pro chybu to neodpovídá požadavkům a vede k chybnému spojení kontaktních plošek součástek a vnitřních vrstev. Tato chyba je důsledkem elektrického odpojení nebo nesprávné techniky pájení.
- Dochází k němu také v důsledku roztahování materiálu desky během výroby.
- Abyste se tomuto problému vyhnuli, používejte referenční značky v určených bodech a kvalitní materiály, abyste zabránili roztahování/smršťování.
- Pokud pracujete na vícevrstvých deskách, použijte funkce kontroly zarovnání rentgenovým zářením.
Nedostatečný prstenec
- V případě této chyby neodpovídá požadavku na měděné plošky kolem otvorů nebo jejich malá velikost ovlivňuje mechanické a elektrické vlastnosti. V důsledku toho se na desce vytvářejí přerušené obvody nebo slabé pájené spoje.
- Chcete-li tento problém vyřešit, nastavte prstencové detaily. Pro drobné nesouososti použijte destičky správné velikosti.
Překrývající se vrtané otvory
- U této chyby se mnoho vyvrtaných otvorů překrývá, což vede ke špatnému návrhu desky. V důsledku toho dochází k protržení a delaminaci mědi.
- K tomu dochází kvůli nesprávné konfiguraci otvorů v návrhu desky.
- Používejte správné rozteče otvorů a větší vrtáky, abyste zabránili překrývání.
Nesprávné velikosti otvorů
- U této chyby jsou otvory větší a menší, což ovlivňuje přesné vkládání součástek. Tato chyba má vliv na pájení a elektrické spoje.
- Tato chyba je způsobena chybnou velikostí vrtáku v souborech Gerber a chybnou tloušťkou pokovování.
- Pro vyřešení tohoto problému dodržujte standardní velikost otvoru dle definované hodnoty a nastavte tloušťku pokovování.
Závěr
Otvor v desce plošných spojů (PCB) je hlavní součástí pro návrh a správnou funkci desek plošných spojů v jakýchkoli elektronických zařízeních a projektech. Tyto otvory jsou důležité pro zajištění elektrického spojení mezi různými vrstvami desek a mechanické pevnosti. Existují různé typy otvorů v desce plošných spojů, jako jsou nepokovené průchozí otvory, pokovené průchozí otvory a průchozí otvory, jako jsou průchozí otvory, slepé průchozí otvory, zapuštěné průchozí otvory, mikroprochody atd. Každý z nich má své vlastnosti a je důležitý pro návrh a funkci desek plošných spojů. Každý typ otvoru v desce plošných spojů má svůj design a vlastnosti, ale hlavním účelem desek je vytvoření elektrických spojení mezi vrstvami plošných spojů, montáž součástek a vytvoření spojení s externími součástkami na desce. Starší desky plošných spojů se většinou dodávají s pokovenými průchozími otvory pro montáž průchozích součástek a s vysokou poptávkou po deskách s vysokou hustotou nyní výrobci používají součástky pro povrchovou montáž, které nemají pokovené průchozí otvory. Pro miniaturní průchody s vysokou hustotou se používají laserem vyvrtané otvory.
