1. Einführung in PCB-Löcher
PCBs (gedruckte Leiterplatten) sind wichtige Bauteile für die Schaltungserstellung, auf denen verschiedene Schaltungskomponenten verbunden werden. Der wichtigste Faktor für das PCB-Design und die Handhabung aller Komponenten auf der Platine sind jedoch die verschiedenen Lochtypen, die mithilfe unterschiedlicher Techniken und Verfahren hergestellt werden. Jeder Lochtyp hat seinen eigenen Herstellungsprozess und seine eigene Verarbeitungsleistung. Die Hauptfunktion von Löchern besteht darin, die Montage von Komponenten auf der Platine zu erleichtern und gleichzeitig starke und zuverlässige elektrische Verbindungen sowie strukturelle Festigkeit der Platine zu gewährleisten. In diesem Tutorial behandeln wir verschiedene Arten von PCB-Löchern, die für ein präzises PCB-Design und die projektgerechte Produktion wichtig sind. Los geht‘s!
2. Arten von PCB-Löchern
2.1 Durchkontaktierungen (PTH)
Durchkontaktierungen, auch bekannt als stromlose Kupferplattierung. Diese Löcher werden durch die Platine gebohrt und mit Kupfer, einem leitfähigen Material, ausgekleidet. Für die Auskleidungsplattierung wird Zinn oder Gold verwendet, um die Verbindung zwischen den Leiterplattenschichten herzustellen.
Die Funktion dieser Löcher besteht darin, elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Leiterplattenschichten oder mit der Leiterplatte verbundenen Komponenten herzustellen. Sie tragen außerdem dazu bei, den Widerstand von Bauteilleitungen und Kupferdrähten zu senken und die mechanische Stabilität der Leiterplattenbaugruppe zu erhöhen.
Durchkontaktierungen sind auch hilfreich, um starke Verbindungen zwischen den Schichten der doppelseitigen Platine oder der mehrschichtigen Platine herzustellen.
PTHs werden hauptsächlich in der Harzverkupferung, Verkupferung und Diamantverkupferung eingesetzt.
2.2 Nicht plattierte Durchgangslöcher (NPTH)
Bei dieser Art von Leiterplattenbohrungen wird kein Kupfer als Beschichtung auf den Lochwänden verwendet. Daher sind die Lochhülsen weder leitfähig noch elektrisch. Sie eignen sich am besten für Leiterplatten mit einseitigen Kupferbahnen. Für mehrlagige Leiterplatten sind sie jedoch keine gute Option, da sich durch die Verwendung dieser Bohrungen die Anzahl der Lagen der Leiterplatte verringert.
Die Herstellung dieser Löcher ist jedoch ein einfacher und schneller Prozess und wird zum Bohren von Löchern zur Befestigung von Platinen am Arbeitspunkt verwendet. Sie dienen auch zur Befestigung von Schrauben oder bolzenähnlichen Bauteilen und dienen als Kühlkörper zur Wärmeableitung.
2.3Halbe Löcher
Die Halblöcher in der Leiterplatte, auch Plattenhalblöcher oder Zinnenlöcher genannt, sind teilweise durchgebohrte Löcher am Leiterplattenrand, die zur Hälfte durchgefräst sind. Diese Löcher dienen zum Anlöten einer weiteren Leiterplatte auf der Hauptplatine. Vereinfacht ausgedrückt stellen sie die Verbindung zwischen zwei separaten Leiterplatten her und sind der Hauptbestandteil hochdichter Komponentenverbindungen. Für den Anschluss von Bluetooth an eine weitere Leiterplatte werden durchkontaktierte Löcher verwendet.
2.3 Durchgangslöcher
Der Hauptzweck von Durchgangslöchern besteht darin, starke elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten von Leiterplatten herzustellen und sie auch für durchkontaktierte Komponentenverbindungen usw. zu verwenden. Die Verbindung verschiedener Schichten von Mehrschichtplatten durch Durchgangslöcher erleichtert den Signalfluss zwischen Schichten und verbundenen Komponenten.
Blinde Durchkontaktierungen
Die Blind Vias der Platine verlaufen von den oberen oder unteren Lagen zu den inneren Lagen und verlaufen nicht wie durchkontaktierte Vias vollständig durch die Platine. In dieser Ansicht ist die andere Seite der Platine nicht sichtbar.
Diese Vias werden mithilfe eines mechanischen Bohrverfahrens hergestellt. Manchmal werden auch Laser zum Bohren von Blind Vias verwendet. Achten Sie beim Bohren dieser Via-Typen auf die genauen Abmessungen. Obwohl es sich um ein aufwändiges Verfahren handelt, können wir Blind Vias direkt auf der Platine bohren.
Blind Vias werden hauptsächlich verwendet, um eine Verbindung zwischen einer Außenlage und mindestens einer Innenlage herzustellen. Das Seitenverhältnis dieser Vias beträgt 1:1 oder größer.
Die Blind Vias sind Teil der HDI-Leiterplattenherstellung. Achten Sie jedoch darauf, dass es sich bei der Platine mit Blind Vias nicht immer um eine HDI-Leiterplatte handelt.
Vergrabene Durchkontaktierungen
Die vergrabenen Vias werden zwischen den inneren Lagen der Leiterplatte hergestellt und sind von außen nicht sichtbar. Der Hauptzweck dieser Vias besteht darin, Verbindungen zwischen zwei oder mehr inneren Lagen herzustellen. Definieren Sie für jede Verbindungsebene Löcher als separate Bohrdateien.
Das Seitenverhältnis für vergrabene Durchkontaktierungen beträgt 1:12 oder größer.
Gemäß IPC-Standards beträgt der empfohlene Durchmesser für Blind Vias und Buried Vias nicht mehr als 6 mil.
Gestapelte Durchkontaktierungen
Stack Vias sind Blind Vias oder Buried Vias, die zur Herstellung von Verbindungen zwischen verschiedenen Platinenlagen für mehr als drei Schaltungslagen dienen. Stacked Vias bestehen aus zwei oder mehr übereinander angeordneten Vias, die sich über mehrere Platinenlagen erstrecken.
Gestapelte Vias werden hauptsächlich in Multilayer-Platinen und auch in HDI-Platinen eingesetzt. Das Design gestapelter Vias ist so gestaltet, dass jedes VAI im Stapel mit einer internen Lage der Platine konfiguriert ist.
Die Hauptfunktion dieser Vias besteht darin, durchgehende elektrische Verbindungen in verschiedenen Schichten zu gewährleisten. Bei Projekten mit begrenztem Platz, aber komplexem Design werden gestapelte Vias verwendet.
Versetzte Durchkontaktierungen
Die versetzten Vias entstehen, wenn Vias verschiedener Leiterplattenschichten verbunden werden, sich aber nicht überlappen. Die versetzten Vias entstehen durch viele Vias in solchen Verbindungen, die aufgrund unterschiedlicher Bohrachsen keine direkte Verbindung haben.
Die versetzten Vias bilden ein Zickzackmuster auf der Platine, wenn wir sie von jeder Seite betrachten. Versetzte Vias werden hauptsächlich in HDI-Platinen und mehrschichtigen Leiterplatten verwendet.
Durchkontaktierungen überspringen
Diese Durchkontaktierung verläuft durch viele Lagen der Platine, hat aber keine elektrische Verbindung zu einer Lage. Skip-Vias können überlappende, blinde oder vergrabene Vias sein. Diese Vias sind wichtig für die HDI-Platine, um kompakte und komplexe Schaltungen zu realisieren. Skip-Vias stellen vertikale elektrische Verbindungen zwischen den Platinenlagen her, die eine dichte Bauteilpackung ermöglichen und die Signalweglänge verkürzen.
Vias-in-Pad
Vias im Pad sind eine weniger verbreitete Art von PCB-Vias. Bei diesem Design wird das Via direkt unter dem oberflächenmontierten Bauteilpad angebracht, anstatt die Leiterbahn um das Pad herum zu führen. Vias verbinden das Bauteilpad auf den oberen Lagen mit der inneren Lage der Platine.
Die Hauptvorteile dieser Vias liegen in der einfachen Verlegung und der Kontrolle der parasitären Induktivität. Ihr Nachteil besteht darin, dass beim Reflow-Löten Lötpaste durch die Vias gelangt und so die Lötung auf dem PCB-Pad beeinträchtigt.
2.4 Befestigungslöcher
In der Leiterplatte sind Befestigungslöcher angebracht, um Punkte für die Befestigung der Platine am Chassis zu schaffen. Diese Löcher sind größer als bei anderen Platinentypen und befinden sich normalerweise an den Ecken der Platine. Um eine starke und stabile Verbindung zwischen Platine und Montagekomponenten herzustellen, werden Kupferpads um die Befestigungslöcher herum angebracht.
2.5 Senk- und Senkbohrungen
Senkbohrungen dienen zur Aufnahme von Bolzen oder Schrauben und haben flache Köpfe, die im Vergleich zu Schrauben größer sind. Diese Bohrungen haben zwei Durchmesser: einen größeren im oberen Bereich für den Schraubenkopf und einen kleineren für den Schrauben- oder Bolzenkörper.
Senker werden für Anwendungen verwendet, bei denen Schrauben mit konischen Köpfen benötigt werden. Diese Löcher werden in einem konischen Winkel gebohrt, der der Konizität des oberen Teils des Schraubenkopfes entspricht und dazu beiträgt, dass die Schraube bündig auf der Plattenoberfläche sitzt. Für die Herstellung von Senker werden üblicherweise Bohrer mit einem Winkel von 82 oder 90 Grad verwendet.
Bild Senk- und Senkbohrungen
2.6 Fiducial-Löcher (Ausrichtungslöcher)
Fiducial-Löcher, auch Alignment-Löcher genannt, sind kleine, definierte Löcher, die in die Platine gebohrt werden und als Referenzpunkte für automatisierte Fertigungswerkzeuge dienen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, in verschiedenen Phasen, wie z. B. beim Verbinden von Komponenten, beim Schablonenprozess und beim Testen, eine präzise Ausrichtung zu gewährleisten und sicherzustellen, dass alle Komponenten auf der Platine für die Platinenmontage korrekt verbunden sind.
Bild: Fiducial-Löcher
2.7 Spezielle PCB-Lochtypen
- Stempellöcher
Stanzlöcher, auch Sollbruchlöcher genannt, sind kleine Löcher, die in Reihe oder in Reihen an den Kanten jeder Leiterplatte im Panel angebracht werden. Diese Löcher ähneln den Kanten von Stempeln und werden daher als Stanzlöcher bezeichnet. Sie werden hauptsächlich zur Depanelisierung von Leiterplatten verwendet. Beim Depanelisierungsprozess wird eine einzelne Leiterplatte vom größeren Panel getrennt. Dieses Verfahren dient der Steigerung der Produktionseffizienz und der Kostensenkung.
3. Überlegungen zum PCB-Lochdesign
Bei der Gestaltung von Leiterplattenlöchern müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, die hier aufgeführt sind.
Lochgröße und Seitenverhältnis
Der Wert der Lochgröße hängt von der Bohrtechnik und der Lagenanzahl der Platine ab. Das Verhältnis von Lochtiefe zu Lochdurchmesser wird als Seitenverhältnis bezeichnet.
| Bohrtechnik | Min. Lochdurchmesser | Max. Seitenverhältnis |
| Mechanisches Bohren | 0.2mm | 10:1 |
| Laserbohren (Mikrovias) | 0.075mm | 1:1 bis 1.5:1 Uhr statt. |
| Chemisches Ätzen | ~50 µm | ~1:1 |
| EDM (elektrische Entladung) | 0.1mm | 5:1 |
| Ultraschallbohren | 0.2mm | 5:1 |
Bohrtoleranz und Details zum Ring
Der Ring ist eine Kupferabdeckung um das plattierte Loch. Wenn der Ring nicht die richtige Breite hat, beeinträchtigt dies die Zuverlässigkeit der Platine.
| Lochgröße (mm) | Bohrtoleranz (± mm) | Min. Ringdurchmesser (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Beschichtungsdicke für PTH und Vias
Die den Designanforderungen entsprechende Beschichtungsdicke sorgt für eine gute mechanische Festigkeit der Platine und elektrische Leitfähigkeit.
| Loch | Dicke der Kupferbeschichtung | Standard |
| Durchkontaktierung (PTH) | 25 - 50 µm | IPC-6012 |
| Mikrovia (HDI) | 5 - 25 µm | IPC-6016 |
| Blind / begraben über | 15 - 30 µm | IPC-6012 |
| Vias-in-Pad | 25 – 50 µm (gefüllt, plattiert) | IPC-4761 |
Material
Auch die Materialverwendung für die Platte beeinflusst die Lochgenauigkeit
| Material | Bohrfunktion |
| FR-4 | Es verfügt über einfache Bohrfunktionen und kann problemlos alle Arten von Löchern bewältigen |
| FR-4 mit hohem TG | Um Löcher in dieses Material zu bohren, werden stärkere Bohrer verwendet |
| Aluminium-Leiterplatten | Zum Bohren von Löchern in diese Platte werden CNC-Fräsen oder Spezialbohrer verwendet. |
| Keramische Leiterplatten | Ultraschall- oder Laserbohren wird zum Bohren von Löchern in Keramikplatten verwendet |
| Flexible Leiterplatten | chemisches Ätzen oder Laserbohren verwendet |
4. Funktionen von PCB-Löchern
Elektrische Konnektivität zwischen Schichten
Der Hauptzweck von Löchern in Leiterplatten besteht darin, elektrische Verbindungen zwischen den Leiterplattenschichten herzustellen. Beispielsweise helfen durchkontaktierte Löcher dabei, Signale und Strom von einer Seite der Leiterplatte zur anderen zu übertragen.
Blind-, Buried- und Through-Hole-Vias helfen bei der Herstellung mehrschichtiger Verbindungen für HDI-Leiterplatten.
Für die Hochgeschwindigkeitssignalübertragung in unterschiedlichen kompakten Designs werden Mikrovias verwendet.
Komponentenmontage
Die Durchsteckmontagetechnik (THT) dient hauptsächlich zum Verbinden von Komponenten auf der Platine und verwendet durchkontaktierte Löcher zum Löten und Einsetzen von Komponentenanschlüssen in Löcher.
PCB-Löcher stellen im Vergleich zu SMT außerdem eine starke Verbindung mit der Platine her. Löcher eignen sich am besten für den Anschluss von Hochleistungskomponenten wie Steckverbindern und Kondensatoren.
Wärmeableitung
Leiterplattenlöcher dienen außerdem der Wärmeableitung, die von verschiedenen Komponenten auf der Platine erzeugt wird, und verhindern Überhitzung. Thermische Vias unterstützen die Wärmeableitung von erhitzten Komponenten zum Kühlkörper. Vias im Pad erhöhen die Wärmeableitung durch die Kontrolle des thermischen Widerstands.
5. Häufige Probleme mit PCB-Löchern und wie man sie vermeidet
Lochfehlausrichtung
- An dieser fehlerhaften Bohrposition entspricht das Loch nicht den Anforderungen und führt zu einer fehlerhaften Verbindung von Bauteilpads und Innenlagen. Dieser Fehler ist das Ergebnis elektrischer Unterbrechungen oder unsachgemäßer Löttechniken.
- Dies kann auch auf die Ausdehnung des Plattenmaterials während der Herstellung zurückzuführen sein.
- Um dieses Problem zu vermeiden, verwenden Sie an definierten Punkten Passermarken und hochwertige Materialien, um eine Ausdehnung/Kontraktion zu vermeiden.
- Wenn Sie an Mehrschichtplatinen arbeiten, verwenden Sie die Röntgenausrichtungsprüfungsfunktionen.
Unzureichender Ring
- Bei diesem Fehler ist das Kupferpad um die Löcher herum nicht ausreichend oder zu klein, was die mechanischen und elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt. Dadurch entstehen offene Schaltkreise oder schwache Lötstellen auf der Platine.
- Um dieses Problem zu lösen, legen Sie ringförmige Details fest. Verwenden Sie bei geringfügigen Fehlausrichtungen die richtige Padgröße.
Überlappende Bohrlöcher
- Bei diesem Fehler überlappen sich viele Bohrlöcher, was zu einem schlechten Platinendesign führt. In der Folge kommt es zu Kupferausbrüchen und Delaminationen.
- Dies tritt aufgrund einer falschen Lochkonfiguration im Platinendesign auf.
- Verwenden Sie den richtigen Lochabstand und größere Bohrer, um Überlappungen zu vermeiden.
Falsche Lochgrößen
- Bei diesem Fehler werden Löcher größer und kleiner, was das genaue Einsetzen der Komponenten beeinträchtigt. Dieser Fehler wirkt sich auf Löteigenschaften und elektrische Verbindungen aus.
- Dieser Fehler ist auf die falsche Bohrergröße in den Gerber-Dateien und die fehlerhafte Beschichtungsdicke zurückzuführen.
- Um dieses Problem zu lösen, befolgen Sie die Standardlochgröße entsprechend dem definierten Wert und legen Sie die Beschichtungsdicke fest.
Fazit
Das PCB-Loch ist die Hauptkomponente für das PCB-Design und die ordnungsgemäße Funktion in allen elektronischen Geräten und Projekten. Diese Löcher sind wichtig für die elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Platinenlagen und für die mechanische Festigkeit. Es gibt unterschiedliche Arten von PCB-Löchern, z. B. nicht durchkontaktierte Löcher, durchkontaktierte Löcher und Durchgangslöcher wie Durchkontaktierungen, Blinddurchkontaktierungen, vergrabene Durchkontaktierungen, Mikrodurchkontaktierungen usw. Jedes hat seine eigenen Funktionen und ist für das PCB-Design und die Funktionsweise von PCB-Platinen wichtig. Jede Art von PCB-Loch hat ihr eigenes Design und ihre eigenen Funktionen, aber der Hauptzweck einer Platine besteht darin, elektrische Verbindungen zwischen PCB-Lagen, die Komponentenmontage und Verbindungen mit externen Komponenten auf der Platine herzustellen. Ältere PCB-Platinen haben meist durchkontaktierte Löcher zur Montage von Durchkontaktierungskomponenten und die große Nachfrage nach Platinen mit hoher Dichte führt dazu, dass Hersteller mittlerweile oberflächenmontierte Komponenten ohne durchkontaktierte Löcher verwenden. Für hochdichte Vias werden mit Laser gebohrte Miniaturdurchkontaktierungen verwendet.
