1. Introduzione ai fori per PCB
Il PCB, o circuito stampato, è un componente o elemento costitutivo molto importante per la creazione di circuiti su cui vengono collegati diversi componenti. Ma il fattore più importante per la progettazione e la gestione di tutti i componenti del circuito stampato è la realizzazione di diversi tipi di fori, realizzati con tecniche e processi diversi. Ogni tipo di foro ha un proprio processo di produzione e prestazioni operative. La funzione principale dei fori è quella di facilitare il montaggio dei componenti sulla scheda, garantendo connessioni elettriche robuste e affidabili e una maggiore resistenza strutturale della scheda. In questo tutorial, tratteremo i vari tipi di fori per PCB, importanti per una progettazione e una produzione accurate in base alle esigenze del progetto. Iniziamo!
2. Tipi di fori per PCB
2.1 Fori passanti placcati (PTH)
Fori passanti placcati, noti anche come placcatura chimica in rame. Questi fori vengono praticati attraverso la scheda e rivestiti con rame, un materiale conduttivo. Per la placcatura che contribuisce a creare la connessione tra gli strati del PCB si utilizzano stagno o oro.
La funzione di questi fori è quella di realizzare connessioni elettriche tra i diversi strati del PCB o tra i componenti collegati alla scheda. Questi fori sono anche utili per fornire una bassa resistenza ai conduttori dei componenti e ai fili di rame, aumentando la stabilità meccanica dell'assemblaggio del PCB.
I fori passanti sono utili anche per realizzare connessioni robuste tra gli strati di schede bifacciali o multistrato.
Gli impieghi principali dei PTH sono la placcatura in rame con resina, la placcatura in rame o la placcatura in rame con diamante.
2.2 Fori passanti non placcati (NPTH)
In questo tipo di foro per PCB, non viene utilizzato rame come rivestimento sulle pareti del foro; di conseguenza, i fori cilindrici non hanno natura conduttiva né caratteristiche elettriche. Sono ideali per le schede con piste in rame su un solo lato, ma non sono una buona opzione per le schede multistrato, poiché l'uso di questi fori riduce il numero di strati della scheda.
Tuttavia, la realizzazione di questi fori è un processo semplice e veloce e viene utilizzata per la foratura di utensili per il fissaggio delle schede sul punto di lavoro. Sono anche adatti per viti o componenti simili a bulloni, che li fissano e li utilizzano come dissipatori di calore.
2.3Mezze buche
I semifori nella scheda PCB, chiamati anche semifori a piastra o fori a corona, sono fori passanti parzialmente realizzati sul bordo della scheda, fresati a metà. Questi fori vengono utilizzati per saldare un altro PCB sulla scheda madre. In parole povere, realizzano il collegamento tra due schede separate e sono la parte principale delle connessioni di componenti ad alta densità. Per la connessione Bluetooth su un'altra scheda, vengono utilizzati fori passanti placcati.
2.3 Fori passanti
Lo scopo principale dei fori passanti è quello di realizzare connessioni elettriche robuste per diversi strati di schede PCB e di essere utilizzati anche per connessioni di componenti passanti placcati, ecc. La connessione di diversi strati di schede multistrato tramite fori passanti aiuta a facilitare il flusso del segnale tra strati e componenti collegati.
Vias cieco
I fori ciechi della scheda sono realizzati dagli strati superiori o inferiori verso gli strati interni e non attraversano completamente la scheda come i fori passanti placcati. In questa vista, non è possibile vedere l'altro lato della scheda.
Questi fori vengono realizzati con un processo di foratura meccanica e talvolta si utilizzano laser per forare i fori ciechi. Per la foratura di questi tipi di fori, è necessario assicurarsi che le dimensioni siano precise. Anche se si tratta di un processo complesso, possiamo forare i fori ciechi direttamente sulla scheda.
L'uso principale dei via ciechi è quello di creare una connessione tra uno strato esterno e almeno uno strato interno. Il rapporto di aspetto di questi via è di 1:1 o superiore.
I fori ciechi fanno parte della produzione di PCB HDI, ma occorre assicurarsi che la scheda dotata di fori ciechi non sia sempre un PCB HDI.
Via sepolte
I fori di via interrati vengono realizzati tra gli strati interni della scheda PCB e non sono visibili dall'esterno. Lo scopo principale di questi fori di via è quello di realizzare connessioni tra 2 o più strati interni. Per ogni livello di connessione, definire i fori come file di perforazione separati.
Il rapporto d'aspetto per i fori passanti interrati è 1:12 o superiore.
Secondo gli standard IPC, il diametro consigliato per i fori ciechi e interrati non è superiore a 6 mil.
Vias impilati
Le via a pila sono vie cieche o interrate utilizzate per realizzare connessioni tra diversi strati di scheda per più di tre strati di circuito. Le via a pila sono costituite da due o più vie configurate l'una sull'altra che attraversano molti strati di scheda.
I via impilati sono utilizzati principalmente nelle schede multistrato e nelle schede HDI. Il design dei via impilati è tale che ogni via nello stack è configurato con uno strato interno della scheda.
La caratteristica principale di questi fori di via è quella di fornire connessioni elettriche continue su diversi strati. I fori di via impilati vengono utilizzati nei progetti in cui lo spazio è limitato ma il design è complesso.
Vie sfalsate
I via sfalsati si creano quando i via di diversi strati del PCB sono collegati tra loro senza sovrapporsi. I via sfalsati presentano numerosi via in queste connessioni che non hanno una connessione diretta, poiché gli assi di foratura sono diversi.
I fori di via sfalsati formano un motivo a zigzag sulla scheda, osservandola da qualsiasi lato. I fori di via sfalsati vengono utilizzati principalmente nelle schede HDI e nei PCB multistrato.
Salta i passaggi
Questo passaggio attraversa molti strati della scheda, ma non ha alcuna connessione elettrica con nessuno di essi. I passaggi di salto possono essere sovrapposti, ciechi o interrati. Questi passaggi sono importanti per la scheda HDI, poiché consentono di realizzare circuiti compatti e complessi. I passaggi di salto creano connessioni elettriche verticali tra gli strati della scheda, creando un impacchettamento denso dei componenti e riducendo la lunghezza del percorso del segnale.
Vias-in-Pad
Il via nel pad è un tipo di via PCB meno comune e, in questo progetto, il via viene realizzato direttamente sotto il pad del componente a montaggio superficiale, anziché instradare la traccia attorno al pad. Il via collega il pad del componente sugli strati superiori con lo strato interno della scheda.
Le caratteristiche principali che facilitano l'utilizzo di questi fori sono la facilità di routing e il controllo dell'induttanza parassita. Lo svantaggio è che, al momento del reflow, la pasta saldante passa attraverso i fori e compromette la saldatura sul pad del PCB.
2.4 fori di montaggio
I fori di montaggio vengono realizzati nel PCB per fornire punti di fissaggio per la scheda con il telaio. Questi fori hanno dimensioni maggiori rispetto ad altri tipi di fori presenti sulla scheda e vengono solitamente realizzati sugli angoli della scheda. Per garantire una connessione solida e stabile tra la scheda e i componenti di montaggio, vengono applicate delle piazzole di rame attorno ai fori di montaggio.
2.5 Fori svasati e svasati
I fori svasati sono realizzati per bulloni o viti e presentano teste a fondo piatto di dimensioni maggiori rispetto a quelle delle viti stesse. Questi fori presentano due diametri: uno più grande nella parte superiore per gestire la testa della vite e uno più piccolo per alloggiare il corpo della vite o del bullone.
Le svasature vengono utilizzate per applicazioni in cui le viti devono avere teste coniche. Questi fori vengono realizzati con un angolo conico corrispondente alla conicità della parte superiore della testa della vite, che aiuta la vite ad aderire perfettamente alla superficie del pannello. Per realizzare le svasature, si utilizzano normalmente punte da trapano con angolo di 82 o 90 gradi.
immagine Fori svasati e svasati
2.6 Fori fiduciari (fori di allineamento)
I fori fiduciari, chiamati fori di allineamento, sono fori di piccole dimensioni e ben definiti, praticati sulla scheda e utilizzati come punti di riferimento per gli strumenti di produzione automatizzati. La loro caratteristica principale è quella di fornire un allineamento preciso in diverse fasi, come il collegamento dei componenti, la lavorazione dello stencil e il collaudo, garantendo che tutti i componenti sulle schede siano collegati correttamente per l'assemblaggio.
Immagine: Fori fiduciari
2.7 Tipi speciali di fori per PCB
- Fori per timbri
I fori di stampaggio, detti anche fori di distacco, sono fori di piccole dimensioni realizzati in sequenza o in fila lungo i bordi di ogni scheda a circuito stampato del pannello. Questi fori hanno l'aspetto dei bordi degli stampi, per questo sono noti come fori di stampaggio. L'uso principale di questi fori è la depanelizzazione dei PCB. Nel processo di depanelizzazione, una singola scheda viene separata dal pannello più grande. Questo processo viene utilizzato per aumentare l'efficienza produttiva e ridurre i costi.
3. Considerazioni sulla progettazione dei fori del PCB
Per la progettazione dei fori del PCB bisogna considerare numerosi fattori, elencati qui.
Dimensioni del foro e rapporto di aspetto
Il valore della dimensione del foro si basa sulle tecniche di foratura e sul numero di strati della scheda. Il rapporto tra profondità e diametro del foro è chiamato rapporto d'aspetto.
| Tecnica di perforazione | Min. Diametro del buco | Rapporto d'aspetto massimo |
| Perforazione meccanica | 0.2 mm | 10:1 |
| Foratura laser (microvie) | 0.075 mm | 1: 1 a 1.5: 1 |
| Incisione chimica | ~50 micron | ~ 1: 1 |
| EDM (Elettroerosione) | 0.1 mm | 5:1 |
| Perforazione ad ultrasuoni | 0.2 mm | 5:1 |
Tolleranza di perforazione e dettagli dell'anello anulare
L'anello anulare è una copertura in rame attorno al foro placcato. Se la larghezza dell'anello non è adeguata, l'affidabilità della scheda potrebbe risentirne.
| Dimensione del foro (mm) | Tolleranza di perforazione (± mm) | Anello anulare minimo (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Spessore di placcatura per PTH e vie
Lo spessore della placcatura, in base ai requisiti di progettazione, garantisce alla scheda una buona resistenza meccanica e conduttività elettrica.
| Foro | Spessore della placcatura in rame | Standard |
| Foro passante placcato (PTH) | 25 - 50 μm | IPC-6012 |
| Microvia (HDI) | 5 - 25 μm | IPC-6016 |
| Via cieca / sepolta | 15 - 30 μm | IPC-6012 |
| Vias-in-Pad | 25 – 50 µm (riempito, placcato) | IPC-4761 |
Materiale
Anche l'uso dei materiali per la tavola influisce sulla precisione dei fori
| Materiale | Funzione di perforazione |
| FR-4 | Ha caratteristiche di foratura facili e può gestire facilmente tutti i tipi di fori |
| FR-4 ad alta TG | Per fare i fori in questo materiale si usano punte da trapano più resistenti |
| PCB in alluminio | Per realizzare i fori su questa scheda si utilizzano fresature CNC o trapani speciali. |
| PCB ceramici | la perforazione ad ultrasuoni o laser viene utilizzata per realizzare fori su pannelli in ceramica |
| PCB flessibili | incisione chimica o perforazione laser utilizzata |
4. Funzioni dei fori del PCB
Connettività elettrica tra strati
L'uso principale dei fori nelle schede PCB è quello di realizzare connessioni elettriche tra gli strati del PCB. Ad esempio, i fori passanti placcati aiutano a trasmettere segnali e alimentazione da un lato all'altro della scheda.
I fori ciechi, interrati e passanti consentono di realizzare connessioni multistrato per schede PCB HDI.
Per la trasmissione di segnali ad alta velocità in diverse forme compatte vengono utilizzate le micro vie.
Montaggio dei componenti
Utilizzata principalmente per il collegamento di componenti sulla scheda, la tecnologia di montaggio passante, o THT, utilizza fori passanti per la saldatura dei cavi dei componenti e l'inserimento nei fori.
I fori per PCB garantiscono inoltre una connessione più salda con la scheda rispetto alla tecnologia SMT. I fori sono ideali per il collegamento di componenti ad alta potenza come connettori e condensatori.
Dissipazione di calore
I fori del PCB gestiscono anche la dissipazione del calore generato dai diversi componenti sulla scheda, evitando il surriscaldamento. I via termici aiutano a far fluire il calore dai componenti riscaldati al dissipatore. I via nel pad, invece, aumentano la dissipazione del calore controllando la resistenza termica.
5. Problemi comuni con i fori dei PCB e come evitarli
Disallineamento del foro
- In questa posizione di foratura del foro difettoso, la foratura non è conforme ai requisiti e si verifica un errore di collegamento tra i pad dei componenti e gli strati interni. Questo errore è dovuto a disconnessioni elettriche o a tecniche di saldatura improprie.
- Si verifica anche a causa dell'espansione del materiale del pannello durante la fabbricazione.
- Per evitare questo problema, utilizzare dei segni di riferimento in punti definiti e utilizzare materiali di qualità per evitare dilatazioni/contrazioni.
- Se si lavora su schede multistrato, utilizzare le funzionalità di controllo dell'allineamento a raggi X.
Anello anulare insufficiente
- In questo errore, il pad in rame attorno ai fori non è un requisito fondamentale o le dimensioni ridotte influiscono sulle caratteristiche meccaniche ed elettriche. Di conseguenza, si creano circuiti aperti o giunti di saldatura deboli sulla scheda.
- Per risolvere questo problema, imposta i dettagli anulari. Utilizza pastiglie di dimensioni appropriate per piccoli disallineamenti.
Fori di perforazione sovrapposti
- In questo errore, molti fori si sovrappongono, compromettendo la progettazione della scheda. Di conseguenza, si verificano rotture e delaminazioni del rame.
- Ciò si verifica a causa di una configurazione non corretta dei fori nella progettazione della scheda.
- Utilizzare una spaziatura adeguata dei fori e punte da trapano più grandi per evitare sovrapposizioni.
Dimensioni dei fori errate
- In questo errore, i fori sono di dimensioni maggiori e minori, compromettendo la precisione dell'inserimento dei componenti. Questo difetto ha un impatto sulle caratteristiche di saldatura e sui collegamenti elettrici.
- Questo errore è dovuto all'errore nelle dimensioni della punta nei file Gerber e allo spessore della placcatura difettoso.
- Per risolvere questo problema, attenersi alla dimensione standard del foro in base al valore definito e impostare lo spessore della placcatura.
Conclusione
Il foro per PCB è il componente principale per la progettazione e il corretto funzionamento di qualsiasi dispositivo e progetto elettronico. Questi fori sono importanti per fornire la connessione elettrica tra i diversi strati di schede e la resistenza meccanica. Esistono diversi tipi di fori per PCB, come fori passanti non placcati, fori passanti placcati e fori passanti come via passanti, via cieche, via interrate, microvia, ecc. Ognuno di essi ha le sue caratteristiche e la sua importanza per la progettazione e il funzionamento di una scheda PCB. Ogni tipo di foro per PCB ha il suo design e le sue caratteristiche, ma lo scopo principale di una scheda è realizzare connessioni elettriche tra gli strati del PCB, montare i componenti e realizzare connessioni con componenti esterni sulla scheda. Le schede PCB più vecchie sono dotate principalmente di fori passanti placcati per il montaggio di componenti passanti e, con l'elevata domanda di schede ad alta densità, i produttori ora utilizzano componenti a montaggio superficiale che non sono fori passanti placcati. Per i via miniaturizzati ad alta densità, vengono utilizzati fori laser.
