1. Wprowadzenie do otworów PCB
PCB, czyli płytka drukowana, jest bardzo ważnym elementem lub blokiem konstrukcyjnym do tworzenia obwodów, na którym łączone są różne elementy obwodów. Ale najważniejszym czynnikiem dla projektowania i obsługi płytek PCB są wszystkie elementy na płytce, różne rodzaje otworów są wykonywane przy użyciu różnych technik i procesów. Każdy rodzaj otworu ma swój własny proces produkcji i wydajność pracy. Główną funkcją otworów jest ułatwienie montażu elementów na płytce, zapewniając mocne i niezawodne połączenia elektryczne oraz wytrzymałość konstrukcyjną płytki PCB. W tym samouczku omówimy różne rodzaje otworów PCB, które są ważne dla dokładnego projektowania i produkcji PCB zgodnie z wymaganiami projektu. Więc zaczynajmy!
2. Rodzaje otworów PCB
2.1 Otwory przelotowe platerowane (PTH)
Otwory przelotowe, znane również jako miedziowanie bezprądowe. Otwory te są wiercone przez płytkę i wyłożone za pomocą miedzi, która jest materiałem przewodzącym. Do wyłożenia powłoki stosuje się cynę lub złoto, co pomaga w tworzeniu połączenia między warstwami płytki PCB.
Funkcją tych otworów jest tworzenie połączeń elektrycznych między różnymi warstwami płytki PCB lub komponentami podłączonymi do płytki. Otwory te są również pomocne w zapewnianiu niskiej rezystancji dla przewodów komponentów i przewodów miedzianych oraz zwiększaniu stabilności mechanicznej zespołu PCB.
Otwory przelotowe są również pomocne w tworzeniu mocnych połączeń pomiędzy warstwami płytki dwustronnej lub wielowarstwowej.
Główne zastosowania PTH to miedziowanie żywicą, miedziowanie i miedziowanie diamentowe.
2.2 Otwory przelotowe nieplaterowane (NPTH)
W tym typie otworów PCB nie stosuje się miedzi jako powłoki na ściankach otworów; w rezultacie, lufy otworów nie mają właściwości przewodzących ani cech elektrycznych. Najlepiej używać ich, gdy płytka ma miedziane ścieżki po jednej stronie, ale nie są dobrym rozwiązaniem dla płytek wielowarstwowych, ponieważ użycie tych otworów zmniejsza liczbę warstw płytki.
Jednakże produkcja tych otworów jest łatwym i szybkim procesem i jest wykorzystywana do otworów narzędziowych do mocowania płyt w punkcie roboczym. Są one również wykonywane do śrub lub elementów przypominających śruby, zabezpieczając i wykorzystując jako radiator do rozpraszania ciepła.
2.3Półotwory
Półotwory w płytce PCB, zwane również półotworami płytkowymi lub otworami ząbkowanymi, są częściowo wywiercone przez otwory wykonane na krawędzi płytki, a te otwory są frezowane w połowie. Otwory te służą do lutowania innej płytki PCB na płycie głównej. Mówiąc prościej, tworzą połączenie między dwiema oddzielnymi płytkami i są główną częścią połączeń komponentów o wysokiej gęstości. Do połączenia Bluetooth na innej płytce stosuje się otwory przelotowe.
2.3 Otwory przelotowe
Głównym celem otworów przelotowych jest tworzenie mocnych połączeń elektrycznych pomiędzy różnymi warstwami płytek PCB, a także ich wykorzystanie do połączeń elementów przewlekanych itp. Połączenie różnych warstw płytek wielowarstwowych za pomocą otworów przelotowych ułatwia przepływ sygnału pomiędzy warstwami i połączonymi elementami.
ślepe przeloty
Ślepe przelotki płytki są wykonane z górnych lub dolnych warstw do wewnętrznych warstw i nie przechodzą całkowicie przez płytkę jak przelotki platerowane. Na tym widoku nie możemy zobaczyć drugiej strony płytki.
Te przelotki są wykonywane przy użyciu mechanicznego procesu wiercenia, a czasami lasery są używane do wiercenia ślepych przelotek. Podczas wiercenia tych typów przelotek upewnij się, że mają dokładne wymiary. Albo jest to trudny proces, ale możemy wiercić ślepe przelotki bezpośrednio na płytce.
Głównym zastosowaniem ślepych przelotek jest nawiązanie połączenia z jedną warstwą zewnętrzną z co najmniej jedną warstwą wewnętrzną. Współczynnik kształtu tych przelotek wynosi 1:1 lub więcej.
Ślepe przelotki są częścią produkcji płytek drukowanych HDI PCB, należy jednak upewnić się, że płytka posiadająca ślepe przelotki nie jest zawsze płytą HDI PCB.
Zakopane przelotki
Zakopane przelotki są wykonane pomiędzy wewnętrznymi warstwami płytki PCB i nie są widoczne z zewnętrznej strony płytki. Głównym celem tych przelotek jest tworzenie połączeń pomiędzy 2 lub więcej wewnętrznymi warstwami. Dla każdego poziomu połączenia zdefiniuj otwory jako oddzielne pliki wiertnicze.
Współczynnik kształtu otworów przelotowych zakopanych wynosi 1:12 lub więcej.
Zgodnie ze standardami IPC zalecana średnica otworów przelotowych ślepych i zakrytych nie powinna przekraczać 6 mil.
Ułożone Vias
Przelotki stosowe to przelotki ślepe lub zakopane, które służą do tworzenia połączeń między różnymi warstwami płytki dla więcej niż trzech warstw obwodów. Przelotki ułożone w stosy składają się z dwóch lub więcej przelotek skonfigurowanych jedna na drugiej, które przechodzą przez wiele warstw płytek.
Główne zastosowania ułożonych w stos przelotek to płytki wielowarstwowe, a także płytki HDI. Konstrukcja ułożonych w stos przelotek jest taka, że każda vai w stosie jest skonfigurowana z jedną wewnętrzną warstwą płytki.
Główną cechą tych przelotek jest zapewnienie ciągłych połączeń elektrycznych w różnych warstwach. Projekty, w których przestrzeń jest ograniczona, ale projekt jest złożony, wykorzystują przelotki ułożone warstwowo.
Przejścia schodkowe
Przejścia schodkowe powstają, gdy różne przejścia warstwy płytki PCB są połączone, ale nie zachodzą na siebie. Przejścia schodkowe występują z wieloma przejściami w takich połączeniach, które nie mają bezpośredniego połączenia, ponieważ osie wiertła są różne.
Przesunięte przelotki tworzą zygzakowaty wzór na płytce, gdy patrzymy na nią z dowolnej strony. Przesunięte przelotki są głównie stosowane w płytach HDI i wielowarstwowych PCB.
Pomiń przelotki
Ta przelotka przechodzi przez wiele warstw płytki, ale nie ma żadnego połączenia elektrycznego z żadną warstwą. Przelotki pomijające mogą być przelotkami nakładającymi się, przelotkami ślepymi lub przelotkami zakopanymi. Przelotki te są ważne dla płytki HDI do tworzenia kompaktowych i skomplikowanych obwodów. Przelotki pomijające tworzą pionowe połączenia elektryczne między warstwami płytki, co powoduje gęste upakowanie komponentów i zmniejsza długość ścieżki sygnału.
Przelotki w podkładce
Przelotka w padzie to mniej powszechny typ przelotek PCB, a w tym projekcie przelotka jest wykonywana bezpośrednio pod padem komponentu montowanego powierzchniowo, zamiast prowadzić ścieżkę wokół padu. Poprzez połączenie padu komponentu na górnych warstwach z wewnętrzną warstwą płytki.
Główne cechy, które pomagają w użyciu tych przelotek, to łatwe trasowanie i kontrola indukcyjności pasożytniczej. Ich wadą jest to, że w czasie reflow, pasta lutownicza przechodzi przez przelotki i wpływa na lutowanie na płytce PCB.
2.4 Otwory montażowe
Otwory montażowe są wykonane w PCB, aby zapewnić punkty do montażu płytki z obudową. Otwory te mają większe rozmiary niż inne rodzaje otworów w płytkach i są zazwyczaj wykonane w narożnikach płytki. Aby wykonać mocne i stabilne połączenie między płytą a elementami montażowymi, miedziane podkładki są nakładane wokół otworów montażowych.
2.5 Otwory stożkowe i pogłębiane
Otwory pogłębiane są przeznaczone do śrub lub wkrętów i mają płaskie łby, które mają większy rozmiar w porównaniu do konstrukcji śrub. Otwory te mają otwory o 2 średnicach, większą średnicę w górnej części do obsługi łba śruby i małą średnicę do posiadania śruby lub korpusu śruby.
Pogłębienia stożkowe są używane w zastosowaniach, w których śruby muszą mieć stożkowe łby. Otwory te są wykonywane pod kątem stożkowym, który jest zgodny ze stożkowością górnej części łba śruby, co pomaga śrubie przylegać do powierzchni płyty. Do wykonywania pogłębień stożkowych zwykle używa się wierteł 82 lub 90 stopni.
obraz Otwory stożkowe i pogłębiane
2.6 Otwory odniesienia (otwory wyrównujące)
Otwory fiducial, zwane otworami wyrównawczymi, to niewielkie i zdefiniowane otwory wywiercone na płytce, które służą jako punkty odniesienia dla zautomatyzowanych narzędzi produkcyjnych. Ich główną cechą jest zapewnienie dokładnego wyrównania w różnych fazach, takich jak łączenie komponentów, proces szablonowania i testowanie, co zapewnia dokładne połączenie wszystkich komponentów na płytkach w celu montażu płytki.
Obraz: Otwory fiducialne
2.7 Specjalne typy otworów PCB
- Otwory na stemple
Otwory stemplowe, zwane również otworami breakaway, to niewielkie otwory wykonane sekwencyjnie lub szeregowo z krawędziami każdej płytki drukowanej w panelu. Otwory te wyglądają jak krawędzie stempli, dlatego są znane jako otwory stemplowe. Głównym zastosowaniem tych otworów jest depanelizacja PCB. W procesie depanelizacji pojedyncza płytka jest oddzielana od większego panelu. Proces ten jest stosowany w celu zwiększenia wydajności produkcji i zmniejszenia kosztów.
3. Rozważania dotyczące projektowania otworów PCB
Przy projektowaniu otworów w płytce PCB należy wziąć pod uwagę wiele czynników, które wymieniono poniżej.
Rozmiar otworu i współczynnik kształtu
Wartość rozmiaru otworu jest oparta na technikach wiercenia i liczbie warstw płyty. Stosunek głębokości otworu do średnicy otworu nazywany jest współczynnikiem kształtu.
| Technika wiercenia | Min. średnica otworu | Maksymalny współczynnik proporcji |
| Wiercenie mechaniczne | 0.2 mm | 10:1 |
| Wiercenie laserowe (Mikrovias) | 0.075 mm | 1: 1 do 1.5: 1 |
| Trawienie chemiczne | ~50 µm | ~ 1: 1 |
| EDM (wyładowania elektryczne) | 0.1 mm | 5:1 |
| Wiercenie ultradźwiękowe | 0.2 mm | 5:1 |
Tolerancja wiercenia i szczegóły pierścienia pierścieniowego
Pierścień pierścieniowy jest miedzianą osłoną wokół otworu platerowanego. Jeśli pierścień nie ma odpowiedniej szerokości, powoduje to problemy z niezawodnością płytki.
| Rozmiar otworu (mm) | Tolerancja wiertła (± mm) | Min. średnica pierścienia (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Grubość powłoki dla PTH i przelotek
Grubość powłoki dostosowana do wymagań projektowych zapewnia dobrą wytrzymałość mechaniczną płytki oraz przewodność elektryczną.
| Otwór | Grubość miedziowania | Standard |
| Otwór przelotowy platerowany (PTH) | 25 - 50 μm | IPC-6012 |
| Mikrovia (HDI) | 5 - 25 μm | IPC-6016 |
| Niewidomi / pochowani Via | 15 - 30 μm | IPC-6012 |
| Przelotki w podkładce | 25 – 50 µm (wypełnione, pokryte) | IPC-4761 |
Materiał
Materiał, z którego wykonano płytę, ma również wpływ na dokładność wykonania otworów
| Materiał | Funkcja wiercenia |
| FR-4 | Posiada funkcje łatwego wiercenia i bez problemu poradzi sobie ze wszystkimi rodzajami otworów |
| FR-4 o wysokiej TG | Do wykonania otworów w tym materiale stosuje się mocniejsze wiertła |
| Aluminiowe PCB | Do wykonywania otworów w tej płycie stosuje się frezowanie CNC lub specjalne wiertła. |
| Płytki ceramiczne | do wykonywania otworów w płytach ceramicznych stosuje się wiercenie ultradźwiękowe lub laserowe |
| Elastyczne płytki PCB | stosowane jest trawienie chemiczne lub wiercenie laserowe |
4. Funkcje otworów PCB
Łączność elektryczna między warstwami
Głównym zastosowaniem otworów w płytkach PCB jest wykonywanie połączeń elektrycznych między warstwami PCB. Takie jak platerowane otwory przelotowe pomagają przesyłać sygnał i moc z jednej strony płytki na drugą.
Przelotki ślepe, zagrzebane i przewlekane pomagają w tworzeniu połączeń wielowarstwowych w płytkach PCB HDI.
Do przesyłu sygnałów z dużą prędkością w różnych kompaktowych konstrukcjach stosuje się mikroprzelotki.
Montaż komponentów
Najczęściej do łączenia podzespołów na płycie stosuje się technologię montażu przewlekanego (THT), która polega na wykonywaniu otworów przelotowych do lutowania wyprowadzeń podzespołów i umieszczaniu ich w otworach.
Otwory PCB również tworzą silne połączenie z płytką w porównaniu do SMT. Otwory są najlepsze do łączenia komponentów o dużej mocy, takich jak złącza i kondensatory.
Rozproszenie ciepła
Otwory PCB również odprowadzają ciepło generowane przez różne komponenty na płycie i zapobiegają przegrzaniu. Przelotki termiczne pomagają w przepływie ciepła z podgrzewanych komponentów do radiatora. Podczas gdy przelotki w podkładce zwiększają rozpraszanie ciepła poprzez kontrolowanie oporu cieplnego.
5. Typowe problemy z otworami PCB i jak ich uniknąć
Niewspółosiowość otworów
- W tej pozycji wiercenia otworu wadliwego nie jest to zgodne z wymaganiami i skutkuje błędnym połączeniem padów komponentów i warstw wewnętrznych. Ten błąd jest wynikiem rozłączeń elektrycznych lub niewłaściwych technik lutowania.
- Zjawisko to występuje również na skutek rozszerzalności materiału płyty w trakcie produkcji.
- Aby uniknąć tego problemu, należy stosować znaki odniesienia w określonych punktach i używać materiałów wysokiej jakości, aby zapobiec rozszerzaniu się i kurczeniu.
- Jeśli pracujesz na płytkach wielowarstwowych, skorzystaj z funkcji kontroli dopasowania za pomocą promieni rentgenowskich.
Niewystarczający pierścień pierścieniowy
- W tym błędzie miedziana podkładka o otworach nie jest wymagana lub ma mały rozmiar, który wpływa na cechy mechaniczne i elektryczne. W rezultacie na płytce powstają otwarte obwody lub słabe połączenia lutowane.
- Aby rozwiązać ten problem, ustaw szczegóły pierścieniowe. Użyj właściwego rozmiaru podkładki w przypadku niewielkich odchyleń.
Nakładające się na siebie otwory wiertnicze
- W tym błędzie wiele otworów wiertniczych nakłada się na siebie, co powoduje złą konstrukcję płytki. W rezultacie dochodzi do wyłamywania się miedzi i rozwarstwiania.
- Dzieje się tak z powodu nieprawidłowej konfiguracji otworów w projekcie płytki.
- Użyj odpowiedniego rozstawu otworów i większych wierteł, aby uniknąć nakładania się.
Nieprawidłowe rozmiary otworów
- W tym błędzie otwory są większe i mniejsze, co wpływa na dokładne wkładanie komponentów. Ten błąd ma wpływ na funkcje lutowania i połączenia elektryczne.
- Błąd ten wynika z nieprawidłowego rozmiaru wiertła w plikach Gerber i nieprawidłowej grubości powłoki.
- Aby rozwiązać ten problem należy zastosować standardowy rozmiar otworu zgodnie ze zdefiniowaną wartością i ustawić grubość powłoki.
Wniosek
Otwór PCB jest głównym elementem projektu PCB i prawidłowej pracy w dowolnych urządzeniach i projektach elektronicznych. Otwory te są ważne dla zapewnienia połączenia elektrycznego między różnymi warstwami płytek i wytrzymałości mechanicznej. Istnieją różne rodzaje otworów PCB, takie jak niemetalizowane otwory przelotowe, metalizowane otwory przelotowe i otwory przelotowe, takie jak przelotowe otwory przelotowe, przelotowe ślepe, przelotowe zakopane, mikroprzelotowe itp. Każdy z nich ma swoje cechy i znaczenie dla projektu i pracy płytki PCB. Każdy typ otworu PCB ma swoją konstrukcję i cechy, ale głównym celem używanym w płytce jest wykonywanie połączeń elektrycznych między warstwami PCB, montaż komponentów i wykonywanie połączeń z zewnętrznymi komponentami na płytce. Starsze płytki PCB mają głównie metalizowane otwory przelotowe do montażu komponentów przelotowych, a wraz z dużym zapotrzebowaniem na płytki o wysokiej gęstości producenci używają obecnie komponentów montowanych powierzchniowo, które nie są metalizowanymi otworami przelotowymi. W przypadku miniaturowych przelotek o wysokiej gęstości stosuje się wiercenie laserowe.
