1. Introducere în găurile PCB
PCB-ul, sau placa cu circuite imprimate, este o componentă sau un element constitutiv foarte important pentru crearea circuitelor pe care sunt conectate diferite componente ale circuitului. Însă cel mai important factor pentru proiectarea și manipularea tuturor componentelor de pe placă este că diferite tipuri de găuri sunt realizate folosind diferite tehnici și procese. Fiecare tip de gaură are propriul proces de fabricație și performanță de funcționare. Funcția principală a găurilor este de a facilita montarea componentelor pe placă, oferind conexiuni electrice puternice și fiabile și rezistență structurală pentru placa PCB. În acest tutorial, vom acoperi diverse tipuri de găuri PCB care sunt importante pentru proiectarea și producția precisă a PCB-urilor, în funcție de cerințele proiectului. Așadar, haideți să începem!
2. Tipuri de găuri pentru PCB
2.1 Găuri traversante placate (PTH)
Găuri străpunse placate, cunoscute și sub denumirea de cupraj electrolizat. Aceste găuri sunt perforate prin placă și căptușite cu ajutorul cuprului, care este un material conductiv. Staniul sau aurul sunt folosite pentru placarea de căptușire, care ajută la realizarea conexiunii dintre straturile plăcii PCB.
Funcția acestor orificii este de a realiza conexiuni electrice între diferite straturi ale plăcii PCB sau componente conectate la placă. Aceste orificii sunt, de asemenea, utile în asigurarea unei rezistențe reduse pentru cablurile componentelor și firele de cupru și în creșterea stabilității mecanice a ansamblului PCB.
Găurile placate sunt, de asemenea, utile pentru realizarea de conexiuni puternice între straturile plăcii față-verso sau ale plăcii multistrat.
Principalele utilizări ale PTH-urilor sunt în cuprarea cu rășină, cuprarea sau cuprarea cu diamant.
2.2 Găuri străpunse neplacate (NPTH)
În acest tip de orificiu PCB, nu se folosește cupru ca placare pe pereții orificiului; prin urmare, cilindrii orificiilor nu au o natură conductivă sau caracteristici electrice. Sunt cel mai bine utilizați acolo unde placa are piste de cupru pe o singură parte, dar nu sunt o opțiune bună pentru plăcile cu mai multe straturi, deoarece utilizarea acestor orificii reduce numărul de straturi ale plăcii.
Totuși, fabricarea acestor găuri este un proces ușor și rapid și este utilizată pentru prelucrarea găurilor pentru fixarea plăcilor la punctul de lucru. De asemenea, sunt fabricate pentru șuruburi sau componente asemănătoare bolțurilor, pentru fixare și utilizate ca radiator pentru disiparea căldurii.
2.3Jumătăți de găuri
Semigăurile de placa PCB, numite și semigăuri de placă sau găuri crenelate, sunt parțial găurite prin găuri făcute la marginea plăcii, iar aceste găuri sunt frezate la jumătatea distanței. Aceste găuri sunt folosite pentru lipirea unui alt PCB pe placa principală. Cu alte cuvinte, realizează conexiunea dintre două plăci separate și reprezintă partea principală a conexiunilor componentelor de înaltă densitate. Pentru conectarea Bluetooth pe o altă placă, se utilizează găuri placate.
2.3 Găuri de trecere
Scopul principal al orificiilor de conectare este de a realiza conexiuni electrice puternice pentru diferite straturi ale plăcilor PCB și, de asemenea, de a fi utilizate pentru conexiuni de componente placate prin orificii de trecere etc. Conectarea diferitelor straturi ale plăcilor multistrat prin intermediul orificiilor de conectare ajută la ușurarea fluxului de semnal între straturi și componentele conectate.
Vias orb
Vialele oarbe ale plăcii sunt realizate din straturile superioare sau inferioare către straturile interioare și nu trec complet prin placă, așa cum se întâmplă în cazul vialelor placate. În această imagine, nu putem vedea cealaltă parte a plăcii.
Aceste fire de contact sunt realizate folosind un proces de găurire mecanică, iar uneori se folosesc lasere pentru a găuri fire de contact oarbe. Pentru găurirea acestor tipuri de fire de contact, asigurați-vă că dimensiunile lor sunt corecte. Fie că este un proces dificil, fie că putem găuri fire de contact oarbe direct pe placă.
Principala utilizare a căilor de acces oarbe este de a realiza o conexiune la un strat extern cu cel puțin un strat interior. Raportul de aspect pentru aceste căi de acces este de 1:1 sau mai mare.
Vialele oarbe fac parte din fabricația PCB-urilor HDI, dar asigurați-vă că placa care are viale oarbe nu este întotdeauna HDI PCB.
Vii îngropate
Conexiunile îngropate sunt realizate între straturile interne ale plăcii PCB și nu sunt vizibile din exteriorul plăcii. Scopul principal al acestor conexiuni este de a realiza conexiuni între 2 sau mai multe straturi interioare. Pentru fiecare nivel de conexiune, definiți găurile ca fișiere de găurit separate.
Raportul de aspect pentru via-urile îngropate este de 1:12 sau mai mare.
Conform standardelor IPC, diametrul recomandat pentru viaje oarbe și viaje îngropate nu este mai mare de 6 mils.
Stivuite Vias
Stack vias sunt stack vias oarbe sau îngropate, utilizate pentru realizarea conexiunilor între diferite straturi ale plăcii pentru mai mult de trei straturi de circuit. Stack vias-urile sunt prevăzute cu două sau mai multe stack vias configurate una peste alta, care traversează mai multe straturi ale plăcilor.
Principalele utilizări ale via-urilor suprapuse sunt în plăcile multistrat și, de asemenea, în plăcile HDI. Designul via-urilor suprapuse este astfel încât fiecare via din stivă este configurată cu un strat intern al plăcii.
Principala caracteristică a acestor viae este de a oferi conexiuni electrice continue în diferite straturi. În proiectele în care spațiul este limitat, dar se utilizează viae suprapuse cu design complex.
Vias eșalonate
Vialele decalate se realizează atunci când diferite viale ale straturilor plăcii PCB sunt conectate, dar nu se suprapun. Vialele decalate vin cu multe viale în astfel de conexiuni care nu au o conexiune directă, deoarece axele de găurire sunt diferite.
Vialele decalate formează un model în zig-zag pe placă atunci când privim placa din orice parte. Principalele utilizări ale vialelor decalate sunt în plăcile HDI și PCB-urile multistrat.
Sari peste Vias
Această conexiune electrică trece prin mai multe straturi ale plăcii, dar nu are nicio conexiune electrică cu niciun strat. Conexiunile de tip „skip via” pot fi conexiuni suprapuse, conexiuni oarbe sau conexiuni îngropate. Aceste conexiuni sunt importante pentru placa HDI pentru realizarea de circuite compacte și complicate. Conexiunile de tip „skip via” realizează conexiuni electrice verticale între straturile plăcii, ceea ce creează o împachetare densă a componentelor și reduce lungimea căii semnalului.
Vias-in-Pad
Via în pad este un tip mai puțin comun de via-uri PCB, iar în acest design, via este realizată direct sub pad-ul componentei de montare la suprafață, în loc să fie dirijată traseul în jurul pad-ului. Prin conexiunea pad-ului componentei de pe straturile superioare cu stratul interior al plăcii.
Principalele caracteristici care ajută la utilizarea acestor fire de contact sunt că oferă o rutare ușoară și controlează inductanța parazitară. Dezavantajul lor este că, în momentul reflow-ului, pasta de lipit trece prin fire și afectează lipirea pe pad-ul PCB.
2.4 găuri de montare
Găurile de montare sunt realizate în PCB pentru a oferi puncte pentru montarea plăcii pe șasiu. Aceste găuri au dimensiuni mai mari decât alte tipuri de găuri de placă și sunt de obicei realizate în colțurile plăcii. Pentru a realiza o conexiune puternică și stabilă între placă și componentele de montare, se aplică plăcuțe de cupru în jurul găurilor de montare.
2.5 Găuri conice și alezaje conice
Găurile conice sunt fabricate pentru șuruburi sau bolțuri și au capete cu fund plat, care au o dimensiune mai mare în comparație cu modelele cu șuruburi. Aceste găuri au 2 diametre, un diametru mai mare în partea superioară pentru a manipula capul șurubului și un diametru mai mic pentru a avea un corp de șurub sau bolț.
Conicele sunt utilizate pentru aplicații în care șuruburile trebuie să aibă capete conice. Aceste găuri sunt realizate la un unghi conic, în concordanță cu conicitatea părții superioare a capului șurubului, ceea ce ajută șurubul să se așeze la același nivel cu suprafața plăcii. Pentru realizarea conicelor, se folosesc în mod normal burghie de 82 sau 90 de grade.
Găuri conice și conice
2.6 Găuri de referință (găuri de aliniere)
Găurile fiduciale, numite găuri de aliniere, sunt găuri de dimensiuni mici și definite, găurite pe placă, care sunt utilizate ca puncte de referință pentru uneltele de fabricație automatizate. Caracteristica lor principală este de a asigura o aliniere precisă în diferite faze, cum ar fi conectarea componentelor, procesul de șablonare și testarea, asigurând că toate componentele de pe plăci sunt conectate corect pentru asamblarea plăcii.
Imagine: Găuri fiduciale
2.7 Tipuri speciale de găuri pentru PCB
- Găuri de ștampilă
Găurile de ștanțare, numite și găuri de detașare, sunt găuri de dimensiuni mici, realizate în secvență sau la rând cu marginile fiecărei plăci de circuite imprimate din panou. Aceste găuri arată ca marginile ștampilelor, așa că sunt cunoscute sub numele de găuri de ștanțare. Utilizarea principală a acestor găuri este pentru depanelizarea PCB-urilor. În procesul de depanelizare, o singură placă este separată de panoul mai mare. Acest proces este utilizat pentru a crește eficiența producției și a reduce cheltuielile.
3. Considerații privind proiectarea găurilor PCB
Mulți factori trebuie luați în considerare pentru proiectarea găurilor PCB, enumerați aici.
Dimensiunea găurii și raportul de aspect
Valoarea dimensiunii găurii se bazează pe tehnicile de găurire și pe numărul de straturi ale plăcii. Raportul dintre adâncimea găurii și diametrul găurii se numește raport de aspect.
| Tehnica forajului | Min. Diametrul gaurii | Raport de aspect maxim |
| Foraj mecanic | 0.2 mm | 10:1 |
| Găurire cu laser (Microvia) | 0.075 mm | 1: 1 la 1.5: 1 |
| Gravura chimică | ~50 µm | ~ 1: 1 |
| EDM (Descărcare electrică) | 0.1 mm | 5:1 |
| Găurire cu ultrasunete | 0.2 mm | 5:1 |
Toleranța burghiului și detaliile inelului inelar
Inelul inelar este din cupru care acoperă orificiul placat. Dacă inelul nu are lățimea corespunzătoare, fiabilitatea plăcii poate fi compromisă.
| Dimensiunea gaurii (mm) | Toleranță burghiu (± mm) | Inel inelar minim (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Grosimea plăcii pentru PTH și vias
Grosimea plăcii, conform cerințelor de proiectare, asigură o bună rezistență mecanică a plăcii și o conductivitate electrică.
| Gaură | Grosimea cuprului | Standard |
| Gaură traversantă placată (PTH) | 25 - 50 um | IPC-6012 |
| Microvia (HDI) | 5 - 25 um | IPC-6016 |
| Blind / Buried Via | 15 - 30 um | IPC-6012 |
| Vias-in-Pad | 25 – 50 µm (umplut, placat) | IPC-4761 |
Material
Utilizarea materialelor pentru placă afectează, de asemenea, precizia găurilor
| Material | Funcția de găurire |
| FR-4 | Are funcții de găurire ușoare și poate gestiona cu ușurință toate tipurile de găuri |
| FR-4 cu TG ridicat | Pentru a face găuri în acest material, se folosesc burghie mai rezistente |
| PCB-uri din aluminiu | Pentru realizarea găurilor în această placă se folosesc freze CNC sau burghie speciale. |
| PCB-uri ceramice | Găurirea cu ultrasunete sau cu laser este utilizată pentru realizarea de găuri în plăcile ceramice |
| PCB flexibile | gravare chimică sau găurire cu laser utilizată |
4. Funcțiile găurilor PCB
Conectivitate electrică între straturi
Principala utilizare a găurilor din plăcile PCB este de a realiza conexiuni electrice între straturile PCB-ului. Găurile traversante, cum ar fi placarea cu aur, ajută la transmiterea semnalului și a energiei de la o parte la alta a plăcii.
Conexiunile oarbe, îngropate și traversante ajută la realizarea conexiunilor multistrat pentru plăcile PCB HDI.
Pentru transmiterea semnalului de mare viteză în diferite modele compacte, se utilizează micro-via-uri.
Montarea componentelor
În principal pentru conectarea componentelor pe placă, tehnologia de montare prin găuri străpunse sau THT utilizează găuri placate prin placare pentru lipirea și inserarea cablurilor componentelor în găuri.
Găurile PCB fac, de asemenea, o conexiune puternică cu placa, în comparație cu SMT. Găurile sunt cele mai bune pentru conectarea componentelor de mare putere, cum ar fi conectorii și condensatoarele.
Dezintegrarea căldurii
Găurile PCB gestionează, de asemenea, disiparea căldurii generată de diferite componente de pe placă și evită supraîncălzirea. Fisurile termice ajută la transmiterea căldurii de la componentele încălzite către radiator. În timp ce fișele din pad cresc disiparea căldurii prin controlul rezistenței termice.
5. Probleme frecvente cu găurile PCB și cum să le evitați
Nealinierea găurilor
- În această poziție de găurire a orificiului de defect, aceasta nu este conform cerințelor și duce la o conectare eronată a plăcuțelor componentelor și a straturilor interioare. Această eroare este rezultatul deconectărilor electrice sau al unor tehnici de lipire necorespunzătoare.
- De asemenea, apare din cauza dilatării materialului plăcii în momentul fabricației.
- Pentru a evita această problemă, utilizați marcaje de referință în puncte definite și materiale de calitate pentru a evita dilatarea/contracția.
- Dacă lucrați pe plăci multistrat, utilizați funcțiile de verificare a alinierii cu raze X.
Inel inelar insuficient
- În această eroare, placa de circuit imprimat cu pad-uri de cupru din jurul găurilor nu este o cerință sau dimensiunea mică nu afectează caracteristicile mecanice și electrice. Drept urmare, se formează circuite deschise sau îmbinări de lipire slabe pe placă.
- Pentru a rezolva această problemă, setați detalii inelare. Folosiți dimensiunea corectă a plăcuței pentru nealinieri minore.
Găuri suprapuse
- În această eroare, multe găuri se suprapun, ceea ce duce la un design defectuos al plăcii. Drept urmare, se produc ruperea cuprului și delaminarea acestuia.
- Apare din cauza configurației necorespunzătoare a găurilor în designul plăcii.
- Folosiți o spațiere corectă între găuri și burghie mai mari pentru a evita suprapunerea.
Dimensiuni incorecte ale găurilor
- În această eroare, găurile sunt din ce în ce mai mici și afectează inserarea precisă a componentelor. Această eroare are un impact asupra caracteristicilor de lipire și a conexiunilor electrice.
- Această eroare se datorează dimensiunii eronate a burghiului din fișierele Gerber și grosimii eronate a plăcii.
- Pentru a rezolva această problemă, urmați dimensiunea standard a găurii conform valorii definite și setați grosimea plăcii.
Concluzie
Gaura PCB este componenta principală pentru proiectarea PCB-urilor și funcționarea corectă în orice dispozitiv și proiect electronic. Aceste găuri sunt importante pentru asigurarea conexiunii electrice între diferite straturi ale plăcilor și a rezistenței mecanice. Există diferite tipuri de găuri PCB, cum ar fi găuri străpunse neplacate, găuri străpunse placate și găuri de intersecție, cum ar fi găuri străpunse, găuri oarbe, găuri îngropate, microgăuri etc. Fiecare vine cu caracteristicile și importanța sa pentru proiectarea și funcționarea plăcii PCB. Fiecare tip de gaură PCB are designul și caracteristicile sale, dar scopul principal utilizat într-o placă este de a realiza conexiuni electrice între straturile PCB, montarea componentelor și realizarea conexiunilor cu componentele externe de pe placă. Plăcile PCB mai vechi vin în mare parte cu găuri străpunse placate pentru montarea componentelor străpunse, iar cu cererea mare de plăci de înaltă densitate acum înseamnă că producătorii folosesc componente de montare la suprafață care nu sunt găuri străpunse placate. Pentru găuri miniaturale de înaltă densitate, se utilizează găuri laser.
