1. Uvod v luknje na tiskanih vezjih
Tiskano vezje ali PCB je zelo pomembna komponenta ali gradnik za izdelavo vezij, na katere so priključene različne komponente vezij. Najpomembnejši dejavnik pri načrtovanju in ravnanju z vsemi komponentami na plošči pa je, da se z uporabo različnih tehnik in postopkov izdelajo različne vrste lukenj. Vsaka vrsta luknje ima svoj postopek izdelave in delovne lastnosti. Glavna funkcija lukenj je olajšati namestitev komponent na ploščo, kar zagotavlja močne in zanesljive električne povezave ter strukturno trdnost plošče. V tem priročniku bomo obravnavali različne vrste lukenj na tiskanih vezjih, ki so pomembne za natančno načrtovanje in izdelavo tiskanih vezjev v skladu z zahtevami projekta. Začnimo torej!
2. Vrste lukenj na tiskanih vezjih
2.1 Prevlečene skoznje luknje (PTH)
Prevleke skozi luknje, znane tudi kot breztokovno bakrenje. Te luknje so izvrtane skozi ploščo in obložene z bakrom, ki je prevodni material. Za oblaganje se uporablja kositer ali zlato, ki pomaga vzpostaviti povezavo med plastmi plošče tiskanega vezja.
Funkcija teh lukenj je vzpostavitev električnih povezav med različnimi plastmi tiskanega vezja ali komponentami, priključenimi na ploščo. Te luknje so koristne tudi za zagotavljanje nizke upornosti za vodnike komponent in bakrene žice ter povečanje mehanske stabilnosti sklopa tiskanega vezja.
Prevleke s ploščami so koristne tudi za ustvarjanje močnih povezav med dvostransko ali večplastno ploščo.
Glavne uporabe PTH so pri bakrenju s smolo, bakrenju ali diamantnem bakrenju.
2.2 Neprevlečene skoznje luknje (NPTH)
Pri tej vrsti lukenj na tiskanem vezju se za prevleko sten lukenj ne uporablja baker; posledično cevi za luknje nimajo prevodne narave ali električnih lastnosti. Najbolje jih je uporabiti tam, kjer ima plošča bakrene sledi na eni strani, vendar niso dobra možnost za večplastne plošče, saj uporaba teh lukenj zmanjša število plasti na plošči.
Vendar pa je izdelava teh lukenj enostaven in hiter postopek ter se uporablja za izdelavo lukenj za pritrditev plošč na delovno mesto. Izdelane so tudi za vijake ali sornike, ki jih pritrjujejo, in se uporabljajo kot hladilnik za odvajanje toplote.
2.3Polovične luknje
Polovične luknje v tiskanem vezju, imenovane tudi ploščate polovične luknje ali zobate luknje, so delno izvrtane skozi luknje na robu plošče, ki so nato do polovice izrezljane. Te luknje se uporabljajo za spajkanje drugega tiskanega vezja na matično ploščo. Preprosto povedano, vzpostavljajo povezavo med dvema ločenima ploščama in so glavni del visokogostotnih komponentnih povezav. Za povezavo Bluetooth na drugi plošči se uporabljajo skoznje luknje s ploščo.
2.3 Prehodne luknje
Glavni namen skoznjih odprtin je vzpostavitev močnih električnih povezav za različne plasti tiskanih vezij in uporaba za povezave komponent s skoznjimi odprtinami itd. Povezava različnih plasti večplastnih plošč prek odprtin olajša pretok signala med plastmi in priključenimi komponentami.
Slepi prehodi
Slepi prehodi na plošči so narejeni od zgornjih ali spodnjih plasti do notranjih plasti in ne prehajajo popolnoma skozi ploščo, kot so prehodi s prevleko. V tem pogledu ne vidimo druge strani plošče.
Te odprtine so izdelane z mehanskim vrtanjem, včasih pa se za vrtanje slepih odprtin uporabljajo laserji. Za vrtanje teh vrst odprtin se prepričajte o njihovih natančnih dimenzijah. V obeh primerih gre za težaven postopek, vendar lahko slepe odprtine izvrtamo neposredno na ploščo.
Glavna uporaba slepih prehodov je vzpostavitev povezave med eno zunanjo plastjo in najmanj eno notranjo plastjo. Razmerje stranic teh prehodov je 1:1 ali večje.
Slepi prehodi so del izdelave HDI tiskanih vezij, vendar se prepričajte, da plošča s slepimi prehodi ni vedno HDI tiskano vezje.
Zakopani prehodi
Zakopani prehodi so narejeni med notranjimi plastmi tiskanega vezja in niso vidni z zunanje strani plošče. Glavni namen teh prehodov je vzpostavitev povezav med dvema ali več notranjimi plastmi. Za vsako raven povezave definirajte luknje kot ločene vrtalne datoteke.
Razmerje stranic za zakopane prehode je 1:12 ali večje.
V skladu s standardi IPC priporočeni premer slepih in zakopanih prehodov ni večji od 6 mil.
Zloženi prehodi
Zloženi prehodi so slepi prehodi ali zakopani prehodi, ki se uporabljajo za ustvarjanje povezav med različnimi plastmi plošče za več kot tri plasti vezij. Zloženi prehodi imajo dva ali več prehodov, konfiguriranih drug na drugem, ki prečkajo več plasti plošč.
Glavne uporabe zloženih prehodov so v večplastnih ploščah in tudi v ploščah HDI. Zasnova zloženih prehodov je takšna, da je vsak prehod v skladu konfiguriran z eno notranjo plastjo plošče.
Glavna značilnost teh prehodnih odprtin je zagotavljanje neprekinjenih električnih povezav v različnih plasteh. Uporabljajo se zložene prehodne odprtine v projektih, kjer je prostor omejen, a kompleksna zasnova.
Zamaknjeni prehodi
Stopenjsko razporejeni prehodi nastanejo, ko so prehodi različnih plasti tiskanega vezja povezani, vendar se ne prekrivajo. Stopenjsko razporejeni prehodi imajo v takšnih povezavah veliko prehodov, ki nimajo neposredne povezave, ker so osi vrtanja različne.
Stopničasto razporejeni prehodi tvorijo cikcakast vzorec na plošči, če ploščo gledamo s katere koli strani. Stopničasto razporejeni prehodi se uporabljajo predvsem v ploščah HDI in večplastnih tiskanih vezjih.
Preskoči prehode
Ta prehod prečka več plasti plošče, vendar nima električne povezave z nobeno plastjo. Preskočni prehodi so lahko prekrivajoči se prehodi, slepi prehodi ali zakopani prehodi. Ti prehodi so pomembni za ploščo HDI za izdelavo kompaktnih in zapletenih vezij. Preskočni prehodi ustvarjajo navpične električne povezave med plastmi plošče, kar omogoča gosto pakiranje komponent in skrajša dolžino signalne poti.
Vias-in-Pad
Prehod v ploščici je manj pogosta vrsta prehodov na tiskanih vezjih, pri tej zasnovi pa je prehod narejen neposredno pod ploščico komponent za površinsko montažo, namesto da bi bila sled usmerjena okoli ploščice. Preko povezave ploščice komponent na zgornjih plasteh z notranjo plastjo plošče.
Glavni lastnosti, ki olajšajo uporabo teh prehodov, sta enostavno usmerjanje in nadzor parazitske induktivnosti. Njihova pomanjkljivost je, da med ponovnim spajkanjem spajkalna pasta prehaja skozi prehode in vpliva na spajkanje na ploščici tiskanega vezja.
2.4 montažnih lukenj
V tiskanem vezju so narejene montažne luknje, ki zagotavljajo točke za pritrditev plošče na ohišje. Te luknje so večje od drugih vrst lukenj na ploščah in so običajno narejene na vogalih plošče. Za vzpostavitev močne in stabilne povezave med ploščo in montažnimi komponentami so okoli montažnih lukenj nameščene bakrene blazinice.
2.5 Ugrezne in vgrezne luknje
Vgrezne izvrtine so narejene za vijake ali vijake in imajo glave z ravnim dnom, ki so večje velikosti v primerjavi z vijačnimi izvedbami. Te luknje imajo dva premera, večji premer na zgornjem delu za rokovanje z glavo vijaka in manjši premer za telo vijaka ali vijaka.
Ugrezniki se uporabljajo za aplikacije, kjer morajo imeti vijaki zožene glave. Te luknje so narejene pod stožčastim kotom, ki je skladen s zoženjem zgornjega dela glave vijaka, kar omogoča, da vijak poravnano leži na površini plošče. Za izdelavo ugreznikov se običajno uporabljajo svedri s kotom 82 ali 90 stopinj.
slika Ugrezne in ugrezne luknje
2.6 Izhodiščne luknje (luknje za poravnavo)
Fiducialne luknje, imenovane poravnalne luknje, so majhne in definirane luknje, izvrtane na plošči, ki se uporabljajo kot referenčne točke za avtomatizirana proizvodna orodja. Njihova glavna značilnost je zagotavljanje natančne poravnave v različnih fazah, kot so povezovanje komponent, postopek šabloniranja in testiranje, kar zagotavlja, da so vse komponente na ploščah natančno povezane za sestavljanje plošče.
Slika: Fiducialne luknje
2.7 Posebne vrste lukenj na tiskanih vezjih
- Luknje za štampiljke
Odprtine za štampiljko, imenovane tudi odlomne luknje, so majhne luknje, izdelane zaporedoma ali v vrsti z robovi vsakega vezja v plošči. Te luknje so videti kot robovi štampiljk, zato so znane kot luknje za štampiljko. Te luknje se uporabljajo predvsem za depanelizacijo tiskanih vezij. Pri postopku depanelizacije se ena sama plošča loči od večje plošče. Ta postopek se uporablja za povečanje proizvodne učinkovitosti in zmanjšanje stroškov.
3. Premisleki glede zasnove lukenj na tiskanem vezju
Pri načrtovanju lukenj na tiskanem vezju je treba upoštevati številne dejavnike, ki so navedeni tukaj.
Velikost luknje in razmerje stranic
Vrednost velikosti luknje je odvisna od tehnike vrtanja in števila plasti plošče. Razmerje med globino luknje in premerom luknje se imenuje razmerje stranic.
| Tehnika vrtanja | Min. Premer luknje | Največje razmerje stranic |
| Mehansko vrtanje | 0.2 mm | 10:1 |
| Lasersko vrtanje (mikroprevodnice) | 0.075 mm | 1: 1 na 1.5: 1 |
| Kemično jedkanje | ~50 µm | ~ 1: 1 |
| EDM (električna razelektritev) | 0.1 mm | 5:1 |
| Ultrazvočno vrtanje | 0.2 mm | 5:1 |
Toleranca svedra in podrobnosti obročastega obroča
Obroč je prevlečen z bakrom okoli prevlečene luknje. Če obroč ni ustrezne širine, to povzroča težave z zanesljivostjo plošče.
| Velikost luknje (mm) | Toleranca vrtanja (± mm) | Min. obročasti obroč (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Debelina prevleke za PTH in prehode
Debelina prevleke v skladu z zahtevami zasnove zagotavlja dobro mehansko trdnost plošče in električno prevodnost.
| Luknja | Debelina bakrene prevleke | Standardna |
| Prevlečena skoznja luknja (PTH) | 25 - 50 µm | IPC-6012 |
| Mikrovia (HDI) | 5 - 25 µm | IPC-6016 |
| Slepa/zakopana pot | 15 - 30 µm | IPC-6012 |
| Vias-in-Pad | 25 – 50 µm (polnjeno, prevlečeno) | IPC-4761 |
Material
Uporaba materialov za ploščo vpliva tudi na natančnost lukenj
| Material | Funkcija vrtanja |
| FR-4 | Ima enostavne funkcije vrtanja in z lahkoto obvladuje vse vrste lukenj |
| Visoko TG FR-4 | Za izdelavo lukenj v tem materialu se uporabljajo močnejši svedri |
| PCB iz aluminija | Za izdelavo lukenj v tej plošči se uporabljajo CNC rezkalniki ali posebni vrtalniki. |
| Keramični PCB | Za izdelavo lukenj v keramičnih ploščah se uporablja ultrazvočno ali lasersko vrtanje |
| Prilagodljivi PCB | kemično jedkanje ali lasersko vrtanje |
4. Funkcije lukenj na tiskanem vezju
Električna povezljivost med plastmi
Glavna uporaba lukenj v tiskanih vezjih je za vzpostavitev električnih povezav med plastmi tiskanega vezja. Na primer, skoznje luknje v pločevini pomagajo pri prenosu signala in moči z ene strani plošče na drugo.
Slepi, zakopani in skoznji prehodi pomagajo pri ustvarjanju večplastnih povezav za plošče HDI PCB.
Za visokohitrostni prenos signalov v različnih kompaktnih izvedbah se uporabljajo mikro prehodi.
Montaža komponent
Večinoma za priključitev komponent na ploščo s tehnologijo montaže skozi luknje ali THT uporablja skoznje prevlečene luknje za spajkanje in vstavljanje komponentnih vodnikov v luknje.
Luknje na tiskanem vezju omogočajo tudi močno povezavo s ploščo v primerjavi z SMT. Luknje so najboljše za priključitev visokoenergijskih komponent, kot so konektorji in kondenzatorji.
Odvajanje toplote
Odprtine na tiskanem vezju prav tako obvladujejo odvajanje toplote, ki jo ustvarjajo različne komponente na plošči, in preprečujejo pregrevanje. Termični prehodi pomagajo pri odvajanju toplote od segretih komponent do hladilnika. Prehodi v ploščici pa povečajo odvajanje toplote z uravnavanjem toplotne upornosti.
5. Pogoste težave z luknjami na tiskanih vezjih in kako se jim izogniti
Neusklajenost lukenj
- V tem položaju vrtanja napake luknja ni v skladu z zahtevami in povzroči napačno povezavo komponentnih ploščic in notranjih plasti. Ta napaka je posledica električnih prekinitev ali nepravilnih tehnik spajkanja.
- Pojavi se tudi zaradi raztezanja materiala plošče med proizvodnjo.
- Da bi se izognili tej težavi, uporabite referenčne oznake na določenih točkah in kakovostne materiale, da preprečite raztezanje/krčenje.
- Če delate na večplastnih ploščah, uporabite funkcije za preverjanje poravnave z rentgenskimi žarki.
Nezadosten obročasti obroč
- Pri tej napaki bakrene blazinice okoli lukenj niso zahteve ali pa so majhne, kar vpliva na mehanske in električne lastnosti. Posledično na plošči nastanejo odprti tokokrogi ali šibki spajkani spoji.
- Za rešitev te težave nastavite obročaste podrobnosti. Za manjše neusklajenosti uporabite blazinice ustrezne velikosti.
Prekrivajoče se izvrtane luknje
- Pri tej napaki se veliko izvrtanj prekriva, kar povzroči slabo zasnovo plošče. Posledično pride do preloma in delaminacije bakra.
- Do tega pride zaradi nepravilne konfiguracije lukenj v zasnovi plošče.
- Uporabite pravilen razmik med luknjami in večje svedre, da se izognete prekrivanju.
Nepravilne velikosti lukenj
- Pri tej napaki so luknje večje in manjše, kar vpliva na natančno vstavljanje komponent. Ta napaka vpliva na lastnosti spajkanja in električne povezave.
- Ta napaka je posledica napačne velikosti svedra v Gerberjevih datotekah in napačne debeline prevleke.
- Za rešitev te težave upoštevajte standardno velikost luknje v skladu z določeno vrednostjo in nastavite debelino prevleke.
zaključek
Odprtina za tiskano vezje (PCB) je glavna komponenta za načrtovanje in pravilno delovanje tiskanih vezij v vseh elektronskih napravah in projektih. Te luknje so pomembne za zagotavljanje električne povezave med različnimi plastmi plošč in mehanske trdnosti. Obstajajo različne vrste lukenj za tiskano vezje, kot so neplatirane skoznje luknje, platirane skoznje luknje in prehodne luknje, kot so prehodne luknje, slepe prehodne luknje, zakopane prehodne luknje, mikro prehodne luknje itd. Vsaka ima svoje značilnosti in pomen za načrtovanje in delovanje plošče tiskanega vezja. Vsaka vrsta luknje za tiskano vezje ima svojo zasnovo in značilnosti, vendar je glavni namen plošče vzpostavitev električnih povezav med plastmi tiskanega vezja, montaža komponent in vzpostavitev povezav z zunanjimi komponentami na plošči. Starejše plošče tiskanega vezja imajo večinoma platirane skoznje luknje za montažo komponent s skoznjimi luknjami, zaradi velikega povpraševanja po ploščah z visoko gostoto pa proizvajalci zdaj uporabljajo komponente za površinsko montažo, ki nimajo platiranih skoznjih lukenj. Za miniaturne prehodne luknje z visoko gostoto se uporabljajo lasersko izvrtane luknje.
