ประเภทของรู PCB: คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับนักออกแบบและวิศวกร

1. บทนำเกี่ยวกับรู PCB

PCB หรือแผงวงจรพิมพ์เป็นส่วนประกอบหรือหน่วยประกอบที่สำคัญมากสำหรับการสร้างวงจรที่ส่วนประกอบวงจรต่างๆ เชื่อมต่อกัน แต่ปัจจัยที่สำคัญที่สุดสำหรับการออกแบบและการจัดการแผงวงจร PCB คือ รูประเภทต่างๆ ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคและกระบวนการที่แตกต่างกัน รูแต่ละประเภทมีกระบวนการผลิตและประสิทธิภาพการทำงานของตัวเอง หน้าที่หลักของรูคือทำให้ส่วนประกอบต่างๆ ติดตั้งบนแผงวงจรได้ง่าย ทำให้มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่แข็งแรงและเชื่อถือได้ และให้ความแข็งแรงเชิงโครงสร้างของแผงวงจร PCB ในบทช่วยสอนนี้ เราจะครอบคลุมถึงรู PCB ประเภทต่างๆ ที่มีความสำคัญต่อการออกแบบและการผลิต PCB ที่แม่นยำตามความต้องการของโครงการ เริ่มกันเลย!

2. ประเภทของรู PCB

2.1 รูชุบแบบทะลุ (PTH)

การชุบรูทะลุ หรือเรียกอีกอย่างว่าการชุบทองแดงแบบไม่ใช้ไฟฟ้า รูเหล่านี้จะถูกเจาะผ่านบอร์ดและบุด้วยทองแดงซึ่งเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ ดีบุกหรือทองใช้สำหรับบุเคลือบเพื่อช่วยให้การเชื่อมต่อระหว่างชั้นของบอร์ด PCB เป็นไปได้

รูเหล่านี้มีหน้าที่ในการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้นแผงวงจรพิมพ์หรือส่วนประกอบต่างๆ ที่เชื่อมต่อกับแผงวงจรพิมพ์ รูเหล่านี้ยังมีประโยชน์ในการให้ความต้านทานต่ำสำหรับสายส่วนประกอบและสายทองแดง และเพิ่มเสถียรภาพเชิงกลของการประกอบแผงวงจรพิมพ์

รูชุบยังมีประโยชน์ในการสร้างการเชื่อมต่อที่แน่นหนาระหว่างกระดานสองด้านหรือชั้นกระดานหลายชั้น

การใช้งานหลักของ PTH คือการชุบเรซินทองแดง การชุบทองแดง หรือการชุบทองแดงเพชร

2.2 รูทะลุแบบไม่ชุบ (NPTH)

ในรู PCB ประเภทนี้ จะไม่มีการนำทองแดงมาชุบบนผนังรู ดังนั้น กระบอกรูจึงไม่มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าหรือคุณสมบัติทางไฟฟ้า กระบอกรูประเภทนี้เหมาะที่สุดสำหรับแผงวงจรที่มีรางทองแดงอยู่ด้านเดียว แต่ไม่เหมาะสำหรับแผงวงจรที่มีหลายชั้น เนื่องจากการใช้รูประเภทนี้จะลดจำนวนชั้นของแผงวงจรลง

อย่างไรก็ตาม การผลิตรูเหล่านี้เป็นกระบวนการที่ง่ายและรวดเร็ว และใช้สำหรับเจาะรูสำหรับยึดบอร์ดที่จุดทำงาน นอกจากนี้ยังผลิตขึ้นสำหรับสกรูหรือส่วนประกอบที่คล้ายสลักเกลียว เพื่อยึดและใช้เป็นตัวระบายความร้อน

2.3ครึ่งหลุม

รูครึ่งรูในบอร์ด PCB เรียกอีกอย่างว่ารูครึ่งแผ่นหรือรูสลัก จะถูกเจาะผ่านรูที่ทำไว้ที่ขอบบอร์ดบางส่วน และรูเหล่านี้จะถูกกลึงผ่านครึ่งหนึ่ง รูเหล่านี้ใช้สำหรับบัดกรี PCB อีกอันบนบอร์ดหลัก พูดง่ายๆ ก็คือ ทำการเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดแยกกันสองบอร์ด และเป็นส่วนหลักของการเชื่อมต่อส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นสูง สำหรับการเชื่อมต่อบลูทูธบนบอร์ดอื่น จะใช้รูชุบ

2.3 รูทะลุ

วัตถุประสงค์หลักของรูทะลุคือเพื่อสร้างการเชื่อมต่อไฟฟ้าที่แข็งแรงสำหรับบอร์ด PCB หลายชั้น และยังใช้สำหรับการเชื่อมต่อส่วนประกอบผ่านรูชุบ ฯลฯ การเชื่อมต่อบอร์ดหลายชั้นต่าง ๆ ผ่านรูทะลุช่วยให้สัญญาณไหลระหว่างชั้นและส่วนประกอบที่เชื่อมต่อได้ง่ายขึ้น

จุดบกพร่องตาบอด

รูทะลุของบอร์ดทำจากชั้นบนหรือชั้นล่างไปจนถึงชั้นใน และไม่ทะลุผ่านบอร์ดทั้งหมดเหมือนรูทะลุแบบชุบ เมื่อมองจากมุมนี้ เราไม่สามารถมองเห็นอีกด้านหนึ่งของบอร์ดได้

รูเจาะเหล่านี้ทำขึ้นโดยใช้กระบวนการเจาะเชิงกล และบางครั้งใช้เลเซอร์ในการเจาะรูเจาะแบบปิด สำหรับการเจาะรูเจาะประเภทนี้ โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีขนาดที่ถูกต้อง แม้ว่าจะเป็นกระบวนการที่ยาก แต่เราสามารถเจาะรูเจาะแบบปิดได้โดยตรงบนแผ่นไม้

การใช้งานหลักของ vias แบบปิดคือการเชื่อมต่อกับเลเยอร์ภายนอกหนึ่งเลเยอร์โดยมีเลเยอร์ภายในอย่างน้อยหนึ่งเลเยอร์ อัตราส่วนภาพของ vias เหล่านี้คือ 1:1 หรือมากกว่า

รูเจาะตาบอดเป็นส่วนหนึ่งของการผลิต PCB HDI แต่ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าบอร์ดที่มีรูเจาะตาบอดนั้นไม่ใช่ PCB HDI เสมอไป

ฝังถนน 

รูฝังจะทำระหว่างชั้นในของบอร์ด PCB และมองไม่เห็นจากด้านนอกของบอร์ด จุดประสงค์หลักของรูเหล่านี้คือการเชื่อมต่อระหว่างชั้นใน 2 ชั้นขึ้นไป สำหรับระดับการเชื่อมต่อแต่ละระดับ ให้กำหนดรูดังนี้ ไฟล์เจาะแยก.

อัตราส่วนภาพของช่องมองที่ฝังอยู่คือ 1:12 หรือใหญ่กว่า

ตามมาตรฐาน IPC เส้นผ่านศูนย์กลางที่แนะนำสำหรับรูทึบและรูฝังไม่ควรเกิน 6 มิล

Vias แบบซ้อน

วงจรซ้อนเวียคือวงจรแบบปิดหรือวงจรฝังที่ใช้สำหรับเชื่อมต่อระหว่างชั้นบอร์ดต่างๆ สำหรับวงจรมากกว่า 3 ชั้น วงจรซ้อนเวียประกอบด้วยวงจร 2 วงจรขึ้นไปที่กำหนดค่าไว้บนกันและกันเพื่อข้ามชั้นบอร์ดหลายชั้น

การใช้งานหลักของ vias แบบซ้อนคือในบอร์ดหลายชั้นและในบอร์ด HDI การออกแบบ vias แบบซ้อนนั้นต้องการให้ vias แต่ละอันในสแต็กมีชั้นภายในหนึ่งชั้นของบอร์ด

คุณสมบัติหลักของ vias เหล่านี้คือการเชื่อมต่อไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องในชั้นต่างๆ สำหรับโครงการที่มีพื้นที่จำกัดแต่มีการออกแบบที่ซับซ้อนจะใช้ vias แบบซ้อนกัน

Vias แบบสลับกัน

รูเจาะสลับกันจะทำขึ้นเมื่อมีรูเจาะบนชั้น PCB ที่แตกต่างกันเชื่อมต่อกันแต่ไม่ทับซ้อนกัน รูเจาะสลับกันจะมีรูเจาะหลายรูในจุดเชื่อมต่อดังกล่าวซึ่งไม่มีการเชื่อมต่อโดยตรงเนื่องจากแกนสว่านแตกต่างกัน

รูหยักซ้อนกันจะสร้างรูปแบบซิกแซกบนบอร์ดเมื่อเรามองบอร์ดจากด้านใดก็ตาม การใช้งานหลักของรูหยักซ้อนกันคือในบอร์ด HDI และ PCB หลายชั้น

ข้ามช่องทาง

วงจรนี้ผ่านชั้นต่างๆ ของบอร์ดได้หลายชั้นแต่ไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับชั้นใดๆ วงจรข้ามอาจเป็นวงจรทับซ้อน วงจรตาบอด หรือวงจรฝัง วงจรเหล่านี้มีความสำคัญต่อบอร์ด HDI ในการสร้างวงจรที่กะทัดรัดและซับซ้อน วงจรข้ามจะสร้างการเชื่อมต่อไฟฟ้าในแนวตั้งระหว่างชั้นต่างๆ ของบอร์ด ซึ่งจะทำให้ส่วนประกอบต่างๆ แน่นหนาและลดความยาวเส้นทางสัญญาณ

วิอัส-อิน-แพด

Via ในแพดเป็น Via ประเภทที่พบได้น้อยกว่าของ PCB และในการออกแบบนี้ Via จะทำโดยตรงใต้แพดส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิว แทนที่จะวางรอยไว้รอบแพด Via เชื่อมแพดส่วนประกอบบนชั้นบนกับชั้นในของบอร์ด

คุณสมบัติหลักที่ช่วยให้ใช้ vias เหล่านี้ได้คือ ช่วยให้กำหนดเส้นทางได้ง่ายและควบคุมความเหนี่ยวนำปรสิตได้ ข้อเสียคือ ในช่วงเวลารีโฟลว์ การบัดกรีด้วยยาบัดกรีจะผ่าน vias และส่งผลต่อการบัดกรีบนแผ่น PCB

2.4 รูยึด

รูยึดทำขึ้นใน PCB เพื่อเป็นจุดสำหรับติดตั้งบอร์ดกับแชสซี รูเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่ารูประเภทอื่นของบอร์ดและโดยปกติจะทำที่มุมบอร์ด เพื่อให้การเชื่อมต่อระหว่างบอร์ดและส่วนประกอบสำหรับติดตั้งมีความแข็งแรงและมั่นคง จึงมีการติดแผ่นทองแดงรอบ ๆ รูยึด

2.5 รูคว้านรูและคว้านรู

รูเจาะเคาน์เตอร์บอร์สร้างขึ้นสำหรับสลักเกลียวหรือสกรู และมาพร้อมกับหัวแบนที่มีขนาดใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับการออกแบบสกรู รูเหล่านี้มาพร้อมกับรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 รู โดยรูหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าที่ส่วนบนสำหรับจับหัวสกรู และอีกรูหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กสำหรับใส่สกรูหรือตัวสลักเกลียว

ดอกสว่านคว้านรูใช้สำหรับงานที่ต้องใช้สกรูที่มีหัวเรียว รูเหล่านี้จะทำเป็นมุมกรวยตามความเรียวของส่วนบนของหัวสกรู ซึ่งช่วยให้สกรูวางราบกับพื้นผิวกระดานได้ สำหรับการทำดอกสว่านคว้านรู มักใช้ดอกสว่านที่ทำมุม 82 หรือ 90 องศา

ภาพ การเจาะรูเคาน์เตอร์ซิงก์และเจาะเคาน์เตอร์

2.6 รูยึด (รูสำหรับจัดตำแหน่ง)

รูยึดที่เรียกว่ารูปรับตำแหน่งเป็นรูขนาดเล็กที่มีขอบเขตชัดเจนซึ่งเจาะบนบอร์ดซึ่งใช้เป็นจุดอ้างอิงสำหรับเครื่องมือการผลิตอัตโนมัติ คุณสมบัติหลักของรูยึดนี้คือเพื่อปรับตำแหน่งให้ถูกต้องในช่วงเวลาต่าง ๆ เช่น การเชื่อมต่อส่วนประกอบ กระบวนการสเตนซิล และการทดสอบ เพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดบนบอร์ดเชื่อมต่อกันอย่างถูกต้องสำหรับการประกอบบอร์ด

ภาพ: รูอ้างอิง

2.7 ประเภทรู PCB พิเศษ

• หลุมแสตมป์

รูปั๊มหรือที่เรียกอีกอย่างว่ารูแยก คือรูขนาดเล็กที่ทำเป็นลำดับหรือเป็นแถวตามขอบของแผงวงจรแต่ละแผ่นในแผง รูเหล่านี้มีลักษณะเหมือนขอบของปั๊ม จึงเรียกว่ารูปั๊ม การใช้งานหลักของรูเหล่านี้คือเพื่อแยกแผงวงจร PCB ออกจากกัน ในกระบวนการแยกแผงวงจร PCB ออก แผงวงจรเดียวจะถูกแยกออกจากแผงวงจรขนาดใหญ่ กระบวนการนี้ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดค่าใช้จ่าย

3. ข้อควรพิจารณาในการออกแบบรู PCB

มีปัจจัยหลายประการที่ต้องพิจารณาสำหรับการออกแบบรู PCB ดังที่แสดงไว้ที่นี่

ขนาดรูและอัตราส่วนภาพ

ค่าของขนาดรูจะขึ้นอยู่กับเทคนิคการเจาะและจำนวนชั้นของแผ่นไม้ อัตราส่วนความลึกของรูต่อเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเรียกว่าอัตราส่วนด้าน

เทคนิคการเจาะ	นาที. เส้นผ่านศูนย์กลางรู	อัตราส่วนภาพสูงสุด
การเจาะเครื่องกล	0.2 มม	10:1
การเจาะด้วยเลเซอร์ (ไมโครเวีย)	0.075 มม	1: 1 เพื่อ 1.5: 1
เคมีแกะสลัก	~50 ไมโครเมตร	~1:1 น.
EDM (เครื่องปล่อยไฟฟ้า)	0.1 มม	5:1
การเจาะด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง	0.2 มม	5:1

รายละเอียดความคลาดเคลื่อนของการเจาะและแหวนวงแหวน

วงแหวนวงแหวนเป็นทองแดงที่หุ้มรอบรูที่ชุบ หากวงแหวนไม่มีความกว้างที่เหมาะสม อาจทำให้เกิดปัญหาต่อความน่าเชื่อถือของบอร์ด

ขนาดรู (มม.)	ความคลาดเคลื่อนของการเจาะ (± มม.)	วงแหวนเล็กสุด (มม.)
≤ 0.3	± 0.025	0.1
0.3 - 0.6	± 0.05	0.15
> 0.6	± 0.075	0.2

ความหนาของการชุบสำหรับ PTH และ Vias

ความหนาของการชุบตามข้อกำหนดการออกแบบทำให้แผ่นมีความแข็งแรงทางกลและนำไฟฟ้าได้ดี

รู	ความหนาของการชุบทองแดง	Standard
ชุบรูทะลุ (PTH)	25 – 50 ไมโครเมตร	ไอพีซี-6012
ไมโครเวีย (เอชดีไอ)	5 – 25 ไมโครเมตร	ไอพีซี-6016
ทางตาบอด/ฝัง	15 – 30 ไมโครเมตร	ไอพีซี-6012
วิอัส-อิน-แพด	25 – 50 µm (เติม, ชุบ)	ไอพีซี-4761

วัสดุ

การใช้วัสดุสำหรับบอร์ดยังส่งผลต่อความแม่นยำของรูด้วย

วัสดุ	คุณสมบัติการเจาะ
FR-4	มีคุณสมบัติการเจาะที่ง่ายและสามารถเจาะรูได้ทุกประเภท
FR-4 ที่มี TG สูง	เพื่อทำให้รูในวัสดุนี้แข็งแรงขึ้น ต้องใช้ดอกสว่าน
อลูมิเนียม PCBs	การเจาะรูบนบอร์ดนี้ใช้เครื่อง CNC หรือสว่านพิเศษ
PCB เซรามิก	การเจาะด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงหรือเลเซอร์ใช้สำหรับเจาะรูบนแผ่นเซรามิก
PCBs ที่ยืดหยุ่น	การกัดด้วยสารเคมีหรือการเจาะด้วยเลเซอร์

4. ฟังก์ชั่นของรู PCB

การเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้น

การใช้งานหลักของรูในบอร์ด PCB คือการสร้างการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้นต่างๆ ของ PCB เช่น รูชุบช่วยส่งสัญญาณและพลังงานจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งของบอร์ด

การเชื่อมต่อแบบรูตาบอด รูฝัง และรูทะลุ ช่วยให้สามารถสร้างการเชื่อมต่อแบบหลายชั้นสำหรับบอร์ด PCB HDI ได้

สำหรับการส่งสัญญาณความเร็วสูงในรูปแบบขนาดกะทัดรัดที่แตกต่างกันจะใช้ไมโครเวีย

การติดตั้งส่วนประกอบ

ส่วนใหญ่ใช้สำหรับเชื่อมต่อส่วนประกอบบนเทคโนโลยีการติดตั้งแบบทะลุผ่าน หรือ THT จะใช้รูชุบทะลุสำหรับการบัดกรีและใส่สายส่วนประกอบในรู

นอกจากนี้ รู PCB ยังช่วยให้เชื่อมต่อกับบอร์ดได้อย่างแน่นหนาเมื่อเทียบกับ SMT รูเหล่านี้เหมาะที่สุดสำหรับการเชื่อมต่อส่วนประกอบที่มีกำลังไฟสูง เช่น ขั้วต่อและตัวเก็บประจุ

การกระจายความร้อน

นอกจากนี้ รู PCB ยังช่วยระบายความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบต่างๆ บนบอร์ดและหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไป รูระบายความร้อนช่วยถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบที่ได้รับความร้อนไปยังฮีตซิงก์ ในขณะที่รูระบายความร้อนในแผ่นจะเพิ่มการระบายความร้อนโดยควบคุมความต้านทานความร้อน

5. ปัญหาทั่วไปเกี่ยวกับรู PCB และวิธีหลีกเลี่ยง

หลุมไม่ตรง

• ตำแหน่งการเจาะรูที่เกิดความผิดพลาดนี้ ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดและส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการเชื่อมต่อแผ่นรองส่วนประกอบและชั้นใน ข้อผิดพลาดนี้เป็นผลมาจากการตัดการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าหรือเทคนิคการบัดกรีที่ไม่เหมาะสม
• นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นเนื่องจากการขยายตัวของวัสดุบอร์ดในช่วงเวลาการผลิต
• เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ ให้ใช้เครื่องหมายอ้างอิงในจุดที่กำหนด และใช้วัสดุคุณภาพเพื่อหลีกเลี่ยงการขยาย/หดตัว
• หากคุณกำลังทำงานบนบอร์ดหลายชั้น ให้ใช้ฟีเจอร์การตรวจสอบการจัดตำแหน่งด้วยรังสีเอกซ์

วงแหวนไม่เพียงพอ

• ข้อผิดพลาดนี้ แผ่นทองแดงที่เจาะรูเล็กเกินไปหรือมีขนาดเล็กเกินไปที่จะส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลและไฟฟ้า ส่งผลให้วงจรเปิดหรือจุดบัดกรีบนบอร์ดเสียหาย
• เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ให้กำหนดรายละเอียดวงแหวน ใช้ขนาดแผ่นรองที่เหมาะสมกับการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องเล็กน้อย

รูเจาะทับซ้อนกัน

• ข้อผิดพลาดนี้เกิดจากการที่รูเจาะจำนวนมากทับซ้อนกัน ทำให้การออกแบบบอร์ดไม่ถูกต้อง ส่งผลให้ทองแดงแตกและแยกชั้น
• เกิดขึ้นเนื่องจากการกำหนดค่ารูที่ไม่เหมาะสมในการออกแบบบอร์ด
• ใช้ระยะห่างของรูที่เหมาะสมและดอกสว่านขนาดใหญ่เพื่อหลีกเลี่ยงการทับซ้อนกัน

ขนาดรูไม่ถูกต้อง

• ข้อผิดพลาดนี้ทำให้รูมีขนาดใหญ่ขึ้นและเล็กลง และส่งผลต่อความแม่นยำในการใส่ส่วนประกอบ ข้อผิดพลาดนี้ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติการบัดกรีและการเชื่อมต่อไฟฟ้า
• ข้อผิดพลาดนี้เกิดจากขนาดการเจาะข้อผิดพลาดในไฟล์ Gerber และความหนาของการชุบที่ไม่ถูกต้อง
• เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ให้ปฏิบัติตามขนาดรูมาตรฐานตามค่าที่กำหนด และตั้งค่าความหนาของการชุบ

สรุป

รู PCB เป็นส่วนประกอบหลักสำหรับการออกแบบ PCB และการทำงานที่เหมาะสมในอุปกรณ์และโครงการอิเล็กทรอนิกส์ใดๆ รูเหล่านี้มีความสำคัญในการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้นต่างๆ ของบอร์ดและความแข็งแรงเชิงกล มีรู PCB หลายประเภท เช่น รูทะลุแบบไม่ชุบ รูทะลุชุบ และรูทะลุ เช่น รูทะลุ รูทึบ รูฝัง ไมโครเวีย เป็นต้น แต่ละประเภทมีคุณสมบัติและความสำคัญสำหรับการออกแบบและการทำงานของบอร์ด PCB รู PCB แต่ละประเภทมีการออกแบบและคุณสมบัติที่แตกต่างกัน แต่จุดประสงค์หลักที่ใช้ในบอร์ดคือการเชื่อมต่อไฟฟ้าระหว่างชั้น PCB การติดตั้งส่วนประกอบ และการเชื่อมต่อกับส่วนประกอบภายนอกบนบอร์ด บอร์ด PCB รุ่นเก่าส่วนใหญ่มีรูชุบสำหรับติดตั้งส่วนประกอบแบบรูทะลุ และด้วยความต้องการบอร์ดที่มีความหนาแน่นสูงในปัจจุบัน ทำให้ผู้ผลิตใช้ส่วนประกอบแบบติดพื้นผิวที่ไม่ใช่รูชุบ สำหรับรูจิ๋วที่มีความหนาแน่นสูง จะใช้การเจาะด้วยเลเซอร์