1. Вступ до отворів на друкованій платі
Друкована плата (PCB) — це дуже важливий компонент або будівельний блок для створення схем, до якого з'єднуються різні компоненти схеми. Але найважливішим фактором для проектування та обробки друкованих плат є те, що всі компоненти на платі мають різні типи отворів, які виготовляються з використанням різних технік та процесів. Кожен тип отвору має свій власний процес виробництва та робочі характеристики. Основна функція отворів — полегшити монтаж компонентів на плату, забезпечуючи міцні та надійні електричні з'єднання та структурну міцність друкованої плати. У цьому посібнику ми розглянемо різні типи отворів на друкованій платі, які важливі для точного проектування та виробництва друкованих плат відповідно до вимог проекту. Тож почнемо!
2. Типи отворів для друкованої плати
2.1 Наскрізні отвори з гальванічним покриттям (PTH)
Наскрізні отвори, також відомі як хімічне покриття міддю. Ці отвори просвердлюються через плату та облицьовуються міддю, яка є струмопровідним матеріалом. Для облицювання використовується олово або золото, що допомагає створити з'єднання між шарами друкованої плати.
Функція цих отворів полягає у створенні електричних з'єднань між різними шарами друкованої плати або компонентами, підключеними до плати. Ці отвори також корисні для забезпечення низького опору для виводів компонентів та мідних проводів, а також для підвищення механічної стабільності збірки друкованої плати.
Наскрізні отвори з металізованим покриттям також корисні для створення міцних з'єднань між двосторонніми або багатошаровими шарами плати.
Основне застосування ПТГ полягає в міднінні смолою, міднінні або алмазному міднінні.
2.2 Негальванічні наскрізні отвори (NPTH)
У цьому типі отворів друкованої плати мідь не використовується для покриття стінок отворів; в результаті, бочки отворів не мають провідної природи або електричних властивостей. Їх найкраще використовувати там, де плата має мідні доріжки з одного боку, але вони не є найкращим варіантом для багатошарових плат, оскільки використання цих отворів зменшує кількість шарів на плати.
Однак, виготовлення цих отворів є простим і швидким процесом і використовується для обробки отворів для кріплення плат у робочій точці. Вони також виготовляються для гвинтів або болтоподібних компонентів, що кріплять їх, і використовуються як радіатор для розсіювання тепла.
2.3Напівотвори
Напівотвори в друкованій платі, які також називаються пластинчастими півотворами або корончастими отворами, частково просвердлюються наскрізними отворами, зробленими на краю плати, і ці отвори фрезеруються наполовину. Ці отвори використовуються для паяння іншої друкованої плати на основній платі. Простими словами, вони створюють з'єднання між двома окремими платами і є основною частиною високощільних з'єднань компонентів. Для підключення Bluetooth на іншій платі використовуються наскрізні отвори з гальванічним покриттям.
2.3 Перехідні отвори
Основне призначення перехідних отворів полягає у створенні міцних електричних з'єднань для різних шарів друкованих плат, а також у використанні для з'єднання компонентів з наскрізними отворами тощо. З'єднання різних шарів багатошарових плат через перехідні отвори допомагає полегшити потік сигналів між шарами та підключеними компонентами.
Сліпі переходи
Глухі переходні отвори плати зроблені від верхнього або нижнього шарів до внутрішніх шарів і не проходять повністю в платі, як у випадку з наскрізними переходними отворами, що проходять через пластик. У цьому випадку ми не можемо бачити іншу сторону плати.
Ці переходні отвори виготовляються за допомогою механічного свердління, а іноді для свердління глухих переходних отворів використовуються лазери. Для свердління таких типів переходних отворів переконайтеся в їхніх точних розмірах. Це або складний процес, але ми можемо свердлити глухі переходні отвори безпосередньо на платі.
Основне використання глухих переходних отворів полягає у створенні з'єднання з одним зовнішнім шаром і щонайменше одним внутрішнім шаром. Співвідношення сторін для цих переходних отворів становить 1:1 або більше.
Сліпі переходні отвори є частиною виробництва друкованих плат HDI, але переконайтеся, що плата з такими сліпими переходними отворами не завжди є друкованою платою HDI.
Зариті переходи
Приховані перехідні отвори зроблені між внутрішніми шарами друкованої плати, і вони не видно із зовнішнього боку плати. Основне призначення цих перехідних отворів — створення з'єднань між 2 або більше внутрішніми шарами. Для кожного рівня з'єднання визначте отвори як окремі файли для свердління.
Співвідношення сторін для заглиблених переходних отворів становить 1:12 або більше.
Згідно зі стандартами IPC, рекомендований діаметр для глухих та заглиблених перехідних отворів не перевищує 6 міл.
Стекові переходи
Стекові перехідні отвори – це сліпі або закопані перехідні отвори, які використовуються для створення з'єднань між різними шарами плати для більш ніж трьох шарів схеми. Стекові перехідні отвори мають два або більше перехідних отворів, розташованих один на одному, які проходять через багато шарів плати.
Основне застосування багатошарових перехідних отворів — це багатошарові плати, а також плати HDI. Конструкція багатошарових перехідних отворів така, що кожен перехідний отвір у стеку має один внутрішній шар плати.
Головною особливістю цих переходних отворів є забезпечення безперервних електричних з'єднань на різних рівнях. У проектах з обмеженим простором, але складною конструкцією, використовуються багатошарові переходні отвори.
Перехідні отвори в шаховому порядку
Змішані переходні отвори створюються, коли різні переходні отвори шарів друкованої плати з'єднані, але не перекриваються. Змішані переходні отвори мають багато переходних отворів у таких з'єднаннях, які не мають прямого з'єднання, оскільки осі свердління різні.
Шахматні перехідні отвори утворюють зигзагоподібний візерунок на платі, якщо дивитися на неї з будь-якого боку. Основне застосування шахматних перехідних отворів — це плати HDI та багатошарові друковані плати.
Пропустити перехідні отвори
Цей перехідний отвір проходить через багато шарів плати, але не має електричного з'єднання з жодним шаром. Пропущені перехідні отвори можуть бути перекриваючими, сліпими або прихованими. Ці перехідні отвори важливі для плати HDI для створення компактних і складних схем. Пропущені перехідні отвори створюють вертикальні електричні з'єднання між шарами плати, що забезпечує щільну упаковку компонентів і зменшує довжину шляху сигналу.
Перехідні з'єднання в контактній площадкі
Перехідний отвір у контактній площадкі – це менш поширений тип перехідних отворів друкованої плати, і в цій конструкції перехідний отвір виконується безпосередньо під контактною площадкою компонентів для поверхневого монтажу, а не прокладається навколо контактної площадки. Через з'єднання контактної площадки компонентів на верхніх шарах з внутрішнім шаром плати.
Основними особливостями використання цих перехідних отворів є те, що вони забезпечують легке прокладання та контроль паразитної індуктивності. Їх недоліком є те, що під час оплавлення паяльна паста проходить через перехідні отвори та впливає на паяння на контактній площадкі друкованої плати.
2.4 монтажних отворів
На друкованій платі зроблені монтажні отвори для кріплення плати до шасі. Ці отвори мають більші розміри, ніж інші типи отворів на платах, і зазвичай розташовуються на кутах плати. Для створення міцного та стабільного з'єднання між платою та монтажними компонентами навколо монтажних отворів накладаються мідні контактні площадки.
2.5 Зенкування та роззенкування отворів
Роззенковувані отвори виготовляються для болтів або гвинтів і мають плоскі головки більшого розміру порівняно з гвинтовими конструкціями. Ці отвори мають 2 діаметри: більший діаметр у верхній частині для обробки головки гвинта та менший діаметр для тіла гвинта або болта.
Зенкери використовуються для випадків, коли шурупи повинні мати конічні головки. Ці отвори робляться під конічним кутом, який відповідає конусу верхньої частини головки шурупа, що допомагає шурупу рівно прилягати до поверхні дошки. Для зенкування зазвичай використовуються свердла з кутом 82 або 90 градусів.
зображення Зенкування та роззенкування отворів
2.6 Опорні отвори (отвори для вирівнювання)
Опорні отвори, які називаються отворами для вирівнювання, – це невеликі та чітко визначені отвори, просвердлені на платі, які використовуються як опорні точки для автоматизованих виробничих інструментів. Їхня головна особливість полягає в забезпеченні точного вирівнювання на різних етапах, таких як з'єднання компонентів, обробка трафаретів та тестування, що гарантує точне з'єднання всіх компонентів на платах для складання плати.
Зображення: Фідуціальні отвори
2.7 Спеціальні типи отворів на друкованій платі
- Отвори для штампів
Штамповані отвори, які також називаються отворами для розриву, – це невеликі отвори, виконані послідовно або рядком з краями кожної друкованої плати на панелі. Ці отвори виглядають як краї штампів, тому їх називають отворами для штампів. Основне використання цих отворів – для депанелізації друкованих плат. У процесі депанелізації одна плата відокремлюється від більшої панелі. Цей процес використовується для підвищення ефективності виробництва та зменшення витрат.
3. Міркування щодо проектування отворів на друкованій платі
Для проектування отворів друкованої плати необхідно враховувати багато факторів, які перелічені тут.
Розмір отвору та співвідношення сторін
Значення розміру отвору залежить від техніки свердління та кількості шарів у платі. Співвідношення глибини отвору до його діаметра називається співвідношенням сторін.
| Техніка буріння | Хв. Діаметр отвору | Макс. співвідношення сторін |
| Механічне буріння | 0.2 мм | 10:1 |
| Лазерне свердління (мікровідкриттів) | 0.075 мм | 1: 1 в 1.5: 1 |
| Хімічне травлення | ~50 мкм | ~1:1 |
| EDM (електричний розряд) | 0.1 мм | 5:1 |
| Ультразвукове свердління | 0.2 мм | 5:1 |
Допуск свердла та деталі кільцевого кільця
Кільцеве кільце має мідне покриття навколо гальванічного отвору. Якщо кільце не має належної ширини, це може спричинити проблеми з надійністю плати.
| Розмір отвору (мм) | Допуск свердління (± мм) | Мін. кільцеве кільце (мм) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Товщина покриття для PTH та перехідних отворів
Товщина покриття відповідно до вимог проекту забезпечує добру механічну міцність плати та електропровідність.
| Hole | Товщина мідного покриття | Standard |
| Покриті наскрізні отвори (PTH) | 25 – 50 мкм | МПК-6012 |
| Мікровіа (HDI) | 5 – 25 мкм | МПК-6016 |
| Сліпий/Похований Віа | 15 – 30 мкм | МПК-6012 |
| Перехідні з'єднання в контактній площадкі | 25 – 50 мкм (заповнені, покриті) | МПК-4761 |
Матеріальна
Використання матеріалів для плати також впливає на точність отвору
| Матеріальна | Функція буріння |
| FR-4 | Він має прості функції свердління та може легко обробляти всі типи отворів |
| Високий вміст тригліцеридів FR-4 | Для створення отворів у цьому матеріалі використовуються міцніші свердла |
| Алюмінієві друковані плати | Для виготовлення отворів у цій платі використовуються фрезерні верстати з ЧПК або спеціальні свердла. |
| Керамічні друковані плати | Для створення отворів у керамічних плитах використовується ультразвукове або лазерне свердління |
| Гнучкі друковані плати | хімічне травлення або лазерне свердління |
4. Функції отворів друкованої плати
Електричний зв'язок між шарами
Основне використання отворів у друкованих платах полягає у створенні електричних з'єднань між шарами друкованої плати. Такі наскрізні отвори, що проходять через покриття, допомагають передавати сигнал та живлення з одного боку плати на інший.
Глухі, закопані та наскрізні переходи допомагають створювати багатошарові з'єднання для друкованих плат HDI.
Для високошвидкісної передачі сигналу в різних компактних конструкціях використовуються мікроперехідні отвори.
Монтаж компонентів
Здебільшого для з'єднання компонентів на платі використовується технологія наскрізного монтажу, або THT, що використовує наскрізні гальванічні отвори для паяння виводів компонентів та вставки в отвори.
Отвори на друкованій платі також забезпечують міцне з'єднання з платою порівняно з поверхневим монтажем (SMT). Отвори найкраще підходять для підключення потужних компонентів, таких як роз'єми та конденсатори.
Розсіювання тепла
Отвори на друкованій платі також контролюють розсіювання тепла, яке генерується різними компонентами на платі, та запобігають перегріву. Теплові переходи допомагають відводити тепло від нагрітих компонентів до радіатора. У той час як переходи в контактній площадкі збільшують розсіювання тепла, контролюючи тепловий опір.
5. Поширені проблеми з отворами в друкованій платі та як їх уникнути
Зміщення отворів
- У цьому положенні свердління отвору для розлому це не відповідає вимогам і призводить до неправильного з'єднання контактних площадок компонентів та внутрішніх шарів. Ця помилка є результатом електричних розривів або неправильної техніки паяння.
- Це також відбувається через розширення матеріалу плати під час виробництва.
- Щоб уникнути цієї проблеми, використовуйте опорні позначки у визначених точках та якісні матеріали, щоб уникнути розширення/стискання.
- Якщо ви працюєте з багатошаровими платами, використовуйте функції перевірки рентгенівського вирівнювання.
Недостатнє кільцеве кільце
- У цій помилці мідні контактні площадки навколо отворів не відповідають вимогам або мають малий розмір, що впливає на механічні та електричні характеристики. В результаті на платі утворюються розриви ланцюгів або слабкі паяні з'єднання.
- Щоб вирішити цю проблему, встановіть кільцеві деталі. Використовуйте відповідний розмір прокладки для незначних перекосів.
Перекриття отворів для свердління
- У разі цієї помилки багато отворів перекривають один одного, що призводить до поганої конструкції плати. В результаті відбувається прорив та розшарування міді.
- Це трапляється через неправильну конфігурацію отворів у конструкції плати.
- Використовуйте правильну відстань між отворами та свердла більшого розміру, щоб уникнути перекриття.
Неправильні розміри отворів
- У разі цієї помилки отвори мають більші та менші розміри, що впливає на точність встановлення компонентів. Ця помилка впливає на характеристики паяння та електричні з'єднання.
- Ця помилка пов'язана з помилкою розміру свердла у файлах Gerber та неправильною товщиною покриття.
- Щоб вирішити цю проблему, дотримуйтесь стандартного розміру отвору відповідно до визначеного значення та встановіть товщину покриття.
Висновок
Отвір у друкованій платі є основним компонентом для проектування та належної роботи друкованої плати в будь-яких електронних пристроях та проектах. Ці отвори важливі для забезпечення електричного з'єднання між різними шарами плат та механічної міцності. Існують різні типи отворів у друкованій платі, такі як неплаковані наскрізні отвори, гальванізовані наскрізні отвори та перехідні отвори, такі як наскрізні перехідні отвори, сліпі перехідні отвори, приховані перехідні отвори, мікроперехідні отвори тощо. Кожен з них має свої особливості та важливість для проектування та роботи друкованої плати. Кожен тип отвору в друкованій платі має свою конструкцію та характеристики, але головне призначення, яке використовується в платі, - це створення електричних з'єднань між шарами друкованої плати, монтаж компонентів та з'єднання із зовнішніми компонентами на платі. Старі плати друкованих плат переважно мають гальванізовані наскрізні отвори для монтажу наскрізних компонентів, і з високим попитом на плати високої щільності виробники зараз використовують компоненти для поверхневого монтажу, які не мають гальванічних наскрізних отворів. Для мініатюрних перехідних отворів високої щільності використовуються лазерні свердла.
