1. Giới thiệu về lỗ PCB
PCB, hay bảng mạch in, là một linh kiện hoặc khối xây dựng rất quan trọng để tạo mạch, trên đó các thành phần mạch khác nhau được kết nối. Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất đối với thiết kế và xử lý bảng mạch PCB là việc tạo ra các loại lỗ khác nhau bằng cách sử dụng các kỹ thuật và quy trình khác nhau. Mỗi loại lỗ có quy trình sản xuất và hiệu suất hoạt động riêng. Chức năng chính của lỗ là giúp các linh kiện dễ dàng lắp đặt trên bảng mạch, cung cấp các kết nối điện chắc chắn và đáng tin cậy cũng như độ bền kết cấu cho bảng mạch PCB. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại lỗ PCB khác nhau, đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và sản xuất PCB chính xác theo yêu cầu của dự án. Vậy hãy cùng bắt đầu nào!
2. Các loại lỗ PCB
2.1 Lỗ xuyên mạ (PTH)
Mạ xuyên lỗ, còn được gọi là mạ đồng không điện. Các lỗ này được khoan xuyên qua bảng mạch và được lót bằng đồng, một vật liệu dẫn điện. Thiếc hoặc vàng được sử dụng để lót lớp mạ giúp tạo kết nối giữa các lớp bảng mạch PCB.
Chức năng của các lỗ này là tạo kết nối điện giữa các lớp PCB hoặc linh kiện khác nhau được kết nối với bảng mạch. Các lỗ này cũng hữu ích trong việc cung cấp điện trở thấp cho các dây dẫn linh kiện và dây đồng, đồng thời tăng độ ổn định cơ học của cụm PCB.
Các lỗ mạ xuyên qua cũng hữu ích trong việc tạo kết nối chắc chắn giữa các lớp ván hai mặt hoặc nhiều lớp.
Công dụng chính của PTH là mạ đồng nhựa, mạ đồng hoặc mạ đồng kim cương.
2.2 Lỗ xuyên không mạ (NPTH)
Với loại lỗ PCB này, không có đồng được sử dụng làm lớp mạ trên thành lỗ; do đó, nòng lỗ không có tính chất dẫn điện hoặc điện tử. Loại này phù hợp nhất khi bo mạch có rãnh đồng ở một mặt, nhưng không phải là lựa chọn tốt cho bo mạch nhiều lớp vì việc sử dụng các lỗ này làm giảm số lượng lớp trên bo mạch.
Tuy nhiên, việc chế tạo các lỗ này rất dễ dàng và nhanh chóng, được sử dụng để tạo lỗ gia công nhằm cố định các tấm ván tại điểm làm việc. Chúng cũng được dùng để bắt vít hoặc các linh kiện dạng bu lông, cố định và sử dụng làm bộ tản nhiệt.
2.3Nửa lỗ
Các lỗ nửa trên bảng mạch PCB, còn được gọi là lỗ nửa tấm hoặc lỗ hình chữ nhật, được khoan một phần xuyên qua các lỗ được tạo ra ở cạnh bảng mạch, và các lỗ này được phay ở giữa. Các lỗ này được sử dụng để hàn một PCB khác trên bảng mạch chính. Nói một cách đơn giản, chúng tạo kết nối giữa hai bảng mạch riêng biệt và là thành phần chính của các kết nối linh kiện mật độ cao. Để kết nối Bluetooth trên một bảng mạch khác, các lỗ xuyên mạ được sử dụng.
2.3 Qua lỗ
Mục đích chính của lỗ xuyên qua là tạo ra các kết nối điện chắc chắn cho các lớp khác nhau của bảng mạch PCB và cũng được sử dụng để kết nối các thành phần mạ xuyên qua lỗ, v.v. Việc kết nối các lớp khác nhau của bảng mạch nhiều lớp thông qua lỗ xuyên qua giúp tín hiệu dễ dàng truyền giữa các lớp và các thành phần được kết nối.
Vias mù
Các lỗ xuyên mù của tấm ván được tạo ra từ lớp trên cùng hoặc lớp dưới cùng đến các lớp bên trong và không đi qua hoàn toàn bên trong tấm ván như các lỗ xuyên mạ. Ở góc nhìn này, chúng ta không thể nhìn thấy mặt bên kia của tấm ván.
Các lỗ xuyên này được tạo ra bằng quy trình khoan cơ học, và đôi khi sử dụng tia laser để khoan các lỗ xuyên mù. Khi khoan các loại lỗ xuyên này, hãy đảm bảo kích thước chính xác của chúng. Dù đây là một quy trình khó, nhưng chúng ta có thể khoan các lỗ xuyên mù trực tiếp trên bảng mạch.
Công dụng chính của lỗ xuyên mù là tạo kết nối với một lớp ngoài bằng tối thiểu một lớp trong. Tỷ lệ khung hình của các lỗ xuyên này là 1:1 hoặc lớn hơn.
Các lỗ thông mù là một phần của quá trình sản xuất PCB HDI, nhưng hãy đảm bảo rằng bo mạch có lỗ thông mù không phải lúc nào cũng là PCB HDI.
Đường hầm chôn vùi
Các lỗ xuyên âm được tạo ra giữa các lớp bên trong của bảng mạch in (PCB) và không thể nhìn thấy từ mặt ngoài của bảng mạch. Mục đích chính của các lỗ xuyên âm này là tạo kết nối giữa 2 hoặc nhiều lớp bên trong. Đối với mỗi cấp độ kết nối, hãy xác định các lỗ như sau: các tập tin khoan riêng biệt.
Tỷ lệ khung hình cho các lỗ xuyên ngầm là 1:12 hoặc lớn hơn.
Theo tiêu chuẩn IPC, đường kính khuyến nghị cho lỗ xuyên mù và lỗ xuyên chôn không lớn hơn 6 mils.
Vias xếp chồng lên nhau
Lỗ xuyên xếp chồng là lỗ xuyên mù hoặc lỗ xuyên chôn, được sử dụng để tạo kết nối giữa các lớp bo mạch khác nhau cho hơn ba lớp mạch. Lỗ xuyên xếp chồng bao gồm hai hoặc nhiều lỗ xuyên được cấu hình chồng lên nhau, xuyên qua nhiều lớp bo mạch.
Ứng dụng chính của via xếp chồng là trong các bo mạch đa lớp và cả trong các bo mạch HDI. Thiết kế của via xếp chồng sao cho mỗi vai trong chồng được cấu hình với một lớp bên trong của bo mạch.
Đặc điểm chính của các lỗ xuyên này là cung cấp kết nối điện liên tục ở nhiều lớp khác nhau. Các dự án có không gian hạn chế nhưng thiết kế phức tạp thường sử dụng các lỗ xuyên xếp chồng.
Đường đi so le
Các lỗ xuyên so le được tạo ra khi các lỗ xuyên khác nhau trên các lớp PCB được kết nối nhưng không chồng lên nhau. Các lỗ xuyên so le có nhiều lỗ xuyên trong các kết nối như vậy, không có kết nối trực tiếp vì các trục khoan khác nhau.
Các lỗ xuyên so le tạo thành hình zíc zắc trên bo mạch khi nhìn từ mọi phía. Ứng dụng chính của các lỗ xuyên so le là trong bo mạch HDI và PCB nhiều lớp.
Bỏ qua Vias
Đường dẫn này đi qua nhiều lớp của bo mạch nhưng không có bất kỳ kết nối điện nào với bất kỳ lớp nào. Đường dẫn tắt có thể là đường dẫn chồng chéo, đường dẫn mù hoặc đường dẫn chôn. Các đường dẫn này rất quan trọng đối với bo mạch HDI để tạo ra các mạch nhỏ gọn và phức tạp. Đường dẫn tắt tạo ra các kết nối điện theo chiều dọc giữa các lớp bo mạch, tạo ra sự đóng gói linh kiện dày đặc và giảm chiều dài đường dẫn tín hiệu.
Vias-in-Pad
Via trong miếng đệm là một loại via PCB ít phổ biến hơn, và trong thiết kế này, via được tạo trực tiếp bên dưới miếng đệm linh kiện gắn trên bề mặt thay vì định tuyến đường dẫn quanh miếng đệm. Via là kết nối giữa miếng đệm linh kiện ở các lớp trên với lớp bên trong của bo mạch.
Ưu điểm chính của các lỗ thông này là dễ dàng định tuyến và kiểm soát độ tự cảm ký sinh. Nhược điểm của chúng là khi hàn nóng chảy, kem hàn sẽ đi qua các lỗ thông và ảnh hưởng đến quá trình hàn trên miếng đệm PCB.
2.4 Lỗ lắp
Các lỗ lắp được tạo trên PCB để tạo điểm gắn bo mạch với khung máy. Các lỗ này có kích thước lớn hơn các loại lỗ khác trên bo mạch và thường được tạo ở các góc bo mạch. Để tạo kết nối chắc chắn và ổn định giữa bo mạch và các linh kiện lắp, các miếng đệm đồng được đặt xung quanh các lỗ lắp.
2.5 Lỗ khoét chìm và lỗ khoan ngược
Lỗ khoan ngược được thiết kế cho bu lông hoặc ốc vít và có đầu phẳng, kích thước lớn hơn so với thiết kế ốc vít. Các lỗ này có 2 đường kính, một đường kính lớn hơn ở phần trên để lắp đầu vít và một đường kính nhỏ hơn để lắp thân vít hoặc bu lông.
Mũi khoét lỗ được sử dụng cho các ứng dụng cần đầu vít thon. Các lỗ này được khoan theo góc côn, tương ứng với độ côn của phần trên đầu vít, giúp vít nằm phẳng trên bề mặt ván. Để khoan lỗ khoét lỗ, thông thường sử dụng mũi khoan góc 82 độ hoặc 90 độ.
hình ảnh Lỗ khoét chìm và lỗ khoan ngược
2.6 Lỗ chuẩn (Lỗ căn chỉnh)
Lỗ căn chỉnh, còn gọi là lỗ căn chỉnh, là các lỗ nhỏ và được xác định rõ ràng được khoan trên bo mạch, được sử dụng làm điểm tham chiếu cho các công cụ sản xuất tự động. Đặc điểm chính của chúng là cung cấp sự căn chỉnh chính xác tại các thời điểm khác nhau của các giai đoạn, chẳng hạn như kết nối linh kiện, quy trình in khuôn và thử nghiệm, đảm bảo tất cả các linh kiện trên bo mạch được kết nối chính xác để lắp ráp bo mạch.
Hình ảnh: Lỗ chuẩn
2.7 Các loại lỗ PCB đặc biệt
- Lỗ tem
Lỗ dập, còn được gọi là lỗ tách rời, là các lỗ nhỏ được tạo thành từng hàng hoặc theo thứ tự với các cạnh của mỗi bảng mạch trong tấm ốp. Những lỗ này trông giống như các cạnh của tem, vì vậy chúng được gọi là lỗ dập. Công dụng chính của các lỗ này là để tách bảng mạch PCB. Trong quá trình tách bảng mạch, một bảng mạch đơn lẻ được tách ra khỏi bảng mạch lớn hơn. Quy trình này được sử dụng để tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.
3. Những cân nhắc khi thiết kế lỗ PCB
Có nhiều yếu tố cần phải xem xét khi thiết kế lỗ PCB được liệt kê ở đây.
Kích thước lỗ và tỷ lệ khung hình
Giá trị kích thước lỗ dựa trên kỹ thuật khoan và số lớp của tấm ván. Tỷ lệ giữa độ sâu lỗ và đường kính lỗ được gọi là tỷ lệ khía cạnh.
| Kỹ thuật khoan | tối thiểu Đường kính lỗ | Tỷ lệ khung hình tối đa |
| Khoan cơ khí | 0.2 mm | 10:1 |
| Khoan bằng tia laser (Microvias) | 0.075 mm | 1: 1 đến 1.5: 1 |
| Khắc hóa chất | ~50 µm | ~ 1: 1 |
| EDM (Phóng điện) | 0.1 mm | 5:1 |
| Khoan siêu âm | 0.2 mm | 5:1 |
Dung sai khoan và chi tiết vòng khuyên
Vòng khuyên là đồng bao phủ xung quanh lỗ mạ. Nếu vòng không có độ rộng phù hợp, nó sẽ gây ra vấn đề về độ tin cậy của bo mạch.
| Kích thước lỗ (mm) | Dung sai khoan (± mm) | Vòng khuyên tối thiểu (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 - 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Độ dày mạ cho PTH & Vias
Độ dày lớp mạ theo yêu cầu thiết kế mang lại độ bền cơ học tốt cho bảng mạch và khả năng dẫn điện.
| Lô | Độ dày lớp mạ đồng | Tiêu chuẩn |
| Mạ xuyên lỗ (PTH) | 25 - 50 µm | IPC-6012 |
| Microvia (HDI) | 5 - 25 µm | IPC-6016 |
| Mù/Chôn qua | 15 - 30 µm | IPC-6012 |
| Vias-in-Pad | 25 – 50 µm (đã đổ đầy, mạ) | IPC-4761 |
Vật liệu
Việc sử dụng vật liệu cho ván cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của lỗ
| Vật liệu | Tính năng khoan |
| KHÔNG ai | Nó có tính năng khoan dễ dàng và có thể dễ dàng xử lý mọi loại lỗ |
| FR-4 có độ TG cao | Để tạo ra các lỗ trên vật liệu này, mũi khoan được sử dụng chắc chắn hơn |
| PCB nhôm | Người ta sử dụng phương pháp định tuyến CNC hoặc mũi khoan chuyên dụng để tạo lỗ trên tấm ván này. |
| PCB bằng gốm | khoan siêu âm hoặc laser được sử dụng để tạo lỗ trên các tấm gốm |
| PCB linh hoạt | sử dụng phương pháp khắc hóa học hoặc khoan laser |
4. Chức năng của lỗ PCB
Kết nối điện giữa các lớp
Công dụng chính của các lỗ trên bo mạch PCB là tạo kết nối điện giữa các lớp PCB. Các lỗ mạ xuyên qua giúp truyền tín hiệu và điện năng từ mặt này sang mặt kia của bo mạch.
Các lỗ xuyên âm, lỗ chôn và lỗ xuyên giúp tạo ra các kết nối nhiều lớp cho bảng mạch PCB HDI.
Để truyền tín hiệu tốc độ cao trong các thiết kế nhỏ gọn khác nhau, người ta sử dụng các lỗ thông nhỏ.
Gắn thành phần
Chủ yếu dùng để kết nối các linh kiện trên bo mạch bằng công nghệ lắp lỗ xuyên qua hoặc THT sử dụng các lỗ mạ xuyên qua để hàn các chân linh kiện và lắp vào lỗ.
So với SMT, lỗ PCB cũng tạo ra kết nối chắc chắn với bo mạch. Lỗ PCB là lựa chọn tốt nhất để kết nối các linh kiện công suất cao như đầu nối và tụ điện.
Tản nhiệt
Các lỗ PCB cũng xử lý quá trình tản nhiệt phát sinh từ các linh kiện khác nhau trên bo mạch và tránh tình trạng quá nhiệt. Các lỗ dẫn nhiệt giúp dẫn nhiệt từ các linh kiện nóng đến bộ tản nhiệt. Trong khi đó, các lỗ dẫn nhiệt trên tấm đế giúp tăng khả năng tản nhiệt bằng cách kiểm soát điện trở nhiệt.
5. Các vấn đề thường gặp với lỗ PCB và cách tránh chúng
Lỗ không thẳng hàng
- Ở vị trí khoan lỗ lỗi này, việc khoan không đúng yêu cầu và dẫn đến kết nối sai giữa các miếng đệm linh kiện và lớp bên trong. Lỗi này là do ngắt kết nối điện hoặc kỹ thuật hàn không đúng cách.
- Hiện tượng này cũng xảy ra do vật liệu ván bị giãn nở trong quá trình sản xuất.
- Để tránh vấn đề này, hãy sử dụng dấu chuẩn tại các điểm xác định và sử dụng vật liệu chất lượng để tránh giãn nở/co lại.
- Nếu bạn đang làm việc trên bảng mạch nhiều lớp, hãy sử dụng tính năng kiểm tra căn chỉnh bằng tia X.
Vòng khuyên không đủ
- Trong lỗi này, miếng đệm đồng xung quanh các lỗ không đạt yêu cầu hoặc kích thước nhỏ, ảnh hưởng đến tính năng cơ học và điện. Kết quả là, mạch hở hoặc mối hàn yếu xuất hiện trên bo mạch.
- Để giải quyết vấn đề này, hãy thiết lập các chi tiết hình khuyên. Sử dụng miếng đệm có kích thước phù hợp cho các sai lệch nhỏ.
Các lỗ khoan chồng chéo
- Trong lỗi này, nhiều lỗ khoan chồng lên nhau, tạo ra thiết kế bảng mạch không tốt. Kết quả là đồng bị vỡ và tách lớp.
- Hiện tượng này xảy ra do cấu hình lỗ không phù hợp trong thiết kế bo mạch.
- Sử dụng khoảng cách lỗ thích hợp và mũi khoan lớn hơn để tránh chồng chéo.
Kích thước lỗ không chính xác
- Trong lỗi này, các lỗ có kích thước lớn hơn hoặc nhỏ hơn, ảnh hưởng đến độ chính xác của việc lắp linh kiện. Lỗi này ảnh hưởng đến các đặc tính hàn và kết nối điện.
- Lỗi này là do kích thước mũi khoan trong tệp Gerber bị lỗi và độ dày lớp mạ bị lỗi.
- Để giải quyết vấn đề này, hãy tuân theo kích thước lỗ tiêu chuẩn theo giá trị đã xác định và thiết lập độ dày lớp mạ.
Kết luận
Lỗ PCB là thành phần chính cho thiết kế PCB và hoạt động đúng cách trong bất kỳ thiết bị và dự án điện tử nào. Các lỗ này rất quan trọng để cung cấp kết nối điện giữa các lớp bảng khác nhau và độ bền cơ học. Có nhiều loại lỗ PCB khác nhau, chẳng hạn như lỗ xuyên không mạ, lỗ xuyên mạ và lỗ xuyên như lỗ xuyên, lỗ xuyên mù, lỗ xuyên chôn, lỗ xuyên siêu nhỏ, v.v. Mỗi loại có các tính năng và tầm quan trọng riêng đối với thiết kế và hoạt động của bảng PCB. Mỗi loại lỗ PCB đều có thiết kế và tính năng riêng, nhưng mục đích chính được sử dụng trong bảng là tạo kết nối điện giữa các lớp PCB, lắp linh kiện và tạo kết nối với các linh kiện bên ngoài trên bảng. Các bảng PCB cũ hơn chủ yếu có các lỗ xuyên mạ để lắp các linh kiện xuyên lỗ và với nhu cầu cao về bảng mật độ cao hiện nay có nghĩa là các nhà sản xuất đang sử dụng các linh kiện gắn trên bề mặt không phải là lỗ xuyên mạ. Đối với các lỗ xuyên thu nhỏ mật độ cao, người ta sử dụng phương pháp khoan bằng tia laser.
