在現(xiàn)代電子設備中,印刷電路板(PCB)是核心組成部分,它承載著各種電子元器件并將它們通過電氣信號連接在一起。隨著電子設備的日益復雜,PCB的設計也變得更加精細和復雜。而在PCB的設計中,過孔(via)是不可或缺的元素,它在不同層之間傳輸信號和電源
。合理設計過孔,不僅能夠提升PCB的電氣性能,還能夠降低生產(chǎn)成本,避免潛在的制造和使用問題。
本文將詳細講解PCB過孔的種類、功能以及設計中的注意事項。
一、什么是PCB過孔?
PCB過孔是用于將不同層的銅箔線路連接起來的導電通道。通常為多層結(jié)構,常見的如雙層板、四層板,甚至可以達到幾十層。在這些層之間,過孔起到導電橋梁的作用。它是通過在電路板上鉆孔,再在孔壁上鍍銅而形成的導電通道。
過孔的形狀可以是圓形、橢圓形等,但最常見的是圓形。
在PCB制造過程中,先開料
,即利用自動開料機將大尺寸的覆銅板切割成符合生產(chǎn)需求的特定規(guī)格基材。
然后,用數(shù)控鉆孔機在覆銅板上預定的位置精確鉆出孔。由于鉆頭是圓形的,所以無法鉆出方形的孔。
打個比方,把一個圓形乒乓球放在直角墻角,球體圓弧與直角會存在一定的間距,稱作“R角”。
像嘉立創(chuàng),加工PCB采用機械鉆孔,其鉆咀規(guī)格以0.05mm為單位。
查了下嘉立創(chuàng)官網(wǎng)工藝參數(shù),圓孔鉆刀的規(guī)格為0.15mm-6.30mm。如果是槽孔,最小鉆刀規(guī)格為0.65mm
,這適合用來加工金屬化槽孔;最小槽孔鑼刀為1.0mm,適用于加工非金屬化鑼槽。
所以,在設計PCB時,過孔不能設計成任意大小。
二、PCB過孔的種類
根據(jù)結(jié)構和位置的不同,過孔可以分為以下幾種:
1. 通孔(Through-hole Via)
通孔是PCB設計中最常見的一種過孔類型,它貫穿了整個PCB的厚度,從最上層的銅箔一直延伸到最底層的銅箔。通孔不僅用于信號層間的連接,也常常用于電源層和接地層的連接。由于它貫穿所有層,因此制造成本較低,且工藝相對簡單。
2. 盲孔(Blind Via)
盲孔是一種只連接PCB表面層和中間某一層
的過孔,它并不貫穿整個PCB。因此,盲孔在多層板設計中非常實用,特別是在高密度互連(HDI)設計中可以節(jié)省空間。不過,由于盲孔的鉆孔工藝更加復雜,因此相對于通孔成本更高。
3. 埋孔(Buried Via)
埋孔與盲孔相似,但不同之處在于埋孔完全位于PCB的內(nèi)部層
,外部看不到。它通常用于中間層信號的連接,主要用于高密度和高層數(shù)PCB的設計。由于埋孔的制造過程要求更高的精度,因此它的成本也高于通孔。
4.微孔(Micro Via)
微孔是一種孔徑非常小的過孔,直徑通常小于0.15毫米
。它多用于高密度板(HDI)中,用于減小PCB面積和提升信號傳輸速度。微孔往往通過激光鉆孔工藝完成,成本相對較高。
三、PCB過孔的作用
過孔在PCB中主要有以下幾個作用:
1. 電氣連接
過孔最核心的功能就是電氣連接,它將不同層的信號通過過孔進行傳遞,確保電子元件之間的電氣連接。特別是在多層PCB中,過孔是不同層之間的“電氣橋梁”。
2. 電源和接地層的連接
在多層PCB設計中,通常有專門的電源層和接地層。通過過孔,可以將電源和接地層之間連接起來,從而使得整個電路的電源供應更加穩(wěn)定,減小了電源噪聲和干擾。
3. 散熱功能
在某些功率較高的電路中,過孔還可以起到散熱
的作用。通過將熱量從PCB的元器件層傳導到散熱層或外部散熱器,過孔能夠有效地幫助降低PCB的整體溫度,保證設備的長期穩(wěn)定運行。
關于過孔的承載電流值,這里有一個經(jīng)驗值供大家參考。在25℃的環(huán)境下,允許溫升10℃,不同過孔與推薦最大電流的對應關系:
過孔孔徑 | 電流推薦值(A) |
---|---|
10mil | 1 |
12mil | 1.2 |
16mil | 1.4 |
20mil | 1.5 |
24mil | 1.6 |
40mil | 2.3 |
80mil | 3.6 |
這些數(shù)值僅為粗略估算,實際設計中還應考慮其他因素如散熱、工作溫度、PCB布局等。
四、PCB過孔的設計考量
在實際設計中,過孔的設計需要考慮到多個因素,包括機械強度、電氣性能以及制造工藝等。以下是一些主要的設計考量。
1. 過孔的尺寸選擇
過孔的直徑和焊盤尺寸需要根據(jù)信號類型、電流強度等因素來確定。較大的過孔有更強的機械強度和電流承載能力,但占據(jù)空間更多。較小的過孔則適用于高密度設計,但會增加制造難度和成本。
關于小孔
多大的孔稱為小孔?從PCB制造角度來說,0.3mm為分界點,
小于0.3mm的孔被稱為小孔。
過孔越小,越難加工,尤其是過孔大小接近工藝極限時。
因此,在PCB設計時,盡量將過孔尺寸設計為大于0.3mm,以確保加工效率和降低成本。只有在空間受限的情況下,才考慮使用小孔。
外徑尺寸的問題。在設計導通孔或焊接孔時,需要考慮內(nèi)徑和外徑的尺寸要求。這些參數(shù)直接影響PCB的制造工藝。以嘉立創(chuàng)為例,雙面板和多層板最小加工參數(shù)的內(nèi)徑為0.15mm,外徑為0.25mm。
嘉立創(chuàng)如今可以生產(chǎn)6-32層的高多層板。憑借自研的超高層工藝、盤中孔工藝等技術,嘉立創(chuàng)生產(chǎn)的PCB最高層數(shù)可達32層,最小孔徑達0.15mm,最小線寬線距可達0.0762mm,并支持數(shù)百種層壓結(jié)構。尤其是盤中孔工藝,6層以上高多層板全部免費采用樹脂塞孔+電鍍蓋帽工藝,使過孔可以直接打在焊盤上
,且成品焊盤表面更平整,布線空間更大。
嘉立創(chuàng)客戶曬單
合理設計焊環(huán)尺寸并考慮制造公差,對于保證PCB的質(zhì)量和可靠性至關重要,一般設計的時候,過孔焊盤與孔徑的可設計為2n+2
,也就是過孔直徑為10mil,焊盤可設計為22mil,這個不固定,大家根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗設計即可。
順便在這里提一下,最近看到嘉立創(chuàng)又“升級”了,打板費用再次大幅度降價。
6層板,2u"沉金,盤中孔,也走進尋常百姓家了,老宇哥感覺以后做項目的時候,PCB這塊兒成本控制起來是沒問題了,10*10cm只要200元,簡直了!沒打過的小伙伴真心推薦去體驗。
2. 信號完整性
在高速電路中,過孔會影響信號的完整性。過孔的寄生電感和寄生電容可能會導致信號反射、阻抗失配,進而導致信號失真。因此,在高速設計中,設計者需要優(yōu)化過孔的數(shù)量、位置和尺寸,以減少這些負面影響。
3. 層疊結(jié)構的選擇
在多層PCB設計中,過孔的層疊結(jié)構也需要特別考慮。設計者應當盡量將盲孔和埋孔的使用控制在必要的范圍內(nèi),避免過度使用導致生產(chǎn)復雜化和成本上升。同時,合理安排電源層和接地層的位置,以確保過孔的電氣性能。
4. 熱量管理
對于高功率的電路設計,過孔的散熱功能非常重要。通過合理的過孔布局和數(shù)量,可以有效地將熱量導出電路板,延長設備的使用壽命。特別是在功率放大器或LED照明設計中,散熱過孔的優(yōu)化設計至關重要。
5. 制造工藝限制
不同的過孔設計對制造工藝有不同的要求。例如,微孔由于孔徑較小,需要更高精度的鉆孔設備和鍍銅工藝。設計者需要考慮到制造商的設備能力,避免設計過于復雜的過孔結(jié)構,以免增加生產(chǎn)難度和成本。
五、過孔設計中的常見問題
在實際設計和生產(chǎn)中,過孔的設計可能會遇到以下問題:
1. 過孔堵塞
在PCB制造過程中,如果過孔中的雜質(zhì)沒有清理干凈,可能會導致電鍍不均勻,進而影響過孔的導電性。這種情況下,過孔可能會堵塞或電氣性能不佳,影響整個電路的正常工作。
2. 信號反射
高速信號在經(jīng)過過孔時,如果設計不當,可能會產(chǎn)生信號反射。為了避免這種情況,設計師可以通過調(diào)整過孔的數(shù)量、優(yōu)化阻抗匹配等手段來減少信號失真。
3. 熱膨脹問題
在高溫工作環(huán)境下,PCB材料的熱膨脹系數(shù)不同于銅的膨脹系數(shù),可能導致過孔附近的銅箔斷裂。為了避免這種情況,設計師可以選擇熱膨脹系數(shù)更匹配的材料或通過多層結(jié)構分散熱應力。
過孔(Via)和元件孔(Pad)有何區(qū)別?
在PCB中,孔徑分為過孔(Via)和元件孔(Pad),一定不要混用。
過孔
一般是起到兩面導通的作用,加工過程常規(guī)是選擇蓋油
處理。
元件孔(Pad)通常是設計成插件孔
,在插件焊接
時使用。
如果混用過孔(Via)和元件孔(Pad),一種情況是誤將過孔(Via)屬性用于插件封裝中當做元件孔。選擇過孔蓋油時,插件孔會被油墨蓋住或者堵住,且大小無法達到有效控制。
另一種情況是誤將元件孔(Pad)當做過孔使用,那么軟件自動關閉過孔開窗時,無法有效識別,會導致需要蓋油的過孔無法蓋油。
結(jié)論
PCB過孔設計是一門涉及電氣、機械和材料科學的綜合性學科。在實際設計中,設計師需要根據(jù)具體的應用場景,合理選擇過孔類型和尺寸,同時兼顧信號完整性、散熱、制造工藝等多方面的因素。隨著技術的不斷進步,過孔設計的復雜性將不斷增加,只有通過持續(xù)的學習和優(yōu)化,才能設計出性能優(yōu)越、成本合理的PCB。