Přestože je propojovací průchodka na desce plošných spojů jednou z nejmenších struktur na desce plošných spojů, hraje nejdůležitější roli: umožňuje přenos elektrických signálů, energie a dokonce i tepla mezi různými vrstvami. Bez propojovacích průchodek v deskách plošných spojů nelze realizovat vícevrstvé desky plošných spojů.
Co je tedy propojovací otvor (via) v desce plošných spojů? Toto je základní otázka, kterou musí zvládnout každý návrhář, inženýr a student plošných spojů. Tento článek představí různé typy propojovacích otvorů – včetně průchozích, zaslepených, zapuštěných, mikropropojovacích otvorů atd. Zároveň bude analyzovat procesy zakrývání a vyplňování propojovacích otvorů, které splňují standardy IPC, jako jsou například zastřešené propojovací otvory, zaslepené propojovací otvory, vyplněné propojovací otvory a zakryté propojovací otvory. Dále tento článek vysvětlí pravidla návrhu, včetně poměru stran propojovacího otvoru a poměru stran mikropropojovacího otvoru, a to, jak výrobní metody, jako je vrtání propojovacích otvorů, ovlivňují náklady a spolehlivost.
Po přečtení tohoto článku nejenže přesně pochopíte definici propojovacího prvku na desce plošných spojů, ale také se naučíte, jak vybrat vhodné typy propojovacích prvků na desce plošných spojů v návrhu, optimalizovat rozvržení pro snížení elektromagnetického rušení, zvážit vyrobitelnost a správně používat propojovací prvky v různých aplikacích, čímž zajistíte výkon a dlouhodobou spolehlivost desky plošných spojů.
Co je to průchodka plošných spojů (PCB Via)?
Propojovací vodič PCB je malý otvor vyvrtaný v desce plošných spojů a potažený mědí, který slouží k přenosu elektrických signálů, energie nebo tepla mezi dvěma nebo více vrstvami. Jednoduše řečeno, propojovací vodič PCB je vertikální propojení, které může propojit vodivé vodiče, roviny a součástky na různých vrstvách desky plošných spojů. Bez propojovacích vodičů v deskách plošných spojů by nebylo možné vyrábět dnešní vícevrstvé desky plošných spojů.
Na rozdíl od pokoveného průchozího otvoru (PTH), který se používá pro montáž vývodů součástek, průchodka PCB do ní nevkládá vývody. Jeho jedinou funkcí je sloužit jako vodivý kanál, který umožňuje propojení mezi vrstvami. Tento rozdíl je velmi zásadní: průchodky PCB se používají pouze pro vertikální přenos signálu nebo distribuci napájení, čímž se šetří povrchový prostor pro součástky a trasování.
V moderní elektronice jde význam průchodů daleko za hranice pouhé konektivity. Různé typy průchodů, jako jsou průchozí otvory, slepé, zapuštěné a mikroprochody, splňují různé požadavky na hustotu, výkon a cenu.
Stručně řečeno, pokud jsou měděné vodiče „dálnicemi“ desky plošných spojů (PCB), pak průchody (via) desky plošných spojů jsou tunely, které spojují různé vrstvy těchto „dálnic“. Ty mohou nejen zajistit stabilitu elektrického a tepelného výkonu, ale také podpořit miniaturizaci a vysokou složitost moderních elektronických zařízení.
Proč jsou průchody důležité v návrhu desek plošných spojů?
Když se snažíme pochopit, co je to propojovací otvor (via) na desce plošných spojů (PCB), nejde jen o znalost jeho definice, ale co je důležitější, o pochopení jeho role v desce plošných spojů.
Směrování signálu
Průchodky v deskách plošných spojů umožňují vertikální průchod signálů deskou plošných spojů, což umožňuje plynulé propojení mezi různými vrstvami. Právě z tohoto důvodu mohou konstruktéři dosáhnout vícevrstvého směrování v omezeném prostoru.
Distribuce energie
U vícevrstvých desek plošných spojů (PCB) musí být napájecí a zemnící roviny propojeny, což se musí opírat o různé typy propojovacích otvorů (via). Prostřednictvím těchto propojovacích otvorů lze stabilně přenášet napětí a vytvářet kratší zpětné cesty, což zvyšuje spolehlivost distribuce energie.
Optimalizace prostoru
Povrchový prostor je extrémně cenný. Konstruktéři obvykle používají různé typy propojení desek plošných spojů, aby skryli vodivé spoje ve vnitřních vrstvách. Tímto způsobem lze na povrchu desky plošných spojů ponechat více místa pro součástky, jako jsou čipy, kondenzátory a cívky.
Integrita signálu
Návrh propojovacího otvoru nejen ovlivňuje konektivitu, ale také přímo souvisí s kvalitou signálu. Rozumně navržený propojovací otvor může snížit impedanční nespojitosti, přeslechy a elektromagnetické rušení (EMI).
Tepelné řízení
Vysoce výkonné čipy, jako jsou MOSFETy, CPU nebo výkonové integrované obvody, generují během provozu velké množství tepla. Konstruktéři přidávají do desky plošných spojů pod čip nebo v jeho blízkosti velké množství tepelných průchodů, aby přenášeli teplo do jiných vrstev nebo větších ploch měděné fólie a rychleji ho odváděli.
Vyrobitelnost
Pokud jde o výrobní technologii, pokrok v technikách vrtání průchodů poskytl větší flexibilitu návrhu desek plošných spojů. Mechanické vrtání je vhodné pro konvenční průchozí otvory, zatímco laserové vrtání podporuje menší a přesnější mikroprochody, což umožňuje vytváření propojení s vysokou hustotou (HDI).
Typy průchodů pro PCB
Ne všechny propojovací otvory jsou stejné. Různé typy propojovacích otvorů pro desky plošných spojů budou vybrány podle cílů návrhu – ať už se jedná o úsporu místa, zlepšení odvodu tepla nebo zachování integrity signálu. Následující text představuje běžné typy propojovacích otvorů a jejich role v návrhu desek plošných spojů.
Standardní funkční typy
|
Přes Typ
|
Definice
|
Výhody
|
Nevýhody
|
Typické aplikace
|
|
Průchozí otvor Via
|
Rozprostírá se od horní až dolní části desky plošných spojů a prochází všemi vrstvami
|
Nízké náklady, jednoduchá výroba, zvyšuje mechanickou pevnost
|
Zabírá více místa na desce, není vždy potřeba na všech vrstvách
|
Standardní desky plošných spojů, základní propojení ve vícevrstvých deskách
|
|
Slepá cesta
|
Spojuje vnější vrstvu (horní nebo spodní) s jednou nebo více vnitřními vrstvami, aniž by procházela celou deskou
|
Šetří cenný povrchový prostor, ideální pro návrhy s vysokou hustotou
|
Složitější na výrobu, vrtání musí být ukončeno v přesné hloubce
|
Desky plošných spojů HDI pod jemně roztečnými BGA
|
|
Pohřben Via
|
Umístěno kompletně uvnitř vnitřních vrstev plošných spojů, zvenčí neviditelné
|
Uvolňuje vnější vrstvy pro směrování a komponenty
|
Vyšší náklady, vyžaduje postupnou laminaci a delší dodací lhůtu
|
Komplexní vícevrstvé desky plošných spojů, husté směrování
|
|
Mikrovie
|
Definováno IPC jako průměr ≤150 μm, laserově vrtané, typicky kuželovité, hloubka ≤0.25 mm
|
Nezbytný pro HDI, podporuje miniaturizaci, spolehlivý (poměr stran mikrootvorů ~0.75:1)
|
Dražší, vyžaduje pokročilou vrtací technologii
|
Chytré telefony, servery, RF obvody, HDI desky plošných spojů
|
|
Přeskočit přes
|
Spojuje nesousední vrstvy a přeskakuje mezilehlé vrstvy
|
Zkracuje délku trasy, zlepšuje integritu vysokorychlostního signálu
|
Složitý proces, méně běžně používaný
|
Vysokorychlostní desky plošných spojů, vysokofrekvenční aplikace
|
Speciální techniky průchodů
|
Přes Typ
|
Definice
|
Výhody
|
Nevýhody
|
Typické aplikace
|
|
Tepelné průchodky (tepelné průchodky v desce plošných spojů)
|
Vícenásobné propojky umístěné pod nebo v blízkosti vysoce výkonných zařízení (např. MOSFETy, CPU, výkonové integrované obvody) pro přenos tepla do vnitřních vrstev nebo měděných rovin
|
Zlepšuje odvod tepla, snižuje indukčnost při paralelním zapojení
|
Zabírá plochu desky, vyžaduje pečlivou tepelnou analýzu
|
Výkonová elektronika, CPU, obvody pro vysoký proud
|
|
Via-in-Pad (VIP)
|
Deska plošných spojů (PCB) umístěná přímo uvnitř kontaktní plošky SMT součástek, jako je BGA nebo QFN
|
Šetří místo, zkracuje cesty proudu, snižuje indukčnost a zlepšuje tok tepla
|
Vyžaduje vyplnění, měděné krytky a planarizaci pro spolehlivé pájení
|
Desky plošných spojů HDI, jemně roztečné BGA, vysokofrekvenční konstrukce
|
|
Skládaný Vias
|
Vícenásobné prostupy (via) zarovnané svisle napříč vrstvami
|
Umožňuje kompaktní směrování v hustých HDI návrzích
|
Dražší, vyšší riziko problémů se spolehlivostí
|
Chytré telefony, pokročilé desky plošných spojů HDI
|
|
Rozložené Vias
|
Průchody jsou odsazeny vrstvu po vrstvě, nikoli zarovnány
|
Snižuje elektromagnetické rušení, snižuje výrobní riziko a je spolehlivější
|
Zabírá o něco více místa ve srovnání s vrstvenými průchodkami
|
Automobilový, letecký a kosmický průmysl, vysoce spolehlivé desky plošných spojů
|
Typy IPC-50M
Podle normy IPC-50M lze průchody klasifikovat také podle metody zakrývání a vyplňování, což přímo ovlivňuje pájitelnost, spolehlivost a náklady:
• Stanové průchody – otvory průchodek jsou zakryty pájecí maskou, aby se zabránilo úniku pájky během montáže.
• Zaslepené průchodky – částečně vyplněno nevodivým epoxidem, běžně používaným pod BGA.
• Vyplněné průchody – zcela vyplněné vodivými nebo nevodivými materiály, což zlepšuje dlouhodobou spolehlivost.
• Vyplněné a uzavřené průchody – průchodky jsou vyplněny a poté pokoveny mědí, což je nezbytné u konstrukcí s průchodkami v kontaktní plošce (VIP).
• Jiné podtypy kombinují procesy stanování, ucpávání a zakrývání v závislosti na konstrukčních potřebách.
Například propojovací otvory s plošnými spoji mohou sloužit jako izolace, vyplněné otvory mohou zvýšit spolehlivost BGA a vyplněné a uzavřené otvory jsou nepostradatelným krokem v procesu VIP. Každý proces s sebou nese různé náklady a složitosti. Proto je výběr vhodného typu otvorů pro desky plošných spojů klíčem k vyvážení výkonu a vyrobitelnosti.
O PCBasicu
Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.
Prostřednictvím konstrukčních parametrů a pokynů
|
Parametr
|
Popis
|
|
Velikost podložky
|
Celkový průměr
|
|
Velikost vrtáku
|
Průměr vyvrtaného otvoru
|
|
Prstencový prstenec
|
(Pad – Vrták) ÷ 2; větší kroužky zvyšují spolehlivost, ale zabírají více místa
|
|
Parametr
|
Doporučená hodnota / Poznámka
|
|
Přes poměr stran
|
Tloušťka desky plošných spojů ÷ průměr vrtáku
|
|
Poměr průchozích otvorů
|
≤10: 1
|
|
Poměr mikrovial
|
≤0.75: 1
|
|
Hodnocení
|
Vyšší poměry stran se obtížněji spolehlivě pokovují a mohou způsobovat vady
|
|
Parametr
|
Dopad
|
|
kapacitní
|
Zvyšuje se s většími velikostmi vložek/protilátek
|
|
Indukčnost
|
Zvyšuje se s délkou propojení
|
|
Účinek
|
Oba ovlivňují vysokofrekvenční signály, způsobují odrazy a zpoždění
|
|
Typ
|
funkce
|
|
Sešívání průchodů
|
Propojení zemních ploch, potlačení elektromagnetického rušení a zlepšení stínění
|
|
Přenosové průchody
|
Zajistěte zpětné cesty, když signály kříží odkazy na roviny
|
|
Zvažování
|
Hodnocení
|
|
Diferenciální pár
|
Udržujte v obou stopách stejný počet propojení.
|
|
Šikmo
|
Nerovnoměrný počet propojení vytváří zkreslení, které snižuje vysokorychlostní výkon
|
Výrobní procesy propojovacích otvorů
Vrtáním
Existují hlavně dva způsoby vrtání:
• Mechanické vrtání: Používá se hlavně pro průchozí otvory, vhodné pro velké průměry, s vysokou rychlostí zpracování a vyspělou technologií, široce používané při výrobě desek plošných spojů.
• Laserové vrtání: Běžně se používá v mikroprochodkách a slepých prochodkách a umožňuje jemné vrtání s průměrem ≤150 μm, což splňuje požadavky na propojení s vysokou hustotou (HDI).
Pokovování
Na stěny vyvrtaných průchozích otvorů se nanáší měď, čímž se vytvoří vodivé kanálky. Tento krok zajišťuje stabilní přenos signálů, energie nebo tepla skrz otvor.
Výplň a planarizace
V procesu vpichování kontaktů do kontaktní plošky musí být kontakty zcela vyplněny nevodivým nebo vodivým materiálem a poté je kontakt měděný a planarizován, aby se zajistilo, že povrch je v jedné rovině s kontaktní ploškou.
povrchové úpravy
Povrchová úprava desky plošných spojů se provádí za účelem zvýšení pájitelnosti a zabránění oxidaci měděných propojovacích otvorů. Mezi běžné povrchové úpravy patří HASL, ENIG, ENEPIG atd.
Výzvy
• Zaslepení vrtánímMusí se přesně zastavit v určité hloubce. I malé odchylky mohou vést k selhání prostupu.
• Zakopané průchodyPřed laminací musí být zpracováno a pokoveno. To vyžaduje postupnou laminaci, což zvyšuje náklady a dobu výroby.
• MikroprůchodkyPokud není poměr stran mikrootvorů dobře řízen, jsou náchylné k propojovacím vadám (ICD), které mohou způsobit přerušení obvodů nebo snížit dlouhodobou spolehlivost.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Propojovací otvory (via) na deskách plošných spojů (PCB) jsou nejmenšími, ale nejdůležitějšími základními jednotkami v každé moderní desce plošných spojů. Ať už se jedná o průchozí otvory, slepé otvory nebo tepelné otvory, každý typ otvoru hraje důležitou roli ve směrování signálu, napájení a tepelném managementu.
Pochopením výhod a nevýhod poměru stran průchodů (via), poměru stran mikroprochodů (microvia), vrtání průchodů (via) a různých typů průchodů na deskách plošných spojů mohou konstruktéři najít nejlepší rovnováhu mezi cenou, výkonem a spolehlivostí.
Nejčastější dotazy
Q1: Jaký je rozdíl mezi průchozím otvorem a pokoveným průchozím otvorem?
Pro montáž součástek se obvykle používá pokovený průchozí otvor (PTH). Propojení desky plošných spojů se používá pouze pro elektrické propojení mezi vrstvami bez vývodů součástek.
Otázka 2: Proč jsou mikrootvory důležité pro desky plošných spojů HDI?
Mikroprochodky v deskách plošných spojů umožňují směrování BGA s jemnou roztečí, snižují přeslechy, zlepšují integritu signálu a podporují kompaktní konstrukce HDI.
Q3: Jak tepelné průchodky zlepšují odvod tepla?
Tepelné průchodky odvádějí teplo od vysoce výkonných součástek k měděným plochám nebo chladičům, čímž snižují teplotu a zvyšují spolehlivost.
Q4: Co je to stanování a proč se používá?
Propojovací otvory s pájecím štítkem jsou pokryty pájecí maskou, aby se zabránilo úniku pájky během montáže a snížilo se riziko zkratu.
Q5: Jak ovlivňují průchody integritu signálu při vysokých frekvencích?
Nesprávný návrh propojovacích otvorů zavádí parazitní kapacitu a indukčnost, což vede k odrazům, zpoždění a degradaci signálu. Optimalizace poměru stran propojovacích otvorů a minimalizace délky propojovacích otvorů pomáhá udržovat vysokorychlostní výkon.
