Introduzione
Considerate una scheda PCB come il cuore digitale di qualsiasi dispositivo: smartphone, laptop e frigoriferi intelligenti. È una struttura complessa di percorsi conduttivi che trasmettono i dati, distribuiscono l'energia e i componenti per comunicare. Ma come può tutto funzionare senza intoppi su una superficie piana e bidimensionale?
È qui che i fori di via sui PCB diventano utili. Questi fori, solitamente più piccoli di una capocchia di spillo, fungono da ponti che collegano i diversi strati delle schede PCB, facilitando il rapido flusso di segnali e corrente tra gli strati. Senza i fori di via, i nostri dispositivi sarebbero più pesanti, meno efficienti e non sarebbero nemmeno lontanamente così sofisticati come lo sono oggi.
Quindi, esplorando l'affascinante mondo dei fori di via per PCB, ne esamineremo le diverse tipologie, le funzioni quotidiane e il ruolo essenziale che svolgono nel rendere possibile la nostra vita tecnologicamente avanzata e guidata dalla tecnologia. Preparatevi a scoprire queste piccole meraviglie che garantiscono il perfetto funzionamento dei nostri dispositivi e come questi componenti plasmano il futuro dell'elettronica. Iniziamo.
Cos'è una Via in un PCB
Un via sta per "accesso di interconnessione verticale", un piccolo foro o condotto cilindrico al centro delle schede PCB multistrato. I via sono principalmente configurati per realizzare connessioni elettriche tra gli strati delle schede e aiutano a trasmettere i diversi parametri, come segnali e alimentazione, da un lato all'altro della scheda. I via sono essenziali perché aiutano a realizzare progetti circuitali complessi su un singolo PCB, riducendo i costi e risparmiando spazio. Vengono generalmente realizzati praticando dei fori nei laminati della scheda e poi placcandoli con rame. Di conseguenza, sono stati creati percorsi conduttivi tra gli strati. Possiamo anche realizzare i via inserendo cilindri di rame direttamente nei fori praticati.
Quali sono i componenti dei circuiti stampati
Il PCB via ha tre componenti principali:
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Canna: Il cilindro è il componente cilindrico o tubolare che attraversa la scheda. Collega i diversi strati della scheda e favorisce il flusso dei segnali elettrici o il trasferimento di calore tra questi strati. Il cilindro è realizzato in rame e placcato per garantire una buona conduttività elettrica. Vengono utilizzati anche altri materiali, come oro o nichel.
● Pad: Il pad è la superficie circolare, piatta o rettangolare presente sugli strati superiore e inferiore della scheda che offre un punto di connessione per componenti o tracce. È più grande del cilindro per garantire una connessione stabile con tracce o componenti. È realizzato in rame e può essere placcato per aumentarne la saldabilità. Il pad offre una connessione meccanica ed elettrica tra il cilindro e la traccia o il componente.
● Antipad: Un antipad è l'area di separazione o l'anello anulare attorno al pad del via sullo stesso strato. Si tratta di un'area non conduttiva che evita connessioni elettriche accidentali o cortocircuiti tra il pad e le tracce o i componenti adiacenti. Sono essenziali per mantenere l'isolamento e prevenire connessioni elettriche indesiderate. Gli antipad sono realizzati con maschere di saldatura, ma possono essere utilizzati anche altri materiali, come resina epossidica o serigrafia.
Tipi di vie PCB e loro usi
Fori passanti
Questo tipo di via è molto comune. Queste vie creano connessioni tra tutti gli strati della scheda, dall'alto verso il basso. Vengono solitamente utilizzate per il montaggio dei componenti e per il collegamento delle tracce tra gli strati della scheda.
applicazioni:
● Instradamento del segnale: Questo tipo di via instrada i segnali tra i diversi strati della scheda.
● Percorso di fuga: Collega inoltre la piedinatura dei componenti a montaggio superficiale agli strati interni della scheda.
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Instradamento dell'alimentazione: Questo tipo di via instrada anche l'alimentazione e le correnti di terra tra i diversi strati della scheda.
Sepolto Vias
Questi via collegano semplicemente lo strato interno delle schede. Sono confinati all'interno della scheda. I via interrati vengono utilizzati per le schede ad alta frequenza, poiché richiedono una qualità del segnale accurata.
applicazioni:
● PCB ad alta densità: I fori interrati vengono utilizzati nei PCB ad alta densità per collegare gli strati interni, lasciando liberi gli strati superficiali per il posizionamento dei componenti.
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Integrità del segnale: Possono migliorare l'integrità del segnale riducendo la lunghezza del percorso del segnale e le interferenze.
Vias cieco
Questo tipo di via collega solo gli strati interni di una scheda. Iniziano dallo strato superiore o inferiore della scheda, ma non la attraversano completamente. Queste via sono utilizzate per schede ad alta densità con spazio limitato.
applicazioni:
● Collegamento dei componenti a montaggio superficiale agli strati interni della scheda: Questi fori di via vengono utilizzati per collegare il pinout dei componenti a montaggio superficiale alla parte interna della scheda senza passare attraverso lo strato superiore o inferiore.
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Instradamento PCB ad alta densità: Questo percorso segnala tra diversi strati di una scheda ad alta densità senza spazio sufficiente per i fori passanti.
Microvie
Si tratta di via molto piccole, con diametri pari o inferiori a 0.006 pollici. Queste via vengono utilizzate per schede ad alta densità con componenti a passo fine.
applicazioni:
● Miniaturizzazione: Le microvie sono piccole vie con diametri inferiori a 0.15 mm (150 micron). Vengono utilizzate in schede densamente popolate e consentono la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici.
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Applicazioni ad alta frequenza: Sono essenziali nella progettazione di schede ad alta frequenza e alta velocità, come quelle degli smartphone e dei dispositivi di elaborazione ad alte prestazioni.
Microvie impilate
Si tratta di due o più microvie configurate l'una sull'altra. Queste vie collegano gli strati interni di una scheda senza dover forare lo strato superiore o inferiore.
Microvie sfalsate
Questi fori di via sono posizionati sfalsati l'uno rispetto all'altro. La qualità del segnale viene migliorata e le interferenze elettromagnetiche vengono ridotte utilizzando micro fori di via sfalsati.
Via Termale
Questi fori di via sono utili per la dissipazione del calore dai componenti alla scheda. Sono solitamente più estesi rispetto ad altri tipi di fori di via e sono per lo più riempiti con un materiale termoconduttivo.
applicazioni:
● Dissipazione del calore: Sono progettati per trasferire il calore dai componenti di una scheda che lo generano, come amplificatori di potenza, processori o LED.
Miglioramento delle prestazioni termiche: sono essenziali per garantire un raffreddamento efficace dei componenti, il che è idoneo all'affidabilità e alle prestazioni dei dispositivi elettronici.
PCB Vias: cos'è Via-in-Pad
Via-in-pad (VIP) è un metodo di progettazione di schede PCB che prevede la configurazione direttamente sotto il pad dei componenti a montaggio superficiale. È utile per la connessione elettrica diretta tra i componenti e gli strati interni della scheda PCB, migliorando la qualità del segnale e il funzionamento termico. Questa tecnologia viene utilizzata anche per ridurre al minimo le dimensioni della scheda, poiché riduce il percorso delle tracce attorno ai pad dei componenti.
Il VIP viene utilizzato anche per schede ad alta densità con componenti a passo fine, come i sistemi a griglia di sfere.
vantaggi:
● Dimensioni ridotte della scheda PCB
● Qualità del segnale migliorata
● Diminuisce l'induttanza e la capacità parassite
● Prestazioni termiche migliorate
● Aumenta la densità di routing
svantaggi:
● Aumento della complessità produttiva
● Potenziale stress termico sui componenti
● Costoso
applicazioni:
● Schede ad alta densità con componenti a passo fine
● Scheda ad alta frequenza
● PCB per elettronica di potenza
● PCB RF e microonde
● PCB militari e aerospaziali
● Schede PCB per autoveicoli
● PCB medico
Considerazioni sulla progettazione per Via-in-Pad
● Il diametro del foro passante deve essere sufficientemente grande da gestire la corrente richiesta e ridurre al minimo il surriscaldamento.
● Per garantire una buona connessione elettrica, la posizione del foro di via deve corrispondere al punto medio del pad del componente.
● Per evitare cortocircuiti e aumentare la resistenza meccanica del pad, nel foro deve essere utilizzata resina epossidica non conduttiva.
● Il pad del componente deve avere dimensioni sufficienti per accogliere il foro di via senza compromettere la copertura della maschera di saldatura.
Processo di copertura tramite PCB
Perché coprire i fori passanti del PCB?
● Prevenzione della contaminazione: I fori via scoperti presentano un'elevata probabilità di essere contaminati da umidità, polvere e altri parametri ambientali, che possono causare corrosione, cortocircuiti elettrici o riduzione delle prestazioni.
● Miglioramento della saldabilità: I fori di via rivestiti offrono una buona saldabilità, semplificando l'assemblaggio dei componenti sulla scheda in fase di produzione. I fori di via sono ricoperti in modo uniforme con la saldatura grazie alla copertura accurata.
● Miglioramento dell'integrità del segnale: Grazie alla copertura del foro di via, progettisti e ingegneri possono controllarne la costante dielettrica, che influenza la qualità del segnale. Ciò mantiene inalterata la qualità dei segnali ad alta frequenza che fluiscono nella scheda.
● Come evitare i ponti di saldatura: Senza la copertura delle vie, la saldatura può creare ponti tra vie o tracce adiacenti durante la saldatura, causando cortocircuiti. Con l'uso della copertura possiamo ridurre questo problema.
Metodi di copertura delle vie
Esistono tre metodi principali per coprire le vie:
Tramite tenda
È la tecnica più semplice e comune, in cui uno strato di maschera di saldatura ricopre il foro di via. Questo impedisce alla pasta saldante di fluire nel foro di via, causando un cortocircuito. Viene utilizzata per fori di via di diametro inferiore a 0.3 mm.
Tramite collegamento
Questo processo riempie parzialmente il foro di via con un materiale non conduttivo, come resina epossidica o resina. Viene utilizzato principalmente per fori di via di diametro superiore a 0.3 mm o presenti in aree ad alto rischio di ponti di saldatura.
Tramite riempimento
Consiste nel riempire il foro di via con un materiale non conduttivo. È costoso, ma offre la migliore protezione contro i ponti di saldatura e altre condizioni ambientali. Viene utilizzato anche per i fori di via in componenti critici della scheda, come i circuiti di alimentazione e i percorsi dei segnali ad alta velocità.
Ecco un confronto tra i tre metodi:
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Metodo
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Vantaggi
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Svantaggi
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Tramite tenda
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Semplice ed economico
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Non è efficace quanto altri metodi per prevenire la formazione di ponti di saldatura
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Tramite il collegamento
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Efficace nel prevenire la formazione di ponti di saldatura rispetto al metodo del tenting
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Più costoso che in tenda
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Tramite riempimento
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È efficace nel prevenire i ponti di saldatura e la contaminazione ambientale
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Processo costoso
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In che modo i fori di passaggio del PCB possono influire sulla progettazione del PCB?
I circuiti stampati (PCP) sono comunemente utilizzati nei dispositivi elettronici, orchestrando l'intricata danza di elettroni che alimenta il mondo moderno. Nella progettazione di schede, un componente spesso trascurato ma fondamentale è il foro di via. Questi piccoli condotti sono fondamentali nel determinare la funzionalità, le prestazioni e la producibilità di un PCB. In questa analisi, analizzeremo il profondo impatto che i fori di via dei PCB hanno sul panorama della progettazione, rivelando come il loro posizionamento e utilizzo possano influenzare l'efficienza e l'efficacia dei dispositivi elettronici. Ecco alcuni punti che definiscono l'impatto dei fori di via dei PCB sulla progettazione.
Integrità del segnale
I via PCB sono essenziali per il mantenimento della qualità del segnale. Via accuratamente progettati e configurati aiutano a controllare l'impedenza e le riflessioni del segnale. L'adattamento di impedenza è necessario per segnali digitali ad alta velocità e progetti RF. Se posizionati correttamente, i via e i loro effetti sulla qualità del segnale vengono gestiti, in quanto possono causare degradazione del segnale, jitter e riduzione della velocità di trasmissione dati.
Densità della scheda
Il corretto posizionamento dei fori di via può influire significativamente sulla densità complessiva della scheda. Durante la progettazione di schede ad alta densità o dispositivi miniaturizzati, i fori di via possono essere utilizzati per instradare le tracce tra i diversi strati, risparmiando superficie. L'utilizzo di fori di via ciechi o interrati consente di ottenere layout ancora più densi, realizzando schede di dimensioni ridotte e compatte.
Gestione termica
I fori di via possono contribuire alla gestione termica della scheda. Posizionandoli accuratamente vicino ai componenti che generano calore, gli ingegneri possono aumentare la dissipazione del calore, evitare il surriscaldamento e garantire la durata dei componenti elettronici.
Conteggio strati
I via possono influenzare il numero di strati necessari per la progettazione della scheda. I via through-hole sono molto comuni e collegano tutti gli strati di una scheda multistrato.
Tuttavia, i fori ciechi e interrati possono anche ridurre il numero di strati, diminuire le spese di produzione e rendere la progettazione della scheda conveniente.
Complessità produttiva
Le tipologie di via influenzano anche la produzione e l'assemblaggio delle schede PCB. I via through-hole sono facili da realizzare e meno costosi. I via ciechi e interrati hanno aggiunto complessità alle tecniche di produzione a causa di ulteriori processi di foratura e placcatura.
Considerazioni EMI ed EMC
I fori di via possono influenzare l'interferenza elettromagnetica e la compatibilità di una scheda. Fori di via posizionati o progettati in modo errato possono causare effetti indesiderati sull'antenna, con conseguenti problemi di interferenze elettromagnetiche (EMI). È necessaria un'attenta valutazione delle strategie di creazione e messa a terra dei fori di via per soddisfare i parametri EMI ed EMC.
Flessibilità di instradamento
I via offrono flessibilità di routing aiutando i progettisti a creare interconnessioni tra i diversi livelli. Questa flessibilità è essenziale nei progetti di schede complessi, in cui i percorsi dei segnali devono aggirare gli ostacoli o seguire parametri di progettazione specifici.
Considerazioni importanti sui fori passanti per PCB
Ecco alcune considerazioni essenziali sui fori di passaggio delle schede PCB:
Tramite tipo
Esistono tre tipi principali di via per PCB: via through-hole, via buried e via blind. I via through-hole collegano tutti gli strati della scheda, mentre gli altri due collegano solo gli strati interni. Il tipo di via utilizzato dipenderà dall'applicazione e dalle tecniche di produzione.
Tramite dimensione
È definito dalla capacità di trasporto di corrente e dalla qualità del segnale richiesta. I via devono avere dimensioni sufficienti a trasportare la corrente richiesta senza causare surriscaldamento. Il via deve anche essere sufficientemente piccolo da impedire eccessive induttanze e capacità parassite del circuito.
Tramite posizionamento
Durante il posizionamento dei fori di via, è necessario considerare i problemi di qualità del segnale e quelli termici. I fori di via non devono essere posizionati sul percorso di segnali ad alta velocità o vicino a componenti sensibili al calore.
Densità della via
La densità dei fori di via su una scheda può influire sulla producibilità e sul costo della scheda stessa. I progettisti devono ridurre l'uso dei fori di via ove possibile.
Via Produzione
Le diverse tecniche di produzione delle schede presentano caratteristiche diverse per la foratura e la placcatura dei fori di via. I progettisti devono collaborare con il produttore della scheda per garantire che i fori di via previsti dal loro progetto possano essere realizzati correttamente.
Come creare una via in un PCB
Ecco una guida dettagliata su come realizzare un foro di via in una scheda:
Fase uno: aprire il software di progettazione PCB
Innanzitutto, apri il tuo software di progettazione PCB preferito. Altium Designer, OrCAD, Eagle, KiCad e altri sono gli strumenti più utilizzati. Crea un nuovo progetto di PCB o aprine uno esistente se aggiungi vie a un progetto già realizzato.
Passaggio 2: selezionare lo strumento Via
Nel software di progettazione PCB, deve essere presente uno strumento o un'opzione specifica per la creazione di fori di via. Di solito, è presente nella barra degli strumenti o nel menu relativo al routing o al layout della scheda. Scegli un'icona come un foro o una via.
Fase tre: posizionare la via
Premere sullo strumento "via" per attivarlo. Successivamente, posizionare il via sul layout del PCB premendo il punto desiderato sulla scheda. Il software di progettazione di schede aiuta principalmente a specificare le coordinate precise in cui posizionare il via.
Passaggio quattro: definire le proprietà di Via
Dopo aver posizionato il via, è necessario definirne le proprietà. Ecco le proprietà principali:
● Tramite Tipo: Conferma quali tipi di vie ti servono in base alle esigenze del tuo progetto
● Tramite dimensione: Definire il valore del diametro del foro di via. In base alle impostazioni software, può essere definito in mil o millimetri.
● Dimensioni del trapano: Definire anche il diametro di foratura per i fori passanti. I fori interrati e ciechi possono avere dimensioni di foratura diverse per i diversi strati.
● Tramite strati: È necessario confermare a quali strati si connette il foro di via. Nel caso di un foro passante, solitamente tutti gli strati sono connessi. Per altri tipi di foro, come quelli ciechi e interrati, è necessario specificare i relativi strati esterni e interni.
● Anello anulare: Definire la larghezza dell'anello anulare, ovvero la piazzola di rame attorno al foro di via. È essenziale per garantire una saldatura accurata e una buona connettività elettrica.
● Liquidazione: Imposta la distanza attorno al foro di via per specificare la distanza tra il foro di via e gli altri componenti della scheda, come tracce e componenti.
Fase cinque: posizionare i fori secondo necessità
Ripeti il processo per creare altri fori di via per il tuo progetto. A seconda del software utilizzato, puoi copiare e incollare i fori di via o utilizzare le funzioni di duplicazione per risparmiare tempo.
Fase sei: instradare le tracce verso i punti via
È possibile utilizzare gli strumenti di routing del software di progettazione PCB per collegare e tracciare i componenti tramite i fori di via. Instradare le tracce dai terminali dei componenti o da altri componenti della scheda al foro di via. Assicurarsi di seguire le linee guida di progettazione per la larghezza e la spaziatura delle tracce, al fine di mantenere la qualità del segnale e la producibilità.
Fase sette: verificare le regole di progettazione
Prima di finalizzare la progettazione della scheda PCB, eseguite i controlli delle regole di progettazione (DRC) per verificare che i fori di via siano conformi ai requisiti di produzione e di progettazione elettrica. Il DRC individuerà eventuali problemi, come fori di via non collegati, violazioni delle distanze di sicurezza e altri potenziali inconvenienti.
Fase otto: finalizzare il progetto
Dopo aver completato il layout, la verifica delle connessioni e la risoluzione di eventuali errori nelle regole di progettazione salveranno il nostro progetto di progettazione PCB.
Passaggio 9: generare i file Gerber
Per la produzione della scheda è necessario un software di progettazione per i file Gerber. I file Gerber contengono i dati necessari per il processo di produzione della scheda, come posizioni e dimensioni.
Suggerimenti per la progettazione di PCB per i fori passanti
● Utilizzare il tipo di via corretto per l'applicazione. Come discusso in precedenza, ogni tipo di via presenta vantaggi e limiti. Ad esempio, le via through-hole possono essere realizzate facilmente, ma causano induttanze e capacità parassite nel circuito.
I fori ciechi e interrati richiedono un processo di produzione complesso, ma possono migliorare la qualità del segnale. Anche i microfori sono complessi, ma possono essere utilizzati per realizzare schede ad alta densità.
● Utilizzare la dimensione precisa del foro passante per la capacità di trasporto della corrente e il segnale. Le dimensioni dei via devono essere sufficienti a gestire la corrente richiesta senza problemi. I via devono essere piccoli per evitare di aggiungere eccessive induttanze e capacità parassite nel circuito della scheda.
● Correggere tramite l'utilizzo della dimensione del tampone per la dimensione della punta del trapano e la larghezza necessaria dell'anello anulare. Attorno al foro di via sono presenti degli anelli anulari. La loro larghezza deve essere di almeno 0.25 mm per ridurre al minimo la rottura del foro e garantire una buona connessione elettrica.
● Posizionare i fori di via con attenzione per evitare problemi di integrità del segnale e problemi termici. I fori di via non devono essere posizionati sul percorso dei segnali ad alta velocità o vicino a componenti sensibili al calore.
● Non posizionare i fori di via al centro di pad di grandi dimensioni. Potrebbe causare il sollevamento dei cuscinetti durante il processo di assemblaggio.
● I via possono collegare entrambi i lati di un pad di un componente garantendo buone prestazioni elettriche.
● I cavi placcati possono essere utilizzati per applicazioni ad alta corrente.
● Per collegare il piano all'alimentazione o a terra, utilizzare vie di stitching. Questo aiuta a ridurre il rumore e le interferenze elettromagnetiche (EMI).
Progettazione PCB con Vias in Pcbasic
PCBasic è un produttore di assemblaggio PCB di Shenzhen, fornitore di assemblaggio PCB SMT, azienda di progettazione di schede PCB e fornitore di PCBA. Offre servizi di progettazione e produzione PCB online e servizi di assemblaggio PCB completi. Sono disponibili diverse regole di progettazione per i fori di via. Fateci sapere se siete interessati.
