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PCB鉆孔

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PCB過孔是什么意思?PCB過孔的作用是什么?

發(fā)布日期:2021-09-04

一、什么是PCB過孔?


過孔(via),也叫PCB導(dǎo)通孔(PCB Via Hole),是PCB多層線路板的重要組成部分之一。PCB上的每一個(gè)孔都可以稱之為過孔。鉆孔是屬于PCB制作工序的前端,在開料之后,PCB鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%到40%。


從作用上看,過孔可以分成兩類:


  • 一是用作各層間的電氣連接

  • 二是用作器件的固定或定位


如果從工藝制程上來說,這些過孔一般又分為三類,即盲孔blind via)、埋孔buried via)和通孔through via)。

PCB過孔的三種形式

盲孔位于印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。


埋孔是指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔,它不會(huì)延伸到線路板的表面。上述兩類孔都位于線路板的內(nèi)層,層壓前利用通孔成型工藝完成,在過孔形成過程中可能還會(huì)重疊做好幾個(gè)內(nèi)層。


通孔這種孔穿過整個(gè)線路板,可用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。


由于通孔在工藝上更易于實(shí)現(xiàn),成本較低,所以絕大部分印刷電路板均使用它,而不用另外兩種過孔。以下所說的過孔,沒有特殊說明的,均作為通孔考慮。從設(shè)計(jì)的角度來看,一個(gè)過孔主要由兩個(gè)部分組成,一是中間的鉆孔(drill hole),二是鉆孔周圍的焊盤區(qū)。這兩部分的尺寸大小決定了過孔的大小。


很顯然,在高速,高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí),總是希望過孔越小越好,這樣板上可以留有更多的布線空間,此外,過孔越小,其自身的寄生電容也越小,更適合用于高速電路。


但孔尺寸的減小同時(shí)帶來了成本的增加,而且過孔的尺寸不可能無限制的減小,它受到鉆孔(drill)和電鍍(plating)等工藝技術(shù)的限制:孔越小,鉆孔需花費(fèi)的時(shí)間越長,也越容易偏離中心位置;且當(dāng)孔的深度超過鉆孔直徑的6倍時(shí),就無法保證孔壁能均勻鍍銅。


比如,如果一塊正常的6層線路板的厚度(通孔深度)為50Mil,那么,一般條件下PCB廠家能提供的鉆孔直徑只能達(dá)到8Mil。


隨著激光鉆孔技術(shù)的發(fā)展,鉆孔的尺寸也可以越來越小,一般直徑小于等于6Mil 的過孔,我們就稱為微孔。在HDI(高密度互連結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到微孔,微孔技術(shù)可以允許過孔直接打在焊盤上(Via-in-pad),這大大提高了電路性能,節(jié)約了布線空間。


過孔在傳輸線上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點(diǎn),會(huì)造成信號的反射。一般過孔的等效阻抗比傳輸線低12%左右,比如50歐姆的傳輸線在經(jīng)過過孔時(shí)阻抗會(huì)減小6歐姆(具體和過孔的尺寸,板厚也有關(guān),不是減?。?。


但過孔因?yàn)樽杩共贿B續(xù)而造成的反射其實(shí)是微乎其微的,其反射系數(shù)僅為:(44-50)/(44+50)=0.06過孔產(chǎn)生的問題更多的集中于寄生電容和電感的影響。


二、過孔的寄生電容


過孔本身存在著對地的寄生電容,如果已知過孔在鋪地層上的隔離孔直徑為D2,過孔焊盤的直徑為D1,PCB板的厚度為T,板基材介電常數(shù)為ε,則過孔的寄生電容大小近似于:C=1.41εTD1/(D2-D1)過孔的寄生電容會(huì)給電路造成的主要影響是延長了信號的上升時(shí)間,降低了電路的速度。


舉例來說,對于一塊厚度為50Mil的PCB板,如果使用內(nèi)徑為10Mil,焊盤直徑為20Mil的過孔,焊盤與地鋪銅區(qū)的距離為32Mil,則我們可以通過上面的公式近似算出過孔的寄生電容大致是:C=1.41x4.4x0.050x0.020/(0.032-0.020)=0.517pF


這部分電容引起的上升時(shí)間變化量為:T10-90=2.2C(Z0/2)=2.2x0.517x(55/2)=31.28ps 

從這些數(shù)值可以看出,盡管單個(gè)過孔的寄生電容引起的上升延變緩的效用不是很明顯,但是如果走線中多次使用過孔進(jìn)行層間的切換,EDA365電子論壇提醒設(shè)計(jì)者還是要慎重考慮的。


三、過孔的寄生電感


同樣,過孔存在寄生電容的同時(shí)也存在著寄生電感,在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,過孔的寄生電感帶來的危害往往大于寄生電容的影響。它的寄生串聯(lián)電感會(huì)削弱旁路電容的貢獻(xiàn),減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效用。


我們可以用下面的公式來簡單地計(jì)算一個(gè)過孔近似的寄生電感:L=5.08h[ln(4h/d)+1]

其中L指過孔的電感,h是過孔的長度,d是中心鉆孔的直徑。從式中可以看出,過孔的直徑對電感的影響較小,而對電感影響的是過孔的長度。


仍然采用上面的例子,可以計(jì)算出過孔的電感為:L=5.08x0.050[ln(4x0.050/0.010)+1]=1.015nH


如果信號的上升時(shí)間是1ns,那么其等效阻抗大小為:XL=πL/T10-90=3.19Ω


這樣的阻抗在有高頻電流的通過已經(jīng)不能夠被忽略,特別要注意,旁路電容在連接電源層和地層的時(shí)候需要通過兩個(gè)過孔,這樣過孔的寄生電感就會(huì)成倍增加。


四、高速PCB中的過孔設(shè)計(jì)


通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB設(shè)計(jì)中,看似簡單的過孔往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。


為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響,在設(shè)計(jì)中可以盡量做到以下幾方面:


從成本和信號質(zhì)量兩方面考慮,選擇合理尺寸的過孔。比如對6-10層的內(nèi)存模塊PCB設(shè)計(jì)來說,選用10/20Mil(鉆孔/焊盤)的過孔較好,對于一些高密度的小尺寸的板子,也可以嘗試使用8/18Mil的過孔。目前技術(shù)條件下,很難使用更小尺寸的過孔了。對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸,以減小阻抗。


上面討論的兩個(gè)公式可以得出,使用較薄的PCB板有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)。


電源和地的管腳要就近打過孔,過孔和管腳之間的引線越短越好,因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致電感的增加。同時(shí)電源和地的引線要盡可能粗,以減少阻抗。


PCB板上的信號走線盡量不換層,也就是說盡量減少不必要的過孔。


在信號換層的過孔附近放置一些接地的過孔,以便為信號提供近的回路。甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地過孔。當(dāng)然,在設(shè)計(jì)時(shí)還需要靈活多變。前面討論的過孔模型是每層均有焊盤的情況,有的時(shí)候,我們可以將某些層的焊盤減小甚至去掉。


特別是在過孔密度非常大的情況下,可能會(huì)導(dǎo)致在鋪銅層形成一個(gè)隔斷回路的斷槽,解決這樣的問題除了移動(dòng)過孔的位置,我們還可以考慮將過孔在該鋪銅層的焊盤尺寸減小。


如何使用過孔:通過上面對過孔寄生特性的分析,我們可以看到,在高速PCB 設(shè)計(jì)中,看似簡單的過孔使用不當(dāng)往往也會(huì)給電路的設(shè)計(jì)帶來很大的負(fù)面效應(yīng)。


五、為什么要將PCB線路板的過孔堵上?


Via hole導(dǎo)通孔起線路互相連結(jié)導(dǎo)通的作用,電子行業(yè)的發(fā)展,同時(shí)也促進(jìn)PCB的發(fā)展,也對印制板制作工藝和表面貼裝技術(shù)提出更高要求。Via hole塞孔工藝應(yīng)運(yùn)而生,同時(shí)應(yīng)滿足下列要求:


(一)導(dǎo)通孔內(nèi)有銅即可,阻焊可塞可不塞;

(二)導(dǎo)通孔內(nèi)必須有錫鉛,有一定的厚度要求(4微米),不得有阻焊油墨入孔,造成孔內(nèi)藏錫珠;

(三)導(dǎo)通孔必須有阻焊油墨塞孔,不透光,不得有錫圈,錫珠以及平整等要求。


隨著電子產(chǎn)品向“輕、薄、短、小”方向發(fā)展,PCB也向高密度、高難度發(fā)展,因此出現(xiàn)大量SMT、BGA的PCB,而客戶在貼裝元器件時(shí)要求塞孔,主要有五個(gè)作用:


(一)防止PCB過波峰焊時(shí)錫從導(dǎo)通孔貫穿元件面造成短路;特別是我們把過孔放在BGA焊盤上時(shí),就必須先做塞孔,再鍍金處理,便于BGA的焊接。

(二)避免助焊劑殘留在導(dǎo)通孔內(nèi);

(三)電子廠表面貼裝以及元件裝配完成后PCB在測試機(jī)上要吸真空形成負(fù)壓才完成:

(四)防止表面錫膏流入孔內(nèi)造成虛焊,影響貼裝;

(五)防止過波峰焊時(shí)錫珠彈出,造成短路。


六、導(dǎo)電孔塞孔工藝的實(shí)現(xiàn)


對于表面貼裝板,尤其是BGA及IC的貼裝對導(dǎo)通孔塞孔要求必須平整,凸凹正負(fù)1mil,不得有導(dǎo)通孔邊緣發(fā)紅上錫;導(dǎo)通孔藏錫珠,為了達(dá)到客戶的要求,導(dǎo)通孔塞孔工藝可謂五花八門,工藝流程特別長,過程控制難,時(shí)常有在熱風(fēng)整平及綠油耐焊錫實(shí)驗(yàn)時(shí)掉油;固化后爆油等問題發(fā)生?,F(xiàn)根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際條件,對PCB各種塞孔工藝進(jìn)行歸納,在流程及優(yōu)缺點(diǎn)作一些比較和闡述:


注:熱風(fēng)整平的工作原理是利用熱風(fēng)將印制電路板表面及孔內(nèi)多余焊料去掉,剩余焊料均勻覆在焊盤及無阻焊料線條及表面封裝點(diǎn)上,是印制電路板表面處理的方式之一。


6.1 、熱風(fēng)整平后塞孔工藝


此工藝流程為:板面阻焊→HAL→塞孔→固化。采用非塞孔流程進(jìn)行生產(chǎn),熱風(fēng)整平后用鋁片網(wǎng)版或者擋墨網(wǎng)來完成客戶要求所有要塞的導(dǎo)通孔塞孔。塞孔油墨可用感光油墨或者熱固性油墨,在保證濕膜顏色一致的情況下,塞孔油墨最好采用與板面相同油墨。此工藝流程能保證熱風(fēng)整平后導(dǎo)通孔不掉油,但是易造成塞孔油墨污染板面、不平整。客戶在貼裝時(shí)易造成虛焊(尤其BGA內(nèi))。所以許多客戶不接受此方法。


6.2 、熱風(fēng)整平前塞孔工藝


6.2.1 用鋁片塞孔、固化、磨板后進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移


此工藝流程用數(shù)控鉆床,鉆出須塞孔的鋁片,制成網(wǎng)版,進(jìn)行塞孔,保證導(dǎo)通孔塞孔飽滿,塞孔油墨塞孔油墨,也可用熱固性油墨,其特點(diǎn)必須硬度大,樹脂收縮變化小,與孔壁結(jié)合力好。工藝流程為:前處理→ 塞孔→磨板→圖形轉(zhuǎn)移→蝕刻→板面阻焊


用此方法可以保證導(dǎo)通孔塞孔平整,熱風(fēng)整平不會(huì)有爆油、孔邊掉油等質(zhì)量問題,但此工藝要求一次性加厚銅,使此孔壁銅厚達(dá)到客戶的標(biāo)準(zhǔn),因此對整板鍍銅要求很高,且對磨板機(jī)的性能也有很高的要求,確保銅面上的樹脂等徹底去掉,銅面干凈,不被污染。許多PCB廠沒有一次性加厚銅工藝,以及設(shè)備的性能達(dá)不到要求,造成此工藝在PCB廠使用不多。


6.2.2 用鋁片塞孔后直接絲印板面阻焊


此工藝流程用數(shù)控鉆床,鉆出須塞孔的鋁片,制成網(wǎng)版,安裝在絲印機(jī)上進(jìn)行塞孔,完成塞孔后停放不得超過30分鐘,用36T絲網(wǎng)直接絲印板面阻焊,工藝流程為:前處理——塞孔——絲印——預(yù)烘——曝光一顯影——固化


用此工藝能保證導(dǎo)通孔蓋油好,塞孔平整,濕膜顏色一致,熱風(fēng)整平后能保證導(dǎo)通孔不上錫,孔內(nèi)不藏錫珠,但容易造成固化后孔內(nèi)油墨上焊盤,造成可焊性不良;熱風(fēng)整平后導(dǎo)通孔邊緣起泡掉油,采用此工藝方法生產(chǎn)控制比較困難,須工藝工程人員采用特殊的流程及參數(shù)才能確保塞孔質(zhì)量。


6.2.3 鋁片塞孔、顯影、預(yù)固化、磨板后進(jìn)行板面阻焊


用數(shù)控鉆床,鉆出要求塞孔的鋁片,制成網(wǎng)版,安裝在移位絲印機(jī)上進(jìn)行塞孔,塞孔必須飽滿,兩邊突出為佳,再經(jīng)過固化,磨板進(jìn)行板面處理,其工藝流程為:前處理——塞孔一預(yù)烘——顯影——預(yù)固化——板面阻焊


由于此工藝采用塞孔固化能保證HAL后過孔不掉油、爆油,但HAL后,過孔藏錫珠和導(dǎo)通孔上錫難以完全解決,所以許多客戶不接受。


6.2.4 板面阻焊與塞孔同時(shí)完成


此方法采用36T(43T)的絲網(wǎng),安裝在絲印機(jī)上,采用墊板或者釘床,在完成板面的同時(shí),將所有的導(dǎo)通孔塞住,其工藝流程為:前處理--絲印--預(yù)烘--曝光--顯影--固化。


此工藝流程時(shí)間短,設(shè)備的利用率高,能保證熱風(fēng)整平后過孔不掉油、導(dǎo)通孔不上錫,但是由于采用絲印進(jìn)行塞孔,在過孔內(nèi)存著大量空氣,在固化時(shí),空氣膨脹,沖破阻焊膜,造成空洞,不平整,熱風(fēng)整平會(huì)有少量導(dǎo)通孔藏錫。

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