Руководство по сквозным отверстиям в печатных платах: типы, правила проектирования и рекомендации по выбору

Переходная отверстие на печатной плате — это металлизированное соединение, обеспечивающее передачу сигналов, питания, заземления или отвод тепла между медными слоями печатной платы. Выбор типа переходного отверстия влияет на плотность трассировки, стоимость изготовления, выход готовой продукции, целостность сигнала и тепловые характеристики, поэтому он должен быть частью планирования структуры слоев и технологичности (DFM), а не завершающим этапом доработки проекта.

Основные выводы по проектированию сквозных отверстий на печатных платах

• Сквозное отверстие на печатной плате — это металлизированное отверстие, соединяющее медные слои в многослойной печатной плате.
• Сквозные переходные отверстия являются стандартным вариантом с низкой степенью сложности; глухие, погруженные и микропереходные отверстия позволяют обеспечить более плотную разводку.
• Проводные отверстия в контактной площадке (Via-in-pad), тепловые проводные отверстия и отверстия с обратным сверлением позволяют решать конкретные проблемы, связанные с монтажом, теплоотводом и высокоскоростными схемами.
• Перед сдачей проекта всегда согласовывайте с производителем печатных плат размеры, соотношение сторон, пары слоев, заполнение/закрытие отверстий и примечания по обратному сверлению.

Для многих стандартных макетов печатных плат достаточно сквозных переходных отверстий. Однако при работе с плотно размещенными BGA-корпусами, платами HDI, высокоскоростными сигналами, теплоотводящими контактными площадками или компактными многослойными конструкциями инженерам могут потребоваться глухие переходные отверстия, погруженные переходные отверстия, микропереходные отверстия, переходные отверстия в контактной площадке, массивы теплоотводящих переходных отверстий или переходные отверстия с обратным сверлением.

В данном руководстве объясняется, что такое переходные отверстия на печатной плате, как они работают, каковы основные типы переходных отверстий, а также как правильно выбрать переходное отверстие для конкретной конструкции, не создавая при этом ненужных рисков при производстве. Информацию по связанным вопросам планирования см. во внутреннем Контрольный список по DFM для печатных плат и Руководство по построению многослойных печатных плат.

Что такое сквозное отверстие на печатной плате?

Переходная отверстие на печатной плате — это металлизированное отверстие, служащее для обеспечения электрической связи между различными медными слоями печатной платы. К основным типам переходных отверстий относятся сквозные, глухие, погруженные, микропереходные, переходные отверстия в контактной площадке, тепловые и просверленные с обратной стороны.

В многослойной печатной плате дорожки, плоскости и контактные площадки распределены по отдельным слоям. Сквозное отверстие позволяет сигналу, сети питания, заземлению или тепловому пути проходить вертикально через многослойную структуру платы.

Типичная переходная отверстие имеет несколько основных характеристик:

• Просверленное отверстие: отверстие, просверленное механическим или лазерным способом
• Медный бочонок: покрытая проводящим слоем стенка внутри отверстия
• Через панель: медная область вокруг переходного отверстия на соединенных слоях
• Кольцевое кольцо: оставшаяся медь вокруг просверленного отверстия
• Antipad: проходной отверстие, используемое в том случае, когда переход проходит через плоскость, с которой он не должен соединяться

Самый простой пример — сквозное переходное отверстие, проходящее от верхнего слоя к нижнему слою печатной платы. Если ствол переходного отверстия покрыт медью, он может соединять медные элементы на любом слое, с которым соприкасается. На слоях, где соединение не предусмотрено, в конструкции используется зазор, чтобы обеспечить изоляцию переходного отверстия.

Переходные отверстия используются не только для базовой прокладки сигналов. Инженеры-разработчики печатных плат применяют их для соединения заземляющих плоскостей, прокладки линий питания, обхода плотных блоков компонентов, соединения обратных путей, отвода тепла и снижения перегруженности трассировки. В высокоскоростных конструкциях сама структура переходного отверстия может стать частью сигнального пути, поэтому её геометрия и длина неиспользуемой части могут иметь значение.

Переходное отверстие на печатной плате отличается от сквозного отверстия для компонента. Сквозное отверстие для компонента предназначено для установки вывода, контакта, разъема или механического элемента. Переходное отверстие, в первую очередь, служит для соединения элементов платы. И то, и другое может быть просверлено и покрыто гальваническим слоем, но их конструктивное назначение различно.

Ключевой технический момент заключается в том, что переходное отверстие — это не просто “отверстие в плате”. Это элемент, выполняющий электрические, механические и технологические функции. Его размер, диаметр контактной площадки, протяженность по слоям, соотношение сторон, покрытие, обработка паяльной маски и расположение — все эти факторы влияют на то, можно ли надежно изготовить печатную плату и будет ли она работать так, как задумано.

Как работает сквозное отверстие на печатной плате?

Сквозной контакт на печатной плате превращает просверленное отверстие в проводящий вертикальный канал. После сверления стенки отверстия покрываются слоем меди, в результате чего образуется цилиндрический сквозной контакт, соединяющий выбранные медные слои в многослойной печатной плате.

Переходное отверстие не соединяется автоматически со всеми слоями, через которые оно проходит. Оно соединяется только с теми слоями, на которых в макете предусмотрено соединение с медной площадкой, трассой или плоскостью. На слоях, с которыми переходное отверстие не должно соединяться, при проектировании печатной платы вокруг корпуса отверстия создается зазор. Этот зазор часто называют «антиплощадкой».

Например, сквозное переходное отверстие может физически проходить через все слои 8-слойной печатной платы, но при этом соединять только сигнальную дорожку на 1-м слое с дорожкой на 3-м слое. Остальная часть отверстия проходит через всю плату, если только она не удаляется с помощью такой технологии, как обратное сверление.

В конструкциях с низкой скоростью передачи сигнала этот неиспользуемый участок цилиндра, возможно, не вызовет проблем. В конструкциях с высокой скоростью передачи сигнала он может действовать как отвод переходного отверстия и вызывать отражения сигнала. Обратное сверление — это процесс сверления с контролируемой глубиной, используемый для удаления неиспользуемых участков цилиндра переходных отверстий в конструкциях печатных плат с высокой скоростью передачи сигнала.

Технология изготовления зависит от типа переходного отверстия. Стандартное сквозное переходное отверстие, как правило, механически просверливается насквозь через всю плату после ламинирования, а затем покрывается металлом. Глухое переходное отверстие может просверливаться от внешнего слоя до внутреннего с помощью сверления с контролируемой глубиной или лазерного сверления. Заглубленное переходное отверстие формируется между внутренними слоями до окончательного ламинирования печатной платы.

Производительность Via зависит от ряда конструктивных особенностей:

• Диаметр отверстия и готовый размер
• Диаметр прокладки и кольцевое кольцо
• Толщина медного покрытия
• Соотношение сторон
• Расстояние между слоями
• Зазор относительно плоскостей, трасс и контактных площадок
• Вырезы или выступы в паяльной маске
• Требования к заполнению, заглушке или крышке

Эти детали влияют не только на электрическую проводимость. Переходное отверстие должно быть технологичным, надежно покрываться гальваническим слоем, выдерживать термоциклирование и корректно вести себя в процессе сборки. Переходное отверстие, размещенное слишком близко к паяльной площадке, может оттягивать припой во время пайки методом рефлоу. Переходное отверстие с резким соотношением высоты к ширине может быть сложно покрыть гальваническим слоем.

Именно поэтому перед сдачей проекта необходимо проверить, соответствуют ли возможности производителя печатных плат требованиям к переходным отверстиям. В программе CAD можно спроектировать переходное отверстие, но производитель должен просверлить его, нанести покрытие, провести контроль качества и изготовить партию с приемлемым выходом готовой продукции.

Каковы основные типы сквозных отверстий в печатных платах?

Сквозные отверстия на печатной плате можно сгруппировать по слоям, которые они соединяют, по способу изготовления или по роли, которую они играют в конструкции. К распространенным категориям относятся сквозные, глухие, потайные, микросквозные, многослойные, ступенчатые, с отводом, «via-in-pad», тепловые и просверленные с обратной стороны.

При принятии большинства инженерных решений ключевой вопрос прост: какие слои необходимо соединить и какой компромисс является приемлемым с точки зрения стоимости, плотности трассировки, производительности и надежности?

Сквозные переходные отверстия

Сквозное переходное отверстие проходит через всю печатную плату от верхнего слоя до нижнего. Это наиболее распространенный тип переходных отверстий в печатных платах, который, как правило, является первым выбором при разработке стандартных многослойных конструкций.

Проходные переходные отверстия пользуются популярностью благодаря своей надёжности, широкой поддержке и относительной простоте изготовления. Они применимы для общей прокладки сигнальных трасс, подключения питания и заземления, а также для плат, где плотность трассировки не подвергается чрезмерным ограничениям.

Недостатком является то, что сквозное переходное отверстие занимает место во всей структуре платы. Даже если оно необходимо лишь для соединения двух слоёв, просверленное отверстие проходит через все слои. Это может перекрывать каналы трассировки и приводить к появлению неиспользуемых отрезков переходных отверстий в высокоскоростных схемах.

Скрытые переходные отверстия

Слепое переходное отверстие соединяет внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями, не проходя через всю печатную плату. Оно видно только с одной стороны печатной платы.

Слепые переходные отверстия полезны в тех случаях, когда инженерам требуется повысить плотность трассировки вблизи поверхности печатной платы. Их часто используют для плотного распределения компонентов, при компоновке HDI-плат, а также в проектах, где сквозные переходные отверстия занимали бы слишком много места для трассировки.

Компромиссом здесь является сложность производства. Скрытые переходные отверстия требуют более строгого контроля технологического процесса, чем стандартные сквозные переходные отверстия, а допустимая глубина, диаметр и протяженность по слоям зависят от возможностей производителя. При разработке макета HDI следует учитывать этот фактор наряду с Руководство по проектированию печатных плат HDI.

Заглубленные переходные отверстия

Заглубленная переходная отверстие соединяет только внутренние слои и не видна с обеих внешних поверхностей. Это позволяет освободить верхний и нижний слои для размещения компонентов, прокладки чувствительных сигналов или дополнительной трассировки.

Заглубленные переходные отверстия полезны в печатных платах с высокой плотностью размещения, но, как правило, они увеличивают стоимость, поскольку создаются в процессе обработки внутренних слоев до окончательного ламинирования. Их следует использовать в тех случаях, когда преимущества, связанные с плотностью трассировки, оправдывают дополнительные этапы изготовления.

Микропроходные отверстия

Микровиа — это очень маленькая переходная отверстие, обычно просверленное лазером, которое используется в конструкциях печатных плат HDI. Микровии обычно применяются для коротких переходов между слоями в плотно заполненных платах HDI и для разветвления компонентов с мелким шагом.

Поскольку в микропереходных отверстиях используются более мелкие контактные площадки и отверстия, они позволяют прокладывать трассировку с большей плотностью, чем механически просверленные переходные отверстия. В зависимости от структуры слоев они могут быть глухими, погруженными, многослойными или ступенчатыми. Основной компромисс заключается в том, что для их изготовления требуются технологии HDI и тщательная оценка надежности.

Via-in-Pad

При размещении переходного отверстия внутри контактной площадки (Via-in-pad) переходное отверстие размещается непосредственно внутри контактной площадки компонента. Данная техника широко применяется в случае BGA-корпусов с мелким шагом, корпусов с большим количеством выводов и открытых теплоотводящих площадок, где не хватает места для размещения переходного отверстия за пределами контактной площадки.

Проводки «Via-in-pad» позволяют сократить длину трассировок и повысить плотность размещения, однако при ненадлежащем изготовлении создают риск при сборке. Механически просверленные переходные отверстия в контактных площадках часто требуют дополнительных этапов изготовления, чтобы предотвратить просачивание припоя в переходное отверстие во время сборки. В контексте сборки свяжите это решение с вашим Руководство по монтажу BGA.

Термопроходные отверстия

Тепловые переходные отверстия отводят тепло от контактной площадки компонента или медной области во внутренние плоскости, на нижнюю медную поверхность или в другую зону рассеивания тепла. Они часто используются под силовыми интегральными схемами, стабилизаторами напряжения, светодиодами и компонентами с открытыми тепловыми площадками.

В матрицах часто используются тепловые переходные отверстия. Увеличение количества переходных отверстий может улучшить теплоотвод, однако при компоновке необходимо также учитывать поведение припоя. Открытые переходные отверстия в тепловой площадке могут отводить припой во время рефлоу-пайки, поэтому в зависимости от технологического процесса сборки может потребоваться установка «тентов», заглушек или заполнение отверстий.

Сквозные отверстия с обратным сверлением

Пересверленная переходная отверстие — это, как правило, сквозное переходное отверстие, у которого неиспользуемая часть ствола удаляется в ходе повторного сверления с контролируемой глубиной. Цель состоит в том, чтобы уменьшить длину отрезка переходного отверстия, который может вызывать отражения сигнала в высокоскоростных схемах.

Обратное сверление широко применяется в высокоскоростных цифровых платах, телекоммуникационном оборудовании, сетевом оборудовании, серверах и проектах центров обработки данных. Оно увеличивает производственные затраты, но может улучшить целостность сигнала в тех случаях, когда отводы переходных отверстий становятся фактором, влияющим на рабочие характеристики. Используйте его в сочетании с Контрольный список для проектирования высокоскоростных печатных плат.

Таблица сравнения типов сквозных отверстий на печатных платах

Выбор оптимального типа переходных отверстий на печатной плате зависит от плотности размещения компонентов, структуры слоев, шага между компонентами, скорости передачи сигнала, тепловой нагрузки и целевого бюджета. Воспользуйтесь этой таблицей в качестве отправной точки, а затем согласуйте окончательную структуру с производителем печатных плат.

По типу	Слои связаны	Оптимальный вариант использования	Основное преимущество	Основной недостаток	Влияние на затраты	Когда следует воздерживаться
Сквозное переходное отверстие	Сверху вниз	Стандартная многослойная схема размещения трасс, питание, заземление	Надежное и широко поддерживаемое	Использует пространство по всей толще слоев	Низкий	Плотная печатная плата (HDI) или высокоскоростные каналы с длинными отводами
Слепое переходное отверстие	От наружного слоя к внутреннему слою	Прокладка трасс по методу HDI, разводка выводов BGA, плотные компоновки	Освобождает пространство для маршрутизации на неиспользуемых слоях	Более сложные технологии изготовления	От среднего до высокого	Печатные платы, оптимизированные по стоимости, с возможностью трассировки через сквозные переходные отверстия
Похоронен через	От внутреннего слоя к внутреннему слою	Плотная внутренняя разводка	Обеспечивает доступность внешних слоев	Требуется внутренняя обработка перед окончательным ламинированием	Высокий	Простые платы или прототипы с нестрогими требованиями к плотности
Микровия	Как правило, смежные слои	Печатные платы с BGA-корпусами с мелким шагом, платы HDI	Поддерживает очень плотную прокладку трасс	Требуется лазерное сверление и контроль технологического процесса HDI	Высокий	Производители, не обладающие необходимыми навыками в области HDI
Via-in-pad	Вывод, размещенный на контактной площадке компонента	Распределение выводов BGA, компактные схемы поверхностного монтажа, теплопроводящие прокладки	Экономит место и сокращает длину трассы	Обычно требует наполнения и укупорки	Высокий	Контакты SMT, для которых не указаны параметры заполнения/покрытия
Термопроход	Тепловой путь между участками из меди	Силовые микросхемы, светодиоды, стабилизаторы напряжения	Улучшает распределение тепла	В открытом состоянии может создавать риск просачивания припоя	От низкого к высокому	Открытые контактные площадки без планирования контроля пайки
Винтовое отверстие с обратным сверлением	Сквозное отверстие с удаленным отводом	Высокоскоростные каналы	Уменьшает отражения от отводов переходных отверстий	Добавляет бурение с регулируемой глубиной	От среднего до высокого	Низкоскоростные сети или схемы, не чувствительные к отводам

Хорошим инженерным правилом является использование самого простого переходного отверстия, отвечающего требованиям проекта. Для стандартных плат обычно оптимальным вариантом по умолчанию являются сквозные переходные отверстия. Использование глухих, погруженных и микропереходных отверстий оправдано в тех случаях, когда этого требуют плотность трассировки или количество слоев.

Использование сквозных переходов в контактной площадке целесообразно в тех случаях, когда шаг размещения компонентов или конструкция теплоотводящей площадки не оставляют других вариантов. Стоит рассмотреть возможность обратного сверления, если неиспользуемый отрезок сквозного перехода создает угрозу целостности сигнала.

Как выбрать подходящий тип сквозного отверстия для печатной платы?

Выбирайте простейшую конструкцию переходных отверстий, которая соответствует требованиям к электрическим характеристикам, трассировке, теплоотводу и монтажу. Наиболее надежным исходным вариантом являются сквозные переходные отверстия. Переходите к использованию глухих, погруженных, микропереходных отверстий, переходных отверстий в контактных площадках, массивов тепловых переходных отверстий или обратного сверления только в тех случаях, когда этого требуют плотность размещения, шаг между компонентами, теплоотвод или высокоскоростные характеристики.

При стандартной многослойной трассировке следует начинать со сквозных переходных отверстий. Они экономичны, надежны и поддерживаются практически всеми производителями печатных плат. Если площадь платы и пространство для трассировки достаточны, сквозное переходное отверстие, как правило, является самым безопасным вариантом.

При плотной разводке компонентов, особенно вокруг BGA, необходимо оценить, подойдет ли стандартная разводка типа «dog-bone» со сквозными переходными отверстиями. Если нет, могут потребоваться слепые микропереходные отверстия или переходные отверстия в контактных площадках. Это решение следует принимать одновременно с определением структуры слоев, поскольку трассировка от BGA зависит от того, до каких слоев могут дойти первые каналы трассировки.

При проектировании HDI-плат микровиа часто являются основным средством прокладки трасс. Они позволяют использовать меньшие площадки, более плотную разветвление трасс и короткие переходы между слоями. Если требуется несколько слоев HDI, в проекте могут использоваться многослойные или ступенчатые микровиа. Ступенчатые микровиа занимают больше поперечного пространства, тогда как многослойные микровиа требуют более точного выравнивания и контроля технологического процесса.

В случае высокоскоростных сигналов необходимо проверять переход переходного отверстия как часть трассы сигнала. Сквозное переходное отверстие может оставлять неиспользуемый участок в виде «бочонка», который ведет себя как отвод. Если отвод слишком длинный для данной скорости сигнала, можно воспользоваться следующими вариантами: сменить слой трассировки, использовать более короткую конструкцию переходного отверстия, добавить заземляющие переходные отверстия вблизи перехода или предусмотреть обратное сверление.

При проектировании теплового режима используйте тепловые переходные отверстия для соединения открытых контактных площадок или зон с высокой температурой с более крупными медными плоскостями. На теплоотвод влияют количество переходных отверстий, размер отверстий, толщина меди и способ соединения плоскостей. Однако при этом необходимо учитывать особенности сборки. Открытые переходные отверстия в паяльной площадке могут вытягивать припой во время рефлоу-пайки, поэтому может потребоваться установка «тентов», заглушек, заполнение или использование переходных отверстий с крышкой в паяльной площадке.

При разработке схем, где важна стоимость, следует избегать использования сложных переходных отверстий, если только они не позволяют решить конкретную проблему. Слепые переходные отверстия, погруженные переходные отверстия, заполненные переходные отверстия в контактных площадках, многослойные микроотверстия и обратное сверление — все это увеличивает количество технологических операций. Иногда немного увеличить размер платы, изменить расположение компонентов или использовать другое количество слоев обходится дешевле и обеспечивает большую надежность, чем принудительное использование сложной структуры переходных отверстий.

Перед выпуском убедитесь в следующих трёх моментах:

• Изготовитель обеспечивает структуру переходных отверстий.
• Размеры соответствуют проектным нормам изготовителя.
• В технологических инструкциях четко указаны требования к формированию выступов, заглушке отверстий, заполнению, установке заглушек или обратному сверлению.

Какие правила проектирования сквозных отверстий на печатных платах должны учитывать инженеры?

Правила проектирования сквозных отверстий на печатной плате должны основываться на таблице технологических возможностей производителя, а не только на настройках CAD по умолчанию. Макет может пройти электрическую проверку DRC, но при этом оставаться слишком маленьким, слишком плотным, слишком глубоким или недостаточно точно описанным для надёжного изготовления.

Начните с размера готового отверстия. Готовое отверстие — это окончательный размер отверстия после сверления и нанесения медного покрытия. Размер сверла обычно превышает размер готового отверстия, поскольку нанесение покрытия уменьшает размер отверстия. Если размер готового отверстия имеет значение с точки зрения пропускания тока, тепловых характеристик, доступа для тестирования или технологических требований, четко укажите его.

Далее проверьте соотношение сторон переходного отверстия. Соотношение сторон представляет собой отношение глубины переходного отверстия к диаметру просверленного отверстия. На глубокое и узкое переходное отверстие сложнее нанести равномерное покрытие, чем на неглубокое и более широкое. На сквозные переходные отверстия влияет общая толщина платы. На глухие переходные отверстия и микропереходные отверстия влияет глубина прохождения слоя, который они соединяют.

Диаметр прокладки и кольцевое пространство также имеют решающее значение. Прокладка должна быть достаточно большой, чтобы после учета стандартных производственных допусков вокруг просверленного отверстия оставалось достаточное количество меди. Если кольцевое пространство слишком мало, смещение сверла или несовпадение слоев могут привести к ослаблению соединения.

Не следует игнорировать зазоры между плоскостями. Когда переход проходит через медную плоскость, с которой он не должен соединяться, в компоновке необходимо предусмотреть зазор «антипад». Слишком малый зазор может привести к риску возникновения короткого замыкания. Слишком большой зазор может нарушить пути обратного тока, особенно в высокочастотных схемах.

Важно соблюдать правила расстояний вокруг плотно расположенных компонентов. Проверьте расстояния между переходными отверстиями и трассировками, между переходными отверстиями и контактными площадками, а также между самими переходными отверстиями с учетом выбранного технологического процесса. Минимальные расстояния могут быть допустимы на небольшом участке, однако использование минимальных значений повсеместно может снизить выход готовой продукции.

Толщина медного покрытия влияет на токовую нагрузочную способность, теплоотвод и механическую надёжность. Для высокоточных сетей или массивов тепловых переходных отверстий одного небольшого переходного отверстия может оказаться недостаточно. Разработчики часто используют несколько переходных отверстий, соединенных параллельно, чтобы снизить сопротивление и распределить тепло по плоскостям.

Настройки паяльной маски должны соответствовать замыслу сборки. Для переходного отверстия, расположенного рядом с паяльной площадкой, может потребоваться установка защитного козырька или заглушки. Переходное отверстие, расположенное внутри площадки, может потребовать заполнения и закрытия. Не следует полагаться на то, что производитель сам догадается об этом, исходя только из макета.

Контрольный список для проверки переходных отверстий на печатной плате перед выпуском

Проверить	Почему это важно
Размер готового отверстия и размер сверла	Подтверждает, что окончательные размеры отверстия с покрытием соответствуют проектным требованиям
Диаметр прокладки и кольцевое кольцо	Обеспечивает защиту от смещения сверла и соблюдение допусков по совмещению слоев
Соотношение сторон	Помогает избежать проблем с образованием налёта и снижением надёжности
Расстояние между переходными отверстиями и трассировками и между переходными отверстиями	Снижает риск брака и повышает выход готовой продукции
Зазор между плоскостями и размер антиподкладки	Предотвращает непреднамеренные соединения плоскостей и контролирует нарушения в обратном канале
Требования к медной гальванизации	Обеспечивает надежность в отношении тока, теплопередачи и работоспособности ствола
Вырезы, наклонные линии или заглушки в паяльной маске	Контролирует состояние оголенной меди и поведение сборки
Требования к заполнению и закрытию отверстий типа «via-in-pad»	Предотвращает растекание припоя и обеспечивает ровную поверхность для пайки
Глубина обратного сверления и оставшаяся цель-отросток	Описывает требования к высокоскоростному управлению отводами
Пары слоев для слепых, погруженных или микропереходных отверстий	Обеспечивает согласованность чертежей сверления, схем слоевого построения и производственных примечаний

Хорошая схема печатной платы предусматривает достаточный технологический запас, позволяющий изготавливать плату не один раз, а многократно.

Как следует формировать, заглушать, заполнять или закрывать переходные отверстия?

Под термином «покрытие переходных отверстий» понимается способ обработки отверстия переходного контакта на этапе нанесения паяльной маски, изготовления или подготовки к сборке. К распространенным вариантам покрытия переходных отверстий относятся: переходные отверстия с «тентом», переходные отверстия без «тента», заглушенные переходные отверстия, заполненные переходные отверстия и переходные отверстия с колпачком.

Это отличается от типа переходного отверстия. Термины «сквозное переходное отверстие», «глухое переходное отверстие» или «микропереходное отверстие» описывают соединение между слоями. Термины «уплотнение», «закупоривание», «заполнение» и «закрытие» описывают, что происходит с отверстием переходного отверстия.

A переслано через покрыта паяльной маской. Нанесение защитного слоя помогает защитить открытую медь, снизить риск короткого замыкания и ограничить взаимодействие припоя вблизи контактных площадок компонентов. Наилучший эффект достигается при использовании небольших переходных отверстий; в случае более крупных переходных отверстий защитный слой может наноситься не полностью или неравномерно.

Один опубликовано через остаются открытыми. Это может быть полезно для диагностики, отладки, тестового доступа или некоторых тепловых применений, однако открытые переходные отверстия вблизи паяльных площадок могут забиваться припоем или флюсом. В сборках с высокой плотностью монтажа открытые переходные отверстия должны быть предусмотрены специально, а не являться результатом по умолчанию.

A подключено через отверстие закрыто паяльной маской или другим заполняющим материалом. Заполнение отверстия помогает предотвратить попадание припоя, флюса или загрязнений в сквозное отверстие. Это часто бывает полезно вблизи зон размещения корпусов BGA, участков пайки волной припоя или в компоновках, требующих особого внимания при сборке.

A заполняется через заполняется проводящим или непроводящим материалом. Заполненные переходные отверстия обычно используются в тех случаях, когда переходное отверстие находится внутри контактной площадки для поверхностного монтажа. Без заполнения при пайке методом рефлоу припой может проникнуть в отверстие, что приведет к образованию ненадежного соединения.

A ограничено через Как правило, это заполненная переходная отверстие с медным покрытием сверху, что создает ровную поверхность для пайки. Такая конструкция широко используется в схемах с переходными отверстиями в контактных площадках под корпусами BGA и компонентами SMT с мелким шагом.

Практическое правило простое: если переходное отверстие влияет на процесс пайки, четко укажите, какая обработка ему требуется. В примечаниях к изготовлению должно быть указано, какие переходные отверстия закрыты изоляционной пленкой, заглушены, заполнены, закрыты колпачком или оставлены открытыми. Не следует ожидать, что производитель сможет самостоятельно определить замысел сборки, опираясь исключительно на макет.

Рекомендуемое изображение: Поперечное сечение, демонстрирующее виа без заземляющих выводов, с заземляющими выводами, заглушенные, заполненные и закрытые виа. Альтернативный текст: “Варианты покрытия виа на печатной плате: виа без заземляющих выводов, с заземляющими выводами, заглушенные, заполненные и закрытые”.”

Каких ошибок при размещении переходных отверстий на печатной плате следует избегать?

Большинство проблем с переходными отверстиями возникает из-за того, что их рассматривают как простые объекты компоновки, а не как технологические элементы. Переходное отверстие может пройти проверку DRC в CAD-программе, но впоследствии всё равно привести к проблемам, связанным с затратами, выходом готовой продукции, сборкой или эксплуатационными характеристиками.

Одной из распространённых ошибок является использование слепых или погруженных переходных отверстий до того, как в них действительно возникнет необходимость. Передовые переходные отверстия могут решить проблемы с прокладкой трасс в условиях высокой плотности, но при этом они также увеличивают количество этапов изготовления. В случае плат, для которых важна стоимость, сначала следует проверить, можно ли решить проблему с помощью стандартных сквозных переходных отверстий за счёт изменения расположения компонентов, изменения трассировки или использования другого количества слоёв.

Еще одной ошибкой является оставление открытых структур «via-in-pad». Если переходное отверстие расположено внутри контактной площадки для поверхностного монтажа (SMT) и не заполнено или не закрыто, при рефлоу-пайке припой может проникнуть в отверстие. Это может привести к уменьшению объема припоя под компонентом и стать причиной образования слабых соединений, обрывов цепи, пустот или нестабильных результатов сборки.

При разработке высокоскоростных схем часто возникают проблемы, если не учитывать отводы переходных отверстий. Сквозное переходное отверстие, используемое для короткого перехода между слоями, может оставлять неиспользуемый участок медного ствола под трассой сигнала. При высоких скоростях передачи данных этот отвод может вызывать отражения и ухудшать качество сигнала.

Иногда разработчики также слишком агрессивно подбирают размеры. Очень мелкие отверстия, узкие кольцевые полосы, малые расстояния между элементами и высокие соотношения сторон могут повысить плотность размещения компонентов, но при этом снизить производственный запас прочности. Если эти размеры выходят за пределы стандартных возможностей производителя, стоимость платы может возрасти, а её надёжность — снизиться.

Тепловые переходные отверстия могут создавать собственные проблемы, если не учитывать особенности сборки. Открытые переходные отверстия под открытой тепловой площадкой могут привести к отрыву припоя от тепловой площадки во время рефлоу-пайки. При размещении массива тепловых переходных отверстий необходимо обеспечить баланс между теплопередачей и контролем за припоем, прибегая при необходимости к методам «тентинга», заглушки или заполнения.

Перед выпуском обратите внимание на следующие типичные проблемы:

• Слепые или заглубленные переходные отверстия, используемые без обоснования затрат
• Открытая переходная отверстие в контактной площадке под компонентами SMT
• Термические переходные отверстия, способствующие просачиванию припоя
• Соотношение сторон, выходящее за пределы возможностей производителя
• Слишком малое кольцевое кольцо для обеспечения надежного допуска при сверлении
• Непроверенные высокоскоростные отводы
• Отсутствуют технологические инструкции по формированию выступов, заглушке отверстий, заполнению, закрытию отверстий или обратному сверлению
• Разница в исходных допущениях между макетом, чертежом для изготовления и инструкциями по сборке

Эффективная конструкция переходного отверстия — это не всегда самая миниатюрная или самая передовая. Это та конструкция, которая отвечает электрическим требованиям и при этом остается практичной с точки зрения изготовления и сборки.

Часто задаваемые вопросы о сквозных отверстиях на печатных платах

В чём заключается разница между переходным отверстием и сквозным отверстием?

Переход — это соединительный элемент печатной платы, используемый для соединения медных слоёв. Термин «сквозное отверстие» может относиться к любому просверленному отверстию, проходящему сквозь плату, включая отверстия для компонентов, монтажные отверстия и сквозные переходы. При проектировании печатных плат под «сквозным переходом» понимается, в частности, гальванически покрытый переход, соединяющий слои от верхней до нижней стороны платы.

Каковы основные типы сквозных отверстий в печатных платах?

Основными типами переходных отверстий на печатной плате являются сквозные, глухие, погруженные, микроотверстия, переходные отверстия в контактной площадке, тепловые переходные отверстия и переходные отверстия с обратным сверлением. Наиболее распространенными являются сквозные переходные отверстия. Глухие, погруженные и микроотверстия используются при более высокой плотности трассировки. Переходные отверстия в контактной площадке и тепловые переходные отверстия решают проблемы с распределением выводов компонентов или теплопередачей.

Когда следует использовать слепые или погруженные переходные отверстия?

Слепые или погруженные переходные отверстия следует использовать в тех случаях, когда стандартные сквозные переходные отверстия занимают слишком много места при трассировке или не позволяют создать плотную компоновку. Они широко применяются в платах HDI, при разветвлении BGA с мелким шагом и в компактных многослойных конструкциях. Поскольку они повышают сложность изготовления, их использование должно быть оправдано требованиями к плотности, количеству слоев или эксплуатационным характеристикам.

Можно ли размещать переходные отверстия внутри контактных площадок?

Да, переходные отверстия можно размещать внутри контактных площадок, но для этого, как правило, требуется специальная технология изготовления. В случае контактных площадок для поверхностного монтажа (SMT), особенно площадок BGA, конструкции типа «переходное отверстие в площадке» обычно заполняются и закрываются, чтобы создать ровную поверхность для пайки. Оставление открытого переходного отверстия в площадке может привести к просачиванию припоя и некачественным паяным соединениям.

Влияют ли сквозные отверстия на печатной плате на целостность сигнала?

Да. На низких скоростях влияние переходных отверстий может быть незначительным. На высоких скоростях переходное отверстие может приводить к разрывам импеданса, нарушению обратного пути и образованию неиспользуемых отводов, вызывающих отражения. При проектировании высокоскоростных схем может потребоваться контролируемая геометрия переходных отверстий, расположение переходных отверстий заземления поблизости, сокращение длины переходов между слоями или обратное сверление.

Заключение

Сквозные отверстия на печатной плате — это небольшие элементы, которые оказывают существенное влияние на конструкцию. Выбор подходящего типа сквозного отверстия зависит от структуры слоев платы, плотности трассировки, шага размещения компонентов, скорости передачи сигнала, тепловой нагрузки, технологических возможностей производства и целевых показателей по стоимости.

Для стандартных плат сквозные переходные отверстия, как правило, являются наиболее надежным начальным вариантом. Для плотных макетов HDI или BGA могут потребоваться глухие переходные отверстия, погруженные переходные отверстия, микропереходные отверстия или переходные отверстия в контактной площадке. При разработке высокоскоростных или термочувствительных конструкций особое внимание следует уделить геометрии переходных отверстий, длине отводов, методу заполнения и поведению при пайке.

Перед запуском в производство согласуйте с производителем печатных плат структуру переходных отверстий, их размеры, пары слоев, а также требования к покрытию или заполнению. Чётко проработанная стратегия размещения переходных отверстий способствует аккуратной трассировке схемы, надёжному изготовлению платы и обеспечению её работоспособности в соответствии с замыслом.