了解 PCB 設計中環形環的重要性
1 分鐘
- 環形圈的結構
- 為何環形圈尺寸是重要參數
- 環形圈的尺寸參數
- 環形圈的尺寸計算
- 設計考量
- 什麼是淚滴環形圈？
- PCB 設計中使用的環形圈類型
- PCB 環形圈的常見問題
- 結語
環形圈（Annular rings）在印刷電路板（PCB）設計中扮演關鍵角色，可確保兩個焊墊之間的電氣連接正確。訊號與電流的流動特性取決於兩層之間環形圈的放置方式。若尺寸計算錯誤或放置不當，可能導致電子元件出現瞬態行為與閃爍雜訊。本文將探討所有重要步驟，以改善因環形圈問題、切線與斷裂所造成的設計缺陷。
印刷電路板（PCB）中的環形圈是指包圍鑽孔的銅環。由於設計複雜，PCB 設計師經常需要使用多層堆疊的 PCB。為了連接這兩層的走線焊墊，會在焊墊上鑽一個小孔，稱為「導通孔（via）」。此環為導通孔的一部分，對於確保兩層銅焊墊之間的良好電氣連接至關重要。更明確地說，它是一個插入導通孔中以連接兩層的圓柱形銅附件。其尺寸與電氣特性由 PCB 製造商的能力決定。
環形圈的結構
PCB 中環形圈的結構可透過其主要組成部分及其與 PCB 其他部分的互動來理解。以下為 3D 詳細說明：
- 焊墊（Pad）：焊墊是 PCB 上形成環形圈的銅區域，作為元件引腳或導通孔的著陸區。
- 孔（導通孔或貫穿孔）：孔穿過焊墊與 PCB 鑽出，可為導通孔（用於層間連接）或貫穿孔（用於插件元件）。孔通常會鍍銅以形成導電路徑。
- 環形圈（Annular Ring）：環形圈是包圍鑽孔的環形銅區域，為焊墊的一部分，可確保良好的電氣連接。
為何環形圈尺寸是重要參數
PCB 中環形圈的尺寸對於確保可靠的電氣連接與機械穩定性至關重要。足夠的環形圈寬度可建立牢固的焊點，防止鑽孔時發生斷裂，並降低焊墊剝離的風險。它直接影響焊點可靠性、導電性與機械強度，特別是在貫穿孔導通孔中。
正確尺寸的環形圈可容納製造公差，確保鍍層覆蓋均勻，避免空洞或銅層過薄等問題。遵循 IPC 等產業標準有助於維持高品質的 PCB 製造並提升整體可靠性。總之，環形圈尺寸對於印刷電路板的性能、可製造性與長期可靠性扮演關鍵角色。未經適當計算放置環形圈可能導致電路運作異常。
環形圈的尺寸參數
環形圈的尺寸參數包括外徑（OD）、鑽孔直徑（D）與環形圈寬度（W）。外徑為焊墊的總直徑，包含環形圈與孔。鑽孔直徑為穿過 PCB 的孔徑，之後會鍍銅形成導電路徑。環形圈寬度為鑽孔邊緣至焊墊外緣的徑向距離。這三個參數構成計算環形圈尺寸的公式。
環形圈的尺寸計算
計算環形圈的通用公式包含外徑（OD）、鑽孔直徑（D）與環形圈寬度（W），如下：
環形圈寬度（W）＝（外徑（OD）－鑽孔直徑（D））／ 2
此公式適用，因為焊墊與鑽孔尺寸已依據 PCB 電路的最大電流消耗進行最佳化。請參考以下設計範例：
設計考量
- 寬度：環形圈寬度為鑽孔邊緣至銅焊墊邊緣的距離，需足夠寬以確保良好連接，但又不能過大以免超出 PCB 設計限制。最佳解決方案是遵循 IPC-2221 等產業標準，其中規定了最小環形圈寬度，並確保設計與製程能容納必要公差。
- 公差：PCB 製造過程中，孔位與鑽孔均有公差。因此，設計環形圈時必須考慮這些公差，即使出現微小位置誤差，孔周圍仍有足夠銅層維持連接。設計考量列於製造商的能力章節中，提供最大與最小公差比例的直觀資訊。
什麼是淚滴環形圈？
淚滴環形圈是 PCB 中一種非常流行且專業的設計特色，走線在接近鑽孔或導通孔時會加寬，形成淚滴狀。與設計完美圓形不同，您需添加額外的銅多邊形平面以連接環形圈的外緣。額外的銅可增強環形圈的強度與剛性，降低薄銅破裂風險，並提供對抗熱應力的保護。
使用淚滴環形圈的主要原因是鑽孔時鑽頭可能略微偏移。此問題可能移除過多銅層並危及連接。此形狀常用於薄銅層走線與軟性 PCB。它們常見於航太、汽車與醫療電子等高可靠性應用，這些場合維持訊號完整性與機械穩定性至關重要。然而，此方法在處理電源平面時效果不佳。
PCB 設計中使用的環形圈類型
PCB 設計中使用不同類型的環形圈，以適應各種製程、設計需求與功能需求。以下為主要類型概述：
內層環形圈
這些位於多層 PCB 的內層，對於透過導通孔連接不同層至關重要。內層環形圈必須精確對準與製造，以確保可靠的層間連接。
外層環形圈
這些位於 PCB 外層，通常可見，用於安裝元件並將元件引腳連接至 PCB 走線。這些環形圈必須承受焊接製程並提供堅固的機械與電氣連接。
微導通孔環形圈
微導通孔用於高密度互連（HDI）PCB，比傳統導通孔小，通常以雷射鑽孔。微導通孔周圍的環形圈需要非常精確，以在密集堆疊的 PCB 佈局中維持連接性。
覆蓋環形圈
覆蓋（tenting）是將導通孔以防焊層覆蓋，僅露出環形圈。此方法可保護導通孔免受環境因素影響並防止意外短路，常用於不需焊接但仍需電氣連接的導通孔。
PCB 環形圈的常見問題
如前所述，環形圈可能難以掌握。PCB 設計師可能會遇到以下環形圈相關問題。PCB 環形圈可能遭遇多種常見問題，影響印刷電路板的整體可靠性與功能性。了解這些問題對於設計與製造堅固的 PCB 至關重要。以下為與環形圈相關的常見問題：
切線（Tangency）
切線發生於鑽孔時意外偏移中心。若偏移嚴重到使孔觸及焊墊邊緣，即形成切線。另一成因為環形圈寬度不足以容納孔徑。切線會破壞連接性，甚至可能產生危險。
斷裂（Breakout）
斷裂類似切線的下一階段，當孔超出環形圈與銅焊墊邊緣時發生，實際上從焊墊中「斷裂」出來。斷裂最常發生於板層對位不良，導致孔未對準每一層。這可能導致連接不可靠或完全失去電氣連接。預防斷裂的最佳方法是確保環形圈足夠寬以容納孔徑。
破裂（Rupture）
環形圈與其他結構一樣，可能因應力而隨時間劣化。當環形圈斷裂或龜裂時，稱為破裂。破裂可能由老化、機械應力或環境應力引起。最佳處理方式是使用高品質材料，並在 PCB 老化時適時更換。此問題完全取決於 PCB 製造商。
焊墊剝離（Pad Lifting）
焊墊剝離為焊墊與環形圈一同脫離 PCB 基材。這可能由機械應力、熱循環或黏著性不良引起。解決方案包括使用可提升黏著性的材料與製程、避免製造與維修過程中過度加熱，以及設計焊墊與環形圈以更均勻地分散應力。
透過解決這些常見問題，PCB 設計師與製造商可提升其 PCB 中環形圈的可靠性與性能，進而提升整體產品品質。
結語
總之，環形圈是 PCB 設計中的關鍵特徵，可確保元件與 PCB 本身之間可靠的電氣與機械連接。其正確設計對功能性至關重要，設計必須容納製造公差並遵循產業標準，以維持 PCB 完整性。了解 PCB 設計的特定需求有助於選擇合適的環形圈類型，以達到最佳性能與可靠性。
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