為什麼 PCB 排針對可靠電路板設計至關重要
3 分鐘
- 什麼是 PCB 排針？
- PCB 排針在電路板中的作用
- 常見 PCB 排針類型
- 了解 PCB 排針的尺寸與規格
- PCB 排針設計注意事項
- 將 PCB 排針製造成可靠電路板
- PCB 排針常見問題
- 結論
重點摘要
- 雙重功能：同時作為電氣引腳及機械固定件；準確的孔徑可防止焊點承受過大應力。
- 間距與電流：2.54 mm 引腳約可承載 3 A，而 1.27 mm 引腳約可承載 1 A。
- 焊盤尺寸：應根據引腳對角尺寸設計鍍通孔；對於 0.64 mm 方形引腳，孔徑通常為 1.05–1.15 mm。
- 智能佈局：將接地引腳放在訊號旁邊以降低噪聲，並配合線纜引腳編號。
- 組裝規則：回流焊應使用 LCP 材料，並達到至少 75% 的垂直焊料填充率。
PCB 排針通常是電路板上最便宜的連接器，但卻承受最多的操作。線纜會插入其中，電路板也可能堆疊在其上。即使組裝完成很久之後，使用者仍可能以斜角拉扯線纜。所有這些負載最終都會集中到幾個焊點上，因為排針同時承擔兩項工作。從電氣角度看，它是一排傳輸電源及訊號的裸露短導體；從機械角度看，它是一個固定件。每根引腳都穿過鍍銅通孔，可防止拉扯線纜時將焊盤從層壓板上撕下。
圖 1：電路板上的直式、直角及堆疊式 PCB 排針
許多排針故障其實是機械問題，卻表現得像電氣問題，例如只有在線纜移動時才會斷開的焊點。將排針同時視為結構件及連接器，間距、孔徑及方向的選擇便不再是隨意決定。本指南涵蓋排針結構、類型與尺寸、焊盤規則，以及製造商需要控制的參數。
什麼是 PCB 排針？
PCB 排針是一排固定在塑膠本體內並焊接到電路板上的金屬引腳。配套插座、線纜或第二塊電路板會插入排針。電路板一側是永久固定的，而配對一側則設計為可拆卸。
PCB 排針結構與基本 元件
無論間距是多少，每個 PCB 排針都由相同的三個部分組成。每個部分都有自己的功能，也有各自的失效方式：
圖 2：鍍通孔中焊接 PCB 排針引腳的截面
- 接觸引腳負責傳輸電流，通常由磷青銅或黃銅製成，並加工成方形柱體。
- 鍍層覆蓋接觸部位，低成本版本通常使用錫，需頻繁插拔時則使用金。
- 絕緣本體將引腳固定在指定間距，材料通常為 PBT、尼龍或 LCP。
每根引腳都有兩個端部，而且各自承擔不同工作。絕緣體上方的配對端插入插座，而焊接尾部則插入電路板。鍍層決定配對端可以使用多久，因為錫通常只能承受數十次插拔，而厚度足夠的金鍍層則可承受數百次。
絕緣本體固定每根引腳的位置，因此其材料也限制排針的焊接方式。標準 PBT 是一種聚酯，熔點約為 223 °C，低於無鉛回流焊峰值溫度。因此，PBT 排針通常採用波峰焊或手工焊接，而液晶聚合物（LCP）本體則可以通過回流焊爐。
PCB 排針如何連接到電路板
PCB 排針有三種連接方式：插入鍍通孔、焊接到表面焊盤，或使用壓入式結構。通孔安裝是最常見方式，因為焊料會將引腳固定在電路板兩側。Samtec TSW-07 的尾部長度為 2.54 mm（100 mil），因此安裝在 1.6 mm（63 mil）電路板上時，底部約有 0.94 mm（37 mil）露出。因此，選擇 PCB 厚度也會決定引腳末端是否會出現在焊點中。
- 表面貼裝排針會將焊接尾部平貼在焊盤上，並與其他 SMT 元件一起回流焊。其優點是每個焊點只需在單個焊盤上形成一個焊腳，但側向負載可能將焊盤從電路板上剝離。
- 壓入式排針使用略大於孔徑的順應性引腳。引腳壓入時會變形，在沒有焊料的情況下形成氣密連接。這種方式適合符合 IPC-9797 的厚型背板及汽車電路板，但前提是孔徑必須正確。壓入式孔通常控制在約 ±0.05 mm（2 mil），比普通鍍通孔嚴格得多。
PCB 排針在電路板中的作用
PCB 排針在可拆卸連接中傳輸電流及訊號，同時也使兩件硬件保持正確位置，而這兩項功能都會設定設計限制。
電氣連接與訊號傳輸
排針引腳是短距離裸導體，其電流能力取決於溫升。典型 2.54 mm（100 mil）排針每根引腳的額定電流約為 3 A，但當相鄰引腳同時承載電流時，該數值會降低。相鄰高負載引腳會互相加熱，因此 5 A 電源軌應使用三根引腳，而不是兩根。
訊號需要透過同一排針建立回流路徑，因為從一根引腳流出的電流必須由另一根引腳返回。距離過遠的接地引腳會將回路變成小型天線，並增加串擾。Raspberry Pi 的 40 引腳排針沿整個接口配置了八根接地引腳，因此每根 GPIO 引腳附近都有接地引腳。
機械連接與板對板整合
與插座配對的排針也會決定兩塊電路板之間的間距。標準 2.54 mm（100 mil）插座高度約為 8.5 mm（335 mil），再加上頂部排針本體，因此堆疊電路板之間的距離約為 11 mm（433 mil）。頂部電路板下方的所有元件都必須符合這個間隙。
排針應負責對齊電路板，而不是單獨承擔整塊電路板的重量，因為抵抗跌落或拉扯的主要力量來自引腳摩擦。引腳座標同樣重要，例如 Arduino Uno 的數字引腳 7 和 8 之間距離為 160 mil（4.06 mm），而不是 100 mil（2.54 mm）。在普通 2.54 mm 網格上繪製的擴展板將無法正確安裝。因此，應從主板佈局文件中複製排針位置。
常見 PCB 排針類型
PCB 排針可按三個獨立選項分類。每個實際零件都會在三個方面各有一個答案，例如直角雙排插座同時具備三項特徵：
- 性別：排針或插座排針。
- 方向：直式、直角及其他配置。
- 排數：單排或多排排針。
排針與插座排針
排針具有外露的公插針，而插座排針則使用夾持公插針的彈簧觸點。兩者通常成對使用，因此 Samtec TSW 排針會與專為 0.64 mm（25 mil）方形引腳設計的 SSW 插座配對。
哪一塊電路板安裝哪一半，是安全及耐用性方面的決定。外露引腳可能因工具掉落而彎曲，因此在拔出時仍保持通電的一側應安裝插座。插座彈簧在多次插拔後也會失去夾持力，因此在安全要求允許的情況下，應將插座安裝在較容易更換的電路板上。
直式、直角及其他配置
方向是指配對端離開電路板的方向，它決定線纜或第二塊電路板的位置。以下四種配置涵蓋大部分設計：
圖 3：直式、直角、表面貼裝及堆疊式 PCB 排針配置
- 直式：引腳與電路板成 90 度，適合堆疊及頂部插入線纜。
- 直角：引腳彎曲，使配對面朝向電路板邊緣。
- 表面貼裝：焊接尾部平貼在焊盤上，並與 SMT 元件一起回流焊。
- 堆疊式：插座帶有較長尾部，可插入下方電路板。
直式排針是預設選擇，因為插入力會向下施加，使所有焊點均勻受力。直角排針可以保持堆疊結構平整，但配對力會形成作用於焊點的槓桿力。向外伸出的直角本體也不能放在 V-cut 拼板邊緣上，因此需要使用銑削邊。
單排與多排排針
單排排針將所有引腳排列成一條直線，多排排針則在相同間距下增加其他排。Raspberry Pi GPIO 採用的 2 × 20 排針，可以在單排一半的長度內安裝 40 個觸點。
第二排會迫使內排走線在外排焊盤之間引出。在 2.54 mm（100 mil）間距下，標準 1.7 mm（67 mil）焊盤之間約有 0.84 mm（33 mil）間隙，可以容納一般走線。因此，密集雙排排針通常會利用過孔將訊號引至另一層。
了解 PCB 排針的尺寸與規格
PCB 排針尺寸主要取決於引腳間距、引腳數量及電路板上方的高度。應先確定間距，因為它會決定配對零件、孔徑及每根引腳的電流能力。
引腳間距
間距是相鄰引腳中心到中心的距離，排針只能與相同間距的插座配對。2.54 mm（100 mil）標準源自早期 DIP 網格，至今仍是原型設計的常用選擇。較細間距可以節省空間，但引腳也會變細，因此電流能力及機械強度會同時下降。
圖 4：2.54 mm 至 1.00 mm PCB 排針間距比較
| 間距 | 方形引腳尺寸 | 每根引腳典型電流 | 最適合的應用 |
|---|---|---|---|
| 2.54 mm（100 mil） | 0.64 mm（25 mil） | 約 3 A | 原型、Arduino 及 Raspberry Pi 電路板 |
| 2.00 mm（79 mil） | 0.50 mm（20 mil） | 約 2 A | 2.54 mm 太寬時使用的緊湊型模組 |
| 1.27 mm（50 mil） | 0.40 mm（16 mil） | 約 1 A | 除錯端口及密集板對板連接 |
| 1.00 mm（39 mil） | 0.30 mm（12 mil） | 約 1 A | 空間受限電路板，主要採用表面貼裝 |
電流能力下降的速度比間距更快，因為 1.27 mm 引腳的截面積約為 2.54 mm 引腳的 40%。因此，細間距電源軌需要增加引腳數量，從而抵消細間距原本節省的空間。
引腳數量、高度及整體尺寸
引腳數量決定排針長度，即每排位置數乘以間距。可折斷排針可以在位置之間整齊折斷，因此數量容易調整。不過，應在早期預留備用位置，因為後期增加引腳便需要重新設計焊盤圖形。
電路板上方的高度等於絕緣體高度加上外露引腳高度。TSW-07 排針的典型高度約為 8.4 mm（330 mil）。還要加上配對插座或線纜外殼，因為配對後的總高度必須符合機箱蓋的空間。整體尺寸還包括引腳區域以外的塑膠本體。插座或帶護罩的盒式排針通常比引腳區域更寬，而直角本體會向電路板邊緣延伸。因此，禁佈區應根據資料表外形，而不是只按焊盤範圍繪製。
PCB 排針設計注意事項
PCB 排針應先根據功能選擇，再繪製到電路板上。許多排針問題都源於順序相反，因此選型需要與佈局同樣謹慎。
為 PCB 選擇合適的排針
選擇 PCB 排針時，應先考慮插拔頻率及連接對象。這兩項因素會決定鍍層、極化方式及固定結構。只在工廠內使用的端口可以採用裸排針，而使用者經常插拔的線纜則需要帶鎖扣的外殼。
| 應用 | 排針選擇 | 適用原因 |
|---|---|---|
| SWD 除錯端口 | 2 × 5、1.27 mm（50 mil）SMT，例如 Samtec FTSH-105-01-L-DV-007-K | 符合 ARM Cortex 10 引腳排列，並以第 7 引腳缺省作為定位鍵 |
| 電路板堆疊或 HAT | 2 × 20、2.54 mm（100 mil）排針及插座 | 標準 40 引腳接口，間距約 11 mm（433 mil） |
| 排線 | 帶護罩的 2 × 5、2.54 mm（100 mil）盒式排針 | 護罩槽可防止反向插入 |
| 感測器或風扇線束 | Molex KK 254 摩擦鎖排針 | 斜坡鎖扣可抵抗拉力，並使外殼保持正確方向 |
焊盤、孔徑與佈局要求
通孔排針焊盤圖形通常由一排圓形焊盤組成，並以方形焊盤表示第 1 引腳，這也是 KiCad 元件庫的常見規則。還應在 PCB 絲印上標示第 1 引腳，並將標記放在本體外側，因為方形焊盤會被塑膠本體遮住。0.64 mm（25 mil）方形引腳的對角尺寸約為 0.9 mm（36 mil），IPC-2222 根據密度等級增加 0.15 至 0.25 mm。因此，2.54 mm 排針通常需要約 1.05 至 1.15 mm（41 至 45 mil）的成品孔徑。
圖 5：具有方形第 1 引腳焊盤及按對角尺寸設計孔徑的 PCB 排針焊盤圖形
佈局間隙必須涵蓋配對外殼及插拔操作所需的空間，而不只是焊盤範圍。高元件應遠離該區域，並按照一般PCB 設計規則進行佈局。即使是有經驗的設計師，也可能犯下以下排針錯誤：
- 混淆雙排引腳編號會導致訊號交換：排線通常採用蛇形編號，而 DIP 風格符號則沿單排向下編號，因此符號必須與線纜匹配。
- 將底部安裝的堆疊插座繪製在頂層，會令引腳順序反轉，因此應將其放置在底層。
- 忽略線纜外殼尺寸會令高元件阻擋鎖扣，因此應在機械層繪製外殼輪廓。
將 PCB 排針製造成可靠電路板
只有當製造商在引腳所需的範圍內鑽出正確孔徑時，排針焊盤圖形才真正有效。組裝時還必須讓焊料填充整個孔壁，這兩個步驟都可以進行檢查。
排針組裝的孔徑與焊盤精度
成品孔徑不會完全精確，因此製造商的公差必須落在設計所需的間隙範圍內。JLCPCB 將鍍通孔控制在 +0.13/−0.08 mm（+5/−3 mil），其能力頁面也會根據層數及銅厚度設定建議環寬。這項公差的負向部分最容易壓縮排針引腳的安裝空間。
| 間距 | 引腳對角尺寸 | 常用孔徑／焊盤 | 最小成品孔 | 環寬檢查 |
|---|---|---|---|---|
| 2.54 mm（100 mil） | 0.905 mm（35.6 mil） | 1.0 / 1.7 mm（39 / 67 mil） | 0.92 mm（36.2 mil） | 0.35 mm（14 mil），足夠 |
| 2.00 mm（79 mil） | 0.707 mm（27.8 mil） | 0.8 / 1.35 mm（31 / 53 mil） | 0.72 mm（28.3 mil） | 0.28 mm（11 mil），合格 |
| 1.27 mm（50 mil） | 0.566 mm（22.3 mil） | 0.65 / 1.0 mm（26 / 39 mil） | 0.57 mm（22.4 mil） | 0.18 mm（7 mil），低於建議值 |
1.27 mm 間距的問題在於環寬不足，而不是單純孔徑問題。使用 1.1 mm（43 mil）焊盤可將環寬提高至 0.23 mm（9 mil），但焊盤之間只剩 0.17 mm（7 mil）銅間距。另一種方案是使用 1.27 mm 表面貼裝排針，完全避免鍍通孔環寬限制。
PCB 品質控制與檢查
排針品質控制應覆蓋裸板及組裝板，因為焊料無法修正錯誤孔徑。檢查通常按照製造順序進行：
圖 6：測量已焊接 PCB 排針焊點的孔壁填充率
- 孔徑檢查：將成品孔徑與鑽孔文件進行比較。
- 鍍層檢查：透過切片確認孔壁銅厚；按照 IPC-6012 Class 2 製造的電路板，平均孔壁銅厚至少應為 20 µm（0.8 mil）。
- 電氣測試：使用飛針測試檢查每個網絡是否存在開路或短路。
- 焊料填充檢查：按照 IPC-A-610 Class 2 或 Class 3，每個焊點的垂直焊料填充率至少為 75%；對於連接散熱平面的部分引腳，Class 2 可有例外。
- 安裝狀態檢查：排針本體應保持平整，引腳應保持垂直。
JLCPCB 會對雙層及多層電路板進行電氣測試，並提供通孔組裝服務，可使用波峰焊或選擇性焊接將排針與 SMT 元件組裝在一起。你可以先從零件庫選擇現貨排針，再於報價頁面訂購組裝服務，讓排針在出貨前完成安裝。
PCB 排針常見問題
問：可以將鍍金排針插入鍍錫插座嗎？
一開始可能可以使用，但連接器製造商通常不建議金鍍層與錫鍍層互相配對。微小移動，即微動磨損，會令錫轉移到硬度較高的金層上，之後錫會氧化並令接觸電阻上升。兩個配對部分應使用相同鍍層。
問：2.5 mm 和 2.54 mm 間距排針可以互換嗎？
只能在極少數位置上勉強使用。2.5 mm（98 mil）零件，例如 JST XH 外殼，每個位置比 2.54 mm（100 mil）短 0.04 mm（1.6 mil），十個位置後誤差會累積至 0.36 mm（14 mil）。兩端引腳會因此卡住，所以必須準確匹配間距。
問：如何將母座排針條剪至指定長度？
應在最後一個需要位置的旁邊位置剪切，因為母座排針條通常沒有可折斷線。剪切會破壞一個觸點，因此每次剪切都應預留一個犧牲位置。剪完後將切口磨平，確保外殼能夠保持方正。
問：手工焊接時如何保持排針筆直？
先只焊接最外側的一根引腳，然後檢查本體是否平整及垂直。重新加熱一個焊點很容易，但要將整排已焊接的引腳重新拉直則很困難。焊接時將排針插入配對插座，也可以保持引腳間距。
問：帶電電路板可以直接從排針上拔下嗎？
不建議直接這樣做，因為普通排針的引腳長度相同，無法保證接地會先接通。因此，電路可能在接地尚未連接前，先經由 I/O 引腳承受供電電壓。需要熱插拔時，應選擇帶有較長接地觸點的連接器。
結論
選擇合適的 PCB 排針不只是匹配引腳數量及連接器尺寸。PCB 排針同時提供電氣連接及機械支撐，因此正確選型與安裝對長期可靠性十分重要。主要考慮因素包括引腳間距、載流能力、孔徑尺寸及焊點品質。
隨著電子設備變得更小，1.27 mm 緊湊間距及表面貼裝排針正與傳統 2.54 mm 連接器一同使用。不過，較小尺寸要求 PCB 佈局、製造及組裝具有更高精度。JLCPCB 提供孔徑公差資料及通孔組裝服務，協助設計師製造可靠的 PCB 排針連接。
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重點摘要 雙重功能：同時作為電氣引腳及機械固定件；準確的孔徑可防止焊點承受過大應力。 間距與電流：2.54 mm 引腳約可承載 3 A，而 1.27 mm 引腳約可承載 1 A。 焊盤尺寸：應根據引腳對角尺寸設計鍍通孔；對於 0.64 mm 方形引腳，孔徑通常為 1.05–1.15 mm。 智能佈局：將接地引腳放在訊號旁邊以降低噪聲，並配合線纜引腳編號。 組裝規則：回流焊應使用 LCP 材料，並達到至少 75% 的垂直焊料填充率。 PCB 排針通常是電路板上最便宜的連接器，但卻承受最多的操作。線纜會插入其中，電路板也可能堆疊在其上。即使組裝完成很久之後，使用者仍可能以斜角拉扯線纜。所有這些負載最終都會集中到幾個焊點上，因為排針同時承擔兩項工作。從電氣角度看，它是一排傳輸電源及訊號的裸露短導體；從機械角度看，它是一個固定件。每根引腳都穿過鍍銅通孔，可防止拉扯線纜時將焊盤從層壓板上撕下。 圖 1：電路板上的直式、直角及堆疊式 PCB 排針 許多排針故障其實是機械問題，卻表現得像電氣問題，例如只有在線纜移動時才會斷開的焊點。將排針同時視為結構件及連接器，間距、孔徑及方向的選擇便不再是隨意決定。本指南涵蓋......
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