PCB 導孔設計指南:最佳實踐、技巧與關鍵考量
1 分鐘
- 導孔可以設計成任意尺寸嗎?
- 小孔設計的關鍵考量
- 槽孔設計注意事項
- 導孔與元件孔的區別
- 總結
高品質的 PCB 設計不僅需要創新的理念,還依賴對 PCB 製造工藝的深入理解。導孔設計作為 PCB 設計中的關鍵步驟之一,對 PCB 的性能與製造效率都至關重要。
導孔可以設計成任意尺寸嗎?
要回答這個問題,我們先來了解 PCB 上的孔是如何製作的。
1. 裁板:PCB 製造商使用自動裁板機將大張的覆銅板裁切成生產所需的特定尺寸。裁切前的覆銅板如下圖所示:
2. 鑽孔:CNC 鑽孔機會在覆銅板的指定位置精準鑽孔。由於鑽頭是圓形的,只能鑽出圓孔,無法加工方孔。
舉例來說,如果把一顆圓形乒乓球放在直角角落,球面與角落之間會出現縫隙,這個縫隙就是所謂的「R 角」。同樣地,因為鑽頭是圓的,所以無法做出方孔。
在 JLCPCB,採用機械鑽孔進行 PCB 加工。鑽頭規格以 0.05 mm 為最小遞增單位,圓形鑽頭直徑範圍為 0.15 mm 至 6.30 mm。最小槽孔鑽頭尺寸為 0.65 mm(金屬化槽孔),非金屬化銑刀最小為 1.0 mm。
因此,設計 PCB 時導孔並不能隨意設定大小。
小孔設計的關鍵考量
多小的孔算小孔?一般將小於 0.3 mm 的孔視為小孔。孔徑越小,加工難度越高,尤其當接近製程極限時,會涉及一個業界術語「縱橫比」。
- 縱橫比:板厚與孔徑的比值。縱橫比越大,加工難度越高;換言之,孔徑越小越難製作。
1. 電鍍困難:孔徑變小後,電鍍時銅不易均勻沉積,容易出現導通不良或孔壁缺陷。簡言之,小孔鍍銅成功率較低。
為確保 PCB 品質,JLC 採用四線低阻測試檢測孔壁鍍銅狀況,相較傳統方法精度更高,更易挑出缺陷孔,保障產品可靠性與品質。
2. 加工效率低:小鑽頭有效長度短,導致一次可鑽板數減少,直接影響生產效率。為防止斷針,需降低進刀速度並提高轉速,不僅增加加工時間,也加速鑽頭磨損。
因此,PCB 設計中建議將導孔設計在大於 0.3 mm,以確保加工效率並降低成本;僅在空間受限時才考慮小孔。
3. 外徑問題:設計通孔或焊盤孔時,需同時考慮內徑與外徑要求,這些參數直接影響 PCB 製造流程。
在 JLCPCB,雙面板與多層板最小內徑為 0.15 mm,最小外徑為 0.25 mm。JLC 現已可生產最高 32 層的高多層板,憑藉自有超高層技術與樹脂塞孔技術,可實現最小孔徑 0.15 mm、最小線寬/間距 0.0762 mm,並支援上百種壓合結構。六層以上板材採用樹脂塞孔加電鍍蓋帽,使導孔可直接做在焊盤上,焊盤更平整,走線空間更大。
此外,若環寬過小,製程中設備偏差可能導致鑽孔與底片對位偏移,造成孔位偏移。
這種偏移會減少焊盤有效面積,增加製造缺陷,甚至導致電氣連接失效。因此,設計合理的環寬並考慮製程公差,是確保 PCB 品質與可靠性的關鍵。
槽孔設計注意事項
除了小孔,槽孔設計也不容忽視。槽孔是某些特殊封裝不可或缺的設計元素,設計時應注意以下兩大重點:
1. 短槽孔:短槽孔是 PCB 鑽孔中最難加工的部分。短槽孔定義為槽長小於槽寬兩倍的槽孔。由於槽長不足槽寬兩倍,鑽頭在起鑽與結束時會部分在基材、部分懸空,受力不均導致槽孔偏移或長度不足。因此,槽孔設計建議最佳長寬比為 長度/寬度 ≧ 2.5。
2. 長槽孔:設計長槽孔時建議選用噴錫(HASL)製程,尤其當槽長超過 5 mm 時,槽孔環寬最好大於 0.3 mm(極限 0.2 mm),或改用沉金製程。若環寬小於 0.3 mm,噴錫時附著力不足,可能因熱應力產生爆裂。單面銅環的槽孔亦容易爆裂。
當槽孔密集排列時,鑽孔過程可能破壞基材經緯線,導致噴錫時爆裂。此類特殊設計建議採用沉金製程。
導孔與元件孔的區別
PCB 中的孔徑分為導孔(Via)與元件孔(Pad),兩者功能與製程要求不同,不可混用。
- 導孔(Via):主要用於層間訊號連接,通常會做防焊覆蓋。
- 元件孔(Pad):一般設計為通孔,用於安裝與焊接元件。
兩者可能混用的情況有兩種:
1. 誤將導孔屬性用於電鍍通孔:若把導孔當作電鍍通孔,防焊覆蓋可能堵塞孔口,導致元件無法正常插入。
2. 誤將元件孔設為導孔:若將元件孔錯設為導孔,且訂單要求覆蓋防焊,元件孔裸露的銅面會被防焊覆蓋,影響焊接品質。
總結
1. PCB 設計中導孔尺寸不能隨意設定。
2. 小於 0.3 mm 的孔屬於小孔,孔徑越小越難電鍍,加工效率降低,且可能產生對位問題。
3. 短槽孔加工困難,建議長寬比 ≥ 2.5。
4. 槽孔設計應確保環寬大於 0.3 mm(極限 0.2 mm),若空間不足則改用沉金製程。
5. 避免混淆導孔(Via)與元件孔(Pad)。
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