PCB上的钻孔技术:大电流电源过孔,选多大尺寸?为什么难实现0.1mm以下的钻孔?

百科   2024-10-09 19:07   北京  

随着科技的飞速发展,对PCB的精密性和集成度要求越来越高,其中钻孔技术作为PCB制造的关键工艺之一,其精度直接关系到电路板的性能和可靠性。


一、PCB钻孔的重要性

在PCB制造过程中,钻孔主要用于两方面:1.用于安装元件的通孔(Through Hole);2.用于层间电气连接的过孔(Via)。这些孔的尺寸、位置精度以及孔壁质量直接影响着电路板的电气性能和机械强度。

二、多大的孔称为小孔?

从PCB制造角度来说,0.3mm为分界点,<0.3mm的孔被称为小孔。过孔越小,越难加工,尤其是过孔大小接近工艺极限时。

纵深比定义为板厚与过孔直径的比值,纵深比越大,意味着加工难度越高。换句话说,过孔越小越难加工。难点有三:

1.难电镀。孔径的缩小会导致电镀过程中铜层难以均匀沉积,容易出现孔无铜或坏孔问题。简单说,过孔越小,沉铜直通率越低。

2.加工效率低。小孔钻刀的有效长度越短,在加工时,同一批次能够钻孔的片数就越少。这直接影响到生产效率。为避免钻头断裂,在钻小孔时,设备需要降低进刀速度,同时提高转速。这不仅会延长加工时间,还会增加钻头的磨损率。因此,在PCB设计时,尽量将过孔尺寸设计为>0.3mm,以确保加工效率和降低成本。只有在空间受限的情况下,才考虑使用小孔。

3.外径尺寸的问题。在设计导通孔或焊接孔时,需要考虑内径和外径的尺寸要求。这些参数直接影响PCB的制造工艺。以嘉立创为例,双面板和多层板最小加工参数的内径为0.15mm,外径为0.25mm。


三、大电流电源过孔,选多大尺寸?

要承受大电流的电源设计,过孔尺寸的选择很重要,直接影响到电源的再留能力、散热性能及整体电路的稳定性,那么选多大尺寸?

1.过孔尺寸推荐

内径:对于大电流电源,建议过孔内径设置为0.6~1.0mm。这一范围能够确保足够的载流能力,同时考虑到工艺实现的可行性。

外径:过孔的外径通常比内径大,以提供足够的焊环宽度,增强焊接强度和散热效果。推荐外径为0.8~1.2mm,具体取决于内径尺寸和PCB板材的铜箔厚度。

焊环宽度:焊环宽度是过孔外径与内径之差的一半。对于大电流应用,焊环宽度应至少为0.1mm,以确保良好的焊接质量和散热性能。

2.具体数据示例

内径:0.8mm

外径:1.0mm

焊环宽度:0.1mm

3.注意事项

在设计过程中,还需考虑PCB板材的铜箔厚度,较厚的铜箔能够承载更大的电流,但也会增加成本和加工难度。过孔数量也是影响载流能力的关键因素,对于大电流电路,应适当增加过孔数量以分散电流,降低单点过热风险。布局时,应确保过孔均匀分布,避免局部电流密度过大。

1oz:PCB温度升高10°C时不同过孔直径的电流容量(根据 IPC-2152 标准)

四、过孔(Via)和元件孔(Pad)有何区别?

在PCB中,孔分为过孔(Via)和元件孔(Pad),一定不要混用。过孔一般是起到两面导通的作用,加工过程常规是选择盖油处理。元件孔(Pad)通常是设计成插件孔,在插件焊接时使用。

如果混用过孔(Via)和元件孔(Pad):一种情况是误将过孔(Via)属性用于插件封装中当做元件孔,选择过孔盖油时,插件孔会被油墨盖住或者堵住,且大小无法达到有效控制。另一种情况是误将元件孔(Pad)当做过孔使用,那么软件自动关闭过孔开窗时,无法有效识别,会导致需要盖油的过孔无法盖油。

五、槽孔设计有哪些注意事项?

在一些特殊的封装中,槽孔是必不可少的设计元素。设计槽孔时,有两个关键点需特别注意:
1.“短槽”是PCB钻孔中最难加工的。槽长小于槽宽两倍的槽孔称之为短槽。由于槽长小于槽宽两倍,所以钻了首孔再钻尾孔时,会导致钻刀部分在基材上,部分悬空,在受力不均的情况下,会导致槽孔钻歪或偏短。因此,建议槽孔设计的最佳长宽比为长/宽≧2.5
2.设计槽孔时,建议选择喷锡工艺,尤其是槽孔长度超过5mm,槽孔两面环宽最好大于0.3mm(极限为0.2mm),或者采用沉金工艺。如果槽孔环宽小于0.3mm,在喷锡过程中,喷锡冲压力太大,容易出现爆孔问题。如果一面孔环铜皮符合要求,而另外一面没有铜环的情况。这种单边铜环的槽孔,更容易受到冲击,导致爆孔。当槽孔密集排列时,基材的经纬线可能在钻孔过程中被破坏,进而导致喷锡时出现爆孔问题。这种特殊形态的设计,建议使用沉金工艺。
喷锡爆孔(左侧和右侧所示)

六、为什么PCB难实现0.1mm甚至更小的钻孔?

如今,PCB的钻孔技术已能够达到极高的精度,但要实现0.1mm甚至更小的孔径,仍面临诸多挑战:

1.机械限制:传统的机械钻孔依赖于高速旋转的钻头来穿透铜箔和基板材料。当孔径接近或小于0.1mm时,钻头的刚性、稳定性和耐用性成为巨大挑战。微小的钻头极易弯曲或断裂,且高速旋转产生的热量可能烧蚀钻头或损坏板材。

2.精度控制:随着孔径减小,对钻孔定位精度的要求呈指数级增长。即便是极其微小的位置偏差,也可能导致孔偏或孔壁不平滑,影响后续的电镀和焊接过程,从而降低电路板的整体性能。

3.材料问题:PCB基材多为玻璃纤维强化树脂(FR-4)等复合材料,这些材料在被极细钻头加工时容易产生分层、毛刺等问题,特别是对于超薄板或高TG(玻璃转化温度)材料,加工难度更大。

4.成本考量:实现超微小孔径的钻孔需要高端的设备、精密的工具以及严格的质量控制流程,这无疑会大幅增加生产成本。


鉴于0.1mm及以下微孔钻孔的挑战,业界已探索出几种替代技术:

1.激光打孔:利用激光高能量密度特性,可以直接在PCB上形成微小孔洞,避免了机械钻头的物理接触,提高了精度和效率,尤其适合高密度互连(HDI)板和多层板的微孔制作。

2.电镀填孔:对于已经存在的微小孔,通过化学镀铜或电镀铜来填充并平滑孔壁,确保良好的导电性和机械强度。

3.埋盲孔技术:在多层板的制造过程中,预先设计和定位孔位,通过特殊工艺在特定层间形成非穿透的盲孔或埋孔,减少对超精细钻孔的需求。




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