EN
A PCB-pad on yksi perustavimmista elementeistä painetussa piirisuunnittelu . Jokainen levylle asennettu komponentti vaatii PCB-pad:n muodostaakseen vakauden sähköisen ja mekaanisen yhteyden. Epäasianmukaisesti suunnitellun PCB-pad:n takia liitokset kuumennusliitoksina epäonnistuvat, signaalit heikkenevät ja komponentit voivat irrota lämpö- tai mekaanisen rasituksen vaikutuksesta. Tiedon siitä, mitä PCB-pad on ja miten se toimii, on välttämätöntä kaikille insinööreille, suunnittelijoille ja hankintaprosesseissa toimiville ammattilaisille elektroniikan valmistusalalla.
PCB-pad on pieni näkyvissä oleva kuparipinta piirilevyn pinnalla, johon komponentin jalka tai liitin kiinnitetään tinalla. Jokainen PCB-pad toimii tinan laskeutumisalueena, kiinnittää komponentin paikoilleen ja luo johtavan yhteyden piirilevyn piiriin. PCB-pad:n geometria, materiaali, pinnankäsittely ja sijoittelu on suunniteltu tarkasti vastaamaan komponentin jalan muotoa ja käytettyä kokoonpanomenetelmää. Tämä opas kattaa kaiken, mitä sinun tulisi tietää PCB-padeista: perusmääritelmästä eri tyypeihin, suunnittelunäkökohtiin ja yleisiin sovelluksiin.
PCB-pad:n perusmääritelmä ja toiminto
Mitä PCB-pad todella tekee
Perustasolla piirilevyn liitosalusta (pad) täyttää kaksi tehtävää: se tarjoaa kiinnityspinnan komponentin kiinnittämiseen juotolla ja yhdistää kyseisen komponentin sähköisesti muuhun piirilevyyn. Piirilevyn liitosalusta toimii rajapintana fyysisen komponentin ja levyn läpi kulkevien johtavien johdinten välillä. Kun juotos materiaali lisätään kokoonpanovaiheessa, se virtaa piirilevyn liitosalustalle, kastuttaa kuparipinnan ja kiinnittää komponentin liitoskohdan levylle. Tämän liitoksen on oltava mekaanisesti riittävän vahva kestääkseen värähtelyä, lämpötilan vaihteluita ja käsittelyä samalla kun sen sähköinen jatkuvuus säilyy koko tuotteen elinkaaren ajan.
Jokainen PCB-liitosalue on määritelty piirilevyn suunnittelutiedostoissa jalanmuoto-kirjaston avulla. Jalanmuoto määrittelee tarkasti jokaisen kytkentälevyn liitosalueen mitat, muodon ja etäisyydet tietylle komponentille. Näiden mittojen oikea määrittäminen on ratkaisevan tärkeää, sillä liian pieni PCB-liitosalue ei välttämättä pidä kiinni juotosta luotettavasti, kun taas liian suuri PCB-liitosalue voi aiheuttaa yhdistämisvirheitä vierekkäisten liitosten välillä. Suunnittelijoiden on sovitettava PCB-liitosalueen geometria komponentin tiedotiedostoon ja kokoamisprosessin toleransseihin, jotta varmistetaan tuotantohyötysuhde ja luotettavuus.
Kuparin ja pinnanpäällysteen rooli PCB-liitosalueella
Mikä tahansa piirilevyn liitosalueen perusmateriaali on kupari, joka on tyypillisesti 1 unssia tai 2 unssia neliöjalkaa kohden paksuudeltaan. Raakakupari hapettuu nopeasti, mikä heikentää juottettavuutta. Tästä syystä jokaiseen piirilevyn liitosalueeseen tehdään pinnankäsittely kokoamisen aikana. Yleisimmin käytetyt piirilevyn liitosalueiden pinnankäsittelyt ovat HASL (kuumalla ilmalla tasattu juottopinta), ENIG (katalyyttinen nikkelikylmäkultapinnoite), OSP (orgaaninen juottettavuuden säilyttävä pinnoite) ja ENEPIG. Jokainen pinnoite vaikuttaa liitosalueen säilyvyysaikaan, juottettavuuteen, tasaisuuteen ja hintaan. ENIG on laajalti suosittu ohutpiiripohjaisten piirilevyn liitosalueiden suunnittelussa, koska se tarjoaa tasaisen ja luotettavan pinnan, joka tukee tarkkaa komponenttien sijoittelua.
Piirilevyn liitosalueiden tyypit ja niiden suunnittelumuunnelmat
SMD-liitosalueet vastaan läpivientiliitosalueet
PCB-padat jaetaan kaikkiin kahden pääluokan mukaan: pinnallisesti kiinnitettävien laitteiden (SMD) padat ja läpivientipadat. SMD-PCB-pada on tasainen kuparialue piirilevyn pinnalla ilman porattua reikää. Komponentit, joissa on tasaiset liitännät, kuten vastukset, kondensaattorit ja QFP- tai QFN-pakkausmuodossa olevat integroidut piirit (IC:t), kiinnitetään suoraan näihin padoihin. SMD-PCB-padasuunnittelua suositaan nykyaikaisissa tiukkuudeltaan korkeissa kokoonpanoissa, koska se mahdollistaa komponenttien asentamisen piirilevyn molemmille puolille ja tukee tehokkaasti automatisoitua pick-and-place-kokoonpanoprosessia.
Läpivientireikäinen piirilevypadu sisältää poratun reiän piirilevyn läpi, jota ympäröi kuparirenkaan muotoinen renkaanmuotoinen metallipinta. Komponentin johto asetetaan reiän läpi ja kiinnitetään toiselle puolelle juottamalla. Läpivientireikäiset piirilevypadut tarjoavat erinomaisen mekaanisen lujuuden, mikä tekee niistä sopivia liittimiin, teholähteisiin ja fyysiselle rasitukselle alttiisiin komponentteihin. Läpivientireikäisen piirilevypadun renkaanmuotoinen metallipinta täytyy täyttää vähimmäisleveysvaatimukset, jotta luotettava johtavuus säilyy poraustoleranssien huomioon ottamisen jälkeen valmistuksen aikana.
Erikoistuneet piirilevypadumuodot
Standardien SMD- ja läpiviennin muotojen lisäksi on olemassa useita erikoistuneita piirilevypadien tyyppejä, joita käytetään edistyneissä piirilevyjen suunnittelussa. Via-padin sisällä -rakenteella tarkoitetaan piirilevypadia, johon on integroitu täytetty tai metalloitu via suoraan padin alueelle, mikä mahdollistaa tiukentuvan reitityksen komponenttien, kuten BGA-pakkausten, alla. Tätä piirilevypadimuotoa käytetään yleisesti kompakteissa laitteissa, joissa reititystila on erityisen rajallinen. Lämpöpadit ovat toinen tärkeä vaihtoehto; niitä käytetään tyypillisesti tehomuuntajapiireissä (power management ICs) ja niiden tehtävänä on johtaa lämpö komponentista pois piirilevyn kuparitasoille. Testipadi on erityisesti tarkoitettu piirilevypadi, joka sijoitetaan strategisesti sijaintiin mahdollistamaan piirilevyn testauspiirit (in-circuit testing) ilman, että asennusta häiritään.
Luotettavan asennuksen kannalta otettavia huomioon piirilevypadien suunnittelussa
Padin koko, muoto ja välimatkat
PCB-padan suunnittelussa on otettava huomioon sen koko, muoto ja etäisyys muista padoista. PCB-padan koon on oltava riittävän suuri, jotta tinalla voidaan muodostaa vahva kiinnitysfilletti komponentin liitäntäpisteen ympärille. Teollisuuden ohjeet ja IPC-standardit määrittelevät minimi- ja optimaaliset PCB-padakoot jokaiselle komponenttityypille ja pakkaustyypille. Pyöristetyt PCB-padakulmat ovat usein suositeltavia SMD-padalle, koska ne vähentävät tinan jännityskeskittymiä. Vierekkäisten PCB-padien välinen etäisyys on mitoitettava siten, että otetaan huomioon tinakerroksen toleranssit ja pastapohjan aukot, jotta estetään yhdistyminen (bridging) lämmöntuottojuottamisen aikana.
Soldermaskeavimen koko piirilevyn padin ympärillä on yhtä tärkeä. Soldermaskin määrittelemä (SMD) piirilevyn padilla avin on pienempi kuin kuparipinta-ala, jolloin soldermaskimateriaali peittää padin reunat. Ei-soldermaskin määrittelemässä (NSMD) piirilevyn padissa maskiavain on suurempi kuin kuparipinta-ala, jolloin koko piirilevyn pad jää näkyviin. NSMD-rakenteita suositaan yleensä pienien pituuksien komponenteissa, koska ne tarjoavat johdonmukaisemman liitoksen muodon. SMD- ja NSMD-rakenteen valinta kunkin piirilevyn padin tyypille tulisi olla linjassa komponenttipaketin määrittelyjen ja valmistusmahdollisuuksien kanssa.
Lämmönpoistojärjestelmä ja kuparitasojen yhteydet
Kun PCB:n liitosalue (pad) yhdistetään suureen kuparitasoon, lisätään yleensä lämmöneristyskampit. Ilman lämmöneristystä lämpö siirtyy liian nopeasti kuparitasoon juottamisen aikana, mikä estää PCB:n liitosalueen saavuttamasta tarvittavaa lämpötilaa oikean juotosliitoksen muodostumiseksi. Lämmöneristyskuvio yhdistää PCB:n liitosalueen kuparitasoon kapeiden kampien avulla, jolloin lämmön siirtyminen hidastuu riittävästi mahdollistaakseen tasaisen juottamisen. Korkean virran sovelluksissa kuitenkin kiinteät yhteydet PCB:n liitosalueen ja kuparitasojen välillä voivat olla suositeltavampia vastuksen minimoimiseksi, mikä vaatii korkeampaa juottolämpötilaa kompensoimaan tämän.
UKK
Mikä on ero PCB:n liitosalueen ja vian välillä?
PCB:n liitosalue (pad) on kuparialue piirilevyn pinnalla, jota käytetään komponentin juottamiseen. Vian (via) on porattu ja metallisoitu reikä, jota käytetään signaalien siirtämiseen piirilevyn eri kerrosten välillä. Vian sisältävä liitosalue (via-in-pad) yhdistää molemmat ominaisuudet sijoittamalla vian suoraan PCB:n liitosalueen sisälle, mikä on hyödyllistä tiukkoihin asetteluihin, joissa tarvitaan reittejä komponenttien alapuolelle.
Miksi PCB-padien koko vaikuttaa kokoonpanolaatuun?
PCB-padien koko vaikuttaa suoraan tinasulameliitosten laatuun. Liian pieni PCB-padi ei ehkä pidä riittävästi tinaa luodakseen luotettavan liitoksen, mikä johtaa kylmiin tai heikkoihin yhteyksiin. Liian suuri PCB-padi voi aiheuttaa epätasaisen tinasulametuloksen tai tinan oikosulun vierekkäisten padien välillä. Oikea PCB-padien koko, joka perustuu komponentin jalanjälkeen ja IPC-standardien määrittelyihin, on ratkaisevan tärkeä korkean kokoonpanotuottavuuden saavuttamiseksi.
Mikä pintakäsittely on paras PCB-padille?
Paras pintakäsittely PCB-padille riippuu sovelluksesta. ENIG on laajalti suosittu ohutpiiripadien suunnittelussa sen tasaisen pinnan ja erinomaisen tinattavuuden vuoksi. HASL on kustannustehokas vaihtoehto tavallisille läpiviivapadisovelluksille. OSP tarjoaa hyvän tinattavuuden ja pienemmän ympäristövaikutuksen. Oikean pintakäsittelyn valinta jokaiselle PCB-padityypille tulisi perustua säilyvyysvaatimuksiin, kokoonpanoprosessiin ja budjettirajoituksiin.