Kilpaholkkasuunnittelu: PCB-kilpaholkit moduuleille

Johdanto

Modernin PCB-suunnittelun ytimenä ovat tehokkuus, skaalautuvuus ja modulaarisuus. IoT-kasvun sekä kuluttajaelektroniikan ja teollisen ohjausteknologian edistymisen ajamana on kasvava markkinakysyntä joustavasti suunnitelluille ja helposti asennettaville laitteille. Juuri tässä yhteydessä valssattujen reikien teknologia (myös nimellä PCB-valssaus tai puolilakatut reiät) on noussut esiin, tuoden muutoksia kaikille vaiheille prototyyppejä varten massatuotantoon.

Kastellit muuttavat siten, miten insinöörit kiinnittävät yhden piirilevyn toiseen. Kastelloidun reiän menetelmä mahdollistaa moduulien suoran juottamisen pääpiirilevylle tai isommalle painetulle piirilevylle, korvaten perinteiset liitäntätavat, jotka perustuvat liittimiin ja johtoihin. Tämä innovaatio yksinkertaistaa perustavanlaatuisesti kokoonpanoprosessia samalla kun parantaa pintaliitosasennuksen tehokkuutta ja luotettavuutta. Suurissa tuotantomäärissä ja monimutkaisissa piirilevyjen asettelussa – kuten Raspberry Pi Picon tai mukautetuissa langattomissa viestintämoduuleissa – kastelloitujen reikien käyttöönotto ei ainoastaan edesauta nopeaa kehitystä, vaan varmistaa myös vakaiden sähköliitosten ja mekaanisen kestävyyden.

Mitä ovat kastellit Aukot piirilevyllä?

Kastelloidut reiät ovat ainutlaatuisia, puoliympyrän muotoisia vias, jotka ovat osittain paljastettuja piirilevyn reunalla. Nämä reiät ovat yleensä läpiviamuotoisia, joita on jyrsitty CNC-jyrsimellä tai reittein, kunnes niistä on jäljellä vain puolet, ja ne ovat näkyvissä levyn reunassa. Tämä luo yleisesti kutsutun puolireiän, puoliviatun reiän, puoliviatun reiän tai puolileikatun reiän.

Kastellaatiot mahdollistavat moduulin toiminnan suuren pintaliitoskomponentin tavoin. Moduuli on suunniteltu reikien kera sen reunalle (usein vastaamaan vakiomittaista läpiviamuotoisten reikien jakoa), ja nämä reiät juotetaan päälevyn padoille – saaden alipiirit täydellisesti kohdistettua saumattomaan integrointiin.

Avainominaisuudet

• Puoliviatu rakenne : Jokainen reikä on vain osittain upotettu piirilevyyn, ja toinen reuna on avoinna.
• Pintajuotaminen : Moduuli ja levy liitetään toisiinsa juottamalla nämä puolireiät vastaaville padoille.
• Viatu reuna : Sisäinen kuparipinnoitus, kuten tavallisessakin viassa, takaa asianmukaisen sähköisen yhteyden, vaikka via on avoinna levyn reunaan.
• Tilankäytön tehokkuus : Linnoitetut reiät yksinkertaistavat asennusta, erityisesti tilan ollessa rajallinen tai pystysuora profiili minimoitava.

Linnoitettujen reikien kehitys ja tarkoitus

Linnoitteiden käyttö merkitsee merkittävää kehitystä piirilevyjen kokoonpanoprosessissa ja modulipohjaisessa tuotesuunnittelussa. Sähköisten liitosteknologioiden alalla varhaiset ratkaisut perustuivat voimakkaasti läpivientikomponentteihin ja suuriin liittimiin. Nykyään miniatyrisoinnin ja modulaarisuuden vahvojen trendejen ajamana tehokkaampia ratkaisuja kehitetään jatkuvasti.

Miksi linnoitetut reiät?

• Tehokas moduulien kokoonpano : Kytkentälangattomat tiedonsiirtomoduulit, RF-moduulit tai mitä tahansa mukautettuja PCB-moduuleja helposti kantolevyille juottamalla.
• Massantuotanto : Osapiirien voidaan valmistaa massatuotantona erillisinä moduuleina, jotka liitetään lopullisessa kokoonpanossa päälevylle linnoitusten avulla.
• Nopea tuotekehitys : Korvaa tai päivitä moduuli ilman, että pääkorttia on tarpeen muokata uudelleen.
• Tilaa koskevat rajoitukset : Tämä ratkaisu on erinomainen vaihtoehto korkealuokkaisiin kuluttajaelektroniikka- ja teollisuuden ohjaussovelluksiin, joissa PCB:n tila on erittäin rajallinen.
• Parantunut signaalien suorituskyky : Peitetyt reunat ja suora juottaminen vähentävät vastusta ja mahdollista signaalihäviötä verrattuna liittimiin perustuviin kokoonpanoihin.

PCB-reunauksen tyypit

PCB-reunauksia voidaan räätälöidä erilaisiin kiinnitys- ja kokoonpanotarpeisiin:

Täysreunaukset

Nämä ovat puoliksi leikattuja läpiviatoja, jotka sijaitsevat tarkalleen piirilevyn reunalla. Ne tarjoavat vahvan mekaanisen tuen ja maksimaalisen sähköisen yhteyden, ja niitä käytetään yleisesti tehomoduuleissa ja teollisuuden piirilevyissä.

Osittaiset reiät

Joskus vain osa viasta jätetään näkyviin reunassa, mikä tunnetaan nimellä osittainen reikä. Tätä menetelmää käytetään silloin, kun asettelurajoitteet tai liitäntöjen määrä edellyttävät tilan säästöä kuitenkaan heikentämättä sähköistä yhteyttä.

Vaihtuva/päällekkäinen loviointi

Sawun terän kaltainen tai vaihteleva reikäkaavio, jota käytetään usein HDI-piirilevyillä tai kun tarvitaan lisätä nastojen tiheyttä reunan pituussuunnassa. Tämä tekniikka on olennainen viestintäpiirilevyissä tai monityyppisten signaalien poistolevyissä.

Lovioidut rei'it -konfiguraatiot ja asennustekniikat

Lovioitujen reikien avainparametrit (määrä, välimatka, järjestely) eivät ole kiinteitä, vaan ne määräytyvät lopullisen sovelluksen suunnitteluvaatimusten perusteella.

Yhden rivin loviointi

Yleensä yksi rivi lovioituja reikiä sijoitetaan moduulin reunalle. Reikien määrä riippuu tarvittavista toiminnoista – enemmän nastoja monimutkaisia prosesseja varten, vähemmän yksinkertaisia poistolevyjä varten.

Kaksirivinen tai vaihtuva kaavio

Vaihtuvat tai kaksiriviset lohko-onteloiden asettelut optimoivat maadoitusviittaukset ja signaalitiet, tarjoten perustavanlaatuisen varmuuden korkean nopeuden signaaleille (kuten USB, HDMI ja RF). Tämä edustaa keskeistä suunnittelumetodologiaa huippuluokan piirilevyjen suorituskyvyn parantamiseksi.

• Asennusohjeet : Lohko-onteloiden välimatkan suunnittelun on täsmälleen vastattava pääpiirilevyn liitinjalkojen välimatkaa, mikä on edellytys tarkalle kohdistukselle ja vankalle asennukselle.

Mekaaniset kiinnitysreijät

Lohko-onteloiden lisäksi voidaan käyttää standardikokoisia kiinnitysreikiä (kiiltoamatonta tai täysin päällystettyä) lisämekaanista kiinnitystä varten, erityisesti moduuleissa, jotka kokevat värähtelyjä tai mekaanista rasitusta teollisissa tai autoteollisuuden ympäristöissä.

Kuinka lohko-onteloita valmistetaan?

Laadukkaiden lohko-onteloiden valmistus piirilevyillä vaatii useita erikoistuneita piirilevyjen valmistusvaiheita:

• Poraus ja metallipäällyste levitettyjen reikien poraus tehdään levyn reunan läheltä, ja ne hopeoidaan varmistaakseen sähköisen yhteyden.
• Reititys ja jyrsintä cNC-jyrsintä poistaa ulkoisen reunan piirilevystä, jolloin puoliksi hopeoitu reikä paljastuu ja muodostaa linnoitetun reunan.
• Laatujärjestelmä on varmistettava, ettei kuparipiiloihin synny piikkejä, renkaan koko säilyy ennallaan eikä paljastuneelta kuparipinnalta irtoa. Kohdistuksen ja siistin viimeistelyn tarkastus on erittäin tärkeää.
• Vihreä maali ja pintakäsittely estetään maalin leviämistä reikien yli ja määritellään pintakäsittely (ENIG, HASL jne.) suunnitteluohjeiden mukaisesti asennusprosessia varten.

Valmistustaulukon esimerkki :

Suunnitteluohjeet ja parhaat käytännöt

Laadukas PCB-suunnittelu ja luotettava moduuli-päälevy-liitos perustuvat todistettujen suunnitteluohjeiden noudattamiseen PCB-projektien kärkireunallisten reikien osalta:

Ydinohjeet suunnitteluun

1. Minimireikäkoko : 0,5 mm – 1,2 mm on standardi kärkireunallisuudelle riippuen signaalin/virran tarpeista.
2. Reunaväli : Pidä vähintään 1,0 mm väli PCB-reunan ja muiden piirteiden tai kuparitäyteiden välillä oikosulujen välttämiseksi.
3. Rengas : Vähintään 0,25 mm leveyden tulee olla jokaisen reiän ympärillä luotettavaa pinnoitetta ja juotosulaa varten.
4. Pinnan muoto ja sijoitus : Jokaista pinnia/levyä pitää kohden vähintään puolet pinneistä tulisi säilyä kytkennän jälkeen PCB:llä.
5. Välistys ja jako : Sijoita reiät moduulin vaatimusten ja pääkortin pinnan asettelun mukaisesti; asianmukainen välistys estää ylitykset ja helpottaa automatisoitua PCB-asennusta.
6. Mekaaninen vahvistus : Mekaaniselle rasitukselle alttiiden moduulien kohdalla käytetään lisäkiinnitysreiät ja paksumpia kuparikerroksia.
7. Juotosmaskin väli : Varmista riittävä vapaa tila PCB-laatassa, jotta mitään juotosuojamaalia ei peitä tai osittain peitä kantapalkkireunustaa tai puolireikiä.

Lisäsuunnittelun PCB-vinkit

• Monirivisissä tai vaiheistetuissa rei'ityksissä (yleisiä Raspberry Pi -lisäosissa tai HDI-laudoissa) tarkista, että PCB-suunnitteluohjelmisto tukee monimutkaisia reikäkonfiguraatioita 'reunalla'.
• Korkeataajuus- tai langattomissa viestintämoduleissa suunnittele maadoitettuja kantapalkkireikiä signaalijohtojen väliin melun vähentämiseksi ja signaalin eheyden maksimoimiseksi.
• Testaa tarkkuutta tulostamalla 1:1-mittakaavainen kopio PCB-laatasta ja asettamalla komponentit tai testilaudat manuaalisesti paikoilleen ennen lopullisen suunnitelman vahvistamista.

Käytännön insinöörivinkit

• Reflow-kiinnitys : Suosi mahdollisuuksien mukaan reflow-juotosta ammattimaisesti suunnitellulla stensillillä—tämä parantaa yhdenmukaisuutta, erityisesti silloin, kun reunalla on paljon liitäntäpisteitä, kuten Raspberry Pi Pico -laitteissa tai muissa edistyneissä moduleissa.
• Manuaalinen hankaus : Käytä kapeakärkistä, lämpötilaa säädettävää juotosraudan ja runsaasti juotospastaa saadaksesi puhtaat liitokset puolittain metallisoituun reikään.
• Mekaaninen tuki : Suurille tai raskaammille moduleille yhdistä kantapalkin reunat asennusreikien kanssa vähentääksesi rasitusta juotoksissa.
• Tarkastus : Käytä vahvaa suurennuslasia tai mikroskooppia tarkistaessasi juotesiltoja tai kylmiä liitoksia kokoonpanon jälkeen, erityisesti tiheästi pakatuilla viestintä-PCB:illä.
• Testaus : Tee aina jatkuvuus- ja toimintatestaus jokaiselle kantapalalle, äläkä tyydy pelkkään visuaaliseen tarkistukseen. Herkät piirit (kuten Bluetooth- tai Wi-Fi-modulit) vaativat virheettömiä yhteyksiä.

Kantapalereikien sovellukset

Kantapalereikien ja PCB-kantapalojen sovellusten kirjo on valtava, ulottuen paljon tavallisten harrastepaneelien yli:

• Langattomat viestintämodulit : GSM-, Bluetooth-, Zigbee- ja Wi-Fi-liitäntämodulit juotetaan isommille piirilevyille – mahdollistaen nopean, liittimettömän laajennuksen kuluttaja- ja teollisuus-IoT:ssa.
• Teollisuuden ohjaus ja BMS kavennetuilla moduuleilla yksinkertaistetaan skaalautuvaa PCB-suunnittelua monilevyisissä akkujärjestelmien hallintajärjestelmissä, relelevyissä ja anturiryhmissä.
• Raspberry Pi ja Pico -ekosysteemi lisäosat pienille tietokoneille, mukaan lukien kommunikointi-, näyttö- ja anturilevyt, kiinnittyvät suoraan kavennusten ja kiinnitysreikien avulla – ei tarvitse käyttää päätyliittimiä.
• Prototyyppi ja koulutus vaihda alipiirejä nopeasti tuotekehitykseen tai luokkahuoneprojekteihin.
• Kulutuselektroniikka korkealuokkaisten laitteiden kavennukset mahdollistavat entistä kompaktimmat PCB:t vähemmällä liittimillä ja paremmalla luotettavuudella.

Rajoitukset, ansat ja ratkaisut

Vaikka kavennetut reiät mahdollistavat modulaarisuuden ja nopean integroinnin, ne aiheuttavat erityisiä huomioon otettavia seikkoja:

• Mekaaninen hauraus pelkästään puolikkaasti juotettuihin reikiin perustuvat moduulit voivat vahingoittua värähtelyssä tai toistuvassa rasituksessa. Ratkaisu: yhdistä mekaanisten kiinnitysreikien kanssa, tai pinnoita PCB:n reuna lisävahvuutta varten.
• Juotosylitys : Pienitoleranssisten PCB-moduulien käsijäätäminen voi olla vaikeaa. Ratkaisu: käytä reflow-jäätämistä ja testaa ylitykset kaikista eri rei'istä.
• Kokoonpanon tarkkuus : Epätarkka kohdistus voi johtaa epäonnistuneisiin liitoksiin. Ratkaisu: käytä kohdistusrei'istä tai silkkipainekuvausohjeita ja sijoita asianmukaisiin työkaluihin massavalmistusta varten.
• Ei sovellu suurille virroille : Käytä tavallisia vias tai täysläpivia virtasiirtoon, ja varaa kasteloidut reiät signaaliviivoille.

Kastelloidut rei'it vs. tavalliset PCB-rei'it

Kustannukset, skaala ja teollisuuden trendit

Vaikka PCB-kastelointi aiheuttaa hieman korkeammat yksikköhinnat lisätyöstön ja viimeistelyn vuoksi, sen edut modulaarisuudessa, asennusnopeudessa ja pää-PIR:n tilansäästössä painavat alkuhintoja merkittävästi enemmän, erityisesti kun alipiirit voidaan valmistaa massatuotantona. Kokoonpanoprosessi myös lyhenee huomattavasti, koska kiinnitysreikiä ja liittimiä ei tarvita tai niiden määrää vähennetään.

PCB-teollisuudessa yhä useampi tietoliikennemoduuli, kuluttajaelektroniikka ja IoT-laite käyttää kastelointia nopeiden 'liitä ja käytä' -tuotejulkistusten ja helpomman ohjelmiston tai laitteiston versionhallinnan saavuttamiseksi. Monet PCB-valmistajat tarjoavat nykyisin erityisiä kastelointipalveluita prototypointiin ja sarjatuotantoon, mikä tekee tästä tekniikasta saatavilla sekä aloittelijoille että yritysten tasoisille tiimeille.

UKK: Kastelloidut reiät ja PCB-kastelointi

K: Voivatko kastelloidut reiät soveltua korkean tehon signaaleihin?

V: Alhaisiin ja keskisuoriin virtasovelluksiin riittävät loventetut reiät; korkeaan virtaan (2 A) lisätään pinnoitettuja läpivientireikiä tai reunapinnoitettuja napoja.

K: Mikä PCB-suunnittelutyökalu tukee loventamista?

V: Kaikki suuret EDA/PCB-suunnittelualueplatfomrat (Altium, Eagle, KiCad jne.) voivat suunnitella puolipinnoitettuja reikiä ja levyn reunoja; käytä mekaanisten kerrosten piirroksia tarkkuuden varmistamiseksi.

K: Tulisiko käyttää loventamista vai liittimiä PCB-moduulin kiinnitykseen?

V: Valitse loventaminen, kun tila on rajoitettu, miniatyrisointi on kriittistä tai SMT-pohjaisille assemblin linjoille. Käytä liittimiä helpompaa käsiasennusta tai toistuvaa yhdistämistä/irrottamista varten.

K: Kuinka monta reikää moduulissa tulisi olla?

V: Reikien määrä riippuu signaali- ja teho-/maadoitusvaatimuksista; noudata aina asianmukaisia välimatkoja ja IPC-suunnitteluohjeita luotettavuuden varmistamiseksi.

K: Soveltuvatko lovennetut suunnitelmat kuluttaja- ja teollisuuselektroniikkaan?

A: Ehdottomasti – korkealuokkaiset kuluttajaelektroniikka, teollisuuden ohjausjärjestelmät ja jopa langattomat viestintämoduulit käyttävät yhä enemmän loventettuja reunoja vahvan integraation saavuttamiseksi.

Yhteenveto: Miksi loventaminen säilyy

Innovatiivisena liitosteknologiana PCB:n lovennetut reiät yhdistävät pintaliitosrakenteen kompaktiuden ja metallisoitujen läpäreikien vankkuuden tarjoten suunnittelijoille kypsän ja luotettavan joustavan ratkaisun. Tämä erinomainen moduuliasennus-, toiminnallinen laajennus- ja valmistettavissa olevien alipiirien tuotantoratkaisu on vakiinnuttanut asemansa esimerkillisenä prosessina, joka edistää nopeaa kehitystä IoT:ssä, modulaarisissa laitteissa ja kuluttajaelektroniikassa.