מהו פד בלוח מעגלים מודפס (PCB): כל מה שצריך לדעת על פדים בלוחות מעגלים מודפסים

א פד בלוח מעגלים מודפס (PCB) הוא אחד האלמנטים הבסיסיים ביותר בעיצוב עיצוב לוח מעגלים . כל רכיב המורכב על הלוח מסתמך על פד בלוח מעגלים מודפס כדי ליצור חיבור חשמלי ומכני יציב. ללא פד מתאים בעיצובו, מחברי הלחיצה נכשלים, האותות מדרדרים והרכיבים עלולים להתנתק תחת לחץ תרמי או מכני. הבנת מהו פד בלוח מעגלים מודפס (PCB) ואיך הוא פועל היא ידע חיוני לכל מהנדס, מעצב או איש רכש העוסק בייצור אלקטרוניקה.

מגע לוח מעגלים מודפס (PCB pad) הוא שטח קטן של נחושת חשופה על פני לוח המעגלים המודפס, אשר אליו מחברים את הרגל או הקצה של רכיב באמצעות לחישה. כל מגע PCB משמש כאזור נחיתה עבור החישוק, ומאפשר למקם את הרכיב במקום וליצור מסלול מוליך לתוך מערכות הלוח. הגאומטריה, החומר, השכבה העליונה והמיקום של מגע PCB מתוכננים בקפידה כדי להתאים את עקיפת הרכיב ואת תהליך ההרכבה הנעשה. מדריך זה כולל את כל מה שצריך לדעת על מגעי PCB – מההגדרה הבסיסית ועד לסוגיהם, שיקולי העיצוב שלהם ויישומים נפוצים.

הגדרה ותפקידה המרכזיים של מגע PCB

מהו התפקיד האמיתי של מגע PCB

ברמה היסודית ביותר, מטרת המגש של לוח החיבור (PCB) היא כפולה: הוא מספק משטח שניתן לחזק בו בעזרת לחצן כדי לחבר רכיב, והוא מקשר את הרכיב הזה חשמלית לשאר המעגל. מגש לוח החיבור מהווה את הממשק בין הרכיב הפיזי לבין הפסים מוליכים שמתואמים בתוך הלוח. בעת הלחיצה במהלך ההרכבה, הלחצן מתפשט על מגש לוח החיבור, נרחה על פני השטח הנחושתי ומחבר את קצה הרכיב ללוח. החיבור הזה חייב להיות חזק מספיק מבחינה מכנית כדי לעמוד ברטט, בשינויי טמפרטורה ובתהליכים של טיפול ידני, תוך שמירה על הרציפות החשמלית לאורך כל תקופת חיים של המוצר.

כל פד של PCB מוגדר בקבצי העיצוב של הלוח באמצעות ספריית טביעות רגליים. הטביעה מגדירה את הממדים המדויקים, הצורה והמרווחים של כל פד של PCB הקשור לרכיב מסוים. חשוב מאוד לקבוע את הממדים הללו כראוי, מכיוון שפד קטן מדי עלול לא להחזיק את הלחיצה באופן אמין, בעוד שפד גדול מדי עלול לגרום לחיבור (Bridging) בין חיבורים סמוכים. המעצבים חייבים להתאים את הגאומטריה של פד ה-PCB לנתוני הרכיב כפי שמופיעים בגיליון הנתונים שלו ולספיגת התהליך של ההרכבה כדי להבטיח יעילות ואמינות.

התפקיד של הנחושת והסיום המשטחי על פד של PCB

החומר הבסיסי של כל פד בלוח מעגלים מודפס (PCB) הוא נחושת, בדרך כלל בגודל 1 אונקיה או 2 אונקיות לרגל מרובע בעובי. הנחושת הלא מעובדת מחזרה במהירות, מה שפוגע באיכות החיבור בלחיצה. מסיבה זו, כל פד בלוח מעגלים מודפס עובר טיפול במגמת שטח במהלך הייצור. מגמות שטח נפוצות המופעלות על פד בלוח מעגלים מודפס כוללות את HASL (השוואת לחצן אוויר חם), ENIG (ניקל כימי ללא זרימה עם ציפוי זהב טרי), OSP (שימור אורגני לאיכות החיבור בלחיצה) ו-ENEPIG. כל מגמה משפיעה על תקופת האחסון, על איכות החיבור בלחיצה, על השטיחות ועל המחיר של הפד בלוח מעגלים מודפס. ENIG מועדפת באופן רגיל עבור תבניות פדים בלוחות מעגלים מודפסים בעלי מבנה דק, מכיוון שהיא מספקת שטח שטוח ואמין שמאפשר מיקום מדויק של רכיבים.

סוגי פדים בלוחות מעגלים מודפסים והשונות בתכנון שלהם

פדים לרכיבים משטחיים (SMD) לעומת פדים לרכיבים דרך-החור

שתי הקטגוריות העיקריות של פד לוחות הדפס (PCB) הן פדים להרכבה על פני השטח (SMD) ופדיס לחדירה דרך הלוח. פד PCB מסוג SMD הוא אזור נחושת שטוח על פני הלוח ללא חור נקוב. רכיבים עם טרמינלים שטוחים, כגון נגדים, קondenסורים ורכיבי IC בא_PACKAGES QFP או QFN, מותקנים ישירות על הפדים הללו. עיצובי פדים מסוג SMD ל-PCB מועדפים בהרכבות מודרניות בצפיפות גבוהה, מכיוון שהם מאפשרים התקנת רכיבים משני צדי הלוח ותומכים בתהליכי הרכבה אוטומטיים (pick-and-place) באופן יעיל.

לוחית PCB מסוג חור-עובר כוללת חור נקבוב שנחצב דרך הלוח, שסגור על ידי טבעת עגולה של נחושת. הרגל של הרכיב מוכנסת דרך החור ומחוברת בלחיצה על הצד הנגדי. לוחיות PCB מסוג חור-עובר מספקות חוזק מכני מעולה, מה שהופך אותן מתאימות למתחברים, טרמינלים לחשמל ולרכיבים המודפים ללחץ פיזי. הרוחב המינימלי של הטבעת העגולה של לוחית PCB מסוג חור-עובר חייב לקיים דרישות מינימליות כדי לשמור על מוליכות אמינה לאחר שמתבצעות סיבתיות הנקב במהלך הייצור.

פורמטים מיוחדים של לוחיות PCB

מעבר לפורמטים הסטנדרטיים של SMD ולחורים-דקיקים (through-hole), קיימים מספר סוגי פדים ללוחות מעגלים מודפסים (PCB) מיוחדים המשמשים בעיצוב לוחות מתקדמים. פד עם חור-דקי בתוך הפד (via-in-pad) הוא פד לוח מעגלים מודפס שכולל חור-דקי ממולא או מצופה ישירות בתוך אזור הפד, מה שמאפשר ניתוב בצפיפות גבוהה מתחת לרכיבים כגון אריזות BGA. פורמט זה נפוץ במכשירים קומפקטיים שבהם שטח הניתוב מוגבל ביותר. פדים תרמיים הם וריאציה חשובה נוספת, אשר בדרך כלל נמצאים מתחת לרכיבי IC לניהול הספק והם משמשים להולכה של חום מהרכיב אל מישורי הנחושת של הלוח. פד לבדיקה (test pad) הוא פד לוח מעגלים מודפס ייעודי המוצב במיקומים אסטרטגיים כדי לאפשר לחיישני בדיקה תוך-מעגלית לגעת בלוח ללא הפרעה להרכבה.

היבטים לעיצוב פדים ללוחות מעגלים מודפסים לצורך הרכבה אמינה

כללים לגודל, צורה ומרחק בין פדים

עיצוב פד לוח הפלטפורמה (PCB) בצורה נכונה דורש תשומת לב לגודל, לצורה ולמרחקים. גודל הפד בלוח הפלטפורמה חייב לספק שטח מספיק לסולדר כדי ליצור חיבור חזק סביב הطرف של הרכיב. הנחיות התעשייה ותקנים של IPC מגדירים ממדים מינימליים ואופטימליים לפדי לוח הפלטפורמה עבור כל סוג רכיב ואריזה. קצוות מעוגלים של פדי לוח הפלטפורמה נפוצים יותר לפדי SMD מכיוון שהם מפחיתים את נקודות המתח המרכזיות של הסולדר. המרחק בין פדים סמוכים בלוח הפלטפורמה חייב להתחשב בסעיפי סובלנות מסכת הסולדר ובפתחי הסטנציל לסולדר כדי למנוע חיבור לא רצוי (bridging) במהלך תהליך הסולדר החום.

הפתיחה של מסכת הלחיצה סביב פד לוח מעגלים מודפס (PCB) היא חשובה באותה מידה. פד PCB המוגדר על ידי מסכת הלחיצה (SMD) כולל פתיחה קטנה יותר מאזור הנחושת, מה שנותן חפיפה של חומר המסכה על קצות הפד. פד PCB שאינו מוגדר על ידי מסכת הלחיצה (NSMD) כולל פתיחה של המסכה גדולה יותר מאזור הנחושת, מה שמשאיר את כל הפד חשוף. תצורות NSMD מועדפות בדרך כלל עבור רכיבים בעלי מבנה צפוף מאוד, מכיוון שהן מספקות גאומטריה עקביות יותר של חיבורי הלחיצה. הבחירה בין SMD ל-NSMD עבור כל סוג פד PCB חייבת להתאים לנתוני החבילה של הרכיב וליכולות הייצור.

פיגוע תרמי וחיבורי מילוי נחושת

כאשר פד של PCB מחובר למשטח נחושת גדול, מוסיפים בדרך כלל ספיקה תרמית (spokes) להקלת עומס חום. ללא הקלת עומס חום, החום מתפזר מדי מהר לתוך שכבת הנחושת בזמן הלحام, מה שמונע מהפד של ה-PCB להגיע לטמפרטורה הנדרשת לצורך יצירת חיבור לحام תקין. דפוסי ההקלת עומס החום מחברים את פד ה-PCB למשטח הנחושת באמצעות גשרים צרים (spokes), המאטים את העברת החום במידה מספקת כדי לאפשר לحام עקבי. עם זאת, ביישומים בעלי זרם גבוה, ייתכן שיהיה עדיף ליצור חיבורים מלאים (solid connections) בין פד ה-PCB למשטחי הנחושת כדי למזער את ההתנגדות, מה שדורש טמפרטורות לحام גבוהות יותר לפיצוי.

שאלה נפוצה

מה ההבדל בין פד של PCB לבין ויה?

פד של PCB הוא אזור נחושת על פני הלוח המשמש ללחיצה של רכיב. ויה הוא חור שנחפר ומעובד במתכת, המשמש להעברת אותות בין שכבות שונות של הלוח. ויה בתוך פד (via-in-pad) משלב את שני אלו על ידי הצבת ויה ישירות בתוך פד של PCB, מה שמועיל בסידורים צפופים מאוד בהם יש צורך בשטח לרouting מתחת לרכיבים.

למה גודל המגע (Pad) בלוח מעגלים מודפס (PCB) חשוב לאיכות הרכבה?

גודל המגע (Pad) בלוח מעגלים מודפס (PCB) משפיע ישירות על איכות חיבור הלחייה. מגע קטן מדי עלול שלא להכיל מספיק לחיש כדי ליצור חיבור אמין, מה שגורם לחיבורים קרים או חלשים. מגע גדול מדי עלול לגרום ללחיש להתפשט באופן לא אחיד או ליצור חיבור בלתי רצוי (bridging) בין מגעים סמוכים. קביעת הגודל הנכון של המגע (Pad) בלוח מעגלים מודפס (PCB), בהתאם לעקבה של הרכיב ולתקנים של IPC, היא קריטית להשגת אחוז גבוה של רכבות מוצלחות.

איזה סוג מסייג פנים (Surface Finish) הוא הטוב ביותר למגע (Pad) בלוח מעגלים מודפס (PCB)?

הסוג האופטימלי של מסייג פנים (Surface Finish) למגע (Pad) בלוח מעגלים מודפס (PCB) תלוי ביישום הספציפי. ENIG נפוץ מאוד בעיצובי מגע (Pad) בעלי דקיקות גבוהה (fine-pitch) בשל משטחו השטוח ויכולת הלחייה הגבוהה שלו. HASL זול יחסית ליישומים טיפוסיים של חיבורים דרך-חורים (through-hole). OSP מספק יכולת לחייה טובה עם עקבות סביבתיות נמוכות יותר. בחירת המסיג הפנים המתאים לכל סוג מגע (Pad) בלוח מעגלים מודפס (PCB) צריכה לקחת בחשבון את דרישות תקופת האחסון, תהליך הרכבה והגבלות התקציב.