Конструкция с фасонными отверстиями: печатная плата с фасками для модулей

Введение

Основой современного проектирования печатных плат являются эффективность, масштабируемость и модульность. Под влиянием бума Интернета вещей, а также достижений в области потребительской электроники и технологий промышленного управления, растет рыночный спрос на устройства с гибкой конструкцией и простой сборкой. Именно в этом контексте технология лунок-фасок (также известная как фаска печатной платы или частично металлизированные отверстия) получила широкое распространение, трансформируя каждый этап — от прототипирования до массового производства.

Круговые пазы изменили подход инженеров к монтажу одной печатной платы на другую. Технология пазов теперь позволяет напрямую припаивать модули к основной печатной плате или более крупной плате, заменяя традиционные методы соединения с использованием разъёмов и проводов. Эта инновация кардинально упрощает процесс сборки, одновременно повышая эффективность и надёжность поверхностного монтажа. В производстве высокого объёма и сложных компоновок печатных плат — таких как в Raspberry Pi Pico или специализированных модулях беспроводной связи — использование пазов не только способствует быстрому развитию, но и обеспечивает стабильные электрические соединения и механическую прочность.

Что такое круговые пазы Дыры на печатной плате?

Луженое отверстие — это уникальное полукруглое сквозное отверстие, частично выступающее на краю печатной платы. Как правило, такие отверстия представляют собой металлизированные сквозные отверстия, которые с помощью фрезерования или маршрутизации обрабатываются таким образом, что остаётся только половина отверстия, открытая на краю платы. Это создаёт так называемое полуотверстие, полуметаллизированное отверстие, или разрезанное наполовину отверстие.

Луженые края позволяют модулю работать как крупное устройство для поверхностного монтажа. Модуль проектируется с отверстиями по краю (часто с шагом, соответствующим стандартным металлизированным сквозным отверстиям), и эти отверстия затем припаиваются к контактным площадкам основной платы — обеспечивая точное выравнивание подсхем для бесшовной интеграции.

Ключевые особенности

• Полуметаллизированная структура : Каждое отверстие лишь частично встроено в печатную плату, один край полностью открыт.
• Пайка на поверхности : Модуль и плата соединяются путём пайки этих полупрозрачных отверстий к соответствующим контактным площадкам.
• Металлизированный край : Внутреннее медное покрытие, как и в обычном переходном отверстии, обеспечивает надежное электрическое соединение, даже если отверстие выходит на край платы.
• Эффективное использование пространства : Круглые металлизированные отверстия по краю упрощают монтаж, особенно при ограниченном месте или необходимости минимизации вертикального габарита.

Эволюция и назначение круглых металлизированных отверстий по краю

Использование круглых металлизированных отверстий по краю отмечает значительный этап развития процесса сборки печатных плат и модульного проектирования продуктов. В области технологий электронного межсоединения ранние решения в значительной степени зависели от компонентов с выводами и крупных разъёмов. Сегодня, под влиянием сильных тенденций к миниатюризации и модульности, непрерывно развиваются более эффективные решения.

Зачем нужны круглые металлизированные отверстия по краю?

• Эффективная сборка модулей : Легко припаивать модули беспроводной связи, ВЧ-модули или любые другие печатные платы-модули к основной плате.
• Массовое производство : Отдельные подсхемы могут массово производиться как модули, а затем интегрироваться в основные платы с помощью круглых металлизированных отверстий по краю на заключительном этапе сборки.
• Быстрая итерация продукта : Замените или модернизируйте модуль без переделки основной платы.
• Ограничения пространства : Это решение является идеальным выбором для высококачественной бытовой электроники и промышленных систем управления, где пространство на печатной плате крайне ограничено.
• Улучшенная производительность сигнала : Покрытые края и прямая пайка уменьшают сопротивление и возможные потери сигнала по сравнению со сборками на основе разъединителей.

Типы выемок на печатных платах (Castellations)

Выемки на печатных платах можно адаптировать под различные требования к монтажу и сборке:

Полные выемки

Это металлизированные сквозные отверстия, разрезанные ровно пополам, которые используются по краю печатной платы. Они обеспечивают надежную механическую поддержку и максимальный электрический контакт, часто применяются в силовых модулях и промышленных печатных платах.

Частичные отверстия

Иногда на краю платы открывается только часть переходного отверстия — так называемое частичное отверстие. Этот метод используется, когда конструктивные ограничения или количество соединений требуют экономии места без потери электрической связности.

Смещенная/чередующаяся шахматная разметка

Зигзагообразный или чередующийся узор отверстий, часто используемый в высокоплотных печатных платах (HDI) или когда необходимо увеличить плотность выводов по краю. Эта технология необходима в печатных платах для связи или для плат расширения с несколькими типами сигналов.

Конфигурации штыревых контактов и методы монтажа

Ключевые параметры штыревых отверстий (количество, шаг, расположение) не являются фиксированными, а определяются проектными требованиями конечного применения.

Однорядные штыревые контакты

Чаще всего один ряд штыревых отверстий располагается вдоль края модуля. Количество отверстий зависит от требуемых функций — больше выводов для сложных процессов, меньше — для простых плат расширения.

Двухрядные или чередующиеся узоры

Смещенная или двойная шахматная расстановка крепежных отверстий оптимизирует опорные точки заземления и сигнальные пути, обеспечивая базовую гарантию целостности высокоскоростных сигналов (таких как USB, HDMI и ВЧ). Это представляет собой основной метод проектирования для повышения производительности высококачественных печатных плат.

• Рекомендации по монтажу : Конструкция шага крепежных отверстий должна строго соответствовать шагу контактных площадок на основной печатной плате — это необходимое условие для точного позиционирования и надежной сборки.

Механические монтажные отверстия

Помимо крепежных отверстий, могут использоваться стандартные монтажные отверстия (без покрытия или с полным металлизированным покрытием) для дополнительного механического крепления, особенно в модулях, подвергающихся вибрации или механическим нагрузкам в промышленных или автомобильных условиях.

Как изготавливаются крепежные отверстия?

Производство высококачественных крепежных отверстий на печатных платах включает несколько специализированных этапов изготовления печатных плат:

• Сверление и металлизация сквозные отверстия покрываются металлизацией и просверливаются вблизи края платы для обеспечения электрической связи.
• Маршрутизация и фрезеровка фрезерование с помощью ЧПУ удаляет внешний край печатной платы, обнажая частично металлизированные отверстия для формирования гнездового края.
• Контроль качества необходимо исключить образование медных заусенцев, соблюдать размер кольцевого кольца и избегать отслаивания на открытой меди. Контроль точности позиционирования и чистоты поверхности имеет важное значение.
• Паяльная маска и покрытие поверхности следует предотвратить затекание маски в отверстия и указать тип покрытия поверхности (ENIG, HASL и т.д.) в соответствии с проектными рекомендациями для процесса сборки.

Пример таблицы производства :

Рекомендации и передовые практики проектирования

Высококачественный дизайн печатных плат и надежная установка модулей на основную плату зависят от соблюдения проверенных рекомендаций по проектированию фасонных (castellated) отверстий в проектах печатных плат:

Основные рекомендации по проектированию

1. Минимальный размер отверстия : 0,5 мм до 1,2 мм — стандартный диапазон для фасонных отверстий, в зависимости от требований к сигналу/питанию.
2. Зазор до края : Соблюдайте минимальное расстояние не менее 1,0 мм от края платы до других элементов или медных полигонов, чтобы избежать коротких замыканий.
3. Кольцевая полоса : Минимальная ширина 0,25 мм вокруг каждого отверстия для надежного покрытия и капиллярного отвода припоя.
4. Форма и размещение контактных площадок : По меньшей мере половина каждой контактной площадки должна оставаться на печатной плате после трассировки.
5. Расстояние и шаг : Размещайте отверстия в соответствии с требованиями модуля и расположением контактных площадок на основной плате; правильный зазор предотвращает перемычки и облегчает автоматическую сборку печатных плат.
6. Механическое усиление : Для модулей, подвергающихся механическим нагрузкам, используйте дополнительные монтажные отверстия и более толстые медные слои.
7. Зазор маски от пайки : Обеспечьте достаточный зазор в разводке печатной платы, чтобы паяльная маска не закрывала и не частично не перекрывала кромки с отверстиями или полые отверстия.

Дополнительные советы по проектированию печатных плат

• Для многорядной или ступенчатой ​​фасонной кромки (часто используется в дополнениях Raspberry Pi или платах HDI) убедитесь, что программное обеспечение для разводки печатной платы поддерживает сложные конфигурации отверстий «вдоль края».
• В высокочастотных модулях или модулях беспроводной связи проектируйте заземлённые фасонные кромки между сигнальными линиями для минимизации шумов и максимального сохранения целостности сигнала.
• Проверьте правильность размещения, распечатав макет печатной платы в масштабе 1:1, и вручную установите компоненты или тестовые платы перед окончательным утверждением конструкции.

Практические инженерные советы

• Пайка оплавлением : По возможности отдавайте предпочтение пайке оплавлением с использованием профессионально разработанной трафаретной пластины — это повышает стабильность результатов, особенно при большом количестве выводов по краю, как, например, у Raspberry Pi Pico или других продвинутых модулей.
• Ручная пайка : Используйте паяльник с тонким жалом и регулировкой температуры, а также достаточное количество флюса для чистого соединения в полупланарных отверстиях.
• Механическая поддержка : Для более крупных или тяжелых модулей комбинируйте выступы-заглушки с монтажными отверстиями, чтобы уменьшить нагрузку на паяные соединения.
• Проверка : Используйте сильное увеличительное стекло или микроскоп для проверки наличия перемычек из припоя или непропаянных соединений после сборки, особенно на плотно упакованных печатных платах связи.
• Тестирование : Всегда выполняйте проверку целостности и работоспособности каждого выступа-заглушки, а не только визуальный осмотр. Чувствительные цепи (например, модули Bluetooth или Wi-Fi) требуют безупречных соединений.

Применение полупланарных отверстий

Многообразие применений полупланарных отверстий и выступов-заглушек на печатных платах поразительно и выходит далеко за рамки любительских плат:

• Модули беспроводной связи : Модули GSM, Bluetooth, Zigbee и Wi-Fi припаиваются к большим печатным платам — обеспечивая быстрое расширение без разъёмов в потребительских и промышленных IoT-устройствах.
• Промышленная автоматика и системы управления батареями (BMS) : Модули с выступами упрощают масштабируемую разработку печатных плат для многоплатных систем управления батареями, релейных плат и сенсорных массивов.
• Экосистема Raspberry Pi и Pico : Аддоны для малых компьютеров, включая платы связи, дисплеев и сенсоров, устанавливаются напрямую с помощью выступов и монтажных отверстий — дополнительные штыревые разъёмы не требуются.
• Прототипирование и образование : Быстрая замена подсхем для разработки продукции или учебных проектов.
• Потребительская электроника : В высококлассных устройствах выступы позволяют создавать всё более компактные печатные платы с меньшим количеством соединителей и повышенной надёжностью.

Ограничения, подводные камни и решения

Хотя выступы обеспечивают модульность и быструю интеграцию, они требуют учёта определённых аспектов:

• Механическая хрупкость : Модули, полагающиеся только на припаянные полуотверстия, могут повредиться от вибрации или многократных нагрузок. Решение: комбинировать с механическими крепёжными отверстиями или покрывать край печатной платы металлизацией для дополнительной прочности.
• Паяное соединение : Модули печатных плат с мелким шагом могут быть трудны для ручной пайки. Решение: используйте метод оплавления и проверяйте наличие перемычек во всех уникальных отверстиях.
• Точность сборки : Несоосность может привести к неудачным соединениям. Решение: используйте отверстия для выравнивания или направляющие шелкографии и инвестируйте в правильные приспособления для массовой сборки.
• Не подходит для высокого тока : Используйте обычные переходные отверстия или сквозные отверстия для цепей подачи питания, оставляя полуотверстия для сигнальных линий.

Полуотверстия против стандартных отверстий на печатной плате

Стоимость, масштаб и тенденции отрасли

Хотя стоимость литых отверстий на печатной плате немного выше из-за дополнительной обработки на станке с ЧПУ и отделочных работ, их преимущества в плане модульности, скорости сборки и экономии места на основной плате значительно перевешивают первоначальные затраты — особенно учитывая возможность массового производства субплат. Процесс сборки также существенно сокращается, поскольку количество монтажных отверстий и разъёмов уменьшается или полностью исключается.

В индустрии печатных плат всё большее число модулей связи, потребительской электроники и устройств интернета вещей используют литые отверстия для быстрого вывода продукции на рынок по принципу «подключи и работай» и упрощённого контроля версий прошивки или аппаратного обеспечения. Многие производители печатных плат теперь предлагают специальные услуги по изготовлению литых отверстий как для прототипирования, так и для серийного производства, что делает эту технологию доступной как для стартапов, так и для крупных корпоративных команд.

Часто задаваемые вопросы: литые отверстия и литые кромки на печатных платах

Вопрос: Можно ли использовать литые отверстия для высокомощных сигналов?

A: Для приложений с низким и средним током достаточно вырезов; для высокого тока (2 А) рекомендуется дополнить их металлизированными сквозными отверстиями или контактами с металлизированными краями.

В: Какой инструмент для проектирования печатных плат поддерживает вырезы?

О: Все основные платформы EDA/PCB (Altium, Eagle, KiCad и др.) позволяют размещать частично металлизированные отверстия и края плат; для точности используйте чертежи механического слоя.

В: Что лучше использовать — вырезы или штыревые разъёмы для крепления модуля ПП?

О: Выбирайте вырезы, когда ограничено пространство, важна миниатюризация или используется сборка методом поверхностного монтажа. Используйте штыревые разъёмы, если требуется ручная сборка или многократное соединение/разъединение.

В: Сколько отверстий должно быть в модуле?

О: Количество отверстий зависит от потребностей в сигналах и питании/земле; всегда соблюдайте правильный шаг и руководства IPC по проектированию для обеспечения надёжности.

В: Подходят ли конструкции с вырезами для бытовой и промышленной электроники?

A: Безусловно — высококачественная потребительская электроника, системы промышленного управления и даже модули беспроводной связи всё чаще используют кромки с выступами для надежной интеграции.

Резюме: Почему технология выемчатых кромок остаётся актуальной

Как инновационная технология межсоединений, печатные платы с выемчатыми отверстиями сочетают компактность конструкции с поверхностным монтажом и надёжность металлизированных сквозных отверстий, предоставляя инженерам зрелое и надёжное гибкое решение. Эта эффективность при установке модулей, функциональном расширении и производстве технологичных подсхем утвердила данную технологию в качестве образцового процесса, способствующего быстрому развитию интернета вещей, модульных устройств и потребительской электроники.