Výstupkový otvorový dizajn: Výstupky na DPS pre moduly

Úvod

Jadróm moderného návrhu dosiek plošných spojov je efektívnosť, škálovateľnosť a modularita. Poháňané boomom IoT spolu s pokrokmi v spotrebnej elektronike a priemyselných riadiacich technológiách, existuje rastúca trhová poptávka po zariadeniach s flexibilným dizajnom a jednoduchou montážou. Práve v tomto kontexte sa objavila technológia kastelovaných otvorov (nazývaná aj PCB kastelácia alebo polovične plátované otvory), ktorá prináša transformačné zmeny do každého štádia od prototypovania až po sériovú výrobu.

Kazematové otvory zmenili spôsob, akým inžinieri montujú jednu dosku plošných spojov na druhú. Proces s kazematovými otvormi teraz umožňuje priame spájkovanie modulov priamo na hlavnú dosku plošných spojov alebo väčšiu plošnú dosku, čím nahrádza tradičné metódy prepojenia, ktoré závisia od konektorov a vodičov. Táto inovácia zásadne zjednodušuje proces montáže a zároveň zvyšuje efektivitu a spoľahlivosť povrchovej montáže. Pri výrobe vo veľkom rozsahu a pri komplexných usporiadaniach dosiek plošných spojov – ako napríklad u Raspberry Pi Pico alebo vlastných bezdrôtových komunikačných modulov – použitie kazematových otvorov nielen urýchľuje vývoj, ale zabezpečuje aj stabilné elektrické spojenia a mechanickú pevnosť.

Čo sú to kazematované Diera na doske plošných spojov?

Lisovaný otvor je jedinečný, polkruhový prechod, ktorý je čiastočne odhalený pozdĺž okraja dosky plošného spoja. Ide zvyčajne o cezvŕstvené otvory, ktoré sú pomocou CNC frézovania alebo routingu rozrezané tak, že zostane iba polovica otvoru odhalená na okraji dosky. Vzniká tak to, čo sa bežne nazýva polovičný otvor, polcezvŕstvený otvor, polovične vyleptaný otvor alebo napoly orezaný otvor.

Lisovanie umožňuje, aby modul fungoval ako veľké povrchovo montované zariadenie. Modul je navrhnutý s otvormi pozdĺž jeho okraja (často zodpovedajúcich štandardnej vzdialenosti cezvŕstvených otvorov) a tieto otvory sa následne spájajú na príslušné plošky na hlavnej doske – čím sa presne zarovnávajú podobvody pre bezproblémovú integráciu.

Kľúčové vlastnosti

• Polovične vyleptaná štruktúra : Každý otvor je len čiastočne zapustený do dosky plošného spoja, pričom jeden jeho okraj je voľne odhalený.
• Spájkovanie na povrchu : Modul a doska sú spojené spájkovaním týchto polovičných otvorov na príslušné plošky.
• Vyleptaný okraj : Vnútorné medené platievanie, rovnako ako pri bežnom prechode, zabezpečuje správne elektrické pripojenie, aj keď je prechod otvorený na okraj dosky.
• Efektivita priestoru : Hradbové otvory zjednodušujú montáž, najmä v prípadoch, keď je obmedzený priestor alebo je potrebné minimalizovať vertikálny profil.

Vývoj a účel hradbových otvorov

Použitie hradieb predstavuje významný pokrok v procese montáže dosiek s plošnými spojmi a v návrhu produktov založených na moduloch. V oblasti technológie elektronického pripájania boli skoré riešenia veľmi závislé na komponentoch prechádzajúcich otvorom a veľkých konektoroch. Dnes, pod vplyvom silných trendov miniaturizácie a modularizácie, sa neustále vyvíjajú efektívnejšie riešenia.

Prečo hradbové otvory?

• Efektívna montáž modulov : Jednoducho spájkujte bezdrôtové komunikačné moduly, RF moduly alebo akýkoľvek vlastný modul s doskou plošných spojov na nosnú dosku.
• Hromadná výroba : Podobvody môžu byť hromadne vyrábané ako samostatné moduly a následne integrované do hlavných dosiek pomocou hradieb pri konečnej montáži.
• Rýchla iterácia produktu : Nahradiť alebo aktualizovať modul bez nutnosti prerábania hlavnej dosky.
• Obmedzené priestorové podmienky : Toto riešenie je ideálnou voľbou pre high-end spotrebnú elektroniku a priemyselné riadiace aplikácie, kde je priestor na plošnom spoji prísne obmedzený.
• Vylepšený výkon signálu : Plátované okraje a priame spájkovanie znižujú odpor a možnú stratu signálu v porovnaní so zostavami založenými na konektoroch.

Typy castelácií PCB

Castelácie PCB možno prispôsobiť rôznym potrebám montáže a osadenia:

Plné castelácie

Ide o plátované priechodné otvory, ktoré sú presne rozpolené a používajú sa pozdĺž okraja dosky plošných spojov. Poskytujú pevnú mechanickú podporu a maximálny elektrický kontakt, často sa nachádzajú v napájacích moduloch a priemyselných doskách plošných spojov.

Čiastočné otvory

Niekedy je len časť vodiaceho otvoru (via) odhalená na okraji, čo sa nazýva čiastočný otvor. Tento prístup sa používa, keď obmedzenia rozloženia alebo počet pripojení vyžadujú šetrenie miesta, aniž by bolo obetované elektrické pripojenie.

Stupňovité/prekladané klenby

Cikcakovitý alebo striedavý vzor otvorov, často používaný na doskách HDI alebo v prípadoch, keď je potrebné zvýšiť hustotu pinov pozdĺž okraja. Táto technika je nevyhnutná pri komunikačných doskách PCB alebo pri rozdeľovacích doskách s viacerými typmi signálov.

Konfigurácie klenieb a montážne techniky

Kľúčové parametre klenutých otvorov (množstvo, vzdialenosť, usporiadanie) nie sú pevné, ale určujú sa podľa návrhových špecifikácií konečnej aplikácie.

Jednoradové klenby

Najčastejšie je jednotlivý rad klenutých otvorov zarovnaný pozdĺž okraja modulu. Počet otvorov závisí od potrebných funkcií – viac kolíkov pre zložitejšie procesy, menej pre jednoduché rozdeľovacie dosky.

Dvojradové alebo prekladané vzory

Stupňovito alebo dvojradovo usporiadané výrezy s hrúbkami optimalizujú referencie uzemnenia a signálové cesty, čím poskytujú základnú záruku integrity vysokorýchlostných signálov (napr. USB, HDMI a RF). Toto predstavuje kľúčovú návrhovú metodiku na zlepšenie výkonu náročných dosiek plošných spojov.

• Tipy na montáž : Diametrické rozostupové usporiadanie výrezov s hrúbkami musí presne zodpovedať rozstupu plôch na hlavnej doske plošných spojov, čo je nevyhnutnou podmienkou pre presné zarovnanie a pevné spojenie.

Mechanické montážne otvory

Okrem výrezov s hrúbkami môžu byť zahrnuté aj štandardné montážne otvory (neplechované alebo plne plechované) na dodatočné mechanické upevnenie, najmä u modulov, ktoré sú vystavené vibráciám alebo mechanickým namáhaniam v priemyselnom alebo automobilovom prostredí.

Ako sa vyrábajú výrezy s hrúbkami?

Výroba vysokej kvality výrezov s hrúbkami na doskách plošných spojov zahŕňa niekoľko špecializovaných krokov výroby dosiek:

• Vŕtanie a plechovanie : Plátované priechodné otvory sú vyvŕtané v blízkosti okraja dosky a pokovované meďou, aby sa zabezpečila elektrická vodivosť.
• Smerovanie a frézovanie : Frézovanie CNC odstráni vonkajší okraj dosky plošných spojov, čím odkryje polovične plátovaný otvor a vytvorí hrany s výstupkami (castellated edge).
• Kontrola kvality : Je dôležité zabezpečiť žiadne meďené hrbolčeky, zachovať veľkosť prstencového kruhu a zabrániť odlupovaniu na odkrytej medi. Kontrola zarovnania a čistého povrchu je nevyhnutná.
• Ochranná maska a povrchová úprava : Zabráňte prechádzaniu masky do otvorov a špecifikujte povrchovú úpravu (ENIG, HASL atď.) podľa návrhových pokynov pre montážny proces.

Príklad výrobnej tabuľky :

Návrhové smernice a najlepšie postupy

Kvalitný návrh DPS a spoľahlivá montáž modulu na hlavnú dosku závisia od dodržiavania overených návrhových smerníc pre výstupkové otvory v projektoch DPS:

Základné návrhové smernice

1. Minimálna veľkosť otvoru : Štandardná veľkosť 0,5 mm až 1,2 mm pre výstupky, v závislosti od požiadaviek signálu/napájania.
2. Vzdialenosť od okraja : Dodržte minimálne 1,0 mm od okraja dosky k iným prvkom alebo medeným plôškam, aby ste predišli skratom.
3. Kruhový prsteň : Minimálna šírka 0,25 mm okolo každého otvoru pre spoľahlivé zinkovanie a ovlhčovanie olova.
4. Tvar a umiestnenie plôšok : Po vyfrézovaní by mala každá plôška / platňa zostať na DPS aspoň napoly.
5. Vzdialenosť a rozteč : Umiestňujte otvory podľa požiadaviek modulu a rozmiestnenia plôšok na hlavnej doske; správna vzdialenosť zabraňuje mostíkovaniu a uľahčuje automatizovanú montáž DPS.
6. Mechanické spevnenie : Pre moduly vystavené mechanickému namáhaniu použite dodatočné montážne otvory a hrubšie medené vrstvy.
7. Výdrž laku od spájkovania : Dodržte dostatočnú výdrž vo vašom usporiadaní DPS, aby lak od spájkovania nepokrýval alebo čiastočne nezakrýval kruhové okraje alebo polodierky.

Ďalšie tipy pre návrh DPS

• Pre viacriadkové alebo posunuté kruhovanie (časté pri doplnkoch pre Raspberry Pi alebo DPS s vysokou hustotou) skontrolujte, či softvér pre usporiadanie DPS podporuje komplexné konfigurácie dierok „po okraji“.
• Pri moduloch pre vysoké frekvencie alebo bezdrôtové komunikácie navrhnite uzemnené kruhové spoje medzi signálnymi vodičmi, aby ste minimalizovali rušenie a maximalizovali integritu signálu.
• Otestujte zarovnanie vytlačením kópie usporiadania DPS v mierke 1:1 a manuálnym prispôsobením komponentov alebo testovacích dosiek pred finálnym spracovaním vášho návrhu.

Praktické inžinierske tipy

• Reflow spájkovanie : V možnom rozsahu uprednostňujte reflow spájkovanie s profesionálne navrhnutou stenciou – to zvyšuje konzistenciu, najmä ak je zapojený veľký počet vývodov po okraji, ako napríklad pri Raspberry Pi Pico alebo iných pokročilých moduloch.
• Ručné spájanie : Použite jemný, teplotne riadený spájkovač s dostatkom tavidla pre čisté spoje na polovične plátovaných otvoroch.
• Mechanická podpora : Pre väčšie alebo ťažšie moduly kombinujte liatinové okraje s montážnymi otvormi, aby ste znížili zaťaženie spájkovaných spojov.
• Inspekcia : Po skončení montáže použite silnú lúpou alebo mikroskop na kontrolu mostíkov alebo studených spojov, najmä na husto zaplnených komunikačných doskách plošných spojov.
• Testovanie : Vždy vykonajte test kontinuity a funkčnosti každého liatinového spoja, nie len vizuálnu kontrolu. Citlivé obvody (ako sú Bluetooth alebo Wi-Fi moduly) vyžadujú dokonalé pripojenia.

Aplikácie castellated otvorov

Rozmanitosť aplikácií castellated otvorov a PCB castellation je ohromujúca a siaha ďaleko za rámec dosiek pre nadšencov:

• Bezdrôtové komunikačné moduly : GSM, Bluetooth, Zigbee a Wi-Fi rozbočovače sú pripevnené spájkovaním na väčšie dosky plošných spojov – umožňujú rýchle, bezkonektorové rozšírenie v spotrebnej elektronike a priemyselnom IoT.
• Priemyselné riadenie a BMS : Článkované moduly zjednodušujú škálovateľný návrh dosiek plošných spojov pre viacdoskové systémy riadenia batérií, reléové dosky a senzorové súbory.
• Ekosystém Raspberry Pi a Pico : Prídavné moduly pre malé počítače, vrátane komunikačných, displejových a senzorových dosiek, sa priamo pripevňujú pomocou článkovania a montážnych otvorov – nie sú potrebné hlavičky s pinmi.
• Prototypovanie a vzdelávanie : Rýchla výmena podobvodov pre vývoj produktov alebo školské projekty.
• Spotrebná elektronika : V kvalitných zariadeniach článkovanie umožňuje stále kompaktnejšie dosky plošných spojov s menším počtom konektorov a vyššou spoľahlivosťou.

Obmedzenia, nevýhody a riešenia

Hoci článkované otvory umožňujú modularitu a rýchlu integráciu, prinášajú aj určité aspekty na zváženie:

• Mechanická krehkosť : Moduly, ktoré sa spoliehajú iba na olovené polovičné otvory, môžu byť poškodené vibráciami alebo opakovaným zaťažením. Riešenie: kombinovať s mechanickými upevňovacími otvormi alebo povrchovo plátovať okraj dosky plošných spojov pre vyššiu odolnosť.
• Spájkové mostíky : Moduly plošných spojov s jemným roztečením môžu byť ručne ťažko spájkovateľné. Riešenie: použite reflow spájkovanie a otestujte mostíky na všetkých jedinečných otvoroch.
• Presnosť montáže : Nesprávne zarovnanie môže viesť k neúspešným spojeniam. Riešenie: použite otvory na zarovnanie alebo návodné značky na samolepke a investujte do vhodných prípravkov pre hromadnú montáž.
• Nie je vhodné pre vysoký prúd : Použite bežné prechodné otvory alebo plné priechodové otvory pre vedenia napájania, pričom kastelácie rezervujte pre signálne linky.

Kastelované otvory vs. štandardné otvory na doskách plošných spojov

Náklady, mierka a trendy v priemysle

Hoci výroba dosiek plošných spojov s odsadením spôsobuje mierne vyššie jednotkové náklady kvôli dodatočnému frézovaniu CNC a dokončovacím praciam, výhody z hľadiska modularity, rýchlosti montáže a úspory priestoru na hlavnej doske plošných spojov výrazne prevyšujú počiatočné náklady – najmä preto, že podobvody je možné hromadne vyrábať. Proces montáže sa tiež výrazne skracuje, keďže montážne otvory a konektory sú minimalizované alebo úplne eliminované.

Vo výrobe dosiek plošných spojov čoraz viac komunikačných modulov, spotrebnej elektroniky a zariadení IoT závisí od odsadenia pre rýchle uvádzanie produktov na trh typu „zapoj a hraj“ a jednoduchú kontrolu verzií firmvéru alebo hardvéru. Mnoho výrobcov dosiek plošných spojov teraz ponúka špeciálne služby odsadenia pre prototypovanie aj sériovú výrobu, čo tento postup sprístupňuje ako štart-upom, tak aj tímom na podnikovej úrovni.

Často kladené otázky: Odsadené diery a odsadenie dosiek plošných spojov

Otázka: Môžu sa odsadené diery použiť pre signály s vysokým výkonom?

A: Pre aplikácie s nízkym až stredným prúdom postačujú kastelované otvory; pre vysoký prúd (2 A) doplňte oplechované priechodné otvory alebo oplechované okraje plôšok.

Q: Aký nástroj na návrh dosiek plošných spojov podporuje kasteláciu?

A: Všetky hlavné EDA/PCB návrhové platformy (Altium, Eagle, KiCad atď.) dokážu vytvoriť polovične oplechované otvory a okraje dosky; pre presnosť použite kresby mechanických vrstiev.

Q: Mali by som použiť kasteláciu alebo konektory pre montáž modulu na DPS?

A: Zvoľte kasteláciu, ak je priestor obmedzený, ak je kritická miniaturizácia alebo ak sa používa montážná linka založená na SMT. Použite konektory pre jednoduchú ručnú montáž alebo opakované pripájanie/odpájanie.

Q: Koľko otvorov by mal mať modul?

A: Počet otvorov závisí od potrieb signálov a napájania/zemních spojov; vždy dodržiavajte správne rozostupy a smernice IPC pre spoľahlivosť.

Q: Sú kastelované návrhy vhodné pre spotrebnú a priemyselnú elektroniku?

Áno, vysokotriedne spotrebné elektronické zariadenia, priemyselné riadiace systémy a dokonca aj bezdrôtové komunikačné moduly čoraz viac využívajú castellated okraje pre spoľahlivú integráciu.

Zhrnutie: Prečo technológia castellated zostáva

Ako inovatívna technológia prepojenia kombinujú PCB castellated diery kompaktnosť povrchovo montovaného dizajnu s odolnosťou plátovaných priechodných dier, čím poskytujú inžinierom vyspelé a spoľahlivé flexibilné riešenie. Táto výnimočnosť pri inštalácii modulov, funkčnej expanzii a výrobe vyrobiteľných podobvodov urobila z tejto technológie príklad procesu, ktorý poháňa rýchly vývoj v oblasti IoT, modulárnych zariadení a spotrebnej elektroniky.