Ako zvoliť optimálnu veľkosť otvoru PCB pre špendlíky s otvorom

Snažili ste sa niekedy zapadnúť do komponentu do diery PCB, ktorá je príliš tesná - alebo príliš voľná? Výber správnej veľkosti diery pre špendlíky s otvorom nie je len hádanie-je rozhodujúce pre výkon a spoľahlivosť.

V tomto príspevku sa naučíte, ako vybrať optimálnu veľkosť DPS ​​diery pomocou osvedčených pravidiel, štandardov IPC a tipov v reálnom svete. Preskúmame tiež, ako presné nástroje, ako sú CNC vŕtacie stroje, zaisťujú zakaždým perfektné výsledky.

Úvod: Prečo je záleží na výbere veľkosti diery PCB

Získanie veľkosti diery priamo na doske znie jednoducho, ale je to malý detail, ktorý má veľký vplyv. Komponenty s otvormi potrebujú presné diery, aby mohli správne sedieť, a dokonca aj ten najmenší nesúlad môže všetko vyhodiť. Ak je otvor príliš tesný, kolíky sa nezmestia bez ohýbania alebo nútenia. Ak je príliš voľný, komponenty sa kolísajú alebo posunú, čo je pre spájku ťažšie prúdiť a držať sa. To znamená slabšie kĺby, viac prepracovania a v najhoršom prípade doska, ktorá jednoducho nefunguje.

Zamyslite sa nad tým, ako spájka tečie okolo špendlíka. Na pohyby potrebuje trochu priestoru, ale nie príliš. Tento priestor - zavolaný výbavu - sa pripája správne a uchopte kolík aj podložku. Ale ak to ignorujete, spájka sa nesmie držať dobre alebo formovať medzery, najmä pri používaní spájky bez olova. Problémy, ako sú studené kĺby, neúplné spojenia alebo dokonca prasknuté vankúšiky, sa môžu objaviť neskôr.

Výroba dodáva aj svoje vlastné výzvy. Vyvŕtané otvory sa vždy mierne mení a keď sa pridá pokovovanie medi, priemer posledného otvoru sa zmenšuje. Takže aj keď vŕtačka mala pravdu, hotový otvor by mohol byť stále vypnutý. Preto musia dizajnéri naplánovať dopredu a budovať tolerancie, aby zodpovedali veľkosti kolíka aj metódy vŕtania. Trochu nad alebo menej a riskujete zlyhania vloženia na montážnej linke, zvyšujú náklady a oneskorenia.

Všetko sa to týka presnosti. Každá doska, každý komponent, každá diera musí pracovať hladko. A to začína pochopením, aká dôležitá je veľkosť diery.

Porozumenie základným dizajnom PCB s otvorom

Technológia s otvormi existuje už desaťročia a dodnes sa používa vo výrobe elektroniky. Namiesto umiestnenia komponentov na povrch, ako je pri SMT, táto metóda zahŕňa vloženie komponentu vedie do vopred vyvŕtaných otvorov do dosky. Tieto vodiče trčia z druhej strany a sú spájkovaní na mieste, čím poskytujú silné a bezpečné spojenie. Často nájdete diery priechodných dielov vo výrobkoch, kde záleží na trvanlivosti, ako sú napájacie zdroje, transformátory alebo čokoľvek, čo sa používa v tvrdých prostrediach.

V tomto druhu dizajnu uvidíte dva hlavné typy dier: pokrčené diery alebo PTH a neplatené priechody, známe ako NPTH. PTH majú vo vnútri steny otvorov tenkú medenú výstelku. Táto vrstva umožňuje, aby elektrické signály cestovali z jednej vrstvy dosky do druhej. Preto sa používajú pre komponenty, ktoré sa skutočne spájajú do obvodu. NPTHS, na druhej strane, nesie prúd. Často sa používajú na montáž alebo zarovnanie - veci, ako sú skrutky, nity alebo podporné kolíky. Pretože neexistuje žiadna podšívka medi, NPTH sú čisto mechanické.

Bez ohľadu na to, s ktorým typom sa zaoberáte, vŕtanie PCB je prvým hlavným krokom, aby sa to všetko stalo. Tieto diery sa neobjavujú iba-sú vŕtané počas procesu výroby pomocou vysokorýchlostných strojov, ktoré prechádzajú skleneným vláknom a meďou. Veľkosť a presnosť každého otvoru sa musia zhodovať s veľkosťou kolíka komponentu, ale tiež zohľadniť pokovovanie medi, ktoré znižuje konečný priemer. To je dôvod, prečo dizajnéri musia starostlivo naplánovať fázu vŕtania a nechať len dostatok priestoru na výrobné tolerancie, tok spájok a správnu elektrickú väzbu.

Aké faktory ovplyvňujú veľkosť otvoru PCB pre špendlíky s otvorom?

Veľkosť diery môže vyzerať jednoducho na rozložení, ale v zákulisí, niekoľko vecí ovplyvňuje to, čo by malo byť. Jedným z najzreteľnejších je samotný špendlík. PIN sa dodávajú v rôznych tvaroch - najviac sú okrúhle, ale mnohé z nich sú štvorcové alebo obdĺžnikové. Tento tvar záleží, pretože štvorcové kolíky majú diagonál dlhšie ako strana. Takže namiesto toho, aby sme len merali šírku, musíme vypočítať diagonál pomocou základného vzorca geometrie. Ak tento krok preskočíme, otvor môže byť príliš tesný, aj keď na papieri vyzerá dobre.

Potom sa používa typ komponentu. Ťažké komponenty, ako sú veľké kondenzátory, konektory alebo transformátory, kladú na dierky ďalší dôraz. Tieto časti často potrebujú trochu väčšie povolenie a silnejšie spájkovacie kĺby. V prípade ľahších komponentov, ktoré sa nezaoberajú s veľkým obsahom vibrácií alebo zaťaženia, môže byť veľkosť pevnejšia, pretože je menej pohybu, o ktoré sa treba obávať. Takže nemáme len veľkosť diery na základe špendlíkov - premýšľame tiež o tom, ako veľký stres môže táto časť v priebehu času čeliť.

Úlohu hrá aj klasifikácia PCB. Dosky sa dodávajú v rôznych úrovniach hustoty - preplňujú A, B alebo C - založené na tom, ako sú komponenty preplnené. V dizajnoch s nízkou hustotou (trieda A) je viac priestoru pre väčšie diery a podložky. Ale v rozložení s vysokou hustotou (trieda C) musíme byť opatrnejší. Je tu menej priestoru, čo znamená prísnejšie tolerancie a presnejšie plánovanie. Tam môžu malé chyby spôsobiť veľké problémy.

Nemôžeme tiež zabudnúť na výrobu. Otvory sa vyvŕtajú, potom sa poklepajú s meďou, čo zmenšuje ich veľkosť. Ak plánujeme iba veľkosť vŕtania, dostaneme menšie konečné diery, ako sa očakávalo. Navyše, každá vŕtačka a každá dávka kolíkov má určitú toleranciu - možno plus alebo mínus 0,05 milimetrov. Neznie to veľmi ako, ale keď sa zaoberáte desiatkami alebo stovkami kolíkov, tieto malé zmeny sa rýchlo zvyšujú. To je dôvod, prečo inteligentní dizajnéri zanechávajú ďalší priestor na zvládnutie týchto zmien a zaisťujú hladké a konzistentné zakaždým.

Ako vypočítať správnu veľkosť otvoru

Aby sme dosiahli pravú veľkosť otvoru, musíme začať s kolíkom komponentu. Najprv skontrolujte dataShet a nájdite maximálny priemer PIN - nie priemer, nie minimum, ale najväčšiu možnú veľkosť v tolerancii. Ak je to štvorcový špendlík, urobte jeden navyše a použite diagonál, nie dĺžku strany. Štvorcový kolík, ktorý je 0,64 mm na stranu, má diagonál asi 0,905 mm. To je skutočná veľkosť, ktorú musíme zmestiť.

Teraz prichádza odbavenie. Nechceme, aby bol otvor príliš tesný alebo sa kolík vstúpi, najmä keď sa vyskytne variácie vo veľkosti PIN alebo vŕtania. Väčšina dizajnérov používa na vytvorenie priestoru ďalších 0,15 až 0,25 mm. To uľahčuje vloženie komponentu a tiež dáva spájkovacej miestnosti na prúdenie počas montáže. Ak doska použije spájku bez olova, pomáha o niečo väčšie odbavenie, pretože títo spájkovatelia nie sú zvlhčení tak dobre.

Potom máme medené pokovovanie. Každá pokrčená otvor má na vnútornej strane tenkú medenú vrstvu. Táto vrstva zaberá priestor, čím sa po vŕtaní znižuje konečný priemer otvoru. Vŕtaná diera by sa mohla začať na 1,1 mm, ale akonáhle je poklepaná, v závislosti od procesu by sa mohla zmenšiť o približne 0,05 mm alebo viac. Ak za to zabudneme, otvor skončí menší, ako sa plánovalo.

Prejdeme príkladom. Povedzme, že okrúhly kolík má maximálny priemer 0,8 mm. Chceme pridať vôľu 0,2 mm, ktorá nám dáva 1,0 mm. Ak očakávame, že pokovovanie zníži veľkosť o 0,05 mm, vyvŕtame otvor na 1,05 mm. Týmto spôsobom je hotový otvor stále 1,0 mm - práve vpravo pre špendlík.

Priemyselné štandardy pre veľkosti otvorov vŕtaných otvorov PCB

Keď zistíte správnu veľkosť diery pre DPS, pomáha to mať nejaké oficiálne usmernenie. To je miesto, kde prichádzajú IPC-222 a IPC-2222. Toto sú všeobecne používané štandardy vo svete elektroniky a načrtávajú pravidlá dizajnu pre dosky s tlačenými obvodmi. IPC-2221 poskytuje všeobecné požiadavky na všetky návrhy PCB, zatiaľ čo IPC-2222 sa zameriava konkrétne na tuhé dosky vrátane podrobných pokynov na výstavbu priestranných otvorov.

Jedným z najdôležitejších pravidiel z týchto štandardov je povolenie na vodenie k diere. Nestačí len zladiť priemer PIN - musíte mu dať priestor na dýchanie. Tento priestor pomáha pri vkladaní a spájkovaní. IPC navrhuje vôľu asi 0,2 až 0,25 mm v závislosti od typu komponentu a triedy produktu. Môže to vyzerať ako malé číslo, ale pri spájkovaní stoviek kolíkov je to veľký rozdiel.

Teraz si povedzme o klasifikácii. IPC rozdeľuje výrobky na tri triedy na základe potrieb kvality a spoľahlivosti. Trieda I je určená pre všeobecnú elektroniku, napríklad hračky alebo gadgety. Trieda II je určená pre špecializované výrobky, kde záleží na pokračujúcom výkone-napríklad domáce spotrebiče alebo priemyselné kontrolóry. Trieda III je určená pre vysokovýkonné, kritické položky. Mysli na letecký, lekársky alebo vojenský vybavenie. Keď idete z triedy I do triedy III, požiadavky na dizajn sú prísnejšie, najmä pre veci, ako je tolerancia veľkosti otvorov, kvalita pokovovania a čistota.

Takto sa vypočíta minimálna veľkosť otvoru na základe úrovní IPC:

triedy IPC	Vzorec veľkosti otvoru
Trieda i	Priemer maximálneho kolíka + 0,25 mm
Trieda II	Priemer maximálneho kolíka + 0,20 mm
Trieda III	Priemer maximálneho kolíka + 0,25 mm (s prísnejšou kontrolou)

Tieto štandardy nielen udržiavajú veci konzistentné - pomáhajú tiež vyhnúť sa nákladným chybám počas montáže. Sú skvelou bezpečnostnou sieťou, keď údajový list nezoznam odporúčanej veľkosti diery alebo pri budovaní produktu s vysokou spoľahlivosťou, kde zlyhanie nie je možnosťou.

Ako sa vysporiadať s toleranciami a úvahami o pokovovaní

Pokiaľ ide o dimenzovanie otvorov PCB, číslo vytlačené na výkrese nie je nikdy celý príbeh. Časti a procesy v reálnom svete vždy prichádzajú s toleranciami. Väčšina špendlíkov s otvorom má typickú toleranciu priemeru približne ± 0,05 mm. To znamená, že ak dátový list uvádza špendlík ako 1,00 mm, v skutočnosti by sa mohol zmerať kdekoľvek medzi 0,95 mm a 1,05 mm. Teraz si predstavte, že ste navrhli otvor tak, aby sa hodil presne 1,00 mm - niektoré kolíky by sa mohli skĺznuť do jemného, ​​iní by sa mohli zaseknúť alebo odmietnuť vôbec.

Proces vŕtania tiež zvyšuje zložitosť. PCB sa zvyčajne vyvŕtajú pred pokovovaním a pokovovaná meď vo vnútri otvoru zmenšuje priemer o malé množstvo. Tento rozdiel - medzi pôvodnou veľkosťou vŕtačky a veľkosti hotovej diery - je niečo, čo nemôžete ignorovať. Ak potrebujete hotový otvor 1,00 mm, skutočná veľkosť vŕtania bude musieť byť 1,05 mm alebo viac, v závislosti od hrúbky pokovovania, ktorú používa výrobca. Nie všetci výrobcovia používajú rovnaký proces, takže je inteligentné požiadať o svoj vŕtačku.

Z tohto dôvodu je záležá. Potrebujete dostatok priestoru na variáciu kolíkov, odchýlku vŕtania a zníženie pokovovania - to všetko bez toho, aby sa otvor príliš uvoľnil. Diera, ktorá je sotva dostatočne veľká, spôsobí problémy na montážnej linke. PIN nebudú hladko a možno budete potrebovať ďalšiu silu alebo manuálne nastavenie. To vedie k ohnutým vodičom, poškodeným doskám alebo dokonca popraskaným spájkovacím kĺbom neskôr.

Tu je rýchly pohľad na to, čo ovplyvňuje konečné prispôsobenie otvoru:

faktor	typický rozsah	efekt na fit
Tolerancia špendlíka	± 0,05 mm	Môže posunúť skutočnú veľkosť kolíka
Tolerancia vŕtania	± 0,025 mm alebo viac	Priemer diery sa môže líšiť v závislosti od dávky
Hrúbka	~ 0,025–0,05 mm (na stenu)	Znižuje priemer hotového otvoru
Odporúčané povolenie	0,15 - 0,25 mm	Pomáha zaistiť hladké vloženie

Trik spočíva v inteligentnom stohovaní týchto hodnôt. Ak očakávate, že všetky komponenty a procesy zostanú priamo v strede špecifikácie, budete sklamaní. Postavte v malej dýchacej miestnosti a získate konzistentnejšie výsledky v celej doske.

Pokyny pre veľkosť otvoru pre štvorcové alebo obdĺžnikové kolíky

Okrúhle kolíky sú jednoduché, ale štvorcové alebo obdĺžnikové kolíky potrebujú počas rozloženia väčšiu starostlivosť. Ak veľkosť otvoru založenej iba na bočnej dĺžke štvorcového kolíka, žiadate o problémy. Tento kolík nie je len široký v jednom smere - má diagonálnu a ten diagonál je to, čo nastavuje skutočnú maximálnu veľkosť, ktorú potrebujete, aby ste sa zmestili. Aby ste to zistili, budete chcieť použiť Pythagorovu vetu. Je to rýchly spôsob, ako nájsť diagonál štvorca, keď poznáte stranu.

Prejdeme príkladom. Povedzme, že štvorcový kolík má dĺžku bočnej dĺžky 0,64 mm. Vypočítame takúto diagonálu:

Diagonálne = √ (0,64² + 0,64²) = √ (0,4096 + 0,4096) = √0,8192 ≈ 0,905 mm

Teraz pridajte typickú vôľu 0,2 mm. To nám dáva:

Veľkosť otvoru = 0,905 mm + 0,2 mm = 1,105 mm , ktoré môžeme zaokrúhliť na 1,1 mm.

Takže aj keď je tento kolík na každej strane široký iba 0,64 mm, potrebuje otvor, ktorý je najmenej 1,1 mm, aby sa bezpečne zmestil so správnou vôľou pre spájkovanie a variácie. Ak ste preskočili diagonálny krok a použili ste iba 0,84 mm (0,64 mm + 0,2 mm), otvor by bol pravdepodobne príliš tesný.

Veci sú ešte zaujímavejšie, keď dátový list dáva jednostrannej tolerancii. Niekedy by to mohlo povedať niečo ako: priemer PIN = 0,9 mm +0,1/-0 mm. To znamená, že kolík by mohol byť kdekoľvek od 0,9 mm do 1,0 mm - ale nikdy menšie ako 0,9 mm. V týchto prípadoch vždy zakladáte veľkosť otvoru na najväčšej možnej hodnote. Pomocou nášho príkladu:

Veľkosť otvoru = 1,0 mm + 0,2 mm = 1,2 mm

Tu je tabuľka, ktorá jasne zobrazuje obidva prípady:

Typ	maximálnej veľkosti výpočtu výpočtu	pridaná	konečná veľkosť otvoru
Štvorcový (0,64 mm)	√ (0,64² + 0,64²) = 0,905 mm	+0,2 mm	1,1 mm
Jednostranný Tol	0,9 mm + 0,1 mm = 1,0 mm	+0,2 mm	1,2 mm

Dizajnéri niekedy prehliadajú tieto malé matematické kroky, ale majú obrovský rozdiel, keď je čas presunúť kolíky cez dokončenú dosku.

Odporúčaná veľkosť otvoru: pravidlo 0,2 mm

Existuje jednoduché pravidlo, ktoré mnohí dizajnéri dodržiavajú pri dimenzovaní otvorov PCB pre komponenty priechodných otvorov: stačí pridať 0,2 mm do priemeru nominálneho PIN. To je všetko. Toto 'Zlaté pravidlo ' funguje vo väčšine prípadov, pretože poskytuje len dostatok ďalších miest na ľahké zavedenie, hrúbku pokovovania a tok spájkovania - bez toho, aby sa prispôsobenie príliš uvoľnilo.

Niektorí by sa mohli čudovať, prečo nielen pridať 0,05 mm namiesto toho? Vyzerá to prísnejšie, efektívnejšie a ponecháva na palube viac priestoru. Ale v praxi je toto povolenie často príliš tesné na spoľahlivú prácu. Kolčeky zložiek aj vyvŕtané diery majú tolerancie. PIN označený 1,00 mm môže byť v skutočnosti 1,05 mm. Ak váš otvor pridá iba 0,05 mm a pokovovanie ho zužuje ďalej, špendlík sa jednoducho nezmestí. Buď to budete musieť donútiť, alebo odmietnuť radu.

Tu je príklad zo skutočného prípadu výroby. Prvá šarža dosiek mala vôľu 0,05 mm. Komponenty sa zmestia - zintenzívne - ale prešli kontrolou. Keď prišla druhá šarža, rovnaké komponenty odmietli ísť dovnútra. Čo sa zmenilo? Iba menšie posuny priemeru PIN v dôsledku tolerancie. Aj keď boli kolíky aj otvory v rámci špecifikácie, kombinovaná variácia spôsobila nesúlad. Potom aktualizovali veľkosť otvoru tak, aby dodržiavali pravidlo 0,2 mm. Už žiadne problémy s fit.

Ďalší tím pracujúci na napájaní používaných nadmerných otvorov s takmer 0,3 mm odbavenia. Všetko sa ľahko hodí, ale počas spájkovania vlny pretekalo príliš veľa spájkovania a vytvorilo nerovnomerné kĺby. Takže zatiaľ čo 0,2 mm nie je pre každú časť dokonalé, zasiahne spoľahlivú rovnováhu medzi mechanickou ľahkosťou a spájkovacím výkonom.

Toto pravidlo nevylučuje potrebu myslenia. Stále sa musíte prispôsobiť štvorcovým špendlíkom, špeciálnym tvarom a nezvyčajným toleranciám. Ale ako základná línia pomáha vyhnúť sa 90 percentám v oblasti bolesti hlavy súvisiacich s uvahou.

Klírens typu	použitý	výsledok
Pevné upevnenie, 0,05 mm	Príliš tesný	Pins nedokázal vložiť dôsledne
Zlaté pravidlo, 0,2 mm	Práve správne	Spoľahlivé fit a spájkovanie
Voľný fit, 0,3 mm	Príliš voľný	Prebytočný spájkovač, slabé kĺby

Vŕtací stroj CNC PCB CNC

Keď pracujete s komponentmi priechodných otvorov, presnosť diery nie je voliteľná-je nevyhnutná. Tam je náš Vŕtacie stroje CNC PCB CNC vstúpia. Tieto stroje sú navrhnuté tak, aby vyhovovali požiadavkám vysoko presnej výroby PCB. Či už budujete jeden prototyp alebo prevádzkujete produkciu v plnom rozsahu, dodávajú konzistenciu potrebnú na zasiahnutie vašich tolerancií zakaždým.

Každý stroj je vybavený vysokorýchlostnými vretenámi a systémami riadenia pohybu. To znamená, že to nie je len rýchlo - vŕta s presnosťou s presnosťou, dokonca aj na doskách plné komponentov. Tento druh kontroly zaisťuje, že veľkosť hotového otvoru zostáva v rámci špecifikácie, bez ohľadu na to, koľko vrstiev alebo aké husté rozloženie.

Sú tiež inteligentní. Automatický systém na zmenu nástrojov vymení vŕtacie bity za behu, znižuje prestoje a udržuje výrobu prúdenie. Je to obzvlášť užitočné pri prepínaní medzi rôznymi veľkosťami otvorov alebo vŕtaním na tvrdé materiály, ako je FR-4. Funkcie detekcie chýb v reálnom čase monitorujú cestu vŕtačky a bitový stav, pričom problémy chytia skôr, ako sa zmenia na šrot. Šetrí čas, materiál a zdôraznenie na linke.

Od viazaných viazaní po nadmerné montážne otvory, stroj to všetko zvládne. Tu je to, čo odlišuje:

Funkcia	Benefit
Vysokorýchlostné vreteno	Čisté strihy prostredníctvom viacerých vrstiev
Riadenie pohybu	Udržiava tesnú toleranciu veľkosti otvorov
Automatický menič nástrojov	Rýchle prechody medzi veľkosťami vŕtania
Detekcia chýb v reálnom čase	Znižuje odpad, vlajkové opotrebenie nástroja predčasne
Viacboardná podpora	Ideálne pre prototypovanie a hromadné behy

Takže keď potrebujete spoľahlivosť, rýchlosť a kvalitu bezchybných dier - tento nástroj je postavený na dodanie.

Záver

Výber správnej veľkosti diery PCB pre špendlíky s otvorom je viac ako len nasledujúce čísla-ide o inteligentné a spoľahlivé výbery dizajnu. Od sily spájkovania po výrobu, každá časť milimetra záleží. Kľúčom je poznať svoje špecifikácie komponentov, použitie správneho povolenia a nasledujúce normy ako IPC-2221 a IPC-2222. Pred úplnou výrobou si vždy stavte v miestnosti pre tolerancie, plánujte pokovovanie a otestujte svoj návrh na prototype. Úzko spolupracujte so svojím výrobcom, aby ste zaistili, že každý otvor vykonáva presne podľa potreby. Ak chcete získať ďalšiu pomoc, vitajte, aby ste si vyskúšali podporu našej spoločnosti výrobky.

Časté otázky

Q1: Prečo nemôžem len prispôsobiť veľkosť otvoru s veľkosťou kolíka?

Žiadne dva kolíky nie sú úplne rovnaké. Tolerancie a pokovovanie znižujú priestor, takže otvor, ktorý sa zhoduje s priemerom kolíka, často končí príliš tesný.

Q2: Aký je štandardný povolenie, ktoré by som mal použiť?

Väčšina návrhov funguje dobre s výškou 0,2 mm. Vyvažuje ľahké vloženie a správny tok spájkovania bez toho, aby bol otvor príliš veľký.

Q3: Ako ovplyvňuje pokovovanie medi na veľkosť otvoru?

Plating dodáva vo vnútri otvoru tenkú medenú vrstvu, ktorá znižuje jeho konečný priemer. Aby ste dosiahli správnu hotovú veľkosť, musíte vŕtať o niečo väčšie.

Q4: Potrebujú štvorcové kolíky rôzne veľkosti otvorov ako okrúhle kolíky?

Áno. Na výpočet efektívneho priemeru použite diagonál štvorcového kolíka, potom pridajte vôľu - inak bude otvor príliš malý.

Otázka 5: Čo ak údajový list dáva iba jednostrannú toleranciu?

Pri výpočte veľkosti otvoru použite maximálnu veľkosť kolíka vrátane úplnej pozitívnej tolerancie, aby ste zaistili správne prispôsobenie.