Co robić kiedy płytki PCB zaczynają do Ciebie mówić?

Otwory przelotowe w PCB umożliwiają połączenia pomiędzy różnymi warstwami płytki lub zabezpieczenia samej płytki podczas procesu montażu. Otwory przelotowe dzielą się na dwie zasadnicze kategorie: platerowane i nieplaterowane.

Platerowane versus nieplaterowane

Platerowane otwory przelotowe w płytkach PCB to zasadniczo otwory pokryte metaliczną powłoką wzdłuż ich wnętrza. Powłoka ta umożliwia połączenie elektryczne pomiędzy różnymi warstwami PCB. Najczęściej stosuje się je w przypadku komponentów wymagających stabilnych połączeń elektrycznych, takich jak układy scalone (IC), złącza i przełączniki. Tworzenie platerowanych otworów przelotowych zwykle uzyskuje się za pomocą galwanizacji na etapie produkcji płytki drukowanej.

I odwrotnie, nieplaterowane otwory przelotowe w płytkach PCB charakteryzują się brakiem metalicznej warstwy wewnątrz otworu. Ich celem jest umożliwienie połączeń międzywarstwowych bez konieczności zapewnienia solidnej ciągłości elektrycznej. Tego typu otwory przelotowe są często wykorzystywane w komponentach, w których niezawodność elektryczna nie jest najważniejsza, takich jak elementy pasywne (rezystory, kondensatory). Można ich również używać do mocowania dużych komponentów do PCB, mocowania płytki podczas montażu lub mocowaniu jej w obudowie. Proces formowania nieplaterowanych otworów przelotowych zazwyczaj obejmuje wiercenie mechaniczne, etap zintegrowany z procesem produkcji płytek PCB.

Jednostronne płytki drukowane

Jednowarstwowe płytki PCB wyróżniają się tym, że nie posiadają dodatkowej warstwy miedzi i w związku z tym nie są poddawane procesowi galwanizacji. W uproszczeniu ich wytwarzanie polega na użyciu laminatu z materiału FR4, który jest nawiercany, obrazowany i przetwarzany.

W przypadku tego typu płytek otwory są wiercone od razu do docelowego rozmiaru. W tych otworach ani na powierzchni padu nie ma żadnego wykończenia, a masa początkowa miedzi jest jednocześnie jej masą końcową. Kluczowym aspektem jednostronnych płytek drukowanych jest dokładny rozmiar otworów. Ponieważ nie stosuje się żadnego wykończenia, otwory te należy wiercić z tolerancją ± 0,002 cala w stosunku do wymaganego rozmiaru. Na przykład: otwór o średnicy 0,028 cala należy wywiercić dokładnie na ten rozmiar, uwzględniając tolerancję średnicy 0,0005 cala. Tolerancja ±0,002 cala zapewnia elastyczność produkcji, umożliwiając regulację rozmiaru w zależności od dostępnego wiertła.

W przypadku małych komponentów nawet najmniejsze odchylenie może prowadzić do znaczących konsekwencji. Przykładem może być pękanie wokół nieplaterowanych otworów w przypadku niewielkich komponentów, zwykle o średnicy nieco ponad ½ cala i grubości otworu zaledwie 0,020 cala. Komponenty te, ze względu na swój niewielki rozmiar i delikatny charakter, stanowią duże wyzwanie w produkcji.

Zjawisko chattering

Na wstępie autorzy tekstu zauważają, że pęknięcia zaobserwowane wokół nieplaterowanych otworów nie zawsze są problemem, ponieważ nie wpływają negatywnie na kluczowy aspekt w produkcji tj. odstępy między przewodnikami miedzianymi.

Zjawisko chattering (dosł. gadanie) występuje podczas procesu produkcyjnego, gdy panel zawierający setki małych otworów stopniowo traci sztywność w miarę ich wiercenia / wycinania. Utrata sztywności dodatkowo może powodować niewielkie wibracje podczas procesu produkcyjnego.

Rysunek: Przykłady pęknięć przy skraju laminatu w efekcie zbyt blisko położonych otworów

Zródło: Navigating Fracturing Challenges: non-Plated Holes in PCB Engineering @EPEC

Dalsze wyzwania: press-fit i rotowanie

Rzeczywisty wpływ pęknięć staje się jeszcze bardziej ewidentny w procesie press-fit, w którym komponenty są dociskane lub obracane, powodując dodatkowe obciążenie i tak już nadwyrężonych obszarów. Naprężenie to może spowodować poważniejsze pęknięcia, prowadząc do awarii funkcjonalnych.

Identyfikacja pierwotnej przyczyny: rozważania projektowe

Bliższa analiza ujawnia, że pierwotna przyczyna tego problemu leży w samym projekcie. Często zdarza się bowiem, że nieplaterowane otwory są umieszczone zbyt blisko frezowanej krawędzi. Zbyt mała odległość nie pozostawia wystarczającej ilości materiału laminowanego, aby pochłonąć naprężenia zarówno w procesie produkcyjnym (wiercenie/trasowanie), jak i w procesie montażu (wciskanie/obrót). Przesunięcie otworu pozostawia wystarczającą ilość materiału laminowanego, aby skutecznie absorbować naprężenia.

Zrozumienie zjawiska pęknięć w nieplaterowanych otworach rzuca światło na delikatną równowagę PCB, gdzie najdrobniejsze szczegóły mogą zepsuć projekt. Kontrast pomiędzy platerowanymi i nieplaterowanymi otworami przelotowymi w płytkach PCB uwydatnia różnorodne potrzeby i wyzwania w projektowaniu i produkcji PCB. Otwory platerowane, niezbędne dla komponentów wymagających stabilnych połączeń elektrycznych, oraz otwory nieplaterowane, używane do połączeń mniej krytycznych, odgrywają kluczową rolę w funkcjonalności i niezawodności płytek PCB.

Zjawisko chattering ilustruje, jak nawet najmniejsze odchylenia produkcyjne mogą prowadzić do poważnych problemów, takich jak awaria podczas montażu u klienta. Wymaga to przemyślanego przeprojektowania płytki, aby zapewnić solidność i niezawodność, biorąc pod uwagę takie czynniki, jak rozmieszczenie otworów i pochłanianie naprężeń.

Artykuł opracowano na podstawie informacji zawartych we wpisie na blogu firmy EPEC

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!