PCB通孔尺寸和焊盘尺寸指南

2022-04-16

PCB通孔尺寸和焊盘尺寸指南

PCB设计和布局的某些方面看似简单，但它们的答案却与制造的许多重要方面相关。这些设计方面之一是PCB通孔尺寸和焊盘尺寸之间的匹配。显然，这两点是相关的；所有过孔都有（或应该有）一个支撑过孔的着陆焊盘，并提供将走线布线到过孔焊盘的位置。但是，在匹配焊盘和过孔尺寸时需要遵循一些重要的尺寸指南，这种匹配是 DFM 和可靠性的重要元素。

您为设计选择的焊盘尺寸与制造过程中发现的另一个重要设计方面有关，称为环形圈。在IPC标准下，过孔的焊盘与层数、过孔尺寸和镀层厚度有关，焊盘的尺寸应使生产过程中产生的环形圈足够大。这是一个很难找到具体答案的领域，而不仅仅是“什么是环形圈？”的答案。我们将在本文中研究答案以及它与两个重要的 IPC 标准之间的关系。

PCB过孔和焊盘尺寸基础知识

每个过孔都应该在表面层上有一个着陆焊盘，迹线可以在该焊盘上进行电气连接；问题是过孔焊盘需要多大。在为通孔选择合适的焊盘尺寸时，有几个地方可以开始寻找：

走线宽度：通常认为焊盘尺寸应略大于过孔尺寸。因此，如果您使用较大的迹线宽度，例如较大的受控阻抗迹线，您将需要更大的焊盘尺寸。请注意，这也不需要大通孔。

可靠性：更大的焊盘将更可靠，正如我们将看到的，这就是本文的全部重点……IPC 标准对此有很多话要说，并将确定给定的钻孔击打是否会在通孔焊盘中产生缺陷。

过孔类型和层数：正如我们将在下面看到的，一旦层数超过 IPC-2221 下的 8 层，层数也会影响焊盘尺寸。

考虑到这一点，我喜欢首先选择将在整个电路板中使用的通孔尺寸。然后，我将调整着陆台的大小，使其符合特定的IPC 等级要求。这是我们需要考虑制造过程中留在电路板中的圆环尺寸的地方。

基于环形的尺寸垫

在下文中，我们将考虑刚性PCB 上的电镀通孔。对于其他类型的PCB，例如flex或HDI设计，我们对可用于计算通孔尺寸的环形圈有不同的标准。查看本文的最后一部分，了解其他一些管理PCB布局和性能认证的标准。

如果我们查看 IPC-2221 标准，有一个适用于外部焊盘和内部焊盘的环形圈的简单定义。一些设计师将交替使用术语“环形环”、“焊盘”、“焊盘”和其他术语。这些定义如下图所示，或者您可以在 IPC-2221A 第 9.1.2 节中找到这些定义：

IPC-2221标准和IPC-6012标准下的环定义。

这里，我们对圆环有两个定义：成品孔壁到焊盘边缘的距离（外层），或钻孔壁到焊盘边缘的距离（内层）。当PCB通过制造时，将在蚀刻过程之后钻孔。由于CNC钻头的漂移，钻头有可能不会击中通孔焊盘的死点。结果，将有一些剩余的环形圈，如上图所示。因此，通孔上的焊盘尺寸至少应该足够大，以适应任何钻头漂移，并留下足够的铜剩余，以确保容纳上面所示的最小环形圈并且不会产生缺陷。如果违反下表和图片中讨论的限制，

这种大小调整涉及在 IPC-2221 和 IPC-6012 标准中找到的公式。最小过孔焊盘直径为：

L = a + 2b + c

在哪里：

a = 成品孔直径（外层）或钻孔直径（内层）

b = 最小圆环尺寸（见上文）

c = 互连焊盘的最低标准制造余量（见下表）

IPC-2221 和 IPC-6012 标准中定义的最小圆环尺寸如下表所示。

最后，我们在上述公式中使用了以下制造余量：

*对于 IPC-2221：如果超过 8 层或每盎司增加 20 密耳。当铜重量大于 1 oz./sq. ft. 这些添加在更现代的 IPC-6012 标准中被忽略了。

IPC-A-600 和 IPC-6012 标准通常用于PCB制造中的检查标准，而不是 IPC-2221。这并不会使 IPC-2221 失效，只是 IPC-6012 标准是一个更现代的标准，它汇集了来自 IPC 2221、IPC 4101 和其他质量要求的重要数据。应用上述公式和设置制造限制的目的是消除突破的可能性。如下图所示，钻孔部分位于焊盘边缘之外。如果走线很细且焊盘尺寸太小，钻头漂移可能会导致钻击切断焊盘和走线之间的连接。

为了防止在 2 类产品中出现突破，我们改为以相切为目标（见上图），我们可以在上述公式中将 b = 0 设置为环形圈尺寸。

这一切都导致了一个有用的指导方针：

为帮助防止从焊盘上断开走线，您可以选择钻孔直径小于走线宽度的超大焊盘。如果无法做到这一点，请在走线到焊盘的连接上涂上泪珠，以防止出现断路。

制造商通常以 C 类为目标，这是PCB制造中最好的制造公差限制，因此通常不使用 A 类和 B 类值。这应加强 IPC 标准的作用；他们没有告诉您如何设计PCB或使用什么特定的焊盘尺寸。相反，这些指导方针说明了什么是成功的制造，设计和制造团队必须努力实现这些目标。

那么，有了所有这些数据，确保可制造性和可靠性的最佳方法是什么？我的观点是，如果您不担心环形圈的尺寸，那么请遵循 2 类要求。这意味着焊盘尺寸将是您放入设计工具的直径加上制造余量。换句话说，您只需将 b = 镀层厚度用于外层，将 b = 0 用于内层。在第 3 类的情况下，焊盘尺寸需要稍大一些，我们需要使用焊盘的最终电镀直径来考虑 2 mil 的要求。

示例：10 00 万钻孔，C 级加工余量

假设我们有一个 10 mil 的钻孔用于我们想要符合 IPC Class 3 的通孔。如果通孔电镀到孔壁中的最小厚度（1 mil），我们现在可以使用 C 类制造余量以确定所需的焊盘尺寸。

对于 10 mil 的钻孔直径，我们将有一个 8 mil 的成品孔尺寸，所有层上的最小焊盘直径为 20 mil。此计算使用：

a = 8 mil 外层，10 mil 内层

b = 外部 2 mil，内部 1 mil

c = 8 百万在所有层上

如果我们想设计到 Class 2，那么我们应该只在外层使用 b = 镀层厚度（假设为 1 mil 以确保安全），在内部层使用 b = 0，这意味着我们将在所有层上使用 18 mil 直径的焊盘10 mil 钻孔，1 mil 通孔壁镀层。对于 2 类，为了安全起见，只需在所有过孔上使用 L = 孔 + 8 密耳；我会在 Class 1 上做同样的事情。这也是在布线时定义通孔放置的最简单方法，而无需定义自定义焊盘。

超越通孔和 IPC-2221/IPC-6012

上述要求列表仅适用于通孔刚性PCB，这将是大多数PCB中的主要通孔样式。如果使用盲孔或埋孔，对环形圈的要求会有所不同，它们将取决于制造工艺（激光钻孔与机械钻孔）。一旦通孔变得足够小以被视为微通孔并使用HDI制造工艺，您将有一组不同的要求来控制环形圈限制和焊盘尺寸。

IPC-2221 标准和 IPC-6012 标准是刚性PCB 最常引用的基本标准，但还有其他标准针对不同类型的电路板。这些标准扩展了 IPC-2220/2221 中的通用设计指南和标准，适用于高频板、HDI设计、柔性和刚柔结合PCB以及其他类型的电路板等应用。这些设计将带来许多其他可制造性问题