Leiterplatten (PCBs) bilden die Grundlage der modernen Elektronik. Da die Designs immer komplexer werden, ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie Signale zwischen den Schichten richtig verlegt werden. Hier kommen Leiterplatten-Durchkontaktierungen ins Spiel. In diesem umfassenden Leitfaden erfahren Sie alles, was Sie über Leiterplatten-Durchkontaktierungen wissen müssen – von den Grundkonzepten bis hin zu fortgeschrittenen Designtechniken.
Was ist eine Durchkontaktierung auf einer Leiterplatte?
Eine Durchkontaktierung ist eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Schichten einer Leiterplatte. Sie besteht im Wesentlichen aus einem kleinen Loch, das durch die Leiterplatte gebohrt und anschließend mit Kupfer beschichtet wird, damit Strom zwischen den Schichten fließen kann. Durchkontaktierungen sind für mehrschichtige Leiterplatten unverzichtbar, da sie komplexe Verlegungswege ermöglichen, die auf einer einzigen Ebene nicht realisierbar wären.
Bei der Auslegung von Durchkontaktierungen ist es wichtig, damit zusammenhängende Aspekte zu berücksichtigen, wie beispielsweise Auswahl der richtigen Lochgröße auf der Leiterplatte für Durchsteckbauteile, da die Abmessungen Ihrer Bohrlöcher direkten Einfluss auf die Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit Ihrer Durchkontaktierungen haben.
Arten von Leiterplatten-Durchkontaktierungen
Im Leiterplattenentwurf kommen verschiedene Arten von Durchkontaktierungen zum Einsatz, die jeweils einem bestimmten Zweck dienen:
- Durchkontaktierungen: Dies sind die gängigsten Durchkontaktierungen. Sie verlaufen vollständig durch die Leiterplatte, von der obersten bis zur untersten Schicht. Sie sind robust und kostengünstig, nehmen jedoch auf allen Schichten der Leiterplatte Platz ein.
- Blinde Vias: Diese verbinden eine äußere Schicht mit einer oder mehreren inneren Schichten, durchdringen die Leiterplatte jedoch nicht vollständig. Sie tragen dazu bei, auf der Rückseite der Leiterplatte Platz zu sparen, sind jedoch in der Herstellung teurer.
- Vergrabene Vias: Diese verbinden zwei oder mehr innere Schichten miteinander und sind von außen vollständig verborgen. Sie kommen in hochkomplexen Konstruktionen zum Einsatz, bei denen Platz ein absolutes Knappheitsgut ist.
- Mikrovias: Es handelt sich hierbei um sehr kleine Durchkontaktierungen, die typischerweise in HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect) zum Einsatz kommen. Sie erstrecken sich in der Regel nur über einen Lagenübergang und werden mittels Laser hergestellt.
So entwirft man die perfekte Durchkontaktierung
Befolgen Sie diese Schritte, um sicherzustellen, dass Ihre Durchkontaktierungen so ausgelegt sind, dass sie eine optimale Leistung und Herstellbarkeit gewährleisten.
Schritt 1: Bestimmen Sie den Via-Typ
Entscheiden Sie anhand Ihres Schichtaufbaus und Ihrer Verlegungsdichte, ob Ihr Design Durchkontaktierungen, Blindkontaktlöcher, vergrabene Kontaktlöcher oder Mikrovias erfordert. Zum Beispiel, wenn Bewältigung komplexer Stromversorgungsanforderungen mit einem 10-lagigen Leiterplattenaufbau, benötigen Sie möglicherweise eine Kombination aus vergrabenen und Durchkontaktierungen, um eine ordnungsgemäße Stromverteilung zu gewährleisten.
Schritt 2: Berechnen Sie das Seitenverhältnis
Das Seitenverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Plattendicke und dem Durchmesser der Bohrung. Die meisten Hersteller empfehlen für eine zuverlässige Galvanisierung ein Seitenverhältnis von 10:1 oder weniger.
Schritt 3: Den Ring definieren
Der Ringraum ist der Bereich der Kupferfläche, der das Bohrloch umgibt. Es ist entscheidend, einen ausreichenden Ringraum sicherzustellen. Mehr darüber erfahren Sie unter So entwerfen Sie den perfekten Ringauslauf für Leiterplatten, um Brüche zu verhindern um eine stabile Verbindung zu gewährleisten.
Schritt 4: Überlegen Sie sich das Design des Pads
Stellen Sie sicher, dass das Via-Pad die für Ihre Fertigungstoleranzen richtige Größe hat. Anbringen Wichtige Tipps zum Design von Leiterplatten-Pads für eine zuverlässige SMT-Bestückung kann dazu beitragen, Probleme wie „Tombstoning“ oder Lötmittelausbreitung während der Montage zu vermeiden.
Fortgeschrittene Strategien für das Via-Routing
Bei Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenz-Schaltungen können Durchkontaktierungen als Impedanzdiskontinuitäten wirken und Signalreflexionen verursachen. Um dies zu mindern, wenden erfahrene Entwickler Techniken wie „Via Stitching“ und „Via Shielding“ an. Beim „Via Stitching“ werden mehrere Durchkontaktierungen um eine Hochleistungs- oder Hochfrequenz-Leiterbahn herum platziert, um einen stabilen Rückweg zu schaffen. Die Via-Abschirmung hingegen umgibt eine kritische Leiterbahn mit Masse-Vias, um sie vor elektromagnetischen Störungen (EMI) zu schützen.
Häufig gestellte Fragen zu Durchkontaktierungen auf Leiterplatten
Was ist der Unterschied zwischen einer Durchkontaktierung und einem Pad?
Ein Pad dient in erster Linie dazu, elektronische Bauteile auf der Leiterplatte zu befestigen und anzulöten. Eine Durchkontaktierung ist speziell dafür ausgelegt, elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten der Leiterplatte herzustellen. Zwar kann ein Durchsteck-Pad auch als Durchkontaktierung fungieren, doch sind spezielle Durchkontaktierungen in der Regel kleiner und nicht zum Anlöten von Bauteilen vorgesehen.
Können Durchkontaktierungen direkt auf den Kontaktflächen der Bauteile platziert werden?
Das Anbringen von Durchkontaktierungen direkt auf SMT-Pads (Surface Mount Technology) wird als “Via-in-Pad” bezeichnet. Dies spart zwar Platz, kann jedoch dazu führen, dass das Lötzinn während des Reflow-Lötvorgangs in die Durchkontaktierung sickert, was zu schlechten Verbindungen der Bauteile führt. Falls „Via-in-Pad“ erforderlich ist, sollten die Durchkontaktierungen vom Hersteller gefüllt und verschlossen werden.
Wie viel Strom kann eine Durchkontaktierung führen?
Die Strombelastbarkeit einer Durchkontaktierung hängt von ihrem Durchmesser und der Dicke der Kupferbeschichtung ab. Entwickler verwenden Rechner, die auf IPC-Standards basieren, um die geeignete Größe der Durchkontaktierung oder die Anzahl der Durchkontaktierungen zu ermitteln, die erforderlich sind, um einen bestimmten Strom ohne übermäßige Erwärmung zu leiten.
Schlussfolgerung
Das Verständnis von PCB-Vias ist für den modernen Elektronikentwurf von grundlegender Bedeutung. Ganz gleich, ob Sie eine einfache zweilagige Leiterplatte oder einen dichten, hochgeschwindigkeitsfähigen Mehrschicht-Aufbau verlegen – die Beherrschung der Auswahl, Platzierung und Dimensionierung von Vias wird die Zuverlässigkeit und Leistung Ihres Endprodukts erheblich verbessern. Stehen Sie stets in engem Austausch mit Ihrem Leiterplattenhersteller, um dessen spezifische Möglichkeiten und Toleranzen hinsichtlich der Via-Fertigung zu verstehen.
