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Nella progettazione dell'elettronica moderna, il raggiungimento di dimensioni compatte, elevata affidabilità e perfetta integrazione dei moduli è più importante che mai. Fori incassati o mezzi fori placcati, sono diventati una soluzione pratica per rendere possibile la giunzione diretta tra schede, senza dover utilizzare connettori di grandi dimensioni o fare confusione con i cavi. Sono utilizzati soprattutto nei moduli wireless, Gadget IoT, e sistemi embedded.
Questo articolo vi aiuterà a capire cosa sono i fori castellati, il processo di realizzazione, i loro vantaggi, i diversi utilizzi e ciò che è necessario considerare durante la progettazione per il assemblaggio di PCB.
Cosa sono i fori incisi nei circuiti stampati?
I fori incassati, noti anche come mezzi fori o fori passanti (PTH), si trovano lungo il bordo dei PCB. Si tratta di elementi che si trovano comunemente sul bordo del PCB, soprattutto per i moduli di piccole dimensioni. I fori di castellatura forniscono un collegamento per il montaggio dei moduli nelle schede principali durante l'assemblaggio dei PCB.
Strutturalmente, i fori castellati sono rientranze semicircolari create sui bordi del PCB mediante la foratura di tutti gli elementi. vias durante il processo di fabbricazione e sono divisi esattamente a metà. Per garantire le connessioni elettriche e meccaniche durante il montaggio, questi fori sono placcati con rame o oro. Consentendo ai moduli di essere saldati direttamente sulla scheda principale, i PCB castellati riducono la necessità di cavi ingombranti, connettori, e spazi extra.
Come vengono prodotti i PCB castellati?
A differenza dei normali fori prodotti dalla foratura, i fori castellati seguono una serie di procedure di produzione. Esse sono le seguenti:
1. Progettazione e layout di PCB
Prima di tutto, un progettazione schematica viene sviluppato e poi implementato nel suo layout. Fornisce lo schema per il posizionamento strategico dei componenti e il corretto instradamento dei segnali.
2. Selezione del materiale
Quando il progetto del PCB è stato finalizzato, l'appropriata materiale del substrato e si determina lo spessore adeguato del rame per la laminazione. Dopo la selezione, la base viene tagliata con precisione in base ai requisiti dell'applicazione.
3. Foratura
In questa fase vengono praticati fori perfettamente allineati lungo il bordo del substrato dato. La foratura deve essere eseguita in modo che la metà esatta dei fori si trovi all'interno dell'area della scheda, mentre l'altra metà si trovi sulla parte di materiale di scarto.
4. Placcatura
Dopo la formazione dei fori completi mediante foratura, si procede alla placcatura. Per placcatura si intende la deposizione di un sottile strato di rame sulle pareti dei fori. Questa procedura può essere eseguita mediante deposizione chimica o galvanica. Fornisce un percorso conduttivo tra gli strati e prepara i fori per la saldatura.
5. Instradamento dei bordi specializzato
È la fase più critica nella produzione di PCB a fori castellati. In questa fase, i fori placcati vengono fresati con precisione attraverso il centro del foro, creando un canale di rame verticale semicircolare sul bordo. Per ottenere la massima precisione, il produttore utilizza una macchina specializzata Fresatura CNC o una tecnica di doppia fresatura. Se durante la fresatura si formano bave di rame, queste vengono rimosse mediante mordenzatura alcalina.
6. Test e ispezioni
Infine, i PCB castellati vengono testati per garantire un risultato impeccabile. Include i seguenti elementi test:
- Ispezione visiva: Viene effettuata utilizzando l'ispezione ottica automatizzata (AOI) ad alto ingrandimento per verificare la continuità della placcatura e individuare le bave.
- Test di saldabilità: Questo test viene eseguito per garantire che la saldatura venga accettata senza problemi quando il modulo viene montato sulla scheda principale.
- Test dimensionale: In questo test, il diametro e la posizione dei fori placcati sono verificati in base alle specifiche di progetto. Il test deve adattarsi ai moduli durante l'assemblaggio del PCB.
Inoltre, i fori castellati devono soddisfare i requisiti degli standard industriali come IPC-7351, IPC-A-600 e IPC-6012.
Vantaggi di un PCB castellato
- Migliore qualità del segnale
I PCB castellati forniscono un percorso di rame diretto e verticale che agisce come un percorso di rame continuo verso il modulo esterno (modulo WI-FI, modulo RF) per una transizione fluida del segnale. Riduce l'induttanza e la capacità che si trovano nei fili lunghi e nei cavi. foro passante tecnologia.
- Affidabilità migliorata
Il foro castellato offre una maggiore resistenza meccanica e una migliore resistenza alle vibrazioni grazie alla placcatura verticale. Inoltre, i PCB castellati possono sopportare connessioni e disconnessioni frequenti.
- Design compatto
Non è necessario utilizzare cavi e connettori ingombranti. Pertanto, i fori castellati favoriscono un design più piccolo e compatto.
- Assemblaggio di PCB più semplice
I PCB castellati permettono il montaggio diretto da scheda a scheda, consentendo il collegamento elettrico tramite saldatura, che riduce la necessità di hardware e connettori aggiuntivi. Ciò facilita l'assemblaggio dei circuiti stampati.
Casi d'uso comuni dei PCB castellati
I fori incassati sono progettati su diversi moduli PCB per garantire un funzionamento regolare. Alcuni dei casi di utilizzo dei circuiti stampati sono:
Moduli di comunicazione wireless
Per facilitare l'integrazione e l'efficace transizione del segnale, i moduli wireless come WiFi, Bluetooth, LoRa e cellulari sono realizzati con fori castellati.
- Esempi:
- Modulo ESP32-WROOM: Microcontrollore integrato con modulo Wi-Fi e Bluetooth
- HC-05: Modulo Bluetooth
- RFM95/96 : Modulo a lunga portata (LoRa)
- SIMCOM: Modulo cellulare
Elettronica di consumo e indossabili
Grazie al risultato pulito e compatto della castellazione, molti dispositivi indossabili e elettronica di consumo preferiscono i PCB castellati.
- Esempi: Modulo GPS in un orologio intelligente, moduli biometrici, ecc.
Dispositivo automobilistico e industriale
Molti dispositivi automobilistici e applicazioni di ingegneria industriale utilizzano questa tecnologia grazie a un certo livello di resistenza alle vibrazioni dei fori castellati.
- Esempi: Moduli PLC, controller motore, sensori ADAS, ecc.
Analisi dell'affidabilità e dei guasti dei fori incisi nei PCB
Poiché i moduli sono montati sulla scheda principale attraverso fori castellati, l'affidabilità dei fori è un fattore cruciale nell'assemblaggio dei PCB. Alcuni dei casi di fallimento del processo di castellatura sono i seguenti:
Bave di rame
Le bave di rame sono sottili sporgenze di rame conduttivo che si creano quando la macchina trascina il rame invece di tagliarlo. Queste bave possono causare difetti elettrici e cortocircuiti. In genere, le bave si formano se la punta di fresatura CNC è opaca. Pertanto, per evitare questo problema, si utilizzano punte di fresatura CNC specializzate e diversi strumenti di sbavatura.
Scorrimento e incrinatura del rame
Il distacco e la fessurazione del rame possono essere causati da uno spessore insufficiente della placcatura e da una scarsa adesione del rame al laminato. Questo rischio aumenta quando si usa l'utensile per il taglio a V invece di un utensile specializzato. Fresatura CNC. A causa del danno, si verifica una scarsa integrità della placcatura. Di conseguenza, si creano problemi di malfunzionamento del circuito, come circuiti aperti e degrado del segnale.
Disallineamento
Il disallineamento si verifica quando il modulo viene inserito manualmente nella scheda principale durante l'assemblaggio del PCB. Il disallineamento si verifica quando il processo di assemblaggio viene eseguito senza un adeguato controllo delle impronte o del processo, causando un legame meccanico debole e ponti di saldatura. Per garantire un allineamento corretto, è necessario posizionare dei segni fiduciali sul modulo e utilizzare delle maschere di allineamento per manuale montaggio.
Suggerimenti per la progettazione di PCB castellati
Un PCB castellato affidabile richiede precisione. Di seguito sono descritti alcuni suggerimenti comuni per la progettazione di PCB con fori castellati:
Specifiche meccaniche
Dal punto di vista meccanico, i fori castellati devono essere conformi alle seguenti specifiche per garantire prestazioni efficaci:
- Dimensioni e spaziatura dei fori
Le dimensioni e la spaziatura dei fori devono essere mantenute in modo da evitare cedimenti strutturali. Secondo lo standard di progettazione, il diametro minimo del foro deve essere di 0,5 mm e la distanza tra due fori castellati deve essere di almeno 0,55 mm. Le dimensioni dei fori più piccole richiedono una tecnologia di fabbricazione avanzata.
- Spessore del pannello
Se la scheda è sottile, può causare crepe durante la fresatura o la saldatura. In genere, si preferisce una scheda di spessore pari a 1 mm o 1,6 mm.
Posizionamento e instradamento
I fori castellati devono essere posizionati lontano dai componenti e dal percorso di instradamento per evitare interferenze durante la saldatura e l'assemblaggio del PCB. La distanza tra i fori castellati e il bordo delle schede deve essere mantenuta a un certo livello per evitare sollecitazioni meccaniche e potenziali danni al PCB.
Progettazione di piazzole e maschere di saldatura
Per evitare che la placcatura si stacchi, il pad fornisce una superficie sufficiente alla scheda per trattenere il rame. In genere, l'anello anulare di 0,25 mm viene mantenuto su entrambi gli strati di rame superiori e inferiori. Allo stesso modo, la maschera di saldatura è leggermente più grande del pad di rame per garantire una saldatura corretta senza causare cortocircuiti elettrici.
Finitura superficiale e fabbricazione
In base all'applicazione dei fori castellati, finitura superficiale viene eseguita. La tecnica di finitura superficiale più diffusa è l'Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG). Questa tecnica offre una migliore saldabilità e resistenza alla corrosione. È necessario fornire una finitura priva di bave per evitare cortocircuiti tra piazzole adiacenti.
Integrità della placcatura e considerazioni sull'assemblaggio
L'integrità della placcatura si riferisce alla resistenza e allo spessore del rame all'interno dei fori. La placcatura di rame non deve essere strappata dopo la fresatura. Per mantenere l'integrità della placcatura, la galvanica viene eseguita secondo lo standard IPC Classe 3. Questo standard suggerisce l'uso di rame di spessore compreso tra 25 e 35μm. Questo standard suggerisce l'uso di rame di spessore compreso tra 25 e 35μm.
Quando prendere in considerazione le alternative al foro incassato
Sebbene i fori castellati abbiano un'ampia area di vantaggio e di applicazione, in alcuni casi si possono utilizzare alternative. Nelle condizioni che seguono, un'alternativa è preferibile:
- Alta sensibilità ai costi
Castellation utilizza una fresatura CNC specializzata, una finitura più pulita e un allineamento preciso che aumenta il costo di produzione. Nella produzione di grandi volumi, Tecnologia di montaggio superficiale (SMT)) è più economico.
- Riparabilità
La dissaldatura dei fori castellati richiede competenze professionali in caso di necessità di riparazione. Se i produttori o i fornitori di PCB non dispongono di manodopera qualificata e di una stazione di rilavorazione professionale, i fori castellati non sono da preferire.
- Elevate sollecitazioni meccaniche
Poiché i fori castellati sono saldati ai bordi, si può creare un affaticamento della saldatura se non sono in grado di sopportare elevate sollecitazioni meccaniche e vibrazioni. La differenza di coefficiente termico tra il modulo e le schede portanti provoca guasti nei giunti castellati. In questi casi, si preferisce la tecnologia a fori passanti (THT).
- Bassa complessità
Per un circuito più semplice, la saldatura diretta è più facile da realizzare rispetto ai fori castellati.
Conclusione
In sintesi, i fori castellati fungono da percorso affidabile per il collegamento dei moduli al circuito principale. Per progettare un PCB castellato efficace, è necessario utilizzare determinate specifiche meccaniche e mantenere gli standard di qualità. Inoltre, la precisione nel posizionamento dei fori e l'integrità della placcatura sono i fattori più importanti per la castellatura. In definitiva, i fori castellati forniscono una solida base per i moduli.
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Domande frequenti
A1: I fori incassati sono fori ramati a forma di U sul bordo del modulo utilizzati per il montaggio dei moduli sulle schede principali, mentre la placcatura del bordo comprende la placcatura in rame sul bordo verticale fresato per schermare le interferenze elettromagnetiche (EMI) e fornire una messa a terra adeguata.
A2:
- I vias sono i fori pieni situati all'interno della scheda PCB, mentre i fori castellati sono i fori semicircolari presenti sul bordo della scheda.
- I vias sono progettati per creare connessioni elettriche tra diversi strati di PCB, mentre i fori castellati sono progettati per collegare una scheda all'altra.
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