Комплексное руководство по проводящим штырям для печатных плат
Проводящий вывод печатной платы — это цилиндрический металлический компонент, установленный или припаянный к печатной плате, который сочетает в себе две функции.: механическая поддержка и электропроводность. В отрасли, его также часто называют медным столбом, проводящий опорный пост, или заземляющий пост.
Его функции в целом можно разделить на две категории.:
Первый - это Структурно-электрический пост двойного назначения. Он не только сохраняет расстояние между печатной платой и корпусом., радиатор, или другая плата, но также проводит ток через сам столб или обеспечивает заземление и экранирование..
Второй — это встроенный теплопроводящий столбик (медный постамент). Он специально разработан для управления температурным режимом мощных компонентов.. Сам столб не участвует в проводимости цепи, а вместо этого передает тепло непосредственно от медного слоя к корпусу или конструкции рассеивания тепла..
Хотя оба эти типа постов называются “посты,” их материалы, процессы установки, и требования к дизайну совершенно разные.
В этой статье представлен всесторонний анализ с шести точек зрения.: определение, классификация, параметры выбора, соображения процесса, режимы отказа, альтернативные решения, и решения по выбору, помогая вам выбрать и использовать правильный проводящий столб на этапе проектирования.
1. Что такое проводящий пост для печатной платы и зачем он нужен?
В полном PCBA сборка, проводящие столбы в основном решают три типа проблем:
Механическая поддержка
Они поддерживают точное и стабильное расстояние между печатной платой и корпусом., радиатор, или другая плата. Это предотвращает короткое замыкание компонентов на корпус, а также оставляет место для установки охлаждающих вентиляторов., разъемы, и другие компоненты.
Электрическое соединение
Они напрямую соединяют заземляющую плоскость печатной платы., защитный слой, или сильноточную сеть к металлическому корпусу или другой печатной плате через сам пост.
Это позволяет заземлить, Экранирование электромагнитных помех, или сильноточная передача, обеспечивает более низкий импеданс и лучшую устойчивость к сильноточным скачкам по сравнению с использованием только дорожек печатной платы.
Теплопроводность
Для компонентов, выделяющих тепло, таких как мощные светодиоды., силовые транзисторы, и оптоэлектронные устройства COB, встроенные медные штыри могут напрямую контактировать с нижней частью термопрокладки компонента..
Это создает путь теплопроводности с чрезвычайно низким тепловым сопротивлением., обеспечивая более высокую эффективность, чем традиционные термические переходные решения и решения с медной заливкой.
Проще говоря:
- Если ваша печатная плата требует обеспечить заземление, сохраняя при этом определенное расстояние, выберите электропроводящий медный столб.
- Если необходимо обеспечить только механическое расстояние без электропроводности, выберите стандартную нейлоновую прокладку или непроводящую опорную стойку..
- Если целью является управление температурным режимом для мощных компонентов, выберите встроенный теплопроводящий столб.
В следующих разделах представлено подробное объяснение..
2. Классификация проводящих штырей печатных плат
2.1 Классификация по способу установки
| Способ установки | Принцип | Преимущества | Недостатки | Типичные приложения |
|---|---|---|---|---|
| Медный пост СМТ | Припаивается к контактным площадкам печатной платы вместе с другими компонентами во время процесса оплавления SMT. | Высокий уровень автоматизации и хорошая согласованность, подходит для массового производства | Высокие требования к копланарности, и допуск по высоте стойки должны соответствовать другим компонентам | Бытовая электроника, маршрутизаторы, модули связи |
| Медный столб со сквозным отверстием (Это) | Выводы проходят через отверстия печатной платы и припаиваются волна пайки или ручная пайка | Высокая прочность пайки и хорошая устойчивость к механическим воздействиям. | Требует дополнительного процесса установки и менее эффективен, чем SMT. | Промышленные щиты управления, силовые платы, и несущие приложения |
| Медный столб с резьбой / Медное противостояние | Один конец имеет внутреннюю или внешнюю резьбу и крепится между печатной платой и корпусом с помощью винтов. | Съемный и удобный для обслуживания и замены. | Требует больше места для установки и имеет немного более высокую стоимость. | Оборудование, требующее обслуживания на месте или установки и удаления платы. |
| Медный столб с пресс-фитингом | Штырь впрессовывается в металлизированное сквозное отверстие и опирается на посадку с натягом для электрического и механического соединения без пайки. | Пайка оплавлением не требуется, подходит для толстых печатных плат и сильноточных приложений, с хорошей виброустойчивостью | Строгие требования к диаметру отверстий и допускам покрытия., и требуется специальное оборудование для прессовой посадки | Автомобильная электроника, сильноточные силовые платы, межплатные соединения |
2.2 Классификация по материалу
Латунь: Обеспечивает высокое соотношение цены и качества и сбалансированную электрическую и теплопроводность.. В настоящее время это наиболее широко используемый материал для проводящих штырей..
Фосфорная бронза: Обеспечивает лучшую эластичность и сопротивление усталости., что делает его пригодным для применений, требующих многократной установки и удаления или эксплуатации в условиях вибрации..
Алюминиевый сплав: Легкий и относительно недорогой, но его электропроводность и паяемость уступают меди. Он в основном используется для чисто структурных опор с низкими требованиями к проводимости..
Нержавеющая сталь: Обеспечивает высочайшую механическую прочность и устойчивость к коррозии, но имеет относительно низкую электропроводность.. Обычно он используется для структурной поддержки, а не для проведения электропроводки..
Примечание: Если столбу необходимо обеспечить электропроводность или заземление, медные сплавы должны быть предпочтительным материалом. Алюминий или нержавеющую сталь следует рассматривать только в качестве чисто структурных опор.. Это помогает избежать ситуаций, когда “область, которая должна проводить электричество, не проводит электричество должным образом, хотя стоимость еще выше.”
2.3 Классификация по покрытию поверхности
Покрытие поверхности проводящего столба напрямую определяет его контактное сопротивление и стойкость к окислению..
| Покрытие | Характеристики | Подходящие приложения |
|---|---|---|
| Никелирование (В) | Низкая стоимость и умеренная стойкость к окислению. | Общая бытовая электроника и некритические точки заземления |
| Никель + Золотое покрытие (Это или/или) | Низкое контактное сопротивление, отличная стойкость к окислению, и лучшая долгосрочная стабильность | Приложения высокой надежности, ВЧ/экранирующее заземление, военные и промышленные щиты управления |
| Погружение | Хорошая паяемость и умеренная стоимость. | Медные штыри SMT и приложения, требующие пайки оплавлением |
| Непокрытая медь | Самая низкая стоимость, но легко окисляется со временем., что приводит к увеличению контактного сопротивления | Ограничено краткосрочными или некритическими применениями и не рекомендуется для долгосрочного заземления. |
2.4 Встроенные теплопроводящие штифты (Медные пьедесталы)
Это особый тип проводящего штыря, специально разработанный для мощных тепловыделяющих компонентов..
В отличие от ранее упомянутого Структурные и электрические посты двойного назначения, его основная цель – теплопроводность, а не электропроводность. Поэтому, необходимо соблюдать несколько строгих требований к проектированию:
- Медный постамент должен быть установлен независимо и не должен образовывать электрическое соединение с проводами, находящимися под напряжением., прокладки, или проводящие медные слои. Это предотвращает случайную электрическую проводимость конструкции терморегулирования и позволяет избежать коротких замыканий..
- Рекомендуемый минимальный размер объекта не должен быть меньше 1 мм × 1 мм.
- Медная подставка должна быть полностью соединена с медным базовым материалом в нижней части печатной платы, чтобы обеспечить непрерывный путь теплопроводности без воздушных зазоров..
- По сравнению с традиционными решениями со встроенными медными блоками, микровыступающие медные штифты могут полностью устранить тепловое сопротивление между термопрокладкой компонента и диэлектрическим слоем FR-4., обеспечение лучшей теплопроводности.
Однако, производственный процесс более сложен, и требования к копланарности и регулированию объёма паяльной пасты тоже ужесточаются. Как результат, стоимость соответственно выше.
Обычно они используются только в высокотехнологичных приложениях терморегулирования, требующих сверхвысокой точности и сверхнизкого термического сопротивления., такой как мощные светодиоды, COB оптоэлектронные устройства, и автомобильные силовые модули.
3. Ключевые параметры для выбора проводящих выводов печатной платы
При выборе токопроводящего столба, рекомендуется поэтапно подтвердить следующие параметры, чтобы избежать ситуаций, когда «модель правильная, но не может быть установлена» или «она может быть установлена, но не проводит электричество должным образом».
Диаметр и высота
Общие характеристики диаметра включают: 3 мм, 4 мм, и 5 мм, в то время как длина обычно варьируется от 5 мм до 30 мм.
Принцип выбора заключается в том, что высота стойки должна оставлять дополнительный запас. 1–2 мм припуска на сжатие или пайку за пределами фактического конструктивного промежутка.
Например, если 10 Между печатной платой и корпусом необходимо соблюдать расстояние в мм., медный столб с 4 диаметр мм и 10 длина мм можно выбрать.
Спецификация резьбы
Общие характеристики резьбы для медных штырей с резьбой включают: М2, М2,5, и М3.
Спецификацию резьбы необходимо сверить с соответствующими винтами и монтажными отверстиями корпуса, чтобы избежать доработок, вызванных несовместимостью резьбы..
Допустимая токовая нагрузка
Если столб используется для заземления или передачи сильного тока, площадь поперечного сечения столба должна оцениваться по требуемому току.
Когда необходимо, для распределения тока следует использовать столб большего диаметра или несколько столбов, соединенных параллельно..
Столб не следует выбирать исключительно по механической прочности..
Компланарность
Когда медные выводы SMT припаиваются оплавлением на одной печатной плате вместе с другими компонентами SMT., допуск по высоте стоек должен контролироваться в очень небольшом диапазоне.
В противном случае, некоторые площадки могут иметь недостаточную пайку, в то время как другие могут быть чрезмерно сжаты.
Это одна из наиболее распространенных точек отказа медных штырей SMT..
Покрытие и экологическая совместимость
Для особых условий, связанных с влажностью, соляной туман, или высокая вибрация, материалы с никелевым/золотым покрытием или фосфористой бронзой должны быть приоритетными..
Это помогает предотвратить повышенное сопротивление контактов и сбой заземления после длительного использования..
Требования к обслуживанию и демонтажу
Для применений, требующих обслуживания или замены на месте, рекомендуются медные штыри с резьбой.
Для одноразовых сборочных работ, ориентированных на эффективность производства, Более подходящими являются стойки, монтируемые SMT или запрессованные..
4. Аспекты проектирования процесса для проводящих столбов (DFM)
Дизайн колодки
Размер контактной площадки для медных штырей SMT следует оценивать отдельно на основе нижней контактной площади штыря и температурного профиля пайки оплавлением..
Если подушка слишком мала, может возникнуть недостаточная пайка.
Если подставка слишком большая, распределение паяльной пасты может стать недостаточным, потенциально может привести к наклону стойки.
Согласование профиля температуры оплавления
Медные штыри обычно имеют более высокую тепловую массу, чем стандартные компоненты SMT..
Если они припаяны оплавлением на одной плате вместе с небольшими компонентами, следует оценить температурный профиль, чтобы гарантировать, что медные контактные площадки получают достаточно тепла для полного плавления припоя..
Это предотвращает ситуации, когда «небольшие компоненты припаяны должным образом, а медные выводы еще не достигли достаточного смачивания припоем».
Конструкция с запрессованными отверстиями
Медные штыри с запрессовкой обеспечивают посадку с натягом для обеспечения электрического соединения и механического удержания..
Диаметр отверстия, толщина покрытия, и допуски вставного участка стойки должны строго соответствовать параметрам заводского пресс-оборудования.
Перед изготовлением прототипа рекомендуется согласовать окно процесса запрессовки с производителем..
Соединение между медными штырями заземления и плоскостью заземления
Для проводящих столбов, используемых для заземления, соответствующая площадка должна быть непосредственно подключена к заземляющей пластине основной платы в ближайшем возможном месте..
Количество переходных переходов также должно быть сведено к минимуму, чтобы уменьшить сопротивление заземления..
Координация с проектированием панельизации печатных плат
Если проводящий штырь расположен близко к линии разделения печатной платы, такой как V-Cut или вкладка «укус мыши», принципы проектирования панельизации, описанные в предыдущей статье «Комплексное руководство по методам панельизации печатных плат» следует следовать.
Напряжение, возникающее во время снятия панелей, должно быть удалено от области проводящей контактной площадки, чтобы предотвратить недостаточность паяных соединений или ослабление, вызванное вибрацией во время разделения печатной платы..
Зазор изоляции для термомедных опор
Как упоминалось ранее, встроенные теплопроводящие столбы должны сохранять достаточный изоляционный зазор от окружающей проводящей меди..
На этапе макетирования, Для этой области следует установить отдельные правила зазоров, чтобы избежать неправильной проверки проекта, вызванной смешиванием этих требований со стандартными правилами зазоров при прокладке печатных плат..
5. Распространенные виды отказов и меры предотвращения
| Режим отказа | Распространенные причины | Меры профилактики |
|---|---|---|
| Недостаточная пайка / Холодная пайка | Плохая компланарность, неправильная конструкция колодки, несоответствующий температурный профиль оплавления | Выполните проверку компланарности перед размещением и при необходимости оптимизируйте температурный профиль для данной области. |
| Плохое заземление / Повышенное контактное сопротивление | Неправильный выбор покрытия., длительное окисление, микротрещины в паяных соединениях, вызванные механическим воздействием | Используйте позолоченные медные штыри для важных точек заземления и избегайте пайки в чувствительных к вибрации местах. |
| Наклон поста / Неравномерное механическое напряжение | Неправильный контроль угла при ручной пайке или несоответствие допусков между штифтом и монтажным отверстием. | Используйте приспособления для позиционирования, чтобы облегчить пайку и контролировать допуск посадки между стойкой и монтажным отверстием. |
| Повреждение подложки печатной платы из-за чрезмерного нагрева при пайке | Чрезмерная температура пайки или чрезмерное время нагрева. | Строго контролируйте температуру паяльника и время выдержки.; ступенчатый обогрев рекомендуется для больших медных столбов |
| Подъем медной фольги / Расслаивание | Концентрированные термические напряжения при пайке или недостаточная термостойкость материала печатной платы. | Выбирайте материалы печатной платы с соответствующим рейтингом Tg в соответствии с тепловой массой опоры и контролируйте локальную скорость нагрева. |
| Недостаточная теплопроводность термопостов | Медная подставка не полностью соединена с нижним медным базовым материалом., в результате образуются пустоты | Усиление входного контроля и отбора проб поперечного сечения, чтобы обеспечить непрерывный тепловой путь без пустот. |
6. Сравнение проводящих столбов и других решений для подключения/поддержки
| Решение | Электропроводящий | Съемный | Типичная стоимость | Подходящие приложения |
|---|---|---|---|---|
| Проводящий медный столб | Да | Зависит от типа; резьбовые типы съемные | Середина | Заземление, передача сильного тока между платами, комплексная структурная поддержка |
| Нейлоновая прокладка / Изолирующий опорный пост | Нет | Да | Низкий | Чисто механическая поддержка без требований по электропроводности |
| Весенний контакт (Пого Пин) | Да | Да, подходит для тестирования плагинов | От среднего до высокого | Тестовые приспособления и сигнальные соединения, требующие частой установки и удаления |
| Межплатный разъем (Коннектор B2B) | Да, несколько путей прохождения сигнала | Да | От среднего до высокого | Многоуровневые печатные платы, требующие одновременного подключения нескольких сигналов |
| Проводящий клей | Да, но проводимость ниже, чем у меди | Нет | От низкого до среднего | Маленький- и приложения среднего объема с относительно низкими требованиями к проводимости |
Как показано выше, Основное преимущество токопроводящих столбов состоит в том, что они одновременно обеспечивают механическая поддержка и электрическая проводимость.
Они особенно подходят для применений, требующих несущей способности вместе с заземлением с низким сопротивлением или передачей сильного тока..
Однако, если основным требованием является многоканальная передача сигнала с частым вставлением и удалением, Разъемы «плата-плата» или штыри Pogo, как правило, являются более подходящими вариантами..
7. Технические характеристики и руководство по выбору проводящей опоры печатной платы
7.1 Основные характеристики конструкции
Дизайн зазора
Безопасное расстояние между токопроводящим столбом и окружающими его дорожками или площадками должно быть ≥ 0.2 мм для предотвращения утечки тока или короткого замыкания, особенно в условиях работы под высоким напряжением.
Для печатных плат HDI высокой плотности, зазор можно отрегулировать 0.15 мм, при условии, что используется соответствующая изолирующая паяльная маска..
Согласование диаметра отверстия
Для сборных токопроводящих столбов, Диаметр отверстия колодки должен быть 0.1–0,15 мм больше диаметра штифта.
Это обеспечивает достаточный допуск при пайке и предотвращает чрезмерный зазор, который может привести к недостаточной пайке..
Конструкция заземления
Для цепей, чувствительных к электромагнитным помехам, позолоченные заземляющие проводящие штыри должны быть приоритетными для создания комплексной сети заземления и улучшения характеристик ЭМС..
Тепловая конструкция
Для мощных компонентов, Твердые проводящие штыри большого диаметра могут быть расположены под компонентами в виде матрицы для повышения эффективности рассеивания тепла по вертикали..
7.2 Рекомендации по выбору на основе приложений
Печатные платы для бытовой электроники и общепромышленного управления
Рекомендуется использовать сборные медные проводящие штыри с луженым покрытием, поскольку они обеспечивают хороший баланс между стоимостью и производительностью., удобная пайка, достаточная электропроводность и механическая поддержка для обычных применений..
Печатные платы для новых источников энергии и источников питания высокой мощности
Рекомендуется использовать сплошные голые медные или луженые проводящие штыри большого диаметра., приоритет отдается допустимой нагрузке по току и характеристикам рассеивания тепла.
Печатные платы для высокочастотной связи и прецизионных приборов
Рекомендуется использовать интегрированные позолоченные проводящие штыри из-за их низкого импеданса., сильная стойкость к окислению, и минимальное влияние на передачу сигнала.
Печатные платы управления для автомобильной и наружной промышленности
Рекомендуется использовать толстые луженые или позолоченные проводящие штыри для обеспечения устойчивости к высоким и низким температурам., вибрация, и коррозия, что делает их пригодными для суровых условий эксплуатации.
Многослойные печатные платы HDI высокой плотности
Рекомендуется использовать встроенные миниатюрные гальванические проводящие штифты, поскольку они обеспечивают высокую точность., не занимают значительное пространство маршрутизации, и обеспечивают превосходную консистенцию.
Заключение
Проводящие штыри печатных плат являются ключевыми компонентами современной точности. Дизайн печатной платы которые демонстрируют принцип «небольшая структура, значимая функция».
Это гораздо больше, чем просто компоненты электрического соединения..
С превосходной электропроводностью, механическая поддержка, эффективное рассеивание тепла, и возможности электромагнитного экранирования, токопроводящие штыри адресные высокой мощности, высокая плотность, и высоконадежные условия эксплуатации, которые традиционные переходные отверстия и провода могут не поддерживать эффективно..
Для инженеров-проектировщиков печатных плат, инженеры процесса, и инженеры по закупкам, понимание классификации, производственные процессы, технические параметры, характеристики выбора, и решения проблем с проводящими штырями могут эффективно улучшить производительность печатной платы, снизить процент дефектов, продлить срок службы оборудования, и контролировать стоимость проекта.
Поскольку высококачественное электронное оборудование продолжает развиваться, Растущая точность и интеграция технологий проводящих штырей для печатных плат будут продолжать оставаться одним из основных конкурентных преимуществ передовых технологий. ПХБ производство.
Часто задаваемые вопросы (Часто задаваемые вопросы)
1 квартал: Что лучше, проводящий пост печатной платы или стандартный переход на печатную плату?
Ни то, ни другое не лучше. Правильный выбор зависит от применения.
Стандартные переходные отверстия подходят для обычных Многослойная печатная плата соединения, включающие передачу слабых токов и слабых сигналов.
Проводящие посты печатной платы больше подходят для сильноточных, мощный, тепловая поддержка, высокая вибрация, и высоконадежные приложения, где их производительность может значительно превышать производительность стандартных переходных отверстий.
2 квартал: Требуют ли проводящие выводы печатной платы изолирующую обработку??
Изоляция обычно не требуется для обычного электрического соединения между платами или заземления..
Однако, если токопроводящий штырь расположен вблизи следов высокого напряжения или открытых поверхностей печатной платы, защита изоляции должна быть обеспечена с помощью паяльной маски., изоляционные прокладки, или другие изоляционные материалы для предотвращения коротких замыканий и утечки тока..
Q3: Как мне выбрать между лужеными и позолоченными проводящими выводами печатной платы??
Для обычных потребительских и промышленных систем управления., рекомендуется использовать луженые стойки, поскольку они обеспечивают наилучшее соотношение цены и качества..
Для высокочастотных прецизионных приложений, военная техника, или длительные условия эксплуатации на открытом воздухе, рекомендуется использовать позолоченные штифты, поскольку они обеспечивают лучшую стойкость к окислению., более низкий импеданс, и более высокая долгосрочная стабильность.
Q4: Могут ли проводящие штыри печатной платы заменить стандартные опорные прокладки??
Да.
Встроенные проводящие опорные медные стойки могут полностью заменить изолирующие пластиковые опорные прокладки, одновременно обеспечивая механическую поддержку и электрическую проводимость..
Это может упростить структуру печатной платы и улучшить общую стабильность..
Q5: Как можно решить проблемы с нагревом проводящих штырей печатной платы?
Приоритет следует отдавать использованию сплошных проводящих штырей большего диаметра., несколько постов, подключенных параллельно для текущего распределения, и медные материалы высокой чистоты.
В то же время, планировка должна быть оптимизирована для распределения концентрированных источников тепла и усиления вертикальных путей рассеивания тепла..
