孔环在PCB设计中的重要性

一路上

前言

孔环是钻孔与焊盘边缘之间的空间，指定钻孔周围的最小间隙，焊盘的孔环是从孔的边缘测量到焊盘的边缘。不要以为孔环是独立的部分，该术语用于描述在钻取穿过焊盘的孔之后保留的铜焊盘部分。

孔环有多种用途，尺寸不合适的孔环可能会引起严重的PCB问题。除了可能造成短路外，小的或不存在的孔环还会造成严重的制造延迟及PCB可靠性问题。

孔环的用途

孔环最重要的用途之一是将贯穿孔保持在焊盘的边界内，它对于引线、焊盘和走线之间的稳固结构和连接至关重要。孔环也可防止镀覆孔与接地层短路，在PCB外层的孔环有助于确保整个PCB的稳固结构。

图1：典型的孔环放大图  

规划适当尺寸的孔环为PCB制造工艺提供了在公差范围内偏移的空间。

为了规划足够尺寸的孔环，推荐焊盘尺寸如下：

内层和外层焊盘应该至少比成品孔尺寸大18 mil，尽管导通孔焊盘只需要大10 mil（通常非导通孔的钻孔尺寸大于成品孔尺寸，对于导通孔的孔，则按照成品孔尺寸钻取）。

如果设计包括任何焊盘与走线连接处的最低要求或更高的IPC检测级别要求，则需要在焊盘设计中考虑这一因素。

例如，18 mil的焊盘和2 mil的连接处实际上应该有20 mil的焊盘。这些尺寸最终应为引线创建9mil的孔环，为导通孔创建5mil的孔环，以允许工艺变化且仍能满足要求。

如果有PCB制造商提供的所有所需数据，则可以使用以下公式计算最小焊盘尺寸：L = a + 2b + c

其中：L为所需的孔焊盘、a为钻孔的内径、b为最小孔环尺寸、c为钻孔设备的制造余量或允许偏差

孔环太小时会发生的状况

很多时候设计师想要使用最大的贯穿孔钻头来节省成本，很容易理解为什么孔环尺寸会成为问题。同时，他们希望将自己的设计紧密地填满PCB，这样所需的PCB尺寸就可以更小。然而，更大的钻孔意味着更多的孔环要求。优良的设计师需要有效权衡。

孔环太小会导致制造和质量问题。最常见的问题之一是孔破出，即钻孔越出焊盘边缘；孔破出是严重的问题，因为它可能导致引线和焊盘之间的短路及连接不良。

孔环太小也会导致PCB的寿命问题。虽然PCB开始时可能运行得很好，但在后续的某个环节，小的孔环可能会造成故障。

通常情况下，当孔环尺寸太小时，PCB会发生短路或根本无法正常工作。曾经有过小孔环导致“意外的热熔断情况”的案例，没错，PCB起火了。

PCB制造中尺寸过小孔环的发生频率

理想情况在PCB设计进入制造之前，需要审查尺寸过小孔环等问题，此审查有助于确保可以在IPC规范范围内构建PCB。IPC-A-600涵盖印制板的可接受性要求，而IPC-6012E则规定了“刚性印制板”的要求。两份标准都规定了不同级别产品的最低孔环要求。

例如，在IPC-A-600中，对于不同级别产品，其要求如下：

3级：尽管孔未居中于焊盘中心，但无孔破出；孔环尺寸测量值为2 mil或以上。

2级：孔破出为90°或更小，导体连接处测量值为2 mil或以上。

1级：孔破出为180°或更小，只要导体连接处减少不超过30%。

注意，只有3级产品需要一些孔环余量。以质量为中心的制造商将尽其所能满足这一要求。

图2：孔环大小示例

经常会出现尺寸过小或缺少孔环在PCB设计中非常常见，有时我们会看到多达30%的作业因孔环问题而被搁置。设计师和制造商需要努力解决这类问题，因此可能会使生产延迟数小时。仔细考虑想要使用的钻头尺寸和焊盘尺寸，可以避免PCB设计中的孔环问题。这当然会影响成本，但可能是值得的。

注意，PCB设计软件可能具有最小孔环宽度的配置设置。确保这些设置与IPC-A-600标准 3级要求相匹配，就可以开始生产了。另一个可以避免孔环问题和减少孔破出机会的选项是在焊盘和走线上添加泪滴，这可能是有效减少孔环问题的方法。

结语

重要的是切记，孔环在PCB功能和可靠性方面发挥着至关重要的作用。计划不周和孔环尺寸不足是PCB制造延迟的主要原因。通过了解这些重要事实并提前计划，可以防止孔环破坏PCB制造计划、预算和时间进度。

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