PCB上的那些“孔”和“点”： 安装孔

wushy

今天来聊一下安装孔(Mounting Hole)。安装孔看似简单，但其实里面有不少门道。先来做个小测验，看看您能得几分：

4 ?$ u5 Z* }1 |8 z! A如果使用M3的螺钉，在PCB上的安装孔封装该怎么画？

# q: X: A" d% ]; x安装孔是否需要敷铜，是否需要接地？

有没有用过带过孔的安装孔，知道为什么要带过孔吗？
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嗯，今天讨论的就是下图中的“孔”：
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正文开始，我是分割线

! j/ s7 I- y5 ]* B0 J( h+ a安装孔每块PCB上都有，但却很少有相关的文档或设计规范。即使是大型的电子企业，一般也只会对Mark点(工艺部门)和测试点(QA/质量管控部门)提出规范。但对于工程师来说，任何微小的错误都会导致PCB的设计或质量问题，因此掌握安装孔的设计方法也非常重要。
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0 C' F9 ~( N: }, o1 M安装孔设计首要原则

1 L' d9 r6 W+ w7 w( m, [! P, m7 n不要忘记摆放安装孔！！！

  p4 z" T! C6 R估计大家看到这里都笑了，没有安装孔板子怎么装配？这怎么可能忘记呢？
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明确的告诉大家，非常有可能！比如结构工程师壳体还没设计完成，给不出准确的装配尺寸，勤劳的EE们当然不会"坐以待毙"，先做起Layout，遇到板子比较小、线路特别密的情况，等Layout完成会忽然发现已经没有摆放安装孔的地方了...

还有一种情况，因为安装孔不只是PCB装配到系统上，也有可能是其他部件装配到PCB上，比如散热器。小编在第一次设计主板时候就遇到过这种尴尬，在Layout一款AMD CPU的主板时，全部的精力都放在BGA芯片的各种扇出、线长匹配、阻抗匹配，差不多要完工的时候才突然发现这款CPU是必须要装Heatsink的，然而我根本就没有考虑Heatsink安装孔的位置...
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" C- h6 z+ M3 N/ W' L安装孔理论知识

( n0 u8 `1 C: z2 _( _研究安装孔前先了解一下螺钉套件：
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  N& q8 J( R/ c2 Y紧固件通常由螺钉、螺母、平垫圈、锁紧垫圈组成。在PCB的装配中，有时用不到螺母和锁紧垫圈。

常有的安装孔有以下3种：
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% ]2 H% g) l% ^1 c1 A9 B4 E非支撑孔(Unsupported)

6 ?" C0 S" ]+ x非支撑孔孔壁无镀层，上下可能有也可能没有焊盘。非支撑孔不会连接地平面或其他网络，仅仅是为了安装、固定。因此在PCB上使用非支撑孔时，除了考虑孔的直径外，还需要摆放一个Keepout，为螺钉头留出空间。

6 ?# ?, m8 V5 v7 n5 d2 S8 A典型的非支撑孔在AD里如下图所示，由一个Multilayer的Pad和一个Keepout画的圆组成。无须设置特殊的阻焊、助焊。

3D视图如下，孔壁没有镀层(铜皮)

, J. ^' U  Q4 U' N+ l支撑孔(Supported)

! B* q/ M: o2 Y( M1 T支撑孔孔壁有镀层，上下都有焊盘，通常与地平面相连，且通常以直连的方式，不使用热焊盘(thermal relief)。支撑孔不需要Keepout，但焊盘在每个层的直径可以不同。

典型的支撑孔在AD里如下图所示，仅由一个Multilayer的焊盘组成
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, V# a0 S- M2 v' C' I该Pad的属性如下图，可以将内层Pad的直径设小一点，当然也可以和顶层、底层相同。由于需要接地，设置了阻焊，便于螺钉与铜皮充分接触。
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# Y/ j6 ]) ?5 i% S. |# ?5 b) K支撑孔在3D中的效果如下图，注意孔壁的敷铜及Pad：

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0 F, V- o( W: E$ ?; Q& N) ?
+ U7 P1 H7 o- j带过孔的支撑孔(Supported with Via)

$ B" W3 s; o, c5 Z3 @! j这种安装孔和支撑孔类似，但是在安装孔上又添加了一组过孔，如下图所示：

% t" E9 m! U4 U" F1 p% s' s: M! B
添加过孔主要有两个原因：

螺钉拧入安装孔时可能会造成孔壁的铜皮剥落，添加过孔后可以保证螺钉头与地平面仍有充分的连接

* b6 ]# V: ?  `/ h3 @0 y拧螺钉的时候如果力矩过大，过孔可以给PCB提供额外的保护

安装孔上过孔的平均直径为0.5mm。

+ ~7 b2 F8 i) r' r* i- v安装孔设计规范
3 @! I; l1 x; v+ }
现在来看下如果确定了螺钉的尺寸，如何来设计安装孔。根据实际情况，可以分为紧配合安装及松配合安装。
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先看下紧配合安装的ISO标准：

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表中将安装孔是否敷铜的情况做了区分，上方为PTH的的场景、下方为NPTH的场景。对于PTH的场景，又细分了是否使用垫片的情况，Pan Head为直接用螺钉头固定，Flat Washer为使用垫片的情况。
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以红色框中的数据为例，对于M3x0.5(直径3mm，螺距0.5mm)的螺钉，安装孔应该设计：
  k  ^8 {  W0 }. l- i2 B
2 b3 Z8 [1 J2 f: j不使用垫片：孔径为3.1；焊盘直径6.1；摆放空间6.6
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. V+ E/ k4 `7 j3 B; p0 z使用垫片：孔径为3.1；焊盘直径7.3；摆放空间7.8
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6 k6 g1 P' k/ a5 l- z+ M8 K绿色框中为NPTH的场景，可以看到同样的M3，孔径尺寸为3.1，摆放空间同样为7.8，但焊盘尺寸仅为1，小了很多，这是由于不需要紧密接触进行接地。

再看下送松配合安装的ISO标准：
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可以看到，松配合安装下无论是孔径、焊盘直径还是摆放空间，都比紧配合安装要大。通常来说，松配合安装仅用于尺寸超过100mm的大板子。

0 `: D; Y( W( c; |* D通常情况下，小板都需要使用紧配合安装。
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最后，以上数据仅供参考，在设计中，还需要理论结合实际，才能做出高质量的板卡。希望小编的"惨痛经历"和"理论知识"可以帮助各位工程师少走弯路，有的放矢地进行各种“规范”的设计图片

love1

支撑孔孔壁有镀层，上下都有焊盘，通常与地平面相连，且通常以直连的方式，不使用热焊盘(thermal relief)。支撑孔不需要Keepout，但焊盘在每个层的直径可以不同。

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如果确定了螺钉的尺寸，如何来设计安装孔。根据实际情况，可以分为紧配合安装及松配合安装。

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绿色框中为NPTH的场景，可以看到同样的M3，孔径尺寸为3.1，摆放空间同样为7.8，但焊盘尺寸仅为1，小了很多，这是由于不需要紧密接触进行接地。