Moeten er teardrops worden toegevoegd bij het ontwerpen van PCB's?

Deze vraag kan een langdurige discussie uitlokken onder zowel nieuwe als ervaren ingenieurs in de elektronica-industrie: sommigen beweren dat teardrops aan de hele printplaat moeten worden toegevoegd, en noemen het een 'levensreddende operatie' om de betrouwbaarheid te verbeteren; anderen zijn er fel op tegen en klagen dat het toevoegen ervan aan hoogfrequente printplaten direct signaalstoringen veroorzaakt. Nog verwarrender is dat ervaren ingenieurs totaal tegengestelde benaderingen hebben.

In werkelijkheid is er geen 'moet-toevoegen' of 'absoluut niet-toevoegen' standaardantwoord voor teardrops. De sleutel is om hun ware functie te begrijpen en de juiste toepassingsscenario's te vinden. Vandaag leggen we de kernlogica van PCB-teardrops in eenvoudige termen uit, zodat u zich hier nooit meer zorgen over hoeft te maken!

Begrijp eerst dit: teardrops zijn niet 'decoratief', maar een verzameling van 5 praktische functies.

Teardrops zijn de traanvormige of boogvormige overgangskopergebieden tussen PCB-sporen en pads of vias. Ze lijken misschien onbeduidend, maar ze verbergen vijf belangrijke functies:

1. De verbinding versterken:
Net als verstevigingsstrips bij kledingnaden vergroten teardrops het contactoppervlak tussen het spoor en de pad, waardoor externe krachten worden verdeeld. Of het nu gaat om trillingen tijdens producttransport, het in- en uitpluggen tijdens gebruik, of later onderhoud en het verwijderen van connectoren, het voorkomt dat de pad en het spoor uit elkaar worden getrokken, waardoor de mechanische sterkte direct wordt verdubbeld.

2. De pads beschermen tegen 'falen':
Tijdens meerdere soldeercycli ondergaan de pads herhaaldelijk thermische uitzettings- en samentrekkingsspanning, wat gemakkelijk kan leiden tot kromtrekken en loslaten; ongelijke etsing tijdens de productie en verkeerde uitlijning van vias kunnen ook scheuren in de pad veroorzaken. Teardrops fungeren als een buffer, absorberen thermische spanning en verminderen deze faalrisico's.

3. Een soepele signaaloverdracht garanderen:
Wanneer de spoor- en padbreedtes abrupt veranderen, zijn signalen gevoelig voor reflectie en verzwakking. De soepele overgang van de teardrop vermindert impedantieveranderingen, waardoor een soepelere signaaloverdracht mogelijk is en 'verkeersopstoppingen' worden voorkomen.

4. De productie-'opbrengst' verbeteren:
Boorbits hebben onvermijdelijk kleine afwijkingen tijdens het boren. De extra kopertoelage van de teardrop 'buffert' hiertegen, waardoor het spoor niet breekt als gevolg van boorafwijkingen; het vermindert ook over-ets problemen tijdens het etsproces, waardoor fabrieken een hogere tolerantie hebben voor fouten tijdens de productie.

5. Een esthetische 'bonus':
Vergeleken met rigide rechte hoekverbindingen maken teardrops de overgang tussen sporen en pads natuurlijker, waardoor het algehele uiterlijk van de PCB wordt verbeterd. De printplaat ziet er georganiseerder en professioneler uit, en het visuele effect wordt direct opgewaardeerd.

In deze scenario's zijn teardrops een 'must-have', en het weglaten ervan zal onvermijdelijk tot problemen leiden.

Op basis van daadwerkelijke toepassingsscenario's wordt aanbevolen om prioriteit te geven aan het toevoegen van teardrops in de volgende 4 situaties om het risico op productfalen aanzienlijk te verminderen:

1. Omgevingen met hoge mechanische spanning: verplichte toevoeging
Producten zoals automotive elektronica, industriële controllers en vaak in- en uit te pluggen connectorinterfaces zijn onderhevig aan trillingen, botsingen of frequent in- en uitpluggen. De verbinding tussen de sporen en de pads is een 'zwak punt' waar de spanning zich concentreert. Het wordt aanbevolen om afgeronde of 'sneeuwpop'-vormige teardrops te kiezen, die de spanning effectief kunnen verdelen en breukfouten tijdens gebruik kunnen voorkomen.

2. Hoogfrequente/hogesnelheidssignaalscenario's: met voorzichtigheid toevoegen
Hoogfrequente en hogesnelheidscircuits zoals 5G-communicatiemodules en hogesnelheidsgeheugeninterfaces hebben extreem hoge eisen aan signaalintegriteit. Teardrops mogen niet blindelings worden toegevoegd; er moet prioriteit worden gegeven aan gladde, gebogen teardrops, en impedantie-matching moet worden geverifieerd door middel van simulatie om signaalvervorming veroorzaakt door de teardrops te voorkomen.

3. PCBs met hoge dichtheid: selectieve toevoeging
Printplaten met hoge dichtheid, zoals moederborden van mobiele telefoons en draagbare apparaten, hebben extreem beperkte routingruimte. Het toevoegen van teardrops aan de hele printplaat neemt extra ruimte in beslag en beïnvloedt de routingdichtheid. Het wordt aanbevolen om ze alleen toe te voegen aan kritieke pads en vias, en ze weg te laten in niet-kritieke gebieden om de betrouwbaarheid en routingefficiëntie in evenwicht te brengen.

4. Optimalisatiescenario's voor massaproductie: aanpassen indien nodig
Voor goedkope consumentenelektronica, als de procesmogelijkheden van de PCB-fabrikant gemiddeld zijn (bijv. lage boornauwkeurigheid), kan het teardrop-dekkingsgebied op passende wijze worden vergroot om procesgebreken te compenseren en de massaproductie-opbrengst te verbeteren; als het proces van de fabrikant volwassen is, kan de conventionele grootte worden gebruikt om ruimteverspilling te voorkomen.

Het toevoegen van teardrops op deze 3 plaatsen staat gelijk aan... Teardrops toevoegen: voorzichtig te werk gaan!

Niet alle scenario's zijn geschikt voor het toevoegen van teardrops. Het blindelings toevoegen ervan in de volgende situaties zal alleen maar averechts werken:

1. Impedantiegevoelige gebieden:
Voor gebieden met extreem hoge impedantie-eisen, zoals antennes en differentiële paren, moet impedantieverificatie worden uitgevoerd voordat teardrops worden toegevoegd. Als de teardrops impedantie mismatch veroorzaken, heeft dit direct invloed op de productprestaties, waardoor het slechter wordt dan ze helemaal niet toe te voegen.

2. Ultra-hoge dichtheid printplaten:
Voor producten zoals miniatuursensoren en extreem compacte moederborden van mobiele telefoons, waar de bedradingsdichtheid al gemaximaliseerd is, zullen teardrops de routingruimte verder comprimeren, wat mogelijk kan leiden tot routingproblemen of zelfs kortsluitingsrisico's. Zorgvuldige evaluatie is vereist voordat wordt besloten of ze moeten worden toegevoegd.

3. Circuits met lage complexiteit:
Voor eenvoudige besturingskaarten en gewone consumentenelektronica, die lagere eisen stellen aan mechanische sterkte en signaalintegriteit, zijn de voordelen van het toevoegen van teardrops beperkt, en het zal alleen de ontwerptijd verlengen. Om het proces te vereenvoudigen en de efficiëntie te verbeteren, kan het teardrop-ontwerp worden weggelaten.

Samenvatting: Het kernprincipe van teardrops is 'aanpassen indien nodig'.

PCB-teardrops zijn in wezen een 'kers op de taart' optimalisatieontwerp, geen kernelement dat de circuitfunctie bepaalt. Ze zijn noch een 'alles-oplosser' noch een 'overbodig item':

• Bij het nastreven van betrouwbaarheid en het omgaan met complexe omgevingen zijn ze een 'beschermend schild' om risico's te verminderen;
• Bij het omgaan met routing met hoge dichtheid en hoogfrequente/hogesnelheidssignalen zijn ze een 'detail' dat zorgvuldige controle vereist;
• In eenvoudige circuits en in massa geproduceerde producten met volwassen processen zijn ze een 'optimalisatieoptie' die flexibel kan worden gekozen.

Uitstekend PCB-ontwerp gaat nooit over het blindelings stapelen van functies, maar eerder over het nauwkeurig aanpassen aan de productbehoeften. Het beheersen van de toepasselijke scenario's en ontwerptechnieken van teardrops is essentieel om de beste balans te vinden tussen betrouwbaarheid, prestaties en efficiëntie.