اگر یک PCB دو‌رو یا چندلایه را از نزدیک بررسی کنید، داخل بسیاری از سوراخ‌ها یک دیواره فلزی براق می‌بینید. این لایه مسی فقط برای ظاهر برد نیست؛ وظیفه آن ایجاد اتصال الکتریکی بین لایه‌های مختلف PCB است. در بازار ایران معمولاً به چنین ساختاری برد متالیزه گفته می‌شود. در این مقاله بررسی می‌کنیم برد متالیزه چیست، PTH چگونه ساخته می‌شود، Via چه تفاوتی با سوراخ قطعه دارد و هنگام طراحی PCB باید به چه مشخصاتی توجه کنیم.

برد متالیزه چیست؟

اصطلاح برد متالیزه معمولاً به PCBای اشاره دارد که سوراخ‌های آن دارای پوشش رسانای فلزی هستند.

در یک سوراخ PTH، بعد از Drilling دیواره داخلی سوراخ به کمک فرآیندهای شیمیایی و آبکاری با مس پوشیده می‌شود. این پوشش استوانه‌ای باعث می‌شود Padهای موجود روی لایه‌های مختلف بتوانند به یکدیگر متصل شوند.

بنابراین چیزی که یک سوراخ معمولی را به PTH تبدیل می‌کند صرفاً وجود سوراخ نیست؛ وجود یک Barrel رسانای مسی روی دیواره Hole است.

برد متالیزه با برد آلومینیومی یا Metal Core چه تفاوتی دارد؟

این دو اصطلاح نباید با یکدیگر اشتباه شوند.

پس متالیزه شدن Hole هیچ الزامی ندارد که Substrate برد فلزی باشد. یک PCB معمولی FR-4 نیز می‌تواند هزاران PTH و Via متالیزه داشته باشد.

ساختار یک سوراخ متالیزه چگونه است؟

برای فهم بهتر برد متالیزه چیست باید اجزای یک PTH را بشناسیم.

Hole یا سوراخ

بخشی است که توسط Drill ایجاد می‌شود و در صورت نصب قطعه THT، پایه قطعه از آن عبور می‌کند.

Copper Barrel

پوشش مسی استوانه‌ای داخل سوراخ است که اتصال عمودی بین لایه‌های PCB را ایجاد می‌کند.

Pad

ناحیه مسی اطراف سوراخ روی یک لایه PCB است که Track می‌تواند به آن متصل شود.

Annular Ring

حلقه مسی باقی‌مانده بین لبه سوراخ و لبه Pad است. این بخش کمک می‌کند اتصال بین Track، Pad و Copper Barrel قابل اعتماد باشد و تلرانس سوراخ‌کاری نیز مدیریت شود.

PTH، Via و سوراخ قطعه چه تفاوتی دارند؟

این سه اصطلاح در مکالمات فنی گاهی به‌جای هم استفاده می‌شوند، اما کاربردشان دقیقاً یکی نیست.

NPTH چیست و چه تفاوتی با PTH دارد؟

NPTH مخفف Non-Plated Through-Hole است. در این سوراخ دیواره داخلی با مس پوشیده نمی‌شود و بنابراین اتصال الکتریکی میان لایه‌ها ایجاد نمی‌کند.

NPTH معمولاً در مواردی مانند:

• سوراخ نصب پیچ
• پین定位 یا Locating Pin
• بخش مکانیکی کانکتور
• ایزولاسیون مکانیکی

استفاده می‌شود.

بنابراین هنگام تعریف Hole در نرم‌افزار PCB باید مشخص باشد که سازنده آن را PTH یا NPTH تولید کند.

Via در PCB چیست؟

Via یک اتصال عمودی در PCB است که به سیگنال، Ground یا Power اجازه می‌دهد بین لایه‌ها جابه‌جا شود.

Through Via

از کل ضخامت برد عبور می‌کند و رایج‌ترین Via در PCBهای معمولی است.

Blind Via

از یک لایه خارجی وارد برد می‌شود اما به سمت دیگر PCB نمی‌رسد.

Buried Via

فقط بین لایه‌های داخلی قرار دارد و از سطح برد دیده نمی‌شود.

Microvia

Via بسیار کوچک، معمولاً در ساختارهای HDI، که با فرآیندهای متفاوتی مانند Laser Drilling ساخته می‌شود.

مراحل ساخت برد متالیزه چگونه است؟

جزئیات ساخت بین کارخانه‌ها و Stackupهای مختلف تفاوت دارد، اما مفهوم کلی تولید یک سوراخ PTH به این شکل است:

۱. آماده‌سازی لایه‌های PCB

در PCB چندلایه ابتدا الگوهای لایه‌های داخلی ساخته می‌شوند و سپس لایه‌ها با Prepreg و Core روی یکدیگر Laminate می‌شوند.

۲. سوراخ‌کاری

سوراخ‌های Through Hole با CNC Drill در محل‌های تعریف‌شده ایجاد می‌شوند.

۳. تمیزکاری و Desmear

فرآیند Drilling ممکن است رزین و آلودگی روی Hole Wall باقی بگذارد. این مواد باید حذف شوند تا سطح برای اتصال مس آماده شود.

۴. Activation و آماده‌سازی شیمیایی

دیواره غیررسانای سوراخ برای رسوب‌گذاری اولیه مس آماده می‌شود.

۵. Electroless Copper

یک لایه بسیار نازک مس به روش شیمیایی روی Hole Wall ایجاد می‌شود. این مرحله دیواره عایق را به یک سطح رسانا تبدیل می‌کند.

۶. Electroplating

بعد از رسانا شدن Hole Wall، با آبکاری الکترولیتی ضخامت مس افزایش پیدا می‌کند تا Barrel مقاوم و رسانای موردنیاز ساخته شود.

۷. ادامه Patterning، Etching و تکمیل PCB

بسته به فرآیند کارخانه، ساخت Pattern لایه‌های خارجی، Etching، Solder Mask، Surface Finish، Routing و تست در ادامه انجام می‌شود.

۸. تست و کنترل کیفیت

اتصال الکتریکی و کیفیت Hole Plating بررسی می‌شود و در تولیدهای حساس ممکن است Cross-Section یا Microsection برای مشاهده ساختار داخلی Hole انجام شود.

Drill Size و Finished Hole Size چه تفاوتی دارند؟

یکی از نکات مهم هنگام سفارش PCB این است که قطر Drill اولیه الزاماً با قطر نهایی سوراخ برابر نیست.

بعد از اینکه مس روی Hole Wall رسوب می‌کند، مقداری از فضای داخلی Hole توسط Plating اشغال می‌شود؛ بنابراین قطر Finished Hole از قطر Drilled Hole کمتر می‌شود.

Aspect Ratio در سوراخ متالیزه چیست؟

Aspect Ratio نسبت عمق Hole به قطر آن است. در Through Via یک PCB معمولی، عمق تقریباً برابر ضخامت برد است.

هرچه برد ضخیم‌تر و Hole کوچک‌تر شود، متالیزه کردن یکنواخت تمام طول Barrel دشوارتر خواهد شد.

حد مجاز Aspect Ratio یک عدد جهانی برای همه کارخانه‌ها نیست. قبل از نهایی کردن Via Size باید Capability سازنده PCB را بررسی کنید.

مزایای برد متالیزه چیست؟

• ایجاد اتصال الکتریکی بین Top، Bottom و لایه‌های داخلی
• امکان ساخت PCBهای دو‌رو و چندلایه پیچیده
• امکان اتصال هم‌زمان پایه قطعه THT به بیش از یک لایه
• امکان انتقال Power و Signal بین لایه‌ها
• پشتیبانی مکانیکی بهتر Pad در بسیاری از اتصالات Through-Hole
• امکان ایجاد Via Stitching و اتصال Ground Planeها

محدودیت‌های PTH و Through Via چیست؟

متالیزه بودن Hole مزیت‌های زیادی دارد، اما بدون محدودیت نیست.

اشغال فضای Routing

Through Via از کل ضخامت PCB عبور می‌کند و می‌تواند در لایه‌هایی که سیگنال به آن‌ها نیاز ندارد نیز فضای طراحی اشغال کند.

هزینه تولید

Plating، Drill و کنترل کیفیت به فرآیند تولید اضافه می‌شوند. ساختارهای پیچیده‌تر Via نیز می‌توانند هزینه PCB را بیشتر کنند.

تلرانس ساخت

Drill Diameter، Annular Ring و Clearance باید با Capability سازنده هماهنگ باشند.

ریسک نقص Plating

Void، Plating ناکافی، Crack یا اتصال نامناسب به Inner Layer می‌تواند Reliability برد را کاهش دهد.

Signal Integrity در فرکانس بالا

Via در فرکانس بالا یک اتصال ایده‌آل بدون اثر الکتریکی نیست. Inductance، Capacitance و Via Stub می‌توانند باعث تغییر Impedance، Reflection و افت کیفیت سیگنال شوند.

برد متالیزه برای مدار High-Speed همیشه بهتر است؟

خود اتصال بین لایه‌ها برای PCB چندلایه لازم است، اما شکل Via باید متناسب با فرکانس و ساختار مسیر طراحی شود.

در یک برد دیجیتال کم‌سرعت، Via معمولاً مسئله بزرگی ایجاد نمی‌کند. اما در رابط‌های پرسرعت یا RF، قطر Drill، Pad، Anti-Pad، Via Stub، تعداد Ground Viaها و Stackup می‌توانند اهمیت زیادی پیدا کنند.

بنابراین در طراحی High-Speed سؤال فقط «Via داریم یا نه؟» نیست؛ بلکه باید هندسه و موقعیت Via نیز بررسی شود.

Via Stitching چیست؟

Via Stitching یعنی قرار دادن مجموعه‌ای از Viaها برای اتصال دو یا چند ناحیه مسی، معمولاً Ground Planeها، در لایه‌های مختلف.

این روش می‌تواند در مواردی مانند:

• اتصال Ground Planeها
• ایجاد مسیر برگشت مناسب‌تر
• اطراف لبه برد
• کنار کانکتورها
• برخی طراحی‌های EMI/EMC

استفاده شود.

Thermal Via چیست؟

Thermal Via معمولاً مجموعه‌ای از Viaها در زیر یا اطراف قطعه‌ای است که باید گرمای آن به لایه‌های دیگر PCB منتقل شود.

مثلاً در یک IC با Exposed Pad می‌توان Viaهایی در Thermal Pad قرار داد تا گرما به Copper Planeهای لایه‌های داخلی یا سمت دیگر برد منتقل شود.

البته تعداد، قطر، Filling و Tenting Via باید با توصیه سازنده قطعه و قابلیت کارخانه PCB هماهنگ باشد.

تفاوت PTH و NPTH در یک نگاه

چطور برد متالیزه را تشخیص دهیم؟

در بسیاری از PCBها می‌توان پوشش فلزی دیواره Hole را از روی سطح مشاهده کرد، اما ظاهر همیشه برای کنترل کیفیت کافی نیست.

در یک Through-Hole متالیزه معمولاً Padهای دو طرف و دیواره مسی داخل Hole به هم متصل هستند. می‌توان در برد بدون تغذیه، در صورت مناسب بودن مدار، Continuity الکتریکی بین Padهای مرتبط را نیز بررسی کرد.

برد سوراخ‌دار متالیزه چیست؟

در فروشگاه‌های قطعات ممکن است با محصولی به نام برد سوراخ‌دار متالیزه یا Prototype Board روبه‌رو شوید.

این بردها برای ساخت نمونه مدار بدون سفارش PCB اختصاصی استفاده می‌شوند و مجموعه‌ای از سوراخ‌ها و Padهای آماده دارند.

این مفهوم را نباید با یک PCB سفارشی چندلایه مجهز به PTH یکی دانست؛ هرچند هر دو می‌توانند دارای Holeهای متالیزه باشند.

هنگام طراحی PTH در Altium به چه مواردی توجه کنیم؟

در نرم‌افزار PCB باید Hole Size، Pad Size و Layer Connection را متناسب با Capability سازنده انتخاب کنید.

موارد مهم شامل:

• Drill Size
• Finished Hole Size موردنیاز
• Pad Diameter
• Annular Ring
• Clearance
• Board Thickness
• Aspect Ratio
• نوع Via یا Hole
• Plated یا Non-Plated بودن Hole

اگر با مراحل طراحی PCB آشنا نیستید، مقاله آلتیوم دیزاینر چیست؟ مسیر طراحی را از Schematic تا PCB و فایل‌های تولید توضیح می‌دهد.

اشتباهات رایج درباره برد متالیزه

سؤالات متداول درباره برد متالیزه

برد دو رو متالیزه یعنی چه؟

در PCB دو‌رو، اگر دیواره Holeها Plated باشد، اتصال الکتریکی بین Copper Top و Bottom از طریق PTH یا Via امکان‌پذیر می‌شود. این ساختار معمولاً با عنوان برد دو رو متالیزه شناخته می‌شود.

آیا می‌توان سوراخ متالیزه را در خانه ساخت؟

روش‌های آزمایشگاهی و DIY وجود دارند، اما ساخت PTH قابل اعتماد و یکنواخت با کیفیت کارخانه‌ای نیازمند فرآیندهای شیمیایی، کنترل Plating و تجهیزات مناسب است. برای PCB نهایی معمولاً ساخت صنعتی انتخاب مطمئن‌تری است.

Via با پایه قطعه Through-Hole چه فرقی دارد؟

هر دو می‌توانند دارای Copper Barrel باشند؛ اما Via عمدتاً برای اتصال لایه‌های PCB استفاده می‌شود، در حالی که PTH Component Hole علاوه بر اتصال لایه‌ها محل عبور و لحیم شدن پایه قطعه نیز هست.

جمع‌بندی

اگر بخواهیم دقیق پاسخ دهیم برد متالیزه چیست، منظور PCBای است که در آن دیواره بعضی سوراخ‌ها با مس پوشانده شده تا اتصال الکتریکی میان لایه‌ها ایجاد شود. نام فنی رایج این ساختار Plated Through-Hole یا PTH است.

شناخت مفاهیمی مانند Copper Barrel، Annular Ring، Via، NPTH، Drill Size و Aspect Ratio برای طراحی PCB اهمیت زیادی دارد؛ زیرا کیفیت و ابعاد این ساختارها هم روی Manufacturability و هم روی Reliability برد اثر می‌گذارند.

PTH یکی از پایه‌های طراحی PCB دو‌رو و چندلایه است، اما برای طراحی‌های HDI، High-Speed یا RF باید محدودیت‌های Via و قابلیت‌های سازنده PCB نیز در نظر گرفته شوند.