สำหรับนักออกแบบ PCB ทั้งมือใหม่และมืออาชีพล้วนมีความกังวลในการออกแบบขนาด PTH Hole และ Pad Diameter สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ Through-Hole หรือมักเรียกกันว่า “แบบเสียบ” บางครั้งกำหนดค่าพารามิเตอร์เผื่อน้อยหรือมากเกินไป อาจทำให้ขนาดรูเจาะเล็กหรือใหญ่เกินไป เมื่อนำอุปกรณ์มาเสียบอาจจะทำให้ประกอบแล้วแน่นเกินไปหรือหลวมเกินไป ทำให้เกิดปัญหาในกระบวนการผลิต เพื่อลดปัญหาดังกล่าว เราควรมาทำความเข้าใจการกำหนดค่าพารามิเตอร์ให้เหมาะสมตาม IPC Standard ที่มีอยู่ได้ เพื่อให้แน่ใจว่าพารามิเตอร์ของ PTH Hole และ Pad Diameter ที่เรากำหนดหรือตั้งค่าไว้มีค่าที่เหมาะสมที่สุด
ในบทความนี้จะมาเรียนรู้และทำความเข้าใจเกี่ยวกับ IPC Through-Hole Standards คืออะไร ทำไมการปฏิบัติตามมาตรฐานนั้นจึงมีความสำคัญ รวมถึงวิธีการคำนวณหาขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter ตาม IPC Through-Hole Standards
IPC Through-Hole Standards คืออะไร?
รูปที่ 1 ตัวอย่าง Through Hole device from blog.thedigisource.com
เมื่อเราเริ่มเป็นนักออกแบบ PCB หรือแม้กระทั่งเราเป็นนักออกแบบ PCB มืออาชีพ เราก็จะมักเจอคำว่า IPC อยู่เป็นประจำ บางคนอาจจะคิดว่าไม่รู้จักหรือเพิ่งเคยได้ยินว่า “อะไรคือ IPC” บางครั้งอาจจะมีคำถามตามมาว่า “ทำไมเราต้องรู้จัก IPC ด้วย ก็แค่การออกแบบ PCB” หรืออาจจะมีคำถามต่าง ๆ เกี่ยวกับประเด็นนี้ แต่สำหรับบทความนี้เราจะมาทำความรู้จักว่า IPC คืออะไร ทำไมเราต้องรู้จัก IPC
IPC ย่อมาจาก Institute of Printed Circuits เป็นสมาคมการค้าที่มีเป้าหมายในการกำหนดมาตรฐาน ข้อกำหนดในการประกอบและการผลิตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และชุดประกอบ เราจะได้รับข้อมูลเกี่ยวกับวิธีการทำงานด้านเทคนิคในการออกแบบ PCB รวมถึงประเด็นที่เกี่ยวของกับอุปกรณ์แบบ Through-holes.
IPC Standard มีแนวทางการออกแบบเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ Through-holes อยู่ 2 มาตรฐาน ได้แก่ IPC-2221 และ IPC-7251 โดยมาตรฐาน IPC-2221 เป็นมาตรฐานทั่วไปที่ครอบคลุมข้อกำหนดทางไฟฟ้าและการผลิต (อยู่ในบทที่ 9 ของ IPC-2221) จะใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงที่ดีสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ Through-holes เพื่อใช้กำหนดขนาดของรูเจาะและการเชื่อมต่อ ให้แนวทางโดยละเอียดเกี่ยวกับขนาดขั้นต่ำของ Annular Ring , ข้อกำหนดของพื้นที่, ความคลาดเคลื่อนของ location, และข้อกำหนดอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องสำหรับ PTH design
สำหรับ IPC-2221 จะมีมาตรฐานเสริมด้วย IPC-2222 ซึ่งมีมาตรฐานเกี่ยวกับ Rigid Organic Printed board โดยมีแนวทางในการคำนวณขนาดรูเจาะตามระดับความหน่าแน่นของอุปกรณ์ที่อยู่บนบอร์ด
เราสามารถดูแนวทางโดยละเอียดเพิ่มเติมได้ในเอกสาร IPC-7251 ซึ่งเป็นมาตรฐานเฉพาะสำหรับการออกแบบสำหรับอุปกรณ์ Through-holes และ Land Pattern ด้วยแนวทางที่เฉพาะเจาะจงมากยิ่งขึ้น เช่น ความคลาดเคลื่อนของอุปกรณ์ของแต่ละรูปแบบของขาต่าง ๆ (Types of through-hole leads) ของอุปกรณ์ ความคลาดเคลื่อนของการเชื่อมต่อประสาน (joint tolerance) และขนาดของ Footprint ของอุปกรณ์ Through-holes ชนิดต่าง ๆ
ค่าพารามิเตอร์ที่ระบุไว้ใน IPC-7251 กำหนดไว้เพื่อสื่อสารระดับความยากของการออกแบบระหว่างสิ่งอำนวยความสะดวกของความสามารถในการผลิต (Producibility) สำหรับอุปกรณ์ Through-hole มีอยู่ด้วยกัน 3 ระดับ ดังนี้
- Level A General Design Producibility – Preferred (ความสัมพันธ์ระหว่าง Land/Lead กับ Hole จำนวนมากที่สุด)
- Level B Moderate Design Producibility – Standard (ความสัมพันธ์ระหว่าง Land/Lead กับ Hole จำนวนปานกลาง)
- Level C High Design Producibility – Reduced (ความสัมพันธ์ระหว่าง Land/Lead กับ Hole จำนวนน้อยที่สุด)
ทำไม IPC Through-hole Standards จึงมีความสำคัญ?
ความผิดพลาดที่จะคาดคะเนได้ว่าการออกแบบ Through-hole นั้นง่ายกว่าการออกแบบ Surface Mount หากไม่ปฏิบัติตามมาตรฐานที่มีการกำกับดูแล ทำให้เกิดความผิดพลาดที่ไม่สามารถแก้ไขได้ในระหว่างกระบวนการผลิตนั้นจึงเกิดขี้นได้ง่ายมาก
ยกตัวอย่างเช่น การหา Drill Size ให้เหมาะสมกับ Pad ของอุปกรณ์นั้นมีความยุ่งยากพอสมควร หาก Drill Size มีขนาดเล็กเกินไป เราจะพบว่ามันยากที่จะใส่ขาของอุปกรณ์ลงไปใน Drill Size นั้น การฝืนบังคับเสียบขาอุปกรณ์ลงไปใน Drill Size ที่เล็กเกินไปอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายหรือ Pad และลายทองแดงหลุดหล่อนออกมาได้
ในอีกทางหนึ่ง หาก Pad ที่มีการกำหนด Drill Size ระยะการเผื่อมากเกินไป หรือขนาดใหญ่เกินไป จะส่งผลให้ขาของอุปกรณ์หลวมเกินไปเมื่อทำการจัดวางอุปกรณ์ลงบอร์ด ซึ่งส่งผลให้ความสามารถในการบัดกรีและการซ่อมแซม PCB ทำได้ยากลำบากมากขึ้นตามไปด้วย
นอกจาก Drill Size ที่ต้องพิจารณาแล้ว เราต้องพิจารณาขนาดของ Annular Ring เพราะถือว่าเป็นตัวแปรสำคัญ โดยมีลักษณะเป็นวงแหวนของพื้นที่ทองแดงที่มีขนาดใหญ่กว่า Drill Size บน PCB โดยมีค่าขั้นต่ำสุดสำหรับ Annular Ring ที่เราต้องปฏิบัติตาม หาก Annular Ring มีขนาดเล็กเกินไป ทองแดงที่อยู่รอบ ๆ Drill Size เมื่อได้รับความร้อนจาการบัดกรีซ่อมแซมบอร์ดหรืออยู่ภายได้ความเค้นทางกลอาจจะหลุดล่อนได้ง่าย
รูปที่ 2 แสดง Minimum Annular Ring from Protoexpress.com
สมการคำนวณขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter ด้วย IPC Through-hole Standards
เราควรจะกำหนดขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter ให้ถูกต้อง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่เราได้กล่าวกันมาแล้ว ในมาตรฐาน IPC-2221 ได้มีการระบุไว้อย่างชัดเจนว่าเราควรกำนหดขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter อย่างไร เราสามารถใช้สมการต่อไป เพื่อหาขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter ที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์ Through-hole ของเรา สมการแสดงด้านล่าง ดังนี้
Minimum Hole Size (PTH Hole):
Minimum Hole Size = Maximum Lead Diameter + Lead Diameter Relationships (for IPC-2222) (1)
Minimum pad size (Pad Diameter):
Minimum pad size = Minimum Hole Size + (2 x minimum annular ring requirements) + Standard fabrication allowance (for IPC-2221) (2)
ขั้นตอนการคำนวณขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter
ในบทความนี้จะแสดงขั้นตอนการคำนวนขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter โดยอ้างอิงตามมาตรฐาน IPC-7251, IPC-2221 และ IPC-2222 ตามขั้นตอนดังต่อไปนี้
ขั้นตอนแรก ค้นหาขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่ใหญ่ที่สุดของขาอุปกรณ์
อันดับแรกเลย เราควรหาขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง (Maximum lead diameter) ของอุปกรณ์ Through-Hole ที่มีอยู่ใน Datasheet หรือ Package Drawing ของอุปกรณ์ ลักษณะของขาอุปกรณ์ Through-Hole นั้นมีลักษณะหรือรูปร่างหลัก ๆ อยู่ 3 ชนิด ได้แก่ วงกลม (Round PTH Lead), สี่เหลี่ยมจัตุรัส (Square PTH Lead), และสี่เหลี่ยมพื้นผ้า (Rectangle PTH Lead) แสดงดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 แสดงเส้นผ่าศูนย์กลางสูงสุดของขาอุปกรณ์แต่ละชนิด Round, Square, และ Rectangle
การหาขนาด Maximum lead diameter ของอุปกรณ์ Through-Hole ในลักษณะที่ีเป็นชนิด Round สามารถอ่านค่าจาก Datasheet ได้ง่ายกว่าแบบ Square และ Rectangle โดยสามารถใช้ค่าที่ระบุจากเอกสารได้ แต่สำหรับแบบ Square และ Rectangle ของขาอุปกรณ์ต้องคำนวณตามแนวทแยงมุม เราก็จะได้ Max Lead Diameter เนื่องจากใน datasheet ไม่ได้ระบุ Max Lead Diameter ของขาอุปกรณ์ไว้ให้ แต่จะระบุเพียงขนาดความกว้างและความยาวของขาเท่านั้น เราสามารถคำนวณหาค่าได้จาก สมการบทพีทาโกรัส แสดงดังรูป
รูปที่ 4 แสดงความสัมพันธ์ของรูปสามเหลี่ยม ABC และสมการบทพีทาโกรัส
จากสมการบทพีทาโกรัส หลาย ๆ คน อาจจะเห็นสูตรการคำนวณที่ยุ่งยากแล้ว อย่ากังวลใจว่าทำไมต้องคำนวณ ยุ่งยากไปหรือเปล่า โดยปกติแล้วในการคำนวณหาขนาดของ Maximum lead diameter จะไม่ค่อยได้คำนวณละเอียดขนาดนี้ เพราะว่าใน Datasheet มักจะระบุขนาดของ PTH Hole ที่เหมาะสมมาให้แล้ว เราก็สามารถข้ามขั้นตอนนี้ได้ เราจะใช้สมการบทพีทาโกรัสก็ต่อเมื่อ Datasheet ไม่ได้ระบุขนาด PTH Hole ที่เหมาะสมมาให้ เรามาเริ่มการคำนวณหาขนาดของ Maximum lead diameter จากสมการบทพีทาโกรัส (4) จากตัวอย่างอุปกรณ์ Through-hole โดยใช้ Barrier Terminal Block Connector จาก DINKLE, Part Number: 0167-52XX แสดงดังนี้
รูปที่ 5 แสดงข้อมูลของ Barrier Terminal Block Connector จาก DINKLE, Part Number: 0167-52XX
เมื่อเราได้อ่านข้อมูลจาก Datasheet แล้วพบว่าขาของอุปกรณ์มีลักษณะเป็นแบบ Rectangle PTH Lead เราก็สามารถคำนวณหา Maximum lead diameter ได้จากสมการพีทาโกรัส (4) แสดงการคำนวณดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 แสดงการคำนวณหาค่า Maximum lead diameter ได้จากสมการพีทาโกรัส (4)
ดังนั้น ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางสูงสุดของขาอุปกรณ์ของ Barrier Terminal Block ที่เราจึงทำการปัดเศษเพื่อให้มีความเหมาะสมและสะดวกในการคำนวณ Maximum Lead Diameter สำหรับ Rectangle PTH Lead มีค่าเท่ากับ 2.20 mm
ขั้นตอนที่ 2 คำนวนหาค่า Minimum Hole Size
ตอนนี้เราได้ค่าของ Maximum Lead Diameter ของ Rectangle PTH Lead แล้ว ขั้นตอนต่อไปเราก็มาคำนวณหา ค่า Minimum Hole Size ได้แล้ว รูปด้านล่างแสดงขาอุปกรณ์, Hole size และ Pad Diameter
รูปที่ 7 แสดงขาอุปกรณ์, Hole size และ Pad Diameter
เรามาเริ่มคำนวณ Minimum Hole Size สามารถคำนวณได้จากสมการ (1) ดังนี้
Minimum Hole Size = Maximum Lead Diameter + Lead Diameter Relationships (for IPC-2222) (1)
โดย
- Maximum Lead Diameter = 2.20mm
- Lead Diameter Relationships มีอยู่ 3 ระดับ ได้แก่ Level A = 0.25mm, Level B = 0.20mm และ Level C = 0.15mm
แทนค่าในสมการ (1) จะได้:
- Level A Minimum Hole Size = 2.20 mm + 0.25mm = 2.45mm
- Level B Minimum Hole Size = 2.20 mm + 0.20mm = 2.40mm
- Level C Minimum Hole Size = 2.20 mm + 0.15mm = 2.35mm
ขั้นตอนที่ 3 คำนวนหาขนาด Pad Diameter
จากที่เราได้คำนวณหาค่า Minimum Hole Size ขั้นตอนนี้จะเป็นการคำนวณหาขนาด Pad Diameter แต่ก่อนที่เราจะทำการคำนวณ เราควรรู้ว่าค่า Minimum Annular Ring (IPC Class 3) มีค่าเท่ากับ 0.05mm โดยอ้างอิงจาก IPC-A-600H (section 2.10.3) และ IPC-2221A (section 9.1.3.) สำหรับค่า Minimum Fabrication Allowance อ้างอิงจาก IPC-2221 มี 3 ระดับ ได้แก่ Level A = 0.60mm, Level B = 0.50mm และ Level C = 0.40mm เมื่อเราทราบค่าพารามิเตอร์ในการคำนวณหาขนาด Pad Diameter ครบแล้วเราก็สามารแทนค่าในสมการ (2) ดังนี้
- Level A Pad Diameter = 2.45mm + (2 x 0.05mm) + 0.60mm = 3.15mm
- Level B Pad Diameter = 2.40mm + (2 x 0.05mm) + 0.50mm = 3.00mm
- Level C Pad Diameter = 2.35mm + (2 x 0.05mm) + 0.40mm = 2.85mm
- Level A: Minimum Hole Size = 2.45mm, Pad Diameter = 3.15mm
- Level B: Minimum Hole Size = 2.40mm, Pad Diameter = 3.00mm
- Level C: Minimum Hole Size = 2.35mm, Pad Diameter = 2.85mm
เป็นอย่างไรกันบ้างกับการเรียนรู้และทำความเข้าใจเกี่ยวกับ IPC Through-Hole Standards การปฏิบัติตามมาตรฐานนั้นมีความสำคัญ รวมถึงวิธีการคำนวณหาขนาดของ PTH Hole และ Pad Diameter ตาม IPC Through-Hole Standards หากเราได้ปฏิบัติตามมาตรฐานเราก็สามารถมั่นใจในการออกแบบ PCB ที่กำลังออกแบบอยู่ไว่าจะไม่เกิดปัญหาระหว่างการผลิตและช่วยลดระยะเวลาการผลิตได้
PS> เนื้อหาส่วนใหญ่เป็นการแปลบทความจาก Applying IPC Through-Hole Standards In PCB Design และ How to calculate PTH hole and pad diameter sizes according to IPC-7251, IPC-2222 and IPC-2221 standards? อาจจะมีการแปลและอธิบายไม่ตรงหรือไม่ครบถ้วน ยังไงก็ติชมกันเข้ามาได้นะครับ เนื่องจากบางส่วนมาจากการใช้งานเอง และบางส่วนก็มาจากการอ่านหลากหลายบทความมาสรุปเป็นขั้นตอนต่าง ๆ อาจจะมีผิดพลาดไปบ้างก็ต้องขอภัยไว้ ณ ที่นี้ด้วยนะครับ