“大多數(shù)元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)都包含推薦的 PCB 封裝信息，指定了適合該元器件的孔徑，這是選擇 PCB 孔徑最實(shí)用的方法。然而，有些數(shù)據(jù)手冊(cè)只提供了元器件的物理尺寸和引腳直徑公差。在這種情況下，當(dāng)我們僅根據(jù)這些物理尺寸創(chuàng)建元器件封裝時(shí)，應(yīng)該如何選擇孔徑呢？”

在 PCB 設(shè)計(jì)中，通孔（Through-Hole）元件的孔徑與焊盤尺寸是決定最終裝配質(zhì)量與產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。精確的孔徑設(shè)計(jì)不僅是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配的基礎(chǔ)，也是確保優(yōu)良焊接性能和長(zhǎng)期機(jī)械穩(wěn)定性的前提。不當(dāng)?shù)目讖竭x擇可能導(dǎo)致一系列制造難題，如元件插裝困難、焊接缺陷、以及潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。本文旨在系統(tǒng)性地闡述PCB通孔孔徑設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法與核心原則，以協(xié)助工程師在設(shè)計(jì)階段規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，提升產(chǎn)品的一次通過率。

孔徑設(shè)計(jì)的基本原則

通孔孔徑的設(shè)計(jì)必須在元件引腳的物理尺寸與制造工藝公差之間取得平衡?？讖竭^小，會(huì)導(dǎo)致元件無法順利插入，增加手動(dòng)返工的成本與風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能在強(qiáng)行裝配中損壞元件引腳或 PCB 板材。反之，孔徑過大，則會(huì)在焊接過程中引發(fā)問題，例如焊錫填充不足、元件位置偏移、以及焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度下降等。

有一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用規(guī)則：將標(biāo)稱引腳直徑加上 0.2mm，即可得到合適的孔徑。為什么是 0.2mm？為什么不只增加 0.05mm，或者與引腳直徑完全匹配呢？因?yàn)樵骷圃焐虝?huì)對(duì)物理尺寸應(yīng)用公差范圍。實(shí)際尺寸會(huì)與標(biāo)稱值有所不同

大多數(shù)引腳直徑的公差約為±0.05mm。0.2mm 的余量可以可靠地適應(yīng)這種變化，確保元器件能夠穩(wěn)定地插入。

當(dāng)然，如果我們更嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)，則應(yīng)該遵循 IPC 2221的規(guī)范（目前最新版本為 IPC 2221B）

IPC2221：孔徑設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)（IPC）為 PCB 設(shè)計(jì)與制造提供了權(quán)威的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)IPC-2221A/B等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通孔孔|徑的計(jì)算基于以下核心公式：

最小孔徑(Minimum Hole Size)=引腳最大直徑(Max. Lead Diameter)+公差余量(Allowance)

IPC 根據(jù)產(chǎn)品的不同應(yīng)用等級(jí)和元件密度，定義了三個(gè)級(jí)別的公差余量，以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)需求：

• Level A (通用設(shè)計(jì)/首選):提供最大的制造公差，適用于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)密度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可制造性最佳。

  • 計(jì)算公式:引腳最大直徑 + 0.25mm (10 mils)

• Level B (中等密度設(shè)計(jì)/標(biāo)準(zhǔn)):減小了公差，適用于元器件密度較高的設(shè)計(jì)，是性能與可制造性之間的平衡選擇。

  • 計(jì)算公式:引腳最大直徑 + 0.20mm (8 mils)

• Level C (高密度設(shè)計(jì)/最低):提供最小的公差，專為空間極為有限的高密度或復(fù)雜電路板設(shè)計(jì)。選用此級(jí)別對(duì)制造商的工藝能力要求更高，需謹(jǐn)慎評(píng)估。

  • 計(jì)算公式:引腳最大直徑 + 0.15mm (6 mils)

注意，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，必須以元器件規(guī)格書（Datasheet）中標(biāo)注的最大（Maximum）引腳尺寸為基準(zhǔn)，而非“典型值（Typical）”。這是規(guī)避因元器件批次差異而導(dǎo)致裝配問題的關(guān)鍵預(yù)防措施。

非圓形引腳的處理方法

對(duì)于方形或矩形截面的引腳，其有效直徑為其對(duì)角線長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)需首先通過幾何計(jì)算（勾股定理）確定其最大對(duì)角線尺寸，再將其作為“引腳最大直徑”代入上述IPC公式中。

對(duì)于一個(gè)截面尺寸為a和b的矩形引腳：

最大有效直徑（對(duì)角線）=√(a2 + b2)

比如下圖中的元件，如果數(shù)據(jù)手冊(cè)沒有推薦 PCB 封裝的孔徑，則最大有效直徑為√(0.642 + 0.642) =0.905mm；合理的封裝孔徑值為 0.905mm+0.2mm = 1.1mm。

單向公差

如果數(shù)據(jù)手冊(cè)只指定了正公差（例如，0.9mm+0.1mm/?0），則使用：標(biāo)準(zhǔn) + 全部正公差。

比如下圖中的孔徑 =0.9mm+0.1mm=1.0mm。

焊盤尺寸的協(xié)同設(shè)計(jì)

孔徑確定后，必須設(shè)計(jì)與之匹配的焊盤（Pad），以確保形成可靠的環(huán)形圈（Annular Ring）。環(huán)形圈的寬度直接影響焊點(diǎn)的強(qiáng)度和導(dǎo)電的可靠性。焊盤直徑的計(jì)算公式通常為：

焊盤直徑=孔徑+2×(最小環(huán)寬要求)+(制造公差)

根據(jù) IPC 標(biāo)準(zhǔn)，最小環(huán)寬通常不應(yīng)小于0.15mm (6 mils)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮板廠的工藝能力，并遵循可制造性設(shè)計(jì)（DFM）的原則，與制造商進(jìn)行必要的技術(shù)溝通。

不當(dāng)設(shè)計(jì)的會(huì)造成潛在制造缺陷：

• 裝配困難與引腳損傷:孔徑過小直接導(dǎo)致自動(dòng)化插件失敗，手動(dòng)校正過程易損傷引腳或孔壁。

• 元件位置偏移:孔徑過大，元件在傳送和過波峰焊（Wave Soldering）時(shí)可能發(fā)生傾斜或平移，影響電路性能和產(chǎn)品外觀。

• 焊接缺陷:過大的孔隙比（Hole-to-Lead Ratio）會(huì)阻礙焊錫通過毛細(xì)作用正常填充，易形成空洞、虛焊或不飽滿的焊點(diǎn)，構(gòu)成長(zhǎng)期可靠性隱患。

結(jié)束語