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标题: 【KiCad】PCB 上常用的“点”（二）：安装孔（Mounting Hole） [打印本页]

作者: sunsili 时间: 2024-1-10 14:46
标题: 【KiCad】PCB 上常用的“点”（二）：安装孔（Mounting Hole）
【KiCad】PCB 上常用的“点”（二）：安装孔（Mounting Hole）

“ 安装孔(Mounting Hole)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：

如果使用 M3 的螺钉，在PCB上的安装孔封装该怎么画？
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？ ”

安装孔(Mounting Hole)

虽然安装孔在每块PCB上都是常见的元素，但关于它们的文档或设计规范却相对稀缺。即便在大型电子公司中，常常也只有对Mark点（由工艺部门管理）和测试点（由QA/质量控制部门管理）有明确的规范。然而，对工程师而言，任何细微的失误都可能导致PCB设计或质量上的问题。因此，熟悉安装孔的设计原则同样至关重要。

KiCad 安装空在哪里？

打开 KiCad 的封装管理器，搜索 “Mounting Hole”：

可以看到 KiCad 已经为大家准备了各种尺寸、各种样式、符合各种标准的安装孔封装 160 余种。包括了尺寸从 2.1 mm 到 8.4 mm，孔壁镀铜/不镀铜，周围是否带过孔等几乎所有常用的样式。根据需求直接使用即可。

安装孔设计首要原则不要忘记摆放安装孔！！！你们可能会觉得好笑，没有安装孔的板子怎么进行装配？怎么可能会忘记这一点呢？但实际上，这种情况是非常可能发生的。例如，结构工程师还没有完成机壳设计，无法提供确切的装配尺寸。这时，电子工程师（EE）们通常不会坐以待毙，而是会先开始进行布局（Layout）。特别是在PCB板较小、线路布局非常密集的情况下，当布局接近完成时，可能会突然发现已经没有空间安排安装孔了。另一种常见情况是，安装孔不仅用于将PCB安装到系统中，还可能用于将其他部件（如散热器）安装到PCB上。我自己在设计第一块主板时就遇到过这样的尴尬局面。在布局一块AMD CPU的主板时，我将所有精力都集中在BGA芯片的扇出、线长匹配和阻抗匹配上。直到快要完成时，我才突然意识到，这款CPU必须安装散热器，但我却完全忘记了散热器安装孔的位置……

安装孔理论知识

研究安装孔前先了解一下螺钉套件：

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：

非支撑孔(Unsupported)

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 Courtyard，为螺钉头留出空间。

典型的非支撑孔在 KiCad 中如下图所示，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。

由一个属性为 “非金属化孔、机械的” 直径为 2.1 mm 的焊盘以及在 Courtyard 层上的半径为 2.35mm 圆组成。

3D视图如下，孔壁没有镀层(铜皮)

支撑孔(Supported)

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 pad)。支撑孔焊盘在每个层的直径可以不同。

以 KiCad 封装库中 2.5 mm 的支撑孔为例，下图在 PCB 上依次摆放了 3 种安装孔：

MountingHole_2.5mm_Pad
MountingHole_2.5mm_Pad_TopBottom
MountingHole_2.5mm_Pad_TopOnly

这 3 种安装孔的共同点是都使用直径了 2.5 mm 的过孔（PTH)：

虽然在顶层的效果完全一样，但切换到内层和底层，就可以发现他们的不同：

内电层焊盘形状

Bottom 层焊盘形状

根据具体的要求，如果您希望安装孔在每个层上的焊盘完全相同，那只需要使用一个通孔焊盘，分别设置焊盘直径和孔径即可（第一类安装孔）：

如果您希望只有顶层或底层有金属孔环而中间层不需要，那就需要先将焊盘直径与空直径设置为相同（或相似）的值：

然后在顶层或底层添加额外的焊盘，将其焊盘属性设置为“板边连接器”，且焊盘编号与通孔焊盘的编号一致（这是 Kicad 的要求，以保证 DRC 不报错）。

当然，您几乎不用关心这些细节，KiCad 的封装库已经为您准备好了一切。您只需了解这些封装的不同，并根据自己的需求选用即可。

带过孔的支撑孔(Supported with Via)

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：

过孔添加于安装孔出于以下两个主要原因：

防止铜皮剥落：当螺丝被拧入安装孔中时，可能会导致孔壁的铜皮剥落。通过添加过孔，可以确保即使发生剥落，螺丝头与地面之间也能保持充分的连接。
提供额外保护：在拧紧螺丝时，如果施加的力矩过大，过孔能为PCB提供额外的保护，避免对板材造成损害。

通常情况下，安装孔上的过孔平均直径约为0.5毫米。。

安装孔设计规范

现在，我们来探讨一下，在确定了螺钉尺寸后如何设计安装孔。基于实际应用的需求，安装孔的设计可以分为两种类型：紧配合安装和松配合安装。

让我们首先了解一下紧配合安装的ISO标准：

表格对于安装孔是否进行敷铜进行了区分，顶部是针对有通孔（PTH）的情况，而底部是针对无通孔（NPTH）的情况。在有通孔（PTH）的情况下，表格进一步细分了是否使用垫片。使用Pan Head的情况下，直接用螺钉头进行固定；而使用Flat Washer则表示安装时包括垫片。

举例来说，对于M3x0.5（直径3mm，螺距0.5mm）的螺钉，其安装孔设计应如下（红色框区域）：

不使用垫片时：孔径为3.1mm；焊盘直径为6.1mm；所需空间为6.6mm。
使用垫片时：孔径为3.1mm；焊盘直径为7.3mm；所需空间为7.8mm。

在表格的绿色框区域，展示了无通孔（NPTH）的情况。对于同样的M3螺钉，孔径尺寸为3.1mm，所需空间为7.8mm，但焊盘尺寸仅为1mm（在KiCad设计时，焊盘直径与孔径相同）。这是因为无需紧密接触进行接地。

接下来，我们再来了解一下松配合安装的ISO标准：

在松配合安装的情况下，无论是孔径、焊盘直径还是所需空间，通常都会大于紧配合安装的相应尺寸。一般而言，松配合安装主要适用于尺寸超过100mm的大型PCB板。

对于较小的PCB板，紧配合安装通常是首选方法。

最后，需要强调的是，虽然这些数据可以作为参考，但在设计过程中，理论知识需要与实际情况相结合，以确保生产出高质量的PCB板卡。毕竟，实际操作是验证理论正确性的最佳方式。

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