插装元件在PCB设计中的优化指南

虽然表面贴装技术（SMT）已经成为主流，但插装元件（Through Hole Components）仍然在许多电子产品中广泛使用。原因很简单，一些电子器件对机械强度、电气性能、可靠性要求高，而插装结构能提供更牢固的连接。

常见的插装元件包括电解电容、大功率电阻、继电器、插针连接器、电感等。这些器件由于体积大、引脚粗，无法稳定地焊接在焊盘表面，因此仍需通过插孔固定。

特别是在以下场景中，插装元件非常关键：

• 电源类产品中大容量电容或变压器；

• 高电流场合下的螺栓型接插件；

• 高冲击、强振动场景，如汽车控制板；

• 需要人工更换或维修的模块，如保险丝、开关等。

所以，在进行PCB设计时，必须合理规划插装元件的布局和焊接方式，才能在保证可靠性的同时，提升制造效率和降低成本。

二、插装元件与PCB设计的基本关系

1. 插装元件的封装特性

插装元件通常由金属引脚贯穿PCB孔洞，并在另一面通过波峰焊或手工焊接方式固定。这种封装方式要求PCB必须预留钻孔区域，并确保孔径、孔环尺寸、通孔铜厚度满足工艺要求。

常用孔径为：

• 小电阻、电容：0.6～0.8 mm；

• 插针、排针：1.0～1.2 mm；

• 电源接插件或大电感：1.5～2.0 mm以上。

同时还需注意每个插孔的铜环宽度，一般不少于0.15 mm，以确保焊接强度。

2. 插装元件对电气和机械设计的要求

由于引脚穿透板体，因此插装元件对以下方面有明显影响：

• 电气性能：插装引脚常用于大电流路径，其通孔和接线宽度需匹配载流量；

• 热设计：功率元件需考虑散热，通常要求与大铜面连接，或靠近散热孔；

• 结构设计：高引脚元件会对组装后高度有影响，需避免干涉；

• 生产工艺：波峰焊设备要求元件方向、排列、焊盘清晰。

因此，插装器件的引脚布局不仅影响单个元件的功能，也会影响整板走线、叠层结构和加工顺序。

三、插装元件的优化设计方法

1. 优化布局位置，避免干扰走线

由于插装孔会占用上下层空间，影响走线，设计时应将体积大的插装件安排在边缘区域，或在无关信号区域集中布置。

建议：

• 高频、敏感信号应避开大体积插装件；

• 电源输入或地线相关器件尽量靠近接口或边缘；

• 高度不同的插装件避免相邻，以免插装不便；

• 如果可能，将所有插装件集中在一侧或一块区域，便于波峰焊。

2. 合理安排过孔与焊盘结构

每个插装孔周围应保留足够焊盘面积，通常至少大于孔径0.4 mm。同时通孔应与内层铜进行合适连接，常用连接方式包括：

• 直接全连接：适合大电流电源；

• 热阻隔连接：用于信号层，便于焊接；

• 内层隔离：仅作机械固定，不导电。

此外，还需避开盲埋孔区域，防止制造困难。

3. 插孔尺寸与板厂能力匹配

PCB厂对不同孔径的加工能力有一定范围，一般：

• 最小机械钻孔为0.2 mm；

• 量产稳定孔径为0.3 mm以上；

• 孔环宽度不能小于0.13 mm；

• 铜厚建议不低于25 μm，载流时达到35~70 μm。

设计时应参考PCB厂提供的加工能力表，避免使用过小或过密插装孔，提升良率。

4. 插装元件与波峰焊的配合

使用波峰焊时，元件摆放需考虑焊料流动方向（Flow direction）。建议：

• 插装件应朝一个方向摆放，统一受焊；

• 插脚长短一致，避免焊接不良；

• 插脚下端露出焊盘约1.0 mm，有利于形成良好焊点；

• 插脚过长要剪断，防止碰到隔壁电路或造成短路。

如果有SMT+插件混合焊接，插件通常在第二次焊接阶段进行，因此器件需避免靠近贴片元件，以防焊接时损伤。

5. 插装器件与测试结构配合

对于一些测试板、维修板或需替换的模块，可使用如下设计技巧：

• 插装孔增加测试点标识（如TP）；

• 使用可拔插结构，如DIP插座；

• 设置焊接辅助孔，便于工人操作；

• 加厚焊盘铜面，提升焊接强度。

这类设计可以在满足可靠性的前提下，提升可维修性和操作友好性。

6. 插装孔避免与地弹簧、散热通孔冲突

在多层板中，插装孔穿越所有层，会影响内层布线。如果有地弹簧或散热结构，需避让插孔，否则容易发生：

• 地平面不连续；

• 高速信号回流路径受阻；

• 散热区域被切断，效率下降。

因此插装孔设计需与叠层分布共同考虑。

四、插装设计中的典型问题及改进建议

问题1：插孔焊接虚焊

原因多为孔环太小或塞孔堵锡。解决方式：

• 增加孔环宽度；

• 保证通孔电镀厚度；

• 清洗通孔内部污染。

问题2：走线被插孔切断

插孔布在关键走线区域，会打断内层信号。解决方式：

• 提前规划插孔位置，远离高速信号；

• 内层使用倒角绕开；

• 若必须穿过，改用盲埋孔封装。

问题3：插装件组装困难

插孔太密、引脚排列复杂，会影响人工插装。解决方式：

• 合理布局，增加工人手部空间；

• 使用装配夹具定位；

• 同类器件统一方向、间距一致。

问题4：插件干扰SMT器件

插件过高或焊接过热，会波及附近贴片器件。建议：

• 插件和SMT区域分区布置；

• 插装位尽量安排在板边；

• 回流焊后再做波峰焊，设热隔离区。

​插装设计同样决定PCB品质

虽然现代电子产品越来越倾向全贴片化，但插装元件由于其独特的电气和机械特性，仍在许多领域无法替代。一个高可靠性的PCB设计，必须合理兼顾SMT和插装结构。

优化插装设计的重点在于：

• 布局合理；

• 焊接可靠；

• 尺寸匹配制造能力；

• 信号、电源、机械三方面平衡。

只有系统地考虑插装元件对布线、热管理、EMC、结构加工等各方面的影响，才能做出稳定、高效、易生产的电路板。