Restringe in mehrschichtigen PCB-Designs: Dimensionierung und Toleranzen

In der Oberstufe hatte ich einen Lehrer, der sich in seiner Freizeit einer ziemlich lukrativen Nebenbeschäftigung widmete: der Produktion von Ahornsirup. Von ihm lernte ich, dass dieser Prozess noch längst nicht zu Ende ist, wenn man den aus einem angezapften Baum tropfenden Saft eingesammelt hat. Der Ahornsaft muss nämlich nach der Ernte eine gewisse Zeit ruhen, damit ein Teil der enthaltenen Flüssigkeit verdampfen kann. Nur so erhält man schließlich den bekannten schmackhaften Sirup, der die allseits beliebten American Pancakes vervollkommnet.

Der Prozess der Sirupproduktion umfasst also eine Vielzahl von Schritten, beginnend mit dem Moment, an dem ein Loch in einen Ahornbaum gebohrt wird. Damit gleicht er auf erstaunliche Weise dem Prozess zur Erstellung eines mehrschichtigen PCB-Designs: Auch dieser Prozess ist umfangreich und komplex und auch hier spielen Löcher – in Form von Durchkontaktierungen – eine zentrale Rolle. Denn Durchkontaktierungen sind letztlich nichts anderes als vertikale, plattierte Bohrlöcher, die Verbindungen zwischen verschiedenen Leiterplattenschichten herstellen.

Allerdings müssen diese Leiterplattenelemente sorgfältig gestaltet werden, da ansonsten Funktionsfehler und Ausfälle drohen. Besonders wichtig ist hier neben der exakten Platzierung der Bohrlöcher auch die Anbindung der Durchkontaktierungen an die gewünschten Leiterbahnen mithilfe von Restringen. Bei deren Dimensionierung sind diverse Faktoren zu berücksichtigen, die im Folgenden diskutiert werden.

Die Dimensionierung von Restringen für Durchkontaktierungen in Multilayer-Designs

Mehrschichtige Leiterplatten sind in bestimmten Anwendungsbereichen extrem vorteilhaft, da sie die Realisierung komplexer Schaltungen auf kleinem Raum ermöglichen. Dies wird heute unter anderem bei der Entwicklung und Produktion von Computern, Mobiltelefonen und medizinischen Geräten genutzt. Wie bereits erwähnt – und wie Ihnen sicher bekannt ist –, zeichnen sich Multilayer-Designs wesentlich dadurch aus, dass die Schaltkreise auf den verschiedenen Schichten miteinander verbunden sind. (Ansonsten wäre eine mehrschichtige Leiterplatte nicht mehr als ein Stapel einschichtiger PCBs, die miteinander verklebt sind.)

Die hierfür nötigen vertikalen Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten werden über Durchkontaktierungen hergestellt. Allerdings funktionieren diese Leiterplattenelemente nur dann korrekt, wenn ihre Ausgänge mit sogenannten Restringen versehen werden. Mit diesem Begriff wird der Kupferfüllbereich zwischen dem inneren Rand des plattierten Bohrlochs und dem äußeren Rand des Pads bezeichnet. Das bedeutet: Je größer der Restring, desto breiter die Kupferschicht um den Ausgang der Durchkontaktierung.

Dabei hängt die optimale Größe der Restringe maßgeblich vom Verwendungszweck der Durchkontaktierung ab: Nutzen Sie die Altium-Funktionen zur Platzierung von Bauteilen, die auf einer oder beiden Außenseiten der Leiterplatte aufgelötet werden? Dann benötigen Sie für entsprechenden Lötverbindungen wahrscheinlich größere Restringe. Oder nutzen Sie die Durchkontaktierung lediglich als Testpunkt, auf den keine Komponenten aufgelötet werden? In diesem Fall genügt ein schmalerer Restring.

Generell können Sie sich bei der Dimensionierung der Restringe Ihres Leiterplattendesigns an unserem alten Freund, dem Standard IPC-7251, orientieren. Darin wird beispielsweise eine Restringbreite von 250 µm für die Tolerierung nach einer Maximum-Material-Bedingung empfohlen. Durch die Festlegung einer derartigen Toleranz können Sie sicherstellen, dass Ihre Lötverbindungen möglichst robust sind. Andererseits wird eine Restringbreite von 150 µm für die Tolerierung nach einer Minimum-Material-Bedingung empfohlen. Durch die Festlegung einer solchen Toleranz sorgen Sie dafür, dass Ihre Lötverbindungen eine gewisse Mindeststärke aufweisen.

Selbstverständlich handelt es sich dabei nur um Empfehlungen, die – je nach Anwendungsfall – angepasst werden können (und sollten!).

^{So wird die Größe eines Restrings gemessen.}

Fertigungstoleranzen für Ihr Multilayer-Design

Da ein PCB-Herstellungsprozesses verschiedene Fertigungsschritte umfasst, können sich durch die Kombination kleiner Fehler Ungenauigkeiten im Endprodukt ergeben. Dies gilt insbesondere für die aufeinanderfolgenden Schritte der Erstellung der Leiterbahnen durch Ätzen und das Einbringen der Bohrlöcher für Durchkontaktierungen. Hier ist häufig zu beobachten, dass die Achse eines Bohrlochs nicht genau in der Mitte der anvisierten Leiterbahn liegt, sondern relativ zu dieser leicht versetzt ist. Doch keine Sorge: Sie legen ja schließlich Toleranzen fest!

Genau wie bei anderen Leiterplattenelementen lassen sich Fertigungsungenauigkeiten auch bei Restringen durch die Definition von Toleranzen ausgleichen. Dazu sollten Sie sich zunächst über die spezifischen Fertigungstoleranzen Ihres Herstellers informieren und dann auf Basis dieser Angaben ermitteln, wie breit die einzelnen Restringe jeweils mindestens sein müssen, damit der Fertigungsprozess möglichst risikolos abläuft und stets die gewünschte Mindestdicke erreicht wird.

Kurz: Die unvermeidlichen Ungenauigkeiten bei der Fertigung lassen sich durch ein entsprechendes fehlertolerantes Design aufheben. So können Sie sicherstellen, dass die Restringe an den Ausgängen von Durchkontaktierungen immer eine gewisse Mindestdicke aufweisen.

^{Bohrlochtoleranzen spielen eine wichtige Rolle bei der Festlegung der Größe von Restringen.}

Die Berechnung der Breite von Restringen

Wenn Sie sich auf einfache Weise versichern möchten, dass die Breite der Restringe in Ihrem PCB-Design ausreichend ist, können Sie mithilfe der folgenden Formel die Maximalbreite nach Abschluss des Fertigungsprozesses berechnen:

((Durchmesser des Pads) - (Durchmesser des Lochs der Durchkontaktierung)) / 2 = (Maximale Restringbreite)

Dabei gilt: Je größer die tolerierten Fertigungsfehler und je breiter der Durchmesser des Bohrlochs, desto schmaler kann der Restring ausfallen.

Wenn Sie die mechanischen und elektrischen Anforderungen an Ihre Restring-Kontaktflächen sowie die einschlägigen Fertigungstoleranzen von Anfang an einkalkulieren, können Sie dafür sorgen, dass die Restringbreite stets im anvisierten Bereich liegt und die Enden jeder Durchkontaktierung immer mit den vorgesehenen Leiterbahnen verbunden sind.

Zu diesem Zweck – und nicht zuletzt, um mit dem anhaltenden Trend zu Microvia-Designs Schritt halten zu können –, benötigen Sie eine PCB-Designsoftware, die Ihnen die Festlegung von adäquaten Restringbreiten und Bohrlochtoleranzen erleichtert. Zum Glück gibt es Altium Designer^®, die CAD-Lösung mit einer breiten Palette nutzerfreundlicher Funktionen zur Definition, Prüfung und Umsetzung von Designregeln und zur Gestaltung anspruchsvoller Leiterplattenlayouts.

Gehen Sie also frisch ans Werk und nutzen Sie die Tools von Altium, um Ihrem Design makellose Restringe in der optimalen Stärke hinzuzufügen, die den Lötverbindungen Ihrer Komponenten zu der gewünschten Langlebigkeit verhelfen. Und wenn Sie gern mehr darüber erfahren möchten, wie die Software von Altium die Bewältigung dieser und anderer Herausforderungen erleichtern kann, sollten Sie noch heute mit einem unserer Experten sprechen.