Einhaltung von Standards: IPC 6012 Klasse 3 Durchkontaktierungsgrößen und Ringbreiten

Werfen Sie einen Blick auf das obige Bild eines PCB-Layouts, insbesondere auf die Durchkontaktierungen und Bohrlöcher, die durch den Siebdruck hindurchstechen. Es ist ziemlich klar, dass einige dieser Durchkontaktierungen nicht zentriert sind, was bedeutet, dass der Bohrer, der diese Durchkontaktierungen erstellt hat, nicht genau im Zentrum der Aufnahmefläche angesetzt wurde. Dies hinterlässt einen Ring, der in bestimmten IPC-Produktklassen als Fehler angesehen werden könnte. Unter den IPC-Standards für starre Platinen gibt es mehrere mögliche Fertigungsmerkmale, die bei verschiedenen Arten von Platinen (HDI, Flex usw.) als Fehler betrachtet werden könnten; Ringe sind nur eines von vielen möglichen strukturellen Merkmalen, die als Fehler betrachtet werden könnten.

Designer verwechseln oft den verbleibenden Ring und die Padgrößen, etwas, wofür ich mich schuldig bekenne. Jedoch sind die beiden miteinander verbunden; Designer müssen eine ausreichend große Padgröße auf der Oberflächenschicht platzieren, um sicherzustellen, dass der Ring, der während der Fertigung übrig bleibt, groß genug sein wird. Solange der Ring ausreichend groß ist, wird der Bohrtreffer nicht als defekt betrachtet und die Platine wird die Inspektion bestanden haben.

In den IPC-2221-Normen werden Ringverbindungen universell für Produkte der Klasse 1-3 angewendet. In den neueren IPC-6012-Normen ist ein Ausbruch für alle außer Klasse 3-Produkte erlaubt. In diesem Artikel werde ich die Grenzen für IPC-6012 Klasse 3 Ringverbindungen diskutieren, da diese eine Standard-Fertigungsanforderung für hochzuverlässige starre PCBs sind.

IPC-6012 Klasse 3 Ringverbindungsgröße

Die IPC-Normen definieren drei Produktklassifikationen (Klasse 1, Klasse 2 und Klasse 3) basierend auf dem erforderlichen Zuverlässigkeitsniveau des Geräts. Jede dieser Klassen hat ihre eigenen Richtlinien, Leistungs- und Qualifikationsanforderungen für die Fertigung, Reinigung und Inspektion von PCBs. Probleme wie Bauteilplatzierung, Durchkontaktierungslochbeschichtung, verbleibende Kontaminanten, Leiterbahnbreiten und andere Überlegungen in der PCBA werden in den Normen für jede dieser Klassen angesprochen.

Damit eine gefertigte durchkontaktierte Via nach der Herstellung akzeptiert wird, müssen wir sicherstellen, dass der verbleibende Ring in jeder IP-Klasse ausreichend groß ist. Daher ist die Übung des "Dimensionierens" eines Rings tatsächlich eine Auswahl der richtigen Landegröße für Ihre Via. Solange Ihre Länder auf Ihren Vias groß genug sind, haben Sie erfolgreich die Fertigungstoleranzen in Ihrer PCB berücksichtigt.

Ringe visualisiert

Das Diagramm unten zeigt, wie ein verbleibender Ring während des Bohrvorgangs im PCB-Herstellungsprozess entsteht. Das Bild links zeigt einen Ausbruch, der nach den IPC-6012-Standards erlaubt ist, jedoch nicht nach dem IPC-2221A-Standard. IPC-6012 ist der primäre Qualifikationsstandard, der für starre PCBs verwendet wird, daher sollte er beim Dimensionieren von Pads und Vias berücksichtigt werden, und die Grenzwerte für den Ring der Klasse 3 sind in beiden Standards konsistent.

Der Ring wird auf zwei Arten für externe und interne Schichten gemessen:

• Für externe Schichten wird der Ring vom Rand der Via-Wandbeschichtung bis zum Rand des Pads gemessen.
• Für innere Lagen wird der Ringabstand vom Rand des gebohrten Lochs bis zum Rand des Pads gemessen.

Dies bedeutet, dass die beiden Werte um die Dicke der Beschichtung unterschiedlich sein werden, die mindestens 0,8 mil für Klasse 1 und 2 oder 1 mil für Klasse 3 beträgt. Die meisten Hersteller werden ungefüllte durchkontaktierte Vias etwas dicker als die minimale Klasse 3 Beschichtungsdicke von 1 mil in ihren Produkten beschichten (siehe Tabelle 3-2 im IPC-6012 Standard für minimale Lochwandbeschichtungsanforderungen in mechanisch gebohrten Löchern).

Mindestanforderungen an die Ringgröße

Unter IPC-6012 erfordern Produkte der Klasse 3 einen gewissen verbleibenden Ring, während Produkte der Klasse 1 und Klasse 2 einen gewissen Ausbruch zulassen.

Wie wir sehen können, fordern gemäß den IPC 6012 Standards nur die Klasse 3 eine nennenswerte Anforderung an den Ring. Um ein gewisses Maß an Zuverlässigkeit bei Produkten der Klasse 2 und Klasse 1 zu gewährleisten, möchte ich festhalten, dass der verbleibende Ring 0 mil (innere Schichten) oder gleich der Plattierungsdicke (äußere Schichten) sein sollte. Dies führt dazu, dass Sie eine Tangentialbedingung erfüllen, bei der der Ring gerade den Rand des Pads berührt, sodass es keinen Ausbruch gibt und das Design als erfolgreich gefertigt betrachtet wird.

Berechnung der Pad-Größe aus der Ringgröße

Die Größe des Pads oder der Landfläche kann mit der einfachen Gleichung L = a + 2b + c berechnet werden, wobei a = Bohrlochdurchmesser (intern) oder fertiger Lochdurchmesser (extern), b = minimale Ringbreite und c = Fertigungstoleranz ist. Denken Sie bei c an die erlaubte Abweichung der CNC-Bohrung. Die meisten Hersteller werden (oder sollten) eine Fertigungstoleranz der Klasse C anstreben, die die höchste Klassifizierung darstellt und eine Grenze von c = 8 mil hat (siehe Tabelle 1.6.3 im IPC-2221 Standard für Klassifizierungen der Fertigungstoleranzen). Aus der oben genannten Tabelle und Formel können wir nun die Anforderung an den Ring für ein Beispiel eines 12 mil Vias berechnen.

Angenommen, Sie möchten ein 12 mil Durchmesser Via in einem Produkt der Klasse 3 platzieren. Gemäß den oben genannten Plattierungsanforderungen, die ich erwähnt habe, wird der fertige Lochdurchmesser nur 10 mil betragen. Mit diesen Werten können wir nun die minimale Ringbreite für ein Produkt der Klasse 3 berechnen, unter der Annahme einer Fertigungstoleranz der Klasse C. Wir hätten:

• Mindestgröße der Pads für innere Lagen: L = 12 mil + (2 x 1 mil) + 8 mil = 22 mil
• Mindestgröße der Pads für äußere Lagen: L = 10 mil + (2 x 2 mil) + 8 mil = 22 mil

So können wir sehen, dass, da die Plattierung auf ein Minimum von 1 mil festgelegt ist, wir die minimale Via-Land-Größe auf (Via-Durchmesser) + 10 mil für alle Lagen festlegen können. Dies wird als der "sicherste" Ansatz zur Dimensionierung von Vias und Pads angesehen, damit Sie die Anforderungen des IPC-6012 Klasse 3 Annular Rings erfüllen.

Was ist mit den Pad-Größen für Klasse 1 und 2? Schauen Sie sich diese Richtlinien an:

• Für Produkte der Klasse 3 setzen wir b = 2 mil für externe Ringflächen und b = 1 mil für interne Ringflächen
• Für Produkte der Klasse 1 und 2 hätten wir technisch gesehen b

Daher, wenn wir nur eine 1 mil dicke WandPlattierungsdicke in allen Klassen fordern, könnten wir bequem sagen, dass die Größe der Via-Landfläche (Via-Durchmesser) + 8 mil beträgt.

Zusammenfassung und Tränen

Hoffentlich veranschaulicht dies eine grundlegende, sicherstmögliche Richtlinie, die ein Designer beim Platzieren von Vias und Auswählen von Padgrößen befolgen kann. Die Richtlinien (Via-Durchmesser) + 10 mil für Klasse 3 und (Via-Durchmesser) + 8 mil für Klasse 1/2 werden wahrscheinlich von jedem Hersteller auf dem Planeten herstellbar sein, und das ist der Ansatz, den ich beim Dimensionieren von Vias und Pads verfolge.

Um die Zuverlässigkeit bei Klasse 3 Produkten zu erhöhen, füge ich immer Tränenformen zu den Via-Pads hinzu, besonders wenn die Leiterbahn dünn ist und das Risiko besteht, dass das Bohrloch die Leiterbahn vom Pad trennt. Dies bietet eine zusätzliche Zuverlässigkeitsmaßnahme, die Sie benötigen könnten, wenn Sie auf einer internen Lage mit kontrollierten Impedanzleiterbahnen routen. Eine solche Beispielssituation könnte dünnere Leiterbahnen erfordern, um Ihr Impedanzziel zu erreichen, und das Hinzufügen der Tränenform zum Via-Pad ist eine einfache Möglichkeit, die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, anstatt die Lochgröße zu verringern. Irgendwann können Sie bei dünnen Dielektrika und dünnen Leiterbahnen die mechanische Bohrgröße nicht mehr verringern und müssen Tränenformen verwenden, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Via-in-Pad und IPC-6012 Klasse 3 Anforderungen

Bei noch höherer Dichte müssen Sie möglicherweise Via-in-Pad verwenden, um in Komponenten zu routen. Via-in-Pad kann technisch gesehen allgemein ohne Verstopfung und Abdeckung verwendet werden, aber die beste Praxis aus Sicht der Montage und Zuverlässigkeit ist es, zu verstopfen und abzudecken. Die hauptsächlich standardisierten Via-Typen, die verstopft und abgedeckt werden könnten, sind in IPC-4761 spezifiziert, wie in diesem Artikel dargelegt. Die Liste der Via-Typen im verlinkten Artikel sind nur standardisierte Definitionen für Vias, aber nicht alle diese sind gemäß den Anforderungen der Klasse 3 akzeptabel.

Die Anforderungen der Klasse 3 für Via-in-Pad sind unten aufgeführt. Die hier verwendeten Werte sind von den oben aufgeführten Anforderungen der Klasse 3 mit geringfügigen Variationen angepasst.

• Füllmaterial: Vias sollten mit einem nicht-leitenden Epoxid gefüllt werden.
• Abdeckung und Plattierung: Vias sollten abgedeckt und überplattiert werden.
• Deckplattendicke: Die Deckplattierung sollte mindestens 12 Mikron (0,472 mils) betragen.
• Protrusion/Planarität: Die In-Via-Protrusion darf nicht mehr als 50 Mikron (1,96 mils) betragen. Dies kann einen Planarisierungsschritt erfordern.
• Minimale Bohrgröße: Gebohrte Löcher in Pads müssen mindestens 150 Mikron (6 mils) groß sein.
• Minimale Padgröße: Die minimale Padgröße ist der Bohrdurchmesser + 0,010 Zoll).
• Pad-Abstand: Via-in-Pads sollten mindestens 6 mils von benachbarten Kupferstrukturen, einschließlich anderer Via-in-Pads, entfernt sein.
• Minimale Ringbreite: Das minimale Kupfer um das Via-Loch herum beträgt 2 mils.

Wenn Via-in-Pad in einem PCB-Layout verwendet wird, müssen auch die Definitionen für Plug und Cap an Ihr Fertigungshaus übermittelt werden. Plug- und Cap-Verarbeitung kann in der gesamten PCB verwendet werden, wenn gewünscht, oder sie kann auf spezifische Orte beschränkt werden, an denen Via-in-Pad verwendet wird. In jedem Fall müssen diese Standortanforderungen an das Fertigungshaus kommuniziert werden.

Dies kann leicht durch Einbeziehung der Fill- und Cap-Informationen als Gerber-Exporte erfolgen. Dies wird normalerweise durch Erstellen einer Gerber-Schicht mit den Fill-Daten und einer weiteren Schicht mit den Cap-Daten gemacht. Diese Optionen können Ihren Gerber-Exporten, ODB++-Exporten oder IPC-2581-Exporten hinzugefügt werden, wenn Sie Ihre Ausgabedateien konfigurieren. Ein Beispiel mit Gerber-Exporten wird unten gezeigt.

Sobald die Gerber/ODB++/IPC-2581-Daten exportiert sind, können die Plug/Fill/Cap-Daten in einer CAM-Anwendung eingesehen werden. Diese Daten werden in eigenen Schichten angezeigt, und das Prozesstechnik-Team Ihres Herstellers wird in der Lage sein zu erkennen, welche spezifischen Vias gefüllt und plattiert werden müssen. Die Daten werden ähnlich wie Maskenöffnungen aussehen, aber sie entsprechen der Lochgröße, die beim Bohren gesetzt wird, also verwechseln Sie diese Daten nicht mit einer Maskenöffnung, wenn Sie die Gerber-Dateien überprüfen.

Zum Schluss, stellen Sie sicher, dass Sie eine Fertigungsnotiz hinzufügen, die Folgendes angibt, wenn Sie Via-in-Pad mit einem der standardmäßigen IPC-4761 Via-Typen verwenden möchten:

• Vias in Gerber-Schicht (LAYER EXTENSION) sollen gemäß den IPC-4761 Typ XXXX Standards gefertigt werden.
• Vias sollen mit nicht-leitendem Epoxid gefüllt werden.
• Vias sollen überplattiert werden. Die resultierende Ausbuchtung darf XXXX mils gemäß den IPC-6012 Klasse 3 Anforderungen nicht überschreiten.

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