Cumplimiento de Normas: Tamaños de Vías y Anillos Anulares según IPC 6012 Clase 3

Eche un vistazo a la imagen de arriba de un diseño de PCB, específicamente a los vías y agujeros de perforación que atraviesan la serigrafía. Es bastante claro que algunos de estos vías están descentrados, lo que significa que el golpe del taladro que creó estos vías no fue exactamente en el centro del pad receptor. Esto deja detrás un anillo anular, algo que podría considerarse un defecto en ciertas clases de productos IPC. Bajo los estándares IPC para placas rígidas, tenemos varias posibles características de fabricación que podrían considerarse defectos en diferentes tipos de placas (HDI, flex, etc.); los anillos anulares son solo una de las muchas posibles características estructurales que podrían considerarse defectos.

Los diseñadores a menudo confunden el anillo anular restante y los tamaños de pad, algo de lo que soy culpable. Sin embargo, los dos están relacionados; los diseñadores necesitan colocar un tamaño de pad suficientemente grande en la capa superficial para asegurar que el anillo anular que queda durante la fabricación será lo suficientemente grande. Mientras el anillo anular sea suficientemente grande, el golpe del taladro no se considerará defectuoso y la placa habrá pasado la inspección.

En las normas IPC-2221, los anillos anulares se aplican universalmente para productos de Clase 1-3. En las normas más recientes IPC-6012, se permite el breakout para todos excepto los productos de clase 3. En este artículo, discutiré los límites en los anillos anulares de Clase 3 IPC-6012 ya que estos son un requisito estándar de fabricación para PCBs rígidos de alta fiabilidad.

Tamaño del Anillo Anular IPC-6012 Clase 3

Las normas IPC definen tres clasificaciones de productos (Clase 1, Clase 2 y Clase 3) basadas en el nivel requerido de fiabilidad del dispositivo. Cada una de estas clases lleva sus propias directrices de rendimiento y requisitos de calificación para la fabricación, limpieza e inspección de PCBs. Problemas como la colocación de componentes, el chapado de agujeros de vía, contaminantes residuales, tamaños de trazas y otras consideraciones en el PCBA son todos abordados en las normas para cada una de estas clases.

Para que un vía pasante metalizada sea aceptada después de la fabricación, debemos asegurarnos de que el anillo anular restante en cada Clase IP sea suficientemente grande. Por lo tanto, el ejercicio de "dimensionar" un anillo anular es realmente uno de elegir el tamaño de pad correcto para su vía. Mientras los pads en sus vías sean lo suficientemente grandes, entonces habrá acomodado exitosamente las tolerancias de fabricación en su PCB.

Anillos Anulares Visualizados

El diagrama a continuación muestra cómo surge un anillo anular restante durante el proceso de perforación en la fabricación de PCB. La imagen de la izquierda muestra una ruptura, lo cual está permitido bajo los estándares IPC-6012 pero no bajo el estándar IPC-2221A. IPC-6012 es el estándar de calificación principal en uso para PCBs rígidos, por lo que debe considerarse al dimensionar pads y vías, y los límites del anillo anular de la Clase 3 son consistentes en ambos estándares.

El anillo anular se mide de dos maneras para capas externas e internas:

• Para las capas externas, el anillo anular se mide desde el borde del revestimiento de la pared de la vía hasta el borde del pad.
• Para las capas internas, el anillo anular se mide desde el bordo del agujero taladrado hasta el borde de la almohadilla.

Esto significa que los dos valores serán diferentes por el grosor del chapado, que es un mínimo de 0.8 mil para la Clase 1 y 2, o 1 mil para la Clase 3. La mayoría de los fabricantes chaparán los vías pasantes no rellenos un poco más gruesos que el grosor mínimo de chapado de la Clase 3 de 1 mil en sus productos (ver Tabla 3-2 en la norma IPC-6012 para los requisitos mínimos de chapado en paredes de agujeros taladrados mecánicamente).

Requisitos del Tamaño Mínimo del Anillo Anular

Bajo IPC-6012, los productos de Clase 3 requieren algo de anillo anular sobrante, mientras que los productos de Clase 1 y Clase 2 permiten cierto desprendimiento.

Como podemos ver, de acuerdo con los estándares IPC 6012, solo la Clase 3 lleva un requisito apreciable de anillo anular. Para asegurar algún nivel de fiabilidad en los productos Clase 2 y Clase 1, me gusta afirmar que el anillo anular restante debería ser de 0 mil (capas internas) o igual al grosor del chapado (capas externas). Esto provocará que se cumpla una condición de tangencia donde el anillo anular solo toca el borde del pad, por lo que no habrá ruptura y el diseño se considerará fabricado con éxito.

Calculando el Tamaño del Pad a Partir del Tamaño del Anillo Anular

El tamaño del pad o land se puede calcular con la ecuación simple L = a + 2b + c, donde a = diámetro del orificio de perforación (interno) o del orificio terminado (externo), b = tamaño mínimo del anillo anular, y c = margen de fabricación. Piensa en c como la desviación permitida en la perforación CNC. La mayoría de los fabricantes deberían (o deberían) apuntar a los márgenes de fabricación de Clase C, que es la clasificación más alta y lleva un límite de c = 8 mil (ver Tabla 1.6.3 en la norma IPC-2221 para las clasificaciones de margen de fabricación). A partir de la tabla y fórmula anteriores, ahora podemos calcular el requisito del anillo anular para un ejemplo de vía de 12 mil.

Supongamos que quieres colocar una vía de 12 mil de diámetro en un producto de Clase 3. De acuerdo con los requisitos de chapado mencionados anteriormente, el orificio terminado solo tendrá un diámetro de 10 mil. Con estos valores, ahora podemos calcular el tamaño mínimo del anillo anular para un producto de Clase 3, asumiendo un margen de fabricación de Clase C. Tendríamos:

• Tamaño mínimo del pad en capas internas: L = 12 mil + (2 x 1 mil) + 8 mil = 22 mil
• Tamaño mínimo del pad en capas externas: L = 10 mil + (2 x 2 mil) + 8 mil = 22 mil

Por lo tanto, podemos ver que, dado que el chapado se establece en un mínimo de 1 mil, podemos establecer el tamaño mínimo del land de vía a (diámetro de la vía) + 10 mil para todas las capas. Esto se considera el enfoque "más seguro" para dimensionar vías y pads de modo que cumpla con los requisitos de anillo anular de la Clase 3 de IPC-6012.

¿Qué pasa con los tamaños de pad para las Clases 1 y 2? Echa un vistazo a estas directrices:

• Para productos de Clase 3, tomamos b = 2 mil para anillos anulares externos y b = 1 mil para anillos anulares internos
• Para productos de Clase 1 y 2, técnicamente tendríamos b

Por lo tanto, si solo requerimos 1 mil de grosor de la capa de plating en la pared del agujero en todas las clases, podríamos decir cómodamente que el tamaño del land del via es (diámetro del via) + 8 mil.

Resumen y Lágrimas

Esperamos que esto ilustre una guía básica lo más segura posible que un diseñador puede seguir al colocar vias y seleccionar tamaños de pads. La guía de (diámetro del via) + 10 mil para Clase 3 y (diámetro del via) + 8 mil para Clase 1/2 será fabricable por probablemente cada fabricante en el planeta, y este es el enfoque que tomo al dimensionar vias y pads.

Para añadir fiabilidad en productos de Clase 3, siempre agrego gotas de lágrima a los pads de vía, especialmente cuando el trazo es delgado y existe el riesgo de que el orificio del taladro corte el trazo del pad. Esto proporciona una medida extra de fiabilidad que podrías necesitar al realizar el enrutamiento en una capa interna con trazos de impedancia controlada. Tal situación podría requerir trazos más delgados para alcanzar tu objetivo de impedancia, y añadir la gota de lágrima al pad de la vía es una manera fácil de asegurar la fiabilidad en lugar de disminuir el tamaño del orificio. En algún punto, con dieléctricos delgados y trazos finos, no puedes disminuir más el tamaño del taladro mecánico y tendrás que usar gotas de lágrima para asegurar la fiabilidad.

Via-en-Pad y los Requisitos de la Clase 3 de IPC-6012

A densidades aún mayores, puede ser necesario utilizar via-en-pad para poder enrutar hacia los componentes. Técnicamente, el via-en-pad puede usarse en general sin necesidad de tapar y sellar, pero la mejor práctica desde el punto de vista del ensamblaje y la fiabilidad es tapar y sellar. Los principales tipos de vías estandarizados que podrían ser tapados y sellados están especificados en IPC-4761, como se describe en este artículo. La lista de tipos de vías en el artículo vinculado son solo definiciones estandarizadas para vías, pero no todas estas son consideradas aceptables según los requisitos de la Clase 3.

Los requisitos de la Clase 3 para via-en-pad se enumeran a continuación. Los valores utilizados aquí están adaptados de los requisitos de la Clase 3 mencionados anteriormente con variaciones menores.

• Material de relleno: Las vías deben ser rellenadas con un epoxi no conductor.
• Tapado y chapado: Las vías deben ser tapadas y chapadas.
• Espesor del tapado: El chapado del tapado debe ser de un mínimo de 12 micrones (0.472 mils).
• Protrusión/planaridad: La protrusión en-vía no puede ser mayor de 50 micrones (1.96 mils). Esto puede requerir un paso de planarización.
• Tamaño mínimo de perforación: Los agujeros perforados en los pads deben ser de al menos 150 micrones (6 mils).
• Tamaño mínimo del pad: El tamaño mínimo del pad es el diámetro de la perforación + 0.010").
• Separación del pad: Los via-en-pad deben estar al menos a 6 mils de distancia de las características de cobre adyacentes, incluyendo otros via-en-pad.
• Anillo anular mínimo: El mínimo de cobre alrededor del agujero del via es de 2 mils.

Cuando se utiliza via-en-pad en un diseño de PCB, las definiciones de tapón y tapa también deben ser entregadas a su casa de fabricación. El procesamiento de tapón y tapa puede utilizarse en toda la PCB si se desea, o puede limitarse a ubicaciones específicas donde se está utilizando via-en-pad. En cualquier caso, los requisitos de ubicación necesitan ser comunicados a la casa de fabricación.

Esto se puede hacer fácilmente incluyendo la información de relleno y tapa como exportaciones Gerber. Esto se hace normalmente creando una capa Gerber con los datos de relleno, y otra capa con los datos de tapa. Estas opciones pueden agregarse a sus exportaciones Gerber, exportaciones ODB++, o exportaciones IPC-2581 al configurar sus archivos de salida. A continuación, se muestra un ejemplo con exportaciones Gerber.

Una vez exportados los datos Gerber/ODB++/IPC-2581, se puede visualizar la información de tapado/llenado/cubrimiento en una aplicación CAM. Estos datos aparecerán en sus propias capas, y el equipo de ingeniería de procesos de su fabricante podrá ver qué vías específicas requieren llenado y chapado. Los datos se verán similares a una apertura de máscara pero coincidirán con el tamaño del orificio que se coloca durante el taladrado, así que no confunda estos datos con una apertura de máscara al revisar los archivos Gerber.

Finalmente, asegúrese de incluir una nota de fabricación que indique lo siguiente si va a utilizar via-en-pad con cualquiera de los tipos de vía estándar IPC-4761:

• Las vías en la capa Gerber (EXTENSIÓN DE CAPA) deberán fabricarse de acuerdo con los estándares IPC-4761 Tipo XXXX.
• Las vías deberán llenarse con epoxi no conductor.
• Las vías deberán chaparse por encima. La protuberancia resultante no debe exceder XXXX mils según los requisitos de la Clase 3 IPC-6012.

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