Directrices sobre el tamaño de las vías y las almohadillas para PCB

Hay algunos aspectos del diseño y la disposición de la PCB que parecen engañosamente sencillos y, sin embargo, tienen una respuesta compleja que está relacionada con muchos aspectos importantes de la fabricación. Uno de estos aspectos de diseño es la correspondencia entre el tamaño de las vías y el de las almohadillas en una PCB. Obviamente, estos dos puntos están relacionados; todas las vías tienen (o deberían tener) una almohadilla en la que se apoye la vía y proporcione un lugar para enrutar las pistas hacia una almohadilla de vía. Sin embargo, existen algunas directrices importantes que deben seguirse a la hora ajustar los tamaños de las almohadillas y las vías en una PCB, y este ajuste es un elemento importante del diseño de cara a la capacidad de fabricación (o DFM por sus siglas en inglés) y la fiabilidad.

El tamaño de la almohadilla que elijas para tu diseño de PCB está relacionado con otro aspecto importante del diseño que se encuentra durante la fabricación, conocido como anillos anulares. Según las normas IPC, las tierras para las vías están relacionadas con el número de capas, el tamaño del orificio de la vía y el grosor del chapado, y la tierra debe tener un tamaño tal que el anillo anular producido durante la producción sea lo suficientemente grande. Se trata de un área en la que es difícil encontrar respuestas concretas más allá de una respuesta a la pregunta "¿qué es un anillo anular?". En este artículo veremos la respuesta y su relación con dos importantes normas IPC.

Conceptos básicos sobre el tamaño de vías y almohadillas para PCB

Cada vía debe tener una almohadilla en las capas superficiales donde las pistas puedan establecer una conexión eléctrica; la pregunta es qué tamaño debe tener la almohadilla de vía. A la hora de seleccionar un tamaño adecuado para una vía, hay algunos puntos de partida a considerar:

• Coste de fabricación: Optar por una vía más grande conllevará unos costes de fabricación más bajos, como comenté en un artículo anterior sobre la estimación de costes. Las vías de tamaño más grandes requerirán de almohadillas de tamaño más grandes.
   
• Ancho de pista: Generalmente se acepta que el tamaño de la almohadilla debe ser algo mayor que el tamaño de la vía. Por lo tanto, si estás utilizando un ancho de pista grande, como una pista de impedancia controlada grande, querrás un tamaño de almohadilla mayor. Ten en cuenta que esto tampoco requiere una vía grande.
   
• Fiabilidad: Las tierras más grandes serán más fiables y, como veremos, de eso va este artículo... Las normas IPC tienen mucho que decir al respecto y determinarán si una perforación dada produce un defecto en una almohadilla de vía.
   
• Tipo de vía y número de capas: Como veremos a continuación, el número de capas también contribuirá al tamaño de la almohadilla una vez que este supere las 8 capas, según lo estipulado en IPC-2221.

Teniendo esto en cuenta, me gusta empezar por elegir el tamaño de la vía que se utilizará en la mayor parte de la placa. A continuación, dimensionaré la almohadilla para que cumpla con un requisito de clase IPC en concreto. Aquí es donde debemos tener en cuenta el tamaño del anillo anular que queda en la placa durante la fabricación.

Determinar el tamaño de las almohadillas en función de los anillos anulares

A continuación, consideraremos las vías de agujero pasante chapadas en PCB rígidas. Para otros tipos de PCB, como las de diseño flexible o HDI, tenemos diferentes normas sobre anillos anulares que se pueden utilizar para calcular el tamaño de la vía. Echa un vistazo a la sección final de este artículo para ver otras normas que rigen el diseño de PCB y la calificación de rendimiento.

Si nos fijamos en las normas IPC-2221, hay una definición sencilla de anillos anulares que se aplica a las tierras externas e internas. Algunos diseñadores utilizan los términos "anillo anular", "land", "almohadilla" y otros términos indistintamente. Estas definiciones se muestran en el gráfico a continuación, aunque también puedes encontrarlas en la sección 9.1.2 de la IPC-2221A:

Puedes descargar el documento de las normas IPC-2221 desde este enlace. Si deseas también puedes seguir las normas IPC-6012 más recientes.

Así pues, tenemos dos definiciones de anillo anular: la distancia desde la pared del orificio terminado hasta el borde de la almohadilla (capas externas), o la distancia desde la pared del orificio de perforación hasta el borde de la almohadilla (capas internas). Una vez que la PCB pasa al proceso de fabricación, se perfora después del proceso de grabado. Debido al movimiento de la broca en CNC, existe la posibilidad de que esta no perfore a través del centro exacto de la almohadilla de la vía. Como resultado, habrá un remanente en el anillo anular, como hemos visto anteriormente. Por lo tanto, el tamaño de la almohadilla de las vías debe, como mínimo, ser lo suficientemente grande como para acomodar cualquier desvío de la broca y dejar suficiente sobrante de cobre para garantizar la cabida mínima del anillo anular mostrada anteriormente y que no se produzca ningún defecto. Si se infringen los límites indicados en las tablas y en la imagen siguiente, esa vía en particular puede considerarse defectuosa y, como consecuencia, la placa podría desecharse.

Este dimensionamiento implica una ecuación que se encuentra en las normas IPC-2221 e IPC-6012. El diámetro mínimo de la almohadilla de vía es:

L = a + 2b + c

donde:

• a = diámetro del orificio terminado (capas externas) o diámetro del orificio de perforación (capas internas)
• b = tamaño mínimo de anillo anular (ver más arriba)
• c = tolerancia mínima de fabricación estándar para los lands o tierras de interconexión (consulta la tabla a continuación)

Los tamaños mínimos de anillos anulares definidos en las normas IPC-2221 e IPC-6012 se muestran en la siguiente tabla.

Por último, tenemos las siguientes tolerancias de fabricación que se utilizan en la fórmula anterior:

* Para IPC-2221: Añadir 20 mils, si es de más de ocho capas; o por onza, cuando el peso del cobre sea superior a 1 oz/pie² . Estas adiciones se ignoran en la IPC-6012 más moderna.

Las normas IPC-A-600 e IPC-6012 suelen invocarse para criterios de inspección en la fabricación de PCB en lugar de la IPC-2221. Esto no invalida la IPC-2221. Lo que sucede es que la norma IPC-6012 es más moderna y compila datos importantes de la IPC 2221, la IPC 4101 y otros requisitos de calidad. El objetivo al aplicar la fórmula anterior y establecer límites de fabricación es eliminar la posibilidad de ruptura. Esto se muestra en la siguiente imagen, donde el orificio de perforación se encuentra parcialmente fuera del borde de la almohadilla. Si la pista es muy fina y el tamaño de la almohadilla es demasiado pequeño, el margen en la perforación podría dañar la conexión entre la almohadilla y la pista.

A fin de evitar la ruptura en un producto de clase 2, es preferible buscar la tangencia (ver imagen más arriba), para la que podemos establecer b = 0 en la fórmula anterior como tamaño del anillo anular.

Todo esto conduce a una directriz útil:

• Para evitar que se separe la pista de la almohadilla, puedes optar por una almohadilla sobredimensionada con un diámetro del orificio de perforación inferior al ancho de la pista. Si esto no es posible, aplica lágrimas a la conexión entre la pista y la almohadilla para evitar la ruptura.

Los fabricantes suelen optar por la clase C, que es el límite de tolerancia de fabricación más estricto en la fabricación de PCB, por lo que generalmente no se utilizan los valores de clase A y B. Esto debería reforzar el papel de las normas IPC; no te dicen cómo diseñar una PCB o qué tamaño específico de almohadilla utilizar. En su lugar, estas directrices indican lo que se considera una fabricación correcta, y los equipos de diseño y fabricación deben procurar lograr esos objetivos.

Entonces, con todos estos datos, ¿cuál es la mejor forma de garantizar la capacidad de fabricación y fiabilidad? Mi opinión es que, si no te preocupa el tamaño del anillo anular, aplica el requisito de clase 2. Esto significa que el tamaño de la almohadilla será el diámetro que establezcas en tus herramientas de diseño, además de la tolerancia de fabricación. En otras palabras, simplemente utiliza b = grosor de chapado para capas externas y b = 0 para capas internas. En el caso de la clase 3, el tamaño de la almohadilla debe ser un poco más grande y debemos tener en cuenta el requisito de 2 mils utilizando el diámetro de chapado terminado para la almohadilla.

Ejemplo: orificio de 10 mm, tolerancia de fabricación de clase C

Supongamos que tenemos un orificio de perforación de 10 mils para una vía en la que queremos cumplir la IPC de clase 3. Si la vía está chapada hasta el mínimo de espesor inferior en la pared del orificio (1 mil), podemos usar la tolerancia de fabricación de clase C para determinar el tamaño de almohadilla requerido.

Para un diámetro de taladro de 10 mils, tendríamos un tamaño de orificio terminado de 8 mils con un diámetro mínimo de almohadilla de 20 mils en todas las capas. Este cálculo utiliza:

• a = 8 mils para capas externas, 10 mils para capas internas.
• b = 2 mils externamente, 1 mil internamente.
• c = 8 mils en todas las capas.

Si queremos diseñar para clase 2, debemos usar b = espesor de chapado (supongamos 1 mil para la seguridad) en capas externas y b = 0 en capas internas, lo que significa que tendríamos almohadillas o pads de 18 mils de diámetro en todas las capas para un orificio de perforación de 10 mils con 1 mil de chapado en la pared de la vía. Para la clase 2, simplemente aplica L = orificio + 8 mils en todas las vías para ir sobre seguro. Además, yo haría lo mismo para la clase 1. Esta también será la forma más sencilla de definir las ubicaciones de las vías a medida que las vayas enrutando sin definir un padstack personalizado.

Más allá de los agujeros pasantes y la norma IPC-2221/IPC-6012

La lista de requisitos anterior solo se ha calculado para PCB rígidas con vías de agujero pasante, que será la vía dominante en la mayoría de las PCB. Si se utilizan vías ciegas o vías enterradas, los requisitos de los anillos anulares serán diferentes y dependerán del proceso de fabricación (perforación láser vs. perforación mecánica). Cuando las vías sean lo suficientemente pequeñas como para considerarse microvías y utilicen procesos de fabricación HDI, tendrás un conjunto diferente de requisitos que rijan los límites de los anillos anulares y los tamaños de las almohadillas.

Las normas IPC-2221 y IPC-6012 son los estándares que se citan con mayor frecuencia para PCB rígidas, pero hay otras normas específicas para diferentes tipos de placas. Estas normas profundizan en las directrices y normas generales de diseño IPC-2220/2221 para aplicaciones como placas de alta frecuencia, diseño HDI, PCB flexibles y rígido-flexibles y otros tipos de placas de PCB. Estos diseños implican muchas otras consideraciones de fabricación. 

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