Respect des normes : Tailles de via et anneaux annulaires selon la classe 3 de l'IPC 6012

Jetez un œil à l'image ci-dessus d'un agencement de PCB, spécifiquement aux vias et aux trous de perçage qui traversent le silkscreen. Il est assez évident que certains de ces vias ne sont pas centrés, signifiant que le perçage qui a créé ces vias n'était pas parfaitement au centre de la zone de réception. Cela laisse derrière un anneau annulaire, quelque chose qui pourrait être considéré comme un défaut dans certaines classes de produits IPC. Selon les normes IPC pour les cartes rigides, nous avons plusieurs caractéristiques de fabrication possibles qui pourraient être considérées comme des défauts dans différents types de cartes (HDI, flex, etc.) ; les anneaux annulaires ne sont qu'une des nombreuses caractéristiques structurelles possibles qui pourraient être considérées comme des défauts.

Les concepteurs confondent souvent l'anneau annulaire restant et les tailles de pad, chose dont je suis coupable. Cependant, les deux sont liés ; les concepteurs doivent placer une taille de pad suffisamment grande sur la couche de surface pour s'assurer que l'anneau annulaire restant lors de la fabrication sera assez grand. Tant que l'anneau annulaire est suffisamment grand, le perçage ne sera pas considéré comme défectueux et la carte aura passé l'inspection.

Dans les normes IPC-2221, les anneaux annulaires sont appliqués universellement pour les produits de classe 1 à 3. Dans les normes IPC-6012 plus récentes, le débordement est autorisé pour tous les produits sauf ceux de classe 3. Dans cet article, je discuterai des limites concernant les anneaux annulaires de la classe 3 selon l'IPC-6012, car ceux-ci constituent une exigence de fabrication standard pour les PCB rigides de haute fiabilité.

Taille de l'Anneau Annulaire IPC-6012 Classe 3

Les normes IPC définissent trois classifications de produits (Classe 1, Classe 2 et Classe 3) basées sur le niveau de fiabilité requis de l'appareil. Chacune de ces classes possède ses propres directives, performances et exigences de qualification pour la fabrication, le nettoyage et l'inspection des PCBs. Des problèmes tels que le placement des composants, le placage des trous de via, les contaminants résiduels, les tailles des pistes et d'autres considérations dans l'assemblage des PCB sont tous abordés dans les normes pour chacune de ces classes.

Pour qu'un trou métallisé traversant soit accepté après fabrication, nous devons nous assurer que l'anneau annulaire restant dans chaque classe IP sera suffisamment grand. Par conséquent, l'exercice de "dimensionnement" d'un anneau annulaire est vraiment celui de choisir la bonne taille de surface pour votre via. Tant que les surfaces de vos vias sont suffisamment grandes, alors vous avez réussi à accommoder les tolérances de fabrication dans votre PCB.

Visualisation des Anneaux Annulaires

Le diagramme ci-dessous montre comment un anneau annulaire restant apparaît pendant le perçage dans le processus de fabrication du PCB. L'image à gauche montre une rupture, qui est autorisée selon les normes IPC-6012 mais pas selon la norme IPC-2221A. L'IPC-6012 est la norme de qualification principale utilisée pour les PCB rigides, elle doit donc être prise en compte lors du dimensionnement des pads et des vias, et les limites de l'anneau annulaire de la Classe 3 sont cohérentes à travers les deux normes.

L'anneau annulaire est mesuré de deux manières pour les couches externes et internes :

• Pour les couches externes, l'anneau annulaire est mesuré de l'arête du placage du trou de via jusqu'au bord du pad.
• Pour les couches internes, l'anneau annulaire est mesuré depuis le bord du trou percé jusqu'au bord du pad.

Cela signifie que les deux valeurs seront différentes de l'épaisseur du placage, qui est d'un minimum de 0,8 mil pour la Classe 1 et 2, ou de 1 mil pour la Classe 3. La plupart des fabricants vont plaquer les vias traversants non remplis légèrement plus épais que l'épaisseur minimale de placage de la Classe 3 de 1 mil dans leurs produits (voir le Tableau 3-2 dans la norme IPC-6012 pour les exigences minimales de placage de paroi de trou dans les trous percés mécaniquement).

Exigences de Taille Minimale d'Anneau Annulaire

Selon l'IPC-6012, les produits de Classe 3 nécessitent un certain reste d'anneau annulaire, tandis que les produits de Classe 1 et Classe 2 permettent une certaine évasion.

Comme nous pouvons le voir, selon les normes IPC 6012, seule la Classe 3 impose une exigence appréciable concernant l'anneau annulaire. Pour assurer un certain niveau de fiabilité sur les produits de Classe 2 et Classe 1, j'aime préciser que l'anneau annulaire restant devrait être de 0 mil (couches internes) ou égal à l'épaisseur du placage (couches externes). Cela vous amènera à rencontrer une condition de tangence où l'anneau annulaire touche juste le bord du pad, il n'y aura donc pas de débordement et le design sera considéré comme fabriqué avec succès.

Calcul de la taille du pad à partir de la taille de l'anneau annulaire

La taille du pad ou de la pastille peut être calculée avec l'équation simple L = a + 2b + c, où a représente le diamètre du trou de perçage (interne) ou du trou fini (externe), b la taille minimale de l'anneau annulaire, et c l'ajustement de fabrication. Pensez à c comme à la tolérance autorisée dans le perçage CNC. La plupart des fabricants viseront (ou devraient viser) les ajustements de fabrication de Classe C, qui est la classification la plus élevée et impose une limite de c = 8 mil (voir le Tableau 1.6.3 dans la norme IPC-2221 pour les classifications des ajustements de fabrication). À partir du tableau ci-dessus et de la formule, nous pouvons maintenant calculer l'exigence de l'anneau annulaire pour un exemple de via de 12 mil.

Supposons que vous souhaitez placer un via de diamètre 12 mil dans un produit de Classe 3. Selon les exigences de placage mentionnées ci-dessus, le trou fini aura seulement un diamètre de 10 mil. Avec ces valeurs, nous pouvons maintenant calculer la taille minimale de l'anneau annulaire pour un produit de Classe 3, en supposant un ajustement de fabrication de Classe C. Nous aurions :

• Taille minimale du pad pour les couches internes : L = 12 mil + (2 x 1 mil) + 8 mil = 22 mil
• Taille minimale du pad pour les couches externes : L = 10 mil + (2 x 2 mil) + 8 mil = 22 mil

Ainsi, nous pouvons voir que, puisque le placage est fixé à un minimum de 1 mil, nous pouvons définir la taille minimale de la terre de via à (diamètre du via) + 10 mil pour toutes les couches. Cela est considéré comme l'approche "la plus sûre" pour dimensionner les vias et les pads afin de respecter les exigences de l'anneau annulaire de la classe 3 IPC-6012.

Et pour les tailles de pad des classes 1 et 2 ? Jetez un œil à ces directives :

• Pour les produits de Classe 3, nous prenons b = 2 mil pour les anneaux annulaires externes et b = 1 mil pour les anneaux annulaires internes
• Pour les produits de Classe 1 et 2, techniquement nous aurions b

Par conséquent, si nous exigeons juste 1 mil d'épaisseur de placage de paroi de trou dans toutes les classes, nous pourrions confortablement dire que la taille de la terre du via est (diamètre du via) + 8 mil.

Résumé et Larmes

En espérant que cela illustre une ligne directrice la plus sûre possible qu'un concepteur peut suivre lors du placement des vias et de la sélection des tailles de pad. Les directives (diamètre du via) + 10 mil pour la Classe 3 et (diamètre du via) + 8 mil pour la Classe 1/2 seront fabriquables par probablement chaque fabricant sur la planète, et c'est l'approche que je prends lors du dimensionnement des vias et des pads.

Pour une fiabilité accrue dans les produits de classe 3, j'ajoute toujours des larmes aux pads de via, surtout lorsque la piste est fine et qu'il y a un risque que le trou de perçage coupe la piste du pad. Cela fournit une mesure supplémentaire de fiabilité dont vous pourriez avoir besoin lors du routage sur une couche interne avec des pistes à impédance contrôlée. Une telle situation pourrait nécessiter des pistes plus fines pour atteindre votre cible d'impédance, et ajouter la larme au pad de via est un moyen facile d'assurer la fiabilité plutôt que de réduire la taille du trou. À un certain point, avec des diélectriques fins et des pistes fines, vous ne pouvez plus réduire la taille de perçage mécanique et vous devrez utiliser des larmes pour garantir la fiabilité.

Via-en-Pad et exigences de la classe 3 IPC-6012

À une densité encore plus élevée, vous pourriez avoir besoin d'utiliser le via-in-pad pour router vers les composants. Techniquement, le via-in-pad peut être utilisé en général sans bouchage ni capsulage, mais la meilleure pratique du point de vue de l'assemblage et de la fiabilité est de boucher et de capsuler. Les principaux types de vias standardisés qui pourraient être bouchés et capsulés sont spécifiés dans l'IPC-4761, comme décrit dans cet article. La liste des types de vias dans l'article lié représente juste des définitions standardisées pour les vias, mais tous ces types ne sont pas considérés comme acceptables selon les exigences de la Classe 3.

Les exigences de la Classe 3 pour le via-in-pad sont listées ci-dessous. Les valeurs utilisées ici sont adaptées des exigences de la Classe 3 mentionnées ci-dessus avec de légères variations.

• Matériau de remplissage : Les vias doivent être remplis avec un époxy non conducteur.
• Capsulage et plaquage : Les vias doivent être capsulés et plaqués par-dessus.
• Épaisseur du capuchon : Le plaquage du capuchon doit être d'un minimum de 12 microns (0,472 mils).
• Protrusion/planéité : La protrusion dans le via ne peut pas être supérieure à 50 microns (1,96 mils). Cela peut nécessiter une étape de planarisation.
• Taille minimale de perçage : Les trous percés dans les pastilles doivent avoir au moins 150 microns (6 mils).
• Taille minimale de la pastille : La taille minimale de la pastille est le diamètre du perçage + 0,010 pouce).
• Dégagement de la pastille : Les via dans les pastilles doivent être à au moins 6 mils de distance des caractéristiques en cuivre adjacentes, y compris d'autres via dans les pastilles.
• Largeur minimale de l'anneau annulaire : Le cuivre minimum entourant le trou de via est de 2 mils.

Lorsque le via dans la pastille est utilisé dans un agencement de PCB, les définitions de bouchage et de capsulage doivent également être transmises à votre maison de fabrication. Le traitement de bouchage et de capsulage peut être utilisé dans l'ensemble du PCB si désiré, ou il peut être confiné à des emplacements spécifiques où le via dans la pastille est utilisé. Dans les deux cas, les exigences de localisation doivent être communiquées à la maison de fabrication.

Cela peut être facilement réalisé en incluant les informations de remplissage et de capsulage comme exports Gerber. Cela se fait normalement en créant une couche Gerber avec les données de remplissage, et une autre couche avec les données de capsulage. Ces options peuvent être ajoutées à vos exports Gerber, exports ODB++, ou exports IPC-2581 lors de la configuration de vos fichiers de sortie. Un exemple avec des exports Gerber est montré ci-dessous.

Une fois les données Gerbers/ODB++/IPC-2581 exportées, les données de bouchage/remplissage/couverture peuvent être visualisées dans une application CAM. Ces données apparaîtront dans leurs propres couches, et l'équipe d'ingénierie de processus de votre fabricant pourra voir quels vias spécifiques nécessitent un remplissage et un placage. Les données ressembleront à une ouverture de masque mais correspondront à la taille du trou placé pendant le perçage, donc ne confondez pas ces données avec une ouverture de masque lors de la révision des fichiers Gerber.

Enfin, assurez-vous d'inclure une note de fabrication indiquant ce qui suit si vous allez utiliser via-in-pad avec l'un des types de via standard IPC-4761 :

• Les vias dans la couche Gerber (EXTENSION DE COUCHE) doivent être fabriqués selon les normes IPC-4761 Type XXXX.
• Les vias doivent être remplis avec de l'époxy non conducteur.
• Les vias doivent être plaqués par-dessus. La saillie résultante ne doit pas dépasser XXXX mils selon les exigences de la classe 3 IPC-6012.

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