Rispettare gli Standard: Dimensioni dei Via e Anelli Annulari secondo la Classe 3 IPC 6012

Dai un'occhiata all'immagine sopra di un layout di PCB, specificamente alle vie e ai fori di trapano che attraversano la serigrafia. È abbastanza evidente che alcune di queste vie sono fuori centro, il che significa che il colpo di trapano che ha creato queste vie non era perfettamente centrato sulla piazzola di ricezione. Questo lascia dietro di sé un anello annulare, qualcosa che potrebbe essere considerato un difetto in certe classi di prodotti IPC. Secondo gli standard IPC per le schede rigide, abbiamo diverse possibili caratteristiche di fabbricazione che potrebbero essere considerate difetti in diversi tipi di schede (HDI, flex, ecc.); gli anelli annulari sono solo una delle molte possibili caratteristiche strutturali che potrebbero essere considerate difetti.

I progettisti spesso confondono l'anello annulare residuo e le dimensioni del pad, di cui sono colpevole anche io. Tuttavia, i due sono correlati; i progettisti devono posizionare una dimensione del pad sufficientemente grande sullo strato superficiale per garantire che l'anello annulare residuo durante la fabbricazione sarà abbastanza grande. Finché l'anello annulare è sufficientemente grande, il colpo di trapano non sarà considerato difettoso e la scheda avrà superato l'ispezione.

Nelle norme IPC-2221, gli anelli anulari sono applicati universalmente per i prodotti di Classe 1-3. Nelle più recenti norme IPC-6012, è consentito il breakout per tutti i prodotti eccetto quelli di classe 3. In questo articolo, discuterò i limiti sugli anelli anulari della Classe 3 IPC-6012 poiché questi rappresentano un requisito standard di fabbricazione per i PCB rigidi ad alta affidabilità.

Dimensione dell'Anello Anulare Classe 3 IPC-6012

Le norme IPC definiscono tre classificazioni di prodotto (Classe 1, Classe 2 e Classe 3) basate sul livello di affidabilità richiesto per il dispositivo. Ognuna di queste classi ha le proprie linee guida per le prestazioni e i requisiti di qualificazione per la fabbricazione, la pulizia e l'ispezione dei PCB. Problemi come il posizionamento dei componenti, la placcatura dei fori via, i contaminanti residui, le dimensioni delle tracce e altre considerazioni nel PCBA sono tutti affrontati nelle norme per ciascuna di queste classi.

Affinché una via passante metallizzata sia accettata dopo la fabbricazione, dobbiamo assicurarci che l'anello anulare residuo in ogni Classe IP sia sufficientemente grande. Pertanto, l'esercizio di "dimensionamento" di un anello anulare è davvero una questione di scelta della dimensione corretta del pad per la tua via. Finché i pad sulle tue vie sono abbastanza grandi, allora hai accomodato con successo le tolleranze di fabbricazione nella tua PCB.

Anelli Anulari Visualizzati

Il diagramma sottostante mostra come si forma un anello anulare residuo durante il processo di foratura nella fabbricazione della PCB. L'immagine a sinistra mostra la rottura, che è consentita secondo gli standard IPC-6012 ma non secondo lo standard IPC-2221A. IPC-6012 è lo standard di qualificazione primario in uso per le PCB rigide, quindi dovrebbe essere considerato quando si dimensionano pad e vie, e i limiti dell'anello anulare della Classe 3 sono consistenti tra i due standard.

L'anello anulare è misurato in due modi per gli strati esterni e interni:

• Per gli strati esterni, l'anello anulare è misurato dal bordo della placcatura della parete della via al bordo del pad.
• Per gli strati interni, l'anello anulare viene misurato dal bordo del foro praticato al bordo del pad.

Questo significa che i due valori saranno differenti per lo spessore della placcatura, che è di minimo 0,8 mil per la Classe 1 e 2, o 1 mil per la Classe 3. La maggior parte dei fabbricanti applicherà una placcatura leggermente più spessa del minimo richiesto per la Classe 3 di 1 mil nei loro prodotti (vedi Tabella 3-2 nella norma IPC-6012 per i requisiti minimi di placcatura della parete del foro in fori praticati meccanicamente).

Requisiti Minimi Dimensione Anello Anulare

Secondo l'IPC-6012, i prodotti di Classe 3 richiedono un certo residuo di anello anulare, mentre i prodotti di Classe 1 e Classe 2 permettono una certa rottura.

Come possiamo vedere, secondo gli standard IPC 6012, solo la Classe 3 richiede un requisito apprezzabile per l'anello anulare. Per garantire un certo livello di affidabilità sui prodotti di Classe 2 e Classe 1, mi piace affermare che l'anello anulare residuo dovrebbe essere di 0 mil (strati interni) o uguale allo spessore della placcatura (strati esterni). Questo vi porterà a soddisfare una condizione di tangenza dove l'anello anulare tocca appena il bordo del pad, quindi non ci sarà nessuna rottura e il design sarà considerato fabbricato con successo.

Calcolare la Dimensione del Pad a Partire dalla Dimensione dell'Anello Anulare

La dimensione del pad o della piazzola può essere calcolata con la semplice equazione L = a + 2b + c, dove a = diametro del foro di trapano (interno) o del foro finito (esterno), b = dimensione minima dell'anello anulare, e c = tolleranza di fabbricazione. Pensate a c come alla deviazione consentita nella trapanatura CNC. La maggior parte dei fabbricanti mirerà (o dovrebbe mirare) alle tolleranze di fabbricazione di Classe C, che è la classificazione più alta e prevede un limite di c = 8 mil (vedere la Tabella 1.6.3 nello standard IPC-2221 per le classificazioni delle tolleranze di fabbricazione). Da questa tabella e formula, possiamo ora calcolare il requisito dell'anello anulare per un esempio di via da 12 mil.

Supponiamo che vogliate posizionare una via di diametro 12 mil in un prodotto di Classe 3. Secondo i requisiti di placcatura che ho menzionato sopra, il foro finito avrà solo un diametro di 10 mil. Con questi valori, possiamo ora calcolare la dimensione minima dell'anello anulare per un prodotto di Classe 3, assumendo una tolleranza di fabbricazione di Classe C. Avremmo:

• Dimensione minima del pad per strati interni: L = 12 mil + (2 x 1 mil) + 8 mil = 22 mil
• Dimensione minima del pad per strati esterni: L = 10 mil + (2 x 2 mil) + 8 mil = 22 mil

Quindi possiamo vedere che, poiché la placcatura è impostata su un minimo di 1 mil, possiamo impostare la dimensione minima del land del via a (diametro del via) + 10 mil per tutti gli strati. Questo è considerato l'approccio "più sicuro" per dimensionare via e pad in modo da rispettare i requisiti dell'anello annulare della Classe 3 IPC-6012.

Che dire delle dimensioni dei pad per le Classi 1 e 2? Dai un'occhiata a queste linee guida:

• Per i prodotti di Classe 3, prendiamo b = 2 mil per gli anelli anulari esterni e b = 1 mil per gli anelli anulari interni
• Per i prodotti di Classe 1 e 2, tecnicamente avremmo b

Quindi, se richiediamo solo uno spessore della parete del foro di 1 milper il rivestimento in tutte le classi, potremmo dire con sicurezza che la dimensione del land del via è (diametro del via) + 8 mil.

Riassunto e Lacrime

Speriamo che questo illustri una linea guida il più sicura possibile che un progettista può seguire quando posiziona i via e seleziona le dimensioni dei pad. Le linee guida di (diametro del via) + 10 mil per la Classe 3 e (diametro del via) + 8 mil per la Classe 1/2 saranno fabbricabili probabilmente da ogni produttore sul pianeta, ed è questo l'approccio che adotto quando dimensiono i via e i pad.

Per garantire maggiore affidabilità nei prodotti di Classe 3, aggiungo sempre gocce di lacrima ai pad delle vie, specialmente quando la traccia è sottile e c'è il rischio che il foro di trapano possa tagliare la traccia dal pad. Questo fornisce una misura aggiuntiva di affidabilità di cui potresti avere bisogno quando stai realizzando un routing su uno strato interno con tracce a impedenza controllata. Una situazione esemplare potrebbe richiedere tracce più sottili per raggiungere il tuo obiettivo di impedenza, e aggiungere la goccia di lacrima al pad della via è un modo semplice per garantire l'affidabilità piuttosto che ridurre la dimensione del foro. A un certo punto, con dielettrici sottili e tracce sottili, non puoi più ridurre la dimensione del trapano meccanico e dovrai usare le gocce di lacrima per assicurare l'affidabilità.

Via-in-Pad e Requisiti della Classe 3 IPC-6012

A densità ancora maggiore, potrebbe essere necessario utilizzare il via-in-pad per instradare nei componenti. Tecnicamente, il via-in-pad può essere utilizzato in generale senza tappatura e sigillatura, ma la migliore pratica dal punto di vista dell'assemblaggio e dell'affidabilità è di tappare e sigillare. I principali tipi di via standardizzati che possono essere tappati e sigillati sono specificati in IPC-4761, come descritto in questo articolo. L'elenco dei tipi di via nell'articolo collegato rappresenta solo definizioni standardizzate per i via, ma non tutti questi sono considerati accettabili secondo i requisiti della Classe 3.

I requisiti della Classe 3 per il via-in-pad sono elencati di seguito. I valori utilizzati qui sono adattati dai requisiti della Classe 3 elencati sopra con lievi variazioni.

• Materiale di riempimento: I via dovrebbero essere riempiti con un epossidico non conduttivo.
• Sigillatura e placcatura: I via dovrebbero essere sigillati e placcati sopra.
• Spessore del cappuccio: La placcatura del cappuccio dovrebbe essere di un minimo di 12 micron (0,472 mils).
• Protrusione/pianarità: La protrusione nel via non può essere maggiore di 50 micron (1,96 mils). Questo può richiedere un passaggio di planarizzazione.
• Dimensione minima della trivellazione: I fori praticati nei pad devono essere di almeno 150 micron (6 mils).
• Dimensione minima del pad: La dimensione minima del pad è il diametro della trivellazione + 0,010").
• Distanza di sicurezza del pad: I via-nei-pad devono essere distanti almeno 6 mils da elementi in rame adiacenti, inclusi altri via-nei-pad.
• Anello anulare minimo: Il minimo di rame che circonda il foro del via è di 2 mils.

Quando si utilizza via-in-pad in un layout PCB, anche le definizioni di plug e cap devono essere consegnate alla vostra casa di fabbricazione. Il processo di plug e cap può essere utilizzato in tutto il PCB se desiderato, oppure può essere limitato a specifiche localizzazioni dove si sta utilizzando via-in-pad. In entrambi i casi, le esigenze di localizzazione devono essere comunicate alla casa di fabbricazione.

Questo può essere fatto facilmente includendo le informazioni di riempimento e cappucciatura come esportazioni Gerber. Normalmente, ciò viene fatto creando un layer Gerber con i dati di riempimento, e un altro layer con i dati di cappucciatura. Queste opzioni possono essere aggiunte alle vostre esportazioni Gerber, esportazioni ODB++, o esportazioni IPC-2581 quando configurate i vostri file di output. Un esempio con esportazioni Gerber è mostrato di seguito.

Una volta esportati i dati Gerber/ODB++/IPC-2581, i dati di tappatura/riempimento/copertura possono essere visualizzati in un'applicazione CAM. Questi dati appariranno nei propri strati, e il team di ingegneria di processo presso il vostro fabbricante sarà in grado di vedere quali specifici via richiedono riempimento e placcatura. I dati sembreranno simili a un'apertura di maschera ma corrisponderanno alla dimensione del foro che viene posizionato durante la foratura, quindi non confondete questi dati per un'apertura di maschera quando esaminate i file Gerber.

Infine, assicuratevi di includere una nota di fabbricazione che dichiari quanto segue se intendete utilizzare via-in-pad con uno qualsiasi dei tipi di via standard IPC-4761:

• I via nello strato Gerber (ESTENSIONE STRATO) devono essere fabbricati secondo gli standard IPC-4761 Tipo XXXX.
• I via devono essere riempiti con epossidico non conduttivo.
• I via devono essere placcati sopra. La sporgenza risultante non deve superare XXXX mils secondo i requisiti della Classe 3 IPC-6012.

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