Linee guida per le dimensioni di vie e piazzole dei PCB

Ci sono alcuni aspetti della progettazione e del layout dei circuiti stampati che sembrano ingannevolmente semplici, eppure hanno una risposta complessa, legata a molti aspetti importanti della produzione. Uno di questi aspetti della progettazione è la corrispondenza delle dimensioni delle vie e delle piazzole nei PCB. Ovviamente questi due punti sono correlati; tutte le vie hanno (o dovrebbero avere) una piazzola di destinazione che li supporta e fornisce un luogo per instradare le tracce nella piazzola di una via. Tuttavia, esistono alcune importanti linee guida relative al dimensionamento di vias e pads PCB, a seguire quando si abbinano le dimensioni di piazzole e vie, e questa corrispondenza è un elemento importante della DFM e dell'affidabilità.

La dimensione della piazzola PCB scelta per il progetto è correlata a un altro importante aspetto del progetto che si riscontra durante la produzione, noto come anelli anulari e fori di via. Secondo gli standard IPC, le piazzole per le vie sono collegate al conteggio dei layer, alle dimensioni del foro della via e allo spessore della placcatura, mentre la piazzola deve essere dimensionata in modo che gli anelli anulari e fori di via prodotti durante la fabbricazione siano sufficientemente grandi. Questo è un settore in cui è difficile trovare risposte concrete che vadano oltre la semplice risposta a "cos'è un anello anulare?"

Nozioni di base sulle dimensioni di vie e piazzole dei PCB

Ogni via dovrebbe avere una piazzola di destinazione sui layer superficiali in cui le tracce possono stabilire una connessione elettrica; la domanda è quanto deve essere grande la piazzola della via. Quando si seleziona la dimensione del pad appropriata per una via, ci sono alcuni punti in particolare a cui prestare attenzione:

• Costo di produzione: optare per una via più grande comporterà costi di produzione inferiori, come ho discusso in un precedente articolo sulle stime dei costi. Vie più grandi richiederanno quindi piazzole di dimensioni maggiori.
• Larghezza della traccia: è generalmente accettato che la dimensione della piazzola sia leggermente più grande di quella della via. Pertanto, se stai usando una traccia larga, come una grande traccia di impedenza controllata, avrai bisogno di una dimensione maggiore della piazzola. Tieni presente che questo non richiede anche una via di grandi dimensioni.
• Affidabilità: le piazzole più grandi saranno più affidabili e, come vedremo, questo è il punto centrale di questo articolo. Gli standard IPC hanno molto da dire a riguardo e determineranno se una determinata punta di perforazione produce un difetto nella piazzola di una via.
• Conteggio di layer e tipi di via: come vedremo di seguito, il conteggio dei layer contribuirà anche alla dimensione della piazzola una volta superati gli 8 layer in base a IPC-2221.

Tenendo conto di ciò, vorrei iniziare scegliendo la dimensione della via che verrà utilizzata nella maggior parte della scheda. Quindi, ridimensionerò la piazzola di destinazione in modo che soddisfi un particolare requisito di classe IPC. A questo punto è necessario considerare la dimensione dell'anello anulare che rimane nella scheda durante la produzione.

Dimensioni delle piazzole basate su anelli anulari

In seguito, prenderemo in considerazione delle vie a fori passanti placcate su PCB rigidi. Per altri tipi di PCB, come il design Flex o HDI, esistono diversi standard sugli anelli anulari che possono essere utilizzati per calcolare la dimensione delle vie. Dai un'occhiata alla sezione finale di questo articolo per vedere altri standard che regolano il layout PCB e la qualifica delle prestazioni.

Se consideriamo gli standard IPC-2221, esiste una semplice definizione di anelli anulari e fori di via che si applica alle piazzole esterne e interne. Alcuni progettisti useranno i termini "anelli anulari", "piazzola", "pad" e altri in modo intercambiabile. Queste definizioni sono mostrate nel grafico qui sotto, oppure puoi trovarle nel IPC-2221A Sezione 9.1.2:

È possibile scaricare il documento sugli standard IPC-2221 da questo link. Se vuoi adottare gli standard IPC-6012 più recenti, puoi scaricarli tramite questo link.

Qui abbiamo due definizioni per gli anelli anulari e fori di via: la distanza dalla parete del foro finita al bordo della piazzola (layer esterni) o la distanza dalla parete del foro di foratura fino al bordo della piazzola (strati interni). Quando il PCB passa in produzione, verrà perforato dopo il processo di incisione. A causa delle oscillazioni di un trapano CNC, c'è la possibilità che il trapano non colpisca il centro pieno della via della piazzola. Di conseguenza, ci sarà un anello anulare residuo come mostrato sopra. Pertanto, le dimensioni delle piazzole dei via devono essere abbastanza grandi da accogliere qualsiasi oscillazione della punta e lasciare una quantità di rame sufficiente per garantire che l'anello anulare minimo mostrato sopra sia accolto e non produca un difetto. Se i limiti descritti nelle tabelle e nell'immagine qui sotto vengono violati, quella particolare via può essere considerata un difetto e di conseguenza la scheda potrebbe essere scartata.

Questo dimensionamento prevede un'equazione contenuta negli standard IPC-2221 e IPC-6012. Il diametro minimo delle piazzole delle vie è:

L = a + 2b + c

dove:

• a = diametro del foro finito (layer esterni) o diametro del foro di foratura (layer interni)
• b = dimensione minima dell'anello anulare (vedere sopra)
• c = tolleranza minima di fabbricazione standard per le piazzole di interconnessione (vedere la tabella seguente)

Le dimensioni minime degli anelli anulari e fori di via definite negli standard IPC-2221 e IPC-6012 sono riportate nella tabella seguente.

Infine, abbiamo le seguenti tolleranze di fabbricazione utilizzate nella formula precedente:

*Per IPC-2221: aggiungere 20 mil se superiore a 8 layer o per oz./kg quando il peso del rame è maggiore di 1 oz./sq. ft. o 0,3 kg/m². Queste aggiunte vengono ignorate nello standard IPC-6012 più moderno.

Gli standard IPC-A-600 e IPC-6012 sono in genere invocati per i criteri di ispezione nella produzione di PCB invece dell'IPC-2221. Questo non comporta che IPC-2221 non sia valido, ma lo standard IPC-6012 è uno standard più moderno che raccoglie dati importanti da IPC 2221, IPC 4101 e altri requisiti di qualità. L'obiettivo nell'applicare la formula di cui sopra e impostare i limiti di fabbricazione è quello di eliminare la possibilità di breakout. Questo concetto viene illustrato nell'immagine qui sotto, in cui il foro si trova parzialmente fuori dal bordo della piazzola. Se la traccia è molto sottile e la dimensione della piazzola è troppo piccola, l'oscillazione del trapano potrebbe causare l'interruzione del collegamento tra la piazzola e la traccia.

Per evitare il breakout in un prodotto di Classe 2, puntiamo invece alla tangenza (vedi immagine sopra), in cui possiamo impostare b = 0 nella formula precedente per la dimensione degli anelli anulari.

Tutto ciò porta a un'utile linea guida:

• Per evitare di separare la traccia dalla piazzola, è possibile optare per una piazzola sovradimensionata con un diametro del foro inferiore alla larghezza della traccia. Se ciò non è possibile, applicare delle lacrime alla connessione da traccia a piazzola per evitare breakout.

I produttori generalmente mirano alla Classe C, che è il limite di tolleranza di fabbricazione più sottile nella produzione di PCB, quindi i valori di Classe A e B generalmente non vengono utilizzati. Ciò dovrebbe rafforzare il ruolo degli standard IPC; essi non indicano come progettare un PCB o quale dimensione specifica di piazzola utilizzare. Invece, queste linee guida stabiliscono cosa si intende per fabbricazione di successo ed è il compito del team di progettazione e produzione lavorare al fine di raggiungere questi obiettivi.

Quindi, avendo tutti questi dati, qual è il modo migliore per garantire la producibilità e l'affidabilità? La mia opinione è che, se non sei preoccupato delle dimensioni dell'anello anulare, procedi con il requisito di Classe 2. Ciò significa che la dimensione del pad pcb equivalerà al diametro che inserisci negli strumenti di progettazione più il margine di fabbricazione. In altre parole, stai solo prendendo b = spessore della placcatura per gli strati esterni e b = 0 per gli strati interni. Nel caso della Classe 3, la dimensione della piazzola deve essere leggermente più grande e dobbiamo considerare il requisito di 2 mil utilizzando il diametro di placcatura finito della piazzola.

Esempio: foro di perforazione da 10 mil, tolleranza di fabbricazione di classe C

Supponiamo di avere un foro da 10 mil per una via che vogliamo rispetti l'IPC Classe 3. Se la via è placcata fino al minimo sotto spessore nella parete del foro (1 mil), possiamo utilizzare la tolleranza di fabbricazione di Classe C per determinare la dimensione della piazzola necessaria.

Per un diametro del foro di 10 mil avremmo una dimensione del foro finito di 8 mil con un diametro minimo della piazzola di 20 mil su tutti i layer. Questo calcolo utilizza:

• a = 8 mil per layer esterni, 10 mil per layer interni
• b = 2 mil esternamente, 1 mil internamente
• c = 8 mil su tutti i layer

Se vogliamo progettare in base alla Classe 2, dovremmo semplicemente usare b = spessore della placcatura (supponiamo 1 mil per sicurezza) negli strati esterni e b = 0 negli strati interni, ciò significa che avremmo una piazzola di diametro 18 mil su tutti i layer per un foro da 10 mil con rivestimento a parete della via da 1 mil. Per la Classe 2, basta usare L = foro + 8 mil su tutte le vie per sicurezza; farei lo stesso con la Classe 1. Questo è anche il modo più semplice per definire i posizionamenti dei via durante l'indirizzamento senza definire un padstack personalizzato.

Oltre i fori passanti e IPC-2221/IPC-6012

L'elenco dei requisiti di cui sopra è stato ricavato solo per i PCB rigidi con fori passanti, che saranno il tipo di via dominante nella maggior parte dei PCB. Se si utilizzano vie cieche o interrate, i requisiti sugli anelli anulari e fori di via saranno diversi e dipenderanno dal processo di fabbricazione (perforazione laser o perforazione meccanica). Quando le vie diventano abbastanza piccole da essere considerate microvie e si utilizzano processi di fabbricazione HDI, si avrà una serie diversa di requisiti che regolano i limiti degli anelli anulari e le dimensioni delle piazzole.

Gli standard IPC-2221 e IPC-6012 sono gli standard di base più spesso citati per circuiti stampati rigidi, tuttavia esistono altri standard specifici per diversi tipi di schede. Questi standard si espandono in base alle linee guida generali di progettazione e agli standard in IPC-2220/2221 per applicazioni come schede ad alta frequenza, progettazione HDI, PCB Flex e Rigid-Flex e altri tipi di schede. Questi progetti comportano molti altri problemi di producibilità 

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