기준 충족: IPC 6012 클래스 3 비아 크기 및 링크 링

위의 PCB 레이아웃 이미지를 보세요, 특히 실크스크린을 관통하는 비아(vias)와 드릴 홀을 주목하세요. 이 비아들 중 일부가 중심에서 벗어난 것이 분명히 보입니다. 즉, 이 비아를 만든 드릴 타격이 받는 랜드의 정중앙에 위치하지 않았다는 의미입니다. 이로 인해 링(annular ring)이 남게 되는데, 특정 IPC 제품 클래스에서는 결함으로 간주될 수 있습니다. 강성 보드에 대한 IPC 표준 하에, 우리는 다양한 유형의 보드(HDI, 플렉스 등)에서 결함으로 간주될 수 있는 여러 가지 가능한 제작 특성을 가지고 있습니다; 링은 결함으로 간주될 수 있는 많은 가능한 구조적 특성 중 하나일 뿐입니다.

디자이너들은 종종 남은 링과 패드 크기를 혼동하는데, 이는 제가 자주 저지르는 실수입니다. 하지만, 두 가지는 관련이 있습니다; 디자이너들은 제작 중에 남게 될 링이 충분히 클 수 있도록 표면 레이어에 충분히 큰 패드 크기를 배치해야 합니다. 링이 충분히 크다면, 드릴 타격은 결함으로 간주되지 않고 보드는 검사를 통과할 것입니다.

IPC-2221 표준에서는 클래스 1-3 제품에 대해 링이 보편적으로 적용됩니다. 새로운 IPC-6012 표준에서는 클래스 3 제품을 제외한 모든 제품에 대해 브레이크아웃이 허용됩니다. 이 글에서는 고신뢰성 강성 PCB에 대한 표준 제작 요구 사항인 IPC-6012 클래스 3 링의 한계에 대해 논의하겠습니다.

IPC-6012 클래스 3 링 크기

IPC 표준은 장치 신뢰성 수준에 따라 세 가지 제품 분류 (클래스 1, 클래스 2 및 클래스 3)를 정의합니다. 이러한 각 클래스는 PCB 제작, 청소 및 검사에 대한 자체 지침 성능 및 자격 요구 사항을 가지고 있습니다. 구성 요소 배치, 비아 홀 도금, 잔류 오염물, 트레이스 크기 및 PCBA의 기타 고려 사항과 같은 문제는 이러한 각 클래스에 대한 표준에서 모두 다룹니다.

제작된 도금 관통 홀 비아가 제작 후에 승인되기 위해서는 각 IP 클래스에서 남은 링의 크기가 충분히 커야 합니다. 따라서, 링의 "크기 조정" 작업은 실제로 비아에 적합한 랜드 크기를 선택하는 것입니다. 비아의 랜드가 충분히 크다면, PCB에서 제작 허용 오차를 성공적으로 수용한 것입니다.

링 시각화

아래 다이어그램은 PCB 제작 과정에서 드릴링을 할 때 남은 링이 어떻게 발생하는지 보여줍니다. 왼쪽 이미지는 IPC-6012 표준에서는 허용되지만 IPC-2221A 표준에서는 허용되지 않는 브레이크아웃을 보여줍니다. IPC-6012는 강성 PCB에 사용되는 주요 자격 표준이므로 패드와 비아의 크기를 결정할 때 고려해야 하며, Class 3 링의 한계는 두 표준에서 일관됩니다.

링은 외부 레이어와 내부 레이어에 대해 두 가지 방식으로 측정됩니다:

• 외부 레이어의 경우, 링은 비아 벽 도금의 가장자리에서 패드의 가장자리까지 측정됩니다.
• 내부 층의 경우, 링의 연간 크기는 드릴로 뚫린 구멍의 가장자리에서 패드의 가장자리까지 측정됩니다.

이는 두 값이 도금 두께만큼 다를 것임을 의미하는데, 이는 Class 1과 2의 경우 최소 0.8 mil, Class 3의 경우 1 mil입니다. 대부분의 제조업체는 제품에서 Class 3의 최소 도금 두께 1 mil보다 약간 더 두꺼운 도금을 무충전 도금된 관통 홀 비아에 적용합니다(기계적으로 드릴로 뚫린 구멍의 최소 홀 벽 도금 요구 사항에 대해서는 IPC-6012 표준의 표 3-2 참조).

최소 연간 링 크기 요구 사항

IPC-6012에 따르면, Class 3 제품은 일부 남은 연간 링이 필요하며, Class 1 및 Class 2 제품은 일부 파손을 허용합니다.

우리가 볼 수 있듯이, IPC 6012 표준에 따르면, 오직 Class 3만이 상당한 연링(annular ring) 요구 사항을 가지고 있습니다. Class 2와 Class 1 제품의 일정 수준의 신뢰성을 보장하기 위해, 내부 층의 경우 0 mil, 외부 층의 경우 도금 두께와 동일하게 남은 연링이 있어야 한다고 말하고 싶습니다. 이는 연링이 패드의 가장자리에 닿기만 하는 접선 조건을 충족시켜, 브레이크아웃이 없고 설계가 성공적으로 제작된 것으로 간주될 것입니다.

연링 크기로부터 패드 크기 계산하기

패드 또는 랜드 크기는 간단한 방정식 L = a + 2b + c로 계산할 수 있습니다. 여기서 a는 드릴 홀(내부) 또는 완성 홀(외부) 지름, b는 최소 연링크 크기, 그리고 c는 제작 허용치를 의미합니다. c를 CNC 드릴의 허용된 편차로 생각하세요. 대부분의 제작자는 Class C 제작 허용치를 목표로 하며(또는 해야 합니다), 이는 가장 높은 분류로 c = 8 mil의 한계를 가집니다(제작 허용치 분류에 대해서는 IPC-2221 표준의 표 1.6.3을 참조하세요). 위의 표와 공식에서, 이제 우리는 예시로 12 mil 비아에 대한 연링크 요구 사항을 계산할 수 있습니다.

Class 3 제품에 12 mil 지름의 비아를 배치하려고 한다고 가정해 보겠습니다. 위에서 언급한 도금 요구 사항에 따르면, 완성 홀은 10 mil 지름만 될 것입니다. 이러한 값들을 가지고, 이제 Class C 제작 허용치를 가정하여 Class 3 제품에 대한 최소 연링크 크기를 계산할 수 있습니다. 우리는 다음과 같을 것입니다:

• 내부 레이어 최소 패드 크기: L = 12 mil + (2 x 1 mil) + 8 mil = 22 mil
• 외부 레이어 최소 패드 크기: L = 10 mil + (2 x 2 mil) + 8 mil = 22 mil

따라서 도금을 최소 1 mil로 설정하기 때문에, 모든 레이어에 대해 최소 비아 랜드 크기를 (비아 직경) + 10 mil로 설정할 수 있습니다. 이는 IPC-6012 클래스 3 환형 링 요구 사항을 준수하면서 비아와 패드의 크기를 설정하는 가장 "안전한" 접근 방식으로 간주됩니다.

클래스 1과 2 패드 크기는 어떻게 될까요? 이 지침들을 살펴보세요:

• Class 3 제품의 경우, 외부 환형 링에 대해 b = 2 mil, 내부 환형 링에 대해 b = 1 mil을 적용합니다
• Class 1 및 2 제품의 경우, 기술적으로 b

따라서, 모든 클래스에서 1 mil 홀 벽도금 두께만 요구한다면, 비아 랜드 크기는 (비아 지름) + 8 mil이라고 편안하게 말할 수 있습니다.

요약 및 티어드롭

이것이 비아 배치와 패드 크기 선택 시 디자이너가 따를 수 있는 가장 안전한 기본 지침을 설명하는 데 도움이 되기를 바랍니다. Class 3의 경우 (비아 지름) + 10 mil, Class 1/2의 경우 (비아 지름) + 8 mil 지침은 아마도 지구상의 모든 제조업체에서 제작할 수 있으며, 이는 비아와 패드 크기를 결정할 때 저의 접근 방식입니다.

Class 3 제품의 신뢰성을 높이기 위해, 저는 항상 비아 패드에 눈물방울 모양을 추가합니다, 특히 트레이스가 얇고 드릴 홀이 패드에서 트레이스를 끊을 위험이 있을 때는 더욱 그렇습니다. 이는 내부 레이어에서 제어된 임피던스 트레이스를 라우팅할 때 필요할 수 있는 추가적인 신뢰성을 제공합니다. 이러한 예시 상황에서는 임피던스 목표를 달성하기 위해 더 얇은 트레이스가 필요할 수 있으며, 비아 패드에 눈물방울 모양을 추가하는 것은 홀 크기를 줄이는 것보다 신뢰성을 보장하는 쉬운 방법입니다. 어느 시점에서, 얇은 유전체와 얇은 트레이스를 사용할 때, 더 이상 기계적 드릴 크기를 줄일 수 없게 되며 신뢰성을 보장하기 위해 눈물방울 모양을 사용해야 합니다.

비아-인-패드 및 IPC-6012 Class 3 요구사항

더 높은 밀도에서는 구성 요소로 라우팅하기 위해 패드 내 비아(via-in-pad) 사용이 필요할 수 있습니다. 기술적으로 패드 내 비아는 일반적으로 막고 캡핑하지 않고 사용할 수 있지만, 조립 및 신뢰성 측면에서 최선의 방법은 막고 캡핑하는 것입니다. 막고 캡핑할 수 있는 주요 표준화된 비아 유형은 IPC-4761에 명시되어 있으며, 이 기사에서 설명한 바와 같습니다. 연결된 기사에 있는 비아 유형 목록은 비아에 대한 표준화된 정의일 뿐이지만, 이 중 모든 것이 클래스 3 요구 사항에 따라 허용되는 것은 아닙니다.

패드 내 비아에 대한 클래스 3 요구 사항은 아래에 나열되어 있습니다. 여기서 사용된 값은 위에 나열된 클래스 3 요구 사항에서 약간의 변형을 가미하여 적용된 것입니다.

• 충전 재료: 비아는 비전도성 에폭시로 채워져야 합니다.
• 캡핑 및 도금: 비아는 캡핑되고 도금되어야 합니다.
• 캡 두께: 캡 도금은 최소 12 마이크론(0.472 mils)이어야 합니다.
• 돌출/평탄도: 비아 내 돌출은 50 마이크론(1.96 mils)을 초과할 수 없습니다. 이는 평탄화 단계가 필요할 수 있습니다.
• 최소 드릴 크기: 패드에 뚫린 구멍은 최소 150 마이크론(6 밀)이어야 합니다.
• 최소 패드 크기: 최소 패드 크기는 드릴 직경 + 0.010인치입니다.
• 패드 클리어런스: 비아 인 패드는 인접한 구리 특성, 다른 비아 인 패드를 포함하여 최소 6 밀 떨어져 있어야 합니다.
• 최소 링널 링: 비아 홀 주변의 최소 구리는 2 밀입니다.

PCB 레이아웃에서 비아 인 패드를 사용할 때, 플러그 및 캡 정의도 제작 업체에 전달해야 합니다. 플러그 및 캡 처리는 원하는 경우 전체 PCB에 사용할 수 있으며, 비아 인 패드가 사용되는 특정 위치에만 제한될 수 있습니다. 어느 경우든, 해당 위치 요구 사항을 제작 업체에게 전달해야 합니다.

이는 필 및 캡 정보를 Gerber 내보내기로 포함함으로써 쉽게 수행할 수 있습니다. 이는 일반적으로 필 데이터가 있는 Gerber 레이어를 생성하고, 다른 레이어에 캡 데이터를 생성함으로써 이루어집니다. 이러한 옵션은 Gerber 내보내기, ODB++ 내보내기 또는 IPC-2581 내보내기를 구성할 때 출력 파일에 추가할 수 있습니다. 아래에는 Gerber 내보내기를 사용한 예가 나와 있습니다.

Gerber/ODB++/IPC-2581 데이터가 내보내진 후에는 CAM 애플리케이션에서 플러그/채움/캡 데이터를 볼 수 있습니다. 이 데이터는 자체 레이어에 표시되며, 제작업체의 공정 엔지니어링 팀은 어떤 특정 비아가 채워지고 도금되어야 하는지 확인할 수 있습니다. 이 데이터는 마스크 오프닝과 유사하게 보일 수 있지만, 드릴링 중에 배치되는 홀 크기와 일치하므로 Gerber 파일을 검토할 때 이 데이터를 마스크 오프닝으로 혼동하지 마십시오.

마지막으로, 표준 IPC-4761 비아 유형 중 하나를 사용하여 비아-인-패드를 사용할 계획이라면 다음을 명시하는 제작 노트를 반드시 포함하십시오:

• Gerber 레이어(LAYER EXTENSION)의 비아는 IPC-4761 Type XXXX 표준에 따라 제작되어야 합니다.
• 비아는 비전도성 에폭시로 채워져야 합니다.
• 비아는 도금되어야 합니다. 결과적인 돌출은 IPC-6012 Class 3 요구 사항에 따라 XXXX mils를 초과하지 않아야 합니다.

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