Atendendo aos Padrões: Tamanhos de Vias e Anéis Anulares da Classe 3 IPC 6012

Olhe para a imagem acima de um layout de PCB, especificamente para as vias e furos de perfuração que atravessam a serigrafia. É bastante claro que algumas dessas vias estão descentralizadas, significando que a perfuração que criou essas vias não foi exatamente no centro do ponto de recepção. Isso deixa para trás um anel anular, algo que pode ser considerado um defeito em certas classes de produtos IPC. Sob os padrões IPC para placas rígidas, temos várias características de fabricação possíveis que poderiam ser consideradas defeitos em diferentes tipos de placas (HDI, flex, etc.); anéis anulares são apenas uma das muitas possíveis características estruturais que poderiam ser consideradas defeitos.

Os designers muitas vezes confundem anel anular remanescente e tamanhos de pad, algo do qual sou culpado. No entanto, os dois estão relacionados; os designers precisam colocar um tamanho de pad suficientemente grande na camada superficial para garantir que o anel anular que sobra durante a fabricação será grande o suficiente. Contanto que o anel anular seja suficientemente grande, a perfuração não será considerada defeituosa e a placa terá passado na inspeção.

Nas normas IPC-2221, anéis anulares são aplicados universalmente para produtos Classe 1-3. Nas normas IPC-6012 mais recentes, é permitido o breakout para todos, exceto para produtos classe 3. Neste artigo, discutirei os limites para anéis anulares da Classe 3 IPC-6012, pois estes são um requisito padrão de fabricação para PCBs rígidos de alta confiabilidade.

Tamanho do Anel Anular Classe 3 IPC-6012

As normas IPC definem três classificações de produtos (Classe 1, Classe 2 e Classe 3) baseadas no nível de confiabilidade exigido do dispositivo. Cada uma dessas classes possui suas próprias diretrizes de desempenho e requisitos de qualificação para fabricação, limpeza e inspeção de PCBs. Questões como colocação de componentes, plating de furos de vias, contaminantes residuais, tamanhos de trilhas e outras considerações na montagem de PCBs são todas abordadas nas normas para cada uma dessas classes.

Para que uma via metalizada através do furo seja aceita após a fabricação, precisamos garantir que o anel anular restante em cada Classe IP seja suficientemente grande. Portanto, o exercício de "dimensionar" um anel anular é realmente uma questão de escolher o tamanho de terra certo para sua via. Contanto que os terras em suas vias sejam grandes o suficiente, então você acomodou com sucesso as tolerâncias de fabricação em sua PCB.

Anéis Anulares Visualizados

O diagrama abaixo mostra como um anel anular restante surge durante a perfuração no processo de fabricação da PCB. A imagem à esquerda mostra a ruptura, que é permitida sob os padrões IPC-6012, mas não sob o padrão IPC-2221A. O IPC-6012 é o padrão de qualificação principal em uso para PCBs rígidas, portanto, deve ser considerado ao dimensionar pads e vias, e os limites do anel anular da Classe 3 são consistentes entre os dois padrões.

O anel anular é medido de duas maneiras para camadas externas e internas:

• Para camadas externas, o anel anular é medido a partir da borda da metalização da parede da via até a borda do pad.
• Para camadas internas, o anel anular é medido da borda do furo perfurado até a borda do pad.

Isso significa que os dois valores serão diferentes pela espessura da camada de metalização, que é de no mínimo 0,8 mil para a Classe 1 e 2, ou 1 mil para a Classe 3. A maioria dos fabricantes metaliza vias passantes não preenchidas um pouco mais espessas do que a espessura mínima de metalização da Classe 3 de 1 mil em seus produtos (veja a Tabela 3-2 na norma IPC-6012 para requisitos mínimos de metalização de parede de furo em furos perfurados mecanicamente).

Requisitos Mínimos de Tamanho do Anel Anular

Sob a IPC-6012, produtos da Classe 3 requerem algum anel anular restante, enquanto produtos da Classe 1 e Classe 2 permitem algum rompimento.

Como podemos ver, de acordo com os padrões IPC 6012, apenas a Classe 3 possui um requisito apreciável de anel anular. Para garantir algum nível de confiabilidade nos produtos Classe 2 e Classe 1, gosto de afirmar que o anel anular restante deve ser de 0 mil (camadas internas) ou igual à espessura do revestimento (camadas externas). Isso fará com que você atenda a uma condição de tangência onde o anel anular apenas toca a borda do pad, assim, não haverá ruptura e o design será considerado fabricado com sucesso.

Calculando o Tamanho do Pad a Partir do Tamanho do Anel Anular

O tamanho do pad ou da ilha pode ser calculado com a equação simples L = a + 2b + c, onde a = diâmetro do furo de broca (interno) ou furo acabado (externo), b = tamanho mínimo do anel anular, e c = tolerância de fabricação. Pense em c como a variação permitida na broca CNC. A maioria dos fabricantes irá (ou deveria) visar as tolerâncias de fabricação Classe C, que é a classificação mais alta e tem um limite de c = 8 mil (veja a Tabela 1.6.3 no padrão IPC-2221 para classificações de tolerância de fabricação). A partir da tabela acima e da fórmula, agora podemos calcular o requisito do anel anular para um exemplo de via de 12 mil.

Suponha que você queira colocar uma via de diâmetro de 12 mil em um produto Classe 3. De acordo com os requisitos de revestimento mencionados acima, o furo acabado terá apenas 10 mil de diâmetro. Com esses valores, agora podemos calcular o tamanho mínimo do anel anular para um produto Classe 3, assumindo uma tolerância de fabricação Classe C. Teríamos:

• Tamanho mínimo do pad na camada interna: L = 12 mil + (2 x 1 mil) + 8 mil = 22 mil
• Tamanho mínimo do pad na camada externa: L = 10 mil + (2 x 2 mil) + 8 mil = 22 mil

Assim, podemos ver que, como o revestimento é definido com um mínimo de 1 mil, podemos estabelecer o tamanho mínimo do land do via como (diâmetro do via) + 10 mil para todas as camadas. Isso é considerado a abordagem "mais segura" para dimensionar vias e pads de modo a cumprir com os requisitos de anel anular da Classe 3 da IPC-6012.

E quanto aos tamanhos de pads das Classes 1 e 2? Veja estas diretrizes:

• Para produtos Classe 3, adotamos b = 2 mil para anéis anulares externos e b = 1 mil para anéis anulares internos
• Para produtos Classe 1 e 2, tecnicamente teríamos b

Portanto, se apenas exigirmos 1 mil de espessura de revestimento da parede do furo em todas as classes, poderíamos dizer confortavelmente que o tamanho da terra do via é (diâmetro do via) + 8 mil.

Resumo e Lágrimas

Esperamos que isso ilustre uma diretriz básica e o mais segura possível que um designer pode seguir ao colocar vias e selecionar tamanhos de pads. As diretrizes de (diâmetro do via) + 10 mil para Classe 3 e (diâmetro do via) + 8 mil para Classe 1/2 serão fabricáveis por provavelmente todos os fabricantes do planeta, e esta é a abordagem que adoto ao dimensionar vias e pads.

Para garantir maior confiabilidade em produtos Classe 3, eu sempre adiciono gotas de solda aos pads de via, especialmente quando o traço é fino e há o risco de o furo do broca cortar o traço do pad. Isso fornece uma medida extra de confiabilidade que você pode precisar ao fazer o roteamento em uma camada interna com traços de impedância controlada. Uma situação exemplar pode exigir traços mais finos para atingir seu alvo de impedância, e adicionar a gota de solda ao pad da via é uma maneira fácil de garantir confiabilidade em vez de diminuir o tamanho do furo. Em algum momento, com dielétricos finos e traços finos, você não pode mais diminuir o tamanho do furo mecânico e terá que usar gotas de solda para garantir a confiabilidade.

Via-in-Pad e Requisitos da Classe 3 IPC-6012

Em densidades ainda maiores, você pode precisar usar via-em-pad para fazer a roteirização para dentro dos componentes. Tecnicamente, via-em-pad pode ser usada em geral sem necessidade de preenchimento e selagem, mas a melhor prática do ponto de vista de montagem e confiabilidade é preencher e selar. Os principais tipos de vias padronizados que podem ser preenchidos e selados estão especificados na IPC-4761, conforme descrito neste artigo. A lista de tipos de vias no artigo vinculado são apenas definições padronizadas para vias, mas nem todas são consideradas aceitáveis de acordo com os requisitos da Classe 3.

Os requisitos da Classe 3 para via-em-pad estão listados abaixo. Os valores usados aqui são adaptados dos requisitos da Classe 3 listados acima com pequenas variações.

• Material de preenchimento: As vias devem ser preenchidas com um epóxi não condutivo.
• Capa e revestimento: As vias devem ser seladas e revestidas.
• Espessura da capa: A capa de revestimento deve ter no mínimo 12 microns (0,472 mils).
• Protrusão/planaridade: A protrusão na via não pode ser maior que 50 microns (1,96 mils). Isso pode requerer uma etapa de planarização.
• Tamanho mínimo de furação: Os furos em pads devem ter pelo menos 150 microns (6 mils).
• Tamanho mínimo do pad: O tamanho mínimo do pad é o diâmetro da furação + 0,010").
• Distância de isolamento do pad: Vias em pads devem estar a pelo menos 6 mils de distância de características de cobre adjacentes, incluindo outras vias em pads.
• Anel anular mínimo: O mínimo de cobre ao redor do furo da via é de 2 mils.

Quando via-in-pad é utilizado em um layout de PCB, as definições de plug e cap também precisam ser entregues à sua casa de fabricação. O processamento de plug e cap pode ser utilizado em toda a PCB, se desejado, ou pode ser confinado a locais específicos onde via-in-pad está sendo usado. Em qualquer caso, esses requisitos de localização precisam ser comunicados à casa de fabricação.

Isso pode ser feito facilmente incluindo as informações de preenchimento e capa como exportações Gerber. Isso é normalmente feito criando uma camada Gerber com os dados de preenchimento, e outra camada com os dados de capa. Essas opções podem ser adicionadas às suas exportações Gerber, exportações ODB++, ou exportações IPC-2581 ao configurar seus arquivos de saída. Um exemplo com exportações Gerber é mostrado abaixo.

Uma vez exportados os dados Gerbers/ODB++/IPC-2581, os dados de plug/fill/cap podem ser visualizados em uma aplicação CAM. Esses dados aparecerão em suas próprias camadas, e a equipe de engenharia de processo na sua fabricante poderá ver quais vias específicas requerem preenchimento e platinagem. Os dados parecerão semelhantes a aberturas de máscara, mas corresponderão ao tamanho do furo que está sendo colocado durante a perfuração, então não confunda esses dados com uma abertura de máscara ao revisar os arquivos Gerber.

Finalmente, certifique-se de incluir uma nota de fabricação declarando o seguinte se você for usar via-in-pad com qualquer um dos tipos de via padrão IPC-4761:

• Vias na camada Gerber (EXTENSÃO DE CAMADA) devem ser fabricadas de acordo com os padrões IPC-4761 Tipo XXXX.
• Vias devem ser preenchidas com epóxi não condutivo.
• Vias devem ser platinadas. A protrusão resultante não deve exceder XXXX mils conforme os requisitos da Classe 3 IPC-6012.

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