Соответствие стандартам: Размеры переходных отверстий и кольцевых зазоров класса 3 по IPC 6012

Посмотрите на изображение выше, где показана плата печатной схемы, в частности, сквозные отверстия и отверстия под сверление, пробивающиеся сквозь маркировочный слой. Ясно видно, что некоторые из этих отверстий расположены не по центру, что означает, что сверло при создании этих отверстий не попало точно в центр предназначенного для него места. Это оставляет за собой кольцевую зону, которая в определенных классах продукции по стандартам IPC может рассматриваться как дефект. Согласно стандартам IPC для жестких плат, существует несколько возможных характеристик изготовления, которые могут рассматриваться как дефекты для различных типов плат (HDI, гибкие и т.д.); кольцевые зоны - лишь одна из многих возможных структурных характеристик, которые могут рассматриваться как дефекты.

Дизайнеры часто путают оставшиеся кольцевые зоны и размеры площадок, в чем я тоже виноват. Однако эти два понятия связаны; дизайнерам необходимо размещать достаточно большие площадки на поверхностном слое, чтобы убедиться, что оставшаяся кольцевая зона будет достаточно большой. До тех пор, пока кольцевая зона достаточно велика, сверление не будет считаться дефектным, и плата пройдет инспекцию.

В стандартах IPC-2221 кольцевые зоны применяются универсально для продуктов класса 1-3. В более новых стандартах IPC-6012 допускается нарушение целостности только не для продуктов класса 3. В этой статье я обсужу ограничения на кольцевые зоны класса 3 по IPC-6012, поскольку они являются стандартным требованием к производству высоконадежных жестких печатных плат.

Размер кольцевой зоны класса 3 по IPC-6012

Стандарты IPC определяют три классификации продуктов (Класс 1, Класс 2 и Класс 3) на основе требуемого уровня надежности устройства. Каждый из этих классов имеет свои руководящие указания по производительности и требования к квалификации для изготовления, очистки и инспекции печатных плат. Вопросы, такие как размещение компонентов, металлизация отверстий, остаточные загрязнители, размеры дорожек и другие соображения в сборке печатных плат, рассматриваются в стандартах для каждого из этих классов.

Для того чтобы отверстие с металлизацией сквозного типа было признано приемлемым после изготовления, мы должны убедиться, что оставшееся кольцевое пространство в каждом классе IP будет достаточно большим. Поэтому задача "размерения" кольцевого пространства на самом деле заключается в выборе подходящего размера площадки для вашего переходного отверстия. До тех пор, пока площадки ваших переходных отверстий достаточно велики, вы успешно учли допуски изготовления на вашей печатной плате.

Визуализация кольцевых пространств

На диаграмме ниже показано, как возникает оставшееся кольцевое пространство в процессе сверления при изготовлении печатной платы. Изображение слева показывает выход за пределы, который допускается по стандартам IPC-6012, но не по стандарту IPC-2221A. IPC-6012 является основным стандартом квалификации, используемым для жестких печатных плат, поэтому его следует учитывать при размерении площадок и переходных отверстий, а пределы кольцевого пространства класса 3 согласованы между двумя стандартами.

Кольцевое пространство измеряется двумя способами для внешних и внутренних слоев:

• Для внешних слоев кольцевое пространство измеряется от края металлизации стенки отверстия до края площадки.
• Для внутренних слоев размер кольцевого зазора измеряется от края просверленного отверстия до края площадки.

Это означает, что два значения будут отличаться на толщину покрытия, которая составляет минимум 0,8 мил для классов 1 и 2, или 1 мил для класса 3. Большинство производителей будут покрывать незаполненные сквозные металлизированные отверстия немного толще минимальной толщины покрытия класса 3 в 1 мил в своих продуктах (см. Таблицу 3-2 в стандарте IPC-6012 для минимальных требований к толщине покрытия стенок отверстий при механическом сверлении).

Требования к минимальному размеру кольцевого зазора

Согласно IPC-6012, продукты класса 3 требуют наличия некоторого остаточного кольцевого зазора, в то время как продукты класса 1 и класса 2 допускают некоторое выход за границы.

Как мы видим, согласно стандартам IPC 6012, только Класс 3 предъявляет значительные требования к размеру кольцевого зазора. Чтобы обеспечить определенный уровень надежности для продуктов Класса 2 и Класса 1, мне нравится утверждать, что оставшийся кольцевой зазор должен быть 0 мил (внутренние слои) или равен толщине покрытия (внешние слои). Это приведет к условию касания, когда кольцевой зазор лишь касается края площадки, таким образом, не будет прорыва, и дизайн будет считаться успешно изготовленным.

Расчет размера площадки исходя из размера кольцевого зазора

Размер площадки или посадочного места может быть рассчитан с помощью простого уравнения L = a + 2b + c, где a = диаметр отверстия под сверление (внутренний) или готового отверстия (внешний), b = минимальный размер кольцевого зазора, и c = допуск изготовления. Думайте о c как о допустимом отклонении сверления на ЧПУ. Большинство производителей будет (или должно) стремиться к допускам изготовления класса C, который является высшим классификацией и имеет предел c = 8 мил (см. Таблицу 1.6.3 в стандарте IPC-2221 для классификации допусков изготовления). Исходя из вышеуказанной таблицы и формулы, теперь мы можем рассчитать требование к размеру кольцевого зазора для примера переходного отверстия 12 мил.

Предположим, вы хотите разместить переходное отверстие диаметром 12 мил в продукте класса 3. Согласно вышеупомянутым требованиям к покрытию, которые я упомянул, готовое отверстие будет иметь диаметр только 10 мил. С этими значениями, теперь мы можем рассчитать минимальный размер кольцевого зазора для продукта класса 3, предполагая допуск изготовления класса C. У нас получится:

• Минимальный размер площадки внутреннего слоя: L = 12 mil + (2 x 1 mil) + 8 mil = 22 mil
• Минимальный размер площадки внешнего слоя: L = 10 mil + (2 x 2 mil) + 8 mil = 22 mil

Таким образом, мы видим, что поскольку минимальное покрытие установлено в 1 mil, мы можем установить минимальный размер земляного контакта переходного отверстия равным (диаметр переходного отверстия) + 10 mil для всех слоев. Это считается "самым безопасным" подходом к размерам переходных отверстий и площадок, чтобы соответствовать требованиям кольца аннуляра класса 3 по IPC-6012.

Что насчет размеров площадок классов 1 и 2? Взгляните на эти рекомендации:

• Для продуктов класса 3 мы принимаем b = 2 мил для внешних кольцевых зазоров и b = 1 мил для внутренних кольцевых зазоров
• Для продуктов класса 1 и 2 технически получается b

Таким образом, если нам просто нужна толщина покрытия стенки отверстия 1 милво всех классах, мы могли бы с уверенностью сказать, что размер площадки переходного отверстия составляет (диаметр переходного отверстия) + 8 мил.

Итоги и капли

Надеемся, это демонстрирует базовое, наиболее безопасное руководство, которому может следовать дизайнер при размещении переходных отверстий и выборе размеров площадок. Рекомендации (диаметр переходного отверстия) + 10 мил для класса 3 и (диаметр переходного отверстия) + 8 мил для класса 1/2 будут выполнимы практически любым производителем на планете, и это подход, который я использую при выборе размеров переходных отверстий и площадок.

Для повышения надежности изделий класса 3 я всегда добавляю каплевидные расширения к контактным площадкам переходных отверстий, особенно когда дорожка тонкая и существует риск, что сверло может отсечь дорожку от площадки. Это обеспечивает дополнительный уровень надежности, который может понадобиться при прокладке дорожек на внутреннем слое с контролируемым импедансом. Такая ситуация может потребовать использования более тонких дорожек для достижения нужного импеданса, и добавление каплевидного расширения к площадке переходного отверстия является простым способом обеспечения надежности вместо уменьшения размера отверстия. В какой-то момент, при использовании тонких диэлектриков и тонких дорожек, вы не сможете уменьшить размер механического сверла, и вам придется использовать каплевидные расширения для обеспечения надежности.

Via-in-Pad и требования IPC-6012 класса 3

На еще более высокой плотности вам может потребоваться использовать технологию via-in-pad для прокладки маршрутов в компоненты. Технически via-in-pad можно использовать в целом без заполнения и закрытия, но с точки зрения сборки и надежности лучшей практикой является их заполнение и закрытие. Основные стандартизированные типы переходных отверстий, которые могут быть заполнены и закрыты, указаны в IPC-4761, как описано в этой статье. Список типов переходных отверстий в связанной статье представляет собой лишь стандартизированные определения для переходных отверстий, но не все из них считаются приемлемыми согласно требованиям класса 3.

Требования класса 3 для via-in-pad перечислены ниже. Значения, использованные здесь, адаптированы из требований класса 3, указанных выше, с небольшими изменениями.

• Материал заполнения: Переходные отверстия должны быть заполнены непроводящим эпоксидным составом.
• Закрытие и покрытие: Переходные отверстия должны быть закрыты и покрыты сверху.
• Толщина крышки: Покрытие крышки должно быть минимум 12 микрон (0,472 мил).
• Выступ/плоскостность: Выступ внутри переходного отверстия не может быть более 50 микрон (1,96 мил). Это может потребовать шага планирования.
• Минимальный размер сверления: Отверстия в площадках должны быть не менее 150 микрон (6 милов).
• Минимальный размер площадки: Минимальный размер площадки равен диаметру сверления + 0,010 дюйма).
• Зазор площадки: Площадки с переходными отверстиями должны находиться не менее чем на 6 милов от соседних медных элементов, включая другие площадки с переходными отверстиями.
• Минимальное кольцо аннуляра: Минимальный медный ободок вокруг отверстия переходного отверстия составляет 2 мила.

Когда используется переходное отверстие в площадке на макете печатной платы, определения для заполнения и закрытия также необходимо передать на ваше производство. Обработка заполнения и закрытия может использоваться на всей печатной плате, если это желательно, или может быть ограничена конкретными местами, где используется переходное отверстие в площадке. В любом случае, требования к этим местам необходимо сообщить производству.

Это можно легко сделать, включив информацию о заполнении и закрытии в экспорт Gerber. Обычно это делается путем создания слоя Gerber с данными о заполнении и другого слоя с данными о закрытии. Эти параметры можно добавить в ваши экспорты Gerber, экспорты ODB++, или экспорты IPC-2581 при настройке ваших выходных файлов. Пример с экспортом Gerber показан ниже.

После экспорта данных Gerber/ODB++/IPC-2581 данные о заглушках/заполнении/покрытии можно просмотреть в приложении CAM. Эти данные будут отображаться на своих слоях, и инженерная команда вашего производителя сможет видеть, какие конкретные переходные отверстия требуют заполнения и металлизации. Данные будут выглядеть похоже на отверстия в маске, но будут соответствовать размеру отверстия, создаваемого во время сверления, поэтому не путайте эти данные с отверстиями в маске при просмотре файлов Gerber.

Наконец, убедитесь, что вы включили примечание к изготовлению, указывающее следующее, если вы собираетесь использовать технологию via-in-pad с любым из стандартных типов переходных отверстий IPC-4761:

• Переходные отверстия в слое Gerber (РАСШИРЕНИЕ СЛОЯ) должны быть изготовлены в соответствии со стандартами IPC-4761 Тип XXXX.
• Переходные отверстия должны быть заполнены непроводящим эпоксидным составом.
• Переходные отверстия должны быть покрыты металлом. Выступающая часть не должна превышать XXXX милов в соответствии с требованиями класса 3 IPC-6012.

Когда вам нужно спроектировать переходные отверстия и трассировку вашей печатной платы, чтобы соответствовать стандартам кольцевых зазоров класса 3 IPC-6012, используйте функции проектирования площадок и трассировки в Altium Designer^®. Как только ваш проект будет готов к тщательному обзору дизайна и производству, ваша команда может делиться им и сотрудничать в реальном времени через платформу Altium 365^™. Команды проектировщиков могут использовать Altium 365 для обмена данными производства, файлами проектов и обзорами дизайна через защищенную облачную платформу и в Altium Designer.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.