In der komplexen und sich rasant weiterentwickelnden Welt der Leiterplattenfertigung (PCB) kann die Fachterminologie manchmal überwältigend wirken. Das Verständnis grundlegender Konzepte ist jedoch entscheidend für die Entwicklung zuverlässiger und leistungsstarker Elektronik. Eines dieser entscheidenden Konzepte ist das Ringförmige Leiterplatte. Ein Ring ist die Fläche eines Kupferplatte der ein gebohrtes und plattiertes Loch (Via) umgibt. Dieser Ring bietet die erforderliche leitfähige Oberfläche für elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten einer Mehrschichtplatine oder für die sichere Lötung von Bauteilanschlüssen.
Die Breite des Ringraums wird durch die Differenz zwischen dem Durchmesser des Kupferpads und dem Durchmesser der Bohrung bestimmt. Ein perfekt konstruierter und gefertigter Ringraum weist an allen Seiten eine gleichmäßige Breite auf. Ist diese Breite ausreichend, gewährleistet sie eine stabile und zuverlässige elektrische Verbindung. Aufgrund von Fertigungstoleranzen und den physikalischen Gegebenheiten des Bohrvorgangs lassen sich jedoch nicht immer perfekt zentrierte Bohrungen erzielen. Aus diesem Grund ist es für jeden Hardware-Ingenieur oder Leiterplattenentwickler von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie diese Ringe berechnet, spezifiziert und konstruiert werden.
Die Gefahren eines Ausbruchs des Ringraums
Wenn der Bohrer während des Fertigungsprozesses leicht von der vorgesehenen Zielmitte abweicht, liegt die resultierende Bohrung nicht mittig zum Kupferpad. Ist diese Abweichung groß genug, kann die Bohrung sogar über den äußeren Rand des Pads hinausreichen. Dieser Zustand wird in der Branche als Ausbruch. Ein Durchschlag ist ein schwerwiegender Defekt, der eine Platine vollständig unbrauchbar machen kann.
Durchbrüche sind aus mehreren Gründen äußerst unerwünscht. Erstens verringern sie die Querschnittsfläche des Kupfers, das den Via-Schacht mit dem Spur auf dieser bestimmten Schicht. Dies kann zu einem erhöhten elektrischen Widerstand und einer lokalen Erwärmung führen, insbesondere in Hochstromanwendungen. Zweitens beeinträchtigt ein Ausbruch die strukturelle Integrität der Durchkontaktierung und macht sie anfälliger für Ausfälle unter thermischer oder mechanischer Belastung. Beim Wellenlöten oder Reflow-Löten kann die thermische Ausdehnung der Leiterplatte dazu führen, dass eine schwache, ausgebrochene Verbindung vollständig versagt, was zu einem offenen Stromkreis führt. Schließlich können Ausbrüche zu Zuverlässigkeitsproblemen im Einsatz führen, die dafür bekannt sind, sporadisch aufzutreten und unglaublich schwer zu beheben zu sein. Die Vermeidung von Ausbrüchen hat daher während der Leiterplatten-Entwurfsphase höchste Priorität.
So entwerfen Sie den perfekten Ring
Befolgen Sie diese Schritt-für-Schritt-Anleitung, um sicherzustellen, dass Ihre Leiterplattenentwürfe über ausreichende Ringflächen verfügen und während der Fertigung vor Brüchen geschützt sind.
Schritt 1: Machen Sie sich mit den Möglichkeiten Ihres Herstellers vertraut
Der allererste Schritt bei der Konstruktion eines zuverlässigen Ringraums besteht darin, sich mit dem von Ihnen gewählten Leiterplattenhersteller (Fab-House) abzustimmen. Jeder Hersteller hat spezifische Toleranzen für die Bohrpassgenauigkeit, d. h. die Genauigkeit, mit der er ein Bohrloch relativ zum gedruckten Kupferbild platzieren kann. Diese Toleranz wird üblicherweise in mil (Tausendstel Zoll) oder Millimetern angegeben. Sie müssen die Mindestanforderungen an den Ringabstand für verschiedene Kupferdicken und Lagenzahlen kennen, noch bevor Sie mit dem Fräsen Ihrer Leiterplatte beginnen. Andernfalls kann es zu einer Leiterplatte kommen, die nicht hergestellt werden kann.
Schritt 2: Berechnen Sie die Mindestgröße des Pads
Sobald Sie den von Ihrem Fertigungsunternehmen geforderten Mindestringabstand (z. B. 5 mil) und die fertige Lochgröße Wenn Sie den Durchmesser für Ihre Via oder Ihren Bauteilanschluss kennen (z. B. 10 mil), können Sie die Mindestgröße des Pads berechnen. Beachten Sie dabei unbedingt, dass der Bohrdurchmesser in der Regel um etwa 2–3 mil größer ist als der fertige Lochdurchmesser, um die Dicke der Beschichtung zu berücksichtigen. Die Formel für den Mindestdurchmesser des Pads lautet: Mindestgröße des Pads = (Mindestgröße des Ringraums × 2) + Mindestbohrdurchmesser + Fertigungstoleranz. Es ist entscheidend, sicherzustellen, dass Ihre Padgröße diesen Wert erreicht oder übertrifft.
Schritt 3: Berücksichtigung von „Teardrops“ (optional, wird jedoch empfohlen)
Um die Verbindung zwischen dem Ring und der ankommenden Leiterbahn weiter zu verstärken, sollten Sie das Hinzufügen von „Teardrops“ in Betracht ziehen. Teardrops sind zusätzliche Kupferflächen, die an der Verbindungsstelle zwischen Leiterbahn und Pad angebracht werden. Sie sorgen für einen sanften Übergang und bieten zusätzliche Kupfermasse, was äußerst hilfreich ist, um Unterbrechungen zu verhindern, falls der Bohrer leicht in Richtung des Austrittspunkts der Leiterbahn abweicht. Viele moderne EDA-Tools (Electronic Design Automation) können „Teardrops“ automatisch einfügen. Auch wenn dies optional ist, sind „Teardrops“ ein Zeichen für ein robustes und gut durchdachtes Leiterplatten-Design.
Schritt 4: Konfigurieren der Designregelprüfungen (DRC)
Menschen machen Fehler, weshalb Ihre PCB-Layout-Software über Design Rule Checks (DRC) verfügt. Sie müssen die vom Hersteller vorgegebenen Mindestanforderungen an den Annularring in die DRC-Engine Ihres EDA-Tools eingeben. Führen Sie einen vollständigen DRC-Durchlauf durch, bevor Sie Ihre endgültigen Fertigungsdateien (Gerber-Dateien oder ODB++) generieren. Die Software markiert automatisch alle Durchkontaktierungen oder Pads, die gegen die von Ihnen festgelegten Mindestanforderungen an den Annularring verstoßen, sodass Sie diese korrigieren können, bevor Sie die Leiterplatte zur Fertigung schicken. Diese automatisierte Prüfung ist die letzte Sicherheitsmaßnahme gegen ein fehlerhaftes Annularring-Design.
Bewährte Verfahren für hochzuverlässige Leiterplatten
Bei Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit oberste Priorität hat – wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, bei medizinischen Geräten oder in Automobil-Systemen –, reicht es oft nicht aus, lediglich die Mindestanforderungen zu erfüllen. In diesen Fällen sollten Entwickler die Einhaltung der Klasse 3 gemäß den IPC-Standards (insbesondere IPC-6012) anstreben. Für Leiterplatten der Klasse 3 gelten wesentlich strengere Anforderungen an die Ringränder als für die Klasse 1 (allgemeine Elektronikprodukte) oder die Klasse 2 (Elektronikprodukte für spezielle Anwendungen). So sind in Klasse 3 in der Regel keinerlei Unterbrechungen zulässig; der Ring muss durchgehend sein und eine Mindestbreite aufweisen (oft 1 mil oder 2 mil, je nach Schicht und Norm), selbst unter Berücksichtigung aller Fertigungstoleranzen und Materialschwankungen.
Bei der Auslegung für Klasse 3 müssen Ihre Pad-Größen naturgemäß größer sein, was sich auf das Gesamtbild auswirken kann Routing-Dichte Ihrer Platine. Dies ist ein klassischer Kompromiss in der Technik: Sie tauschen etwas Platz und Packungsdichte gegen eine deutlich höhere Zuverlässigkeit ein. Dieser Preis lohnt sich auf jeden Fall bei missionskritischer Hardware, bei der ein Ausfall schlichtweg keine Option ist. Sprechen Sie stets offen mit Ihrem Hersteller über Ihre Zuverlässigkeitsziele, um sicherzustellen, dass dessen Prozesse Ihre Designentscheidungen unterstützen können.
Häufig gestellte Fragen
Wie lautet die IPC-Norm für Ringdichtungen?
Die wichtigste IPC-Norm, die sich mit Ringbahnen und anderen Parametern für starre Leiterplatten befasst, ist IPC-6012. Sie legt die Akzeptanzkriterien für verschiedene Klassen von Elektronik (Klasse 1, 2 und 3) fest, wobei die Anforderungen an zulässige Unterbrechungen und Mindestringbreiten je nach Klasse unterschiedlich streng sind. Die Einhaltung von IPC-6012 wird generell für jedes seriöse Leiterplatten-Designprojekt empfohlen.
Hat die Dicke der Kupferbeschichtung Auswirkungen auf den Ring?
Ja, die Dicke der Kupferbeschichtung im Durchkontaktierungskanal verringert tatsächlich den endgültigen Lochdurchmesser. Bei der Berechnung der Pad-Größen müssen Sie von der Rohbohrgröße ausgehen und nicht von der fertigen Größe des beschichteten Lochs, da der physikalische Ring durch die Pad-Kante und die Kante des gebohrten Lochs definiert wird, bevor eine Beschichtung aufgebracht wird.
Kann ich Tropfen anstelle eines größeren Ringes verwenden?
Teardrops tragen erheblich zur Zuverlässigkeit bei, vergrößern jedoch technisch gesehen nicht den gesamten Randrahmen auf allen Seiten. Sie verstärken lediglich den spezifischen Bereich, in dem die Leiterbahn mit dem Pad verbunden ist. Die Mindestanforderungen an den Randrahmen müssen für den restlichen Teil des Pads weiterhin erfüllt werden, doch bieten Teardrops einen zusätzlichen Schutz vor Durchbrüchen speziell an der kritischen Verbindungsstelle der Leiterbahn.
