В сложном и стремительно развивающемся мире производства печатных плат (PCB) терминология порой может казаться непонятной. Однако понимание базовых концепций имеет решающее значение для проектирования надежной и высокопроизводительной электроники. Одной из таких ключевых концепций является Кольцевое кольцо печатной платы. Кольцевое кольцо — это область медная подложка которое окружает просверленное и покрытое металлом отверстие (виа). Это кольцо обеспечивает необходимую площадь проводящей поверхности для электрических соединений между различными слоями многослойной платы или для надёжной пайки выводов компонентов.
Ширина кольцевого кольца определяется разницей между диаметром медной накладки и диаметром просверленного отверстия. Идеально спроектированное и изготовленное кольцевое кольцо будет иметь одинаковую ширину со всех сторон. Когда эта ширина достаточна, она обеспечивает прочное и надёжное электрическое соединение. Однако из-за производственных допусков и физических особенностей процесса сверления не всегда удаётся получить идеально центрированные отверстия. Именно поэтому понимание того, как рассчитывать, задавать и проектировать эти кольца, имеет первостепенное значение для любого инженера-конструктора или разработчика печатных плат.
Опасности разрыва кольцевого уплотнения
Если в процессе изготовления сверло слегка отклоняется от заданного центра, получившееся отверстие будет смещено относительно медной площадки. Если это отклонение достаточно значительное, отверстие может даже пробить внешний край площадки. Такое явление в отрасли известно как прорыв. Пробой — это серьёзный дефект, который может полностью вывести плату из строя.
Пробои крайне нежелательны по ряду причин. Во-первых, они уменьшают площадь поперечного сечения медного проводника, соединяющего корпус переходного отверстия с трассировка на этом конкретном слое. Это может привести к увеличению электрического сопротивления и локальному нагреву, особенно в системы с высоким током. Во-вторых, отрыв нарушает структурную целостность переходного отверстия, делая его более уязвимым к выходу из строя под воздействием тепловых или механических нагрузок. Во время пайки волной припоя или рефлоу-пайки тепловое расширение платы может привести к полному разрушению слабого, отрывного соединения, что вызовет разрыв цепи. Наконец, отрывы могут привести к проблемам с надежностью в условиях эксплуатации, которые, как известно, носят прерывистый характер и чрезвычайно трудно устраняются. Поэтому предотвращение отрывов является главным приоритетом на этапе проектирования печатной платы.
Как спроектировать идеальное кольцевое кольцо
Следуйте этой пошаговой инструкции, чтобы убедиться, что ваши проекты печатных плат имеют кольцевые промежутки надлежащего размера и не подвержены разрывам в процессе производства.
Шаг 1: Оцените возможности вашего производителя
Самый первый шаг при проектировании надёжного кольцевого кольца — проконсультироваться с выбранным вами производителем печатных плат (фабрикой). У каждого производителя есть свои допуски на регистрацию отверстий, то есть точность, с которой он может расположить просверленное отверстие относительно напечатанного медного рисунка. Этот допуск обычно выражается в милах (тысячных долях дюйма) или миллиметрах. Прежде чем приступить к трассировке печатной платы, необходимо узнать минимальные требования к кольцевому зазору для различных толщин меди и количества слоев. Несоблюдение этого требования может привести к тому, что плату будет невозможно изготовить.
Шаг 2: Расчет минимального размера площадки
Как только вы узнаете минимальный размер кольцевого зазора, требуемый вашим производителем полупроводниковых пластин (например, 5 мил), и размер готового размер отверстия необходимый для переходного отверстия или вывода компонента (например, 10 мил), можно рассчитать минимальный размер контактной площадки. Важно помнить, что диаметр сверла, как правило, превышает размер готового отверстия примерно на 2–3 мил с учётом толщины гальванического покрытия. Формула для расчета минимального диаметра контактной площадки: Минимальный размер контактной площадки = (минимальный размер кольцевого кольца × 2) + минимальный размер сверла + припуск на изготовление. Крайне важно обеспечить, чтобы размер вашей контактной площадки соответствовал этому значению или превышал его.
Шаг 3: Учет капель (необязательно, но рекомендуется)
Чтобы ещё больше укрепить соединение между кольцевым контуром и входящей трассой, рекомендуется добавить «капельки». «Капельки» — это дополнительный слой меди, наносимый в месте соединения трассы с контактной площадкой. Они обеспечивают плавный переход и увеличивают массу меди, что чрезвычайно полезно для предотвращения разрывов соединений в случае, если сверло слегка отклонится в сторону точки выхода трассы. Многие современные инструменты EDA (автоматизации проектирования электроники) могут добавлять «капельки» автоматически. Хотя их использование не является обязательным, «капельки» являются признаком надёжной и хорошо продуманной конструкции печатной платы.
Шаг 4: Настройка проверки соответствия правилам проектирования (DRC)
Люди допускают ошибки, поэтому в программном обеспечении для компоновки печатных плат предусмотрена функция проверки на соответствие правилам проектирования (DRC). Необходимо ввести минимальные технические требования производителя к размеру кольцевого пространства в модуль DRC вашего инструмента EDA. Перед генерацией окончательных производственных файлов (Gerber или ODB++) запустите полный цикл проверки DRC. Программа автоматически выделит все переходные отверстия или контактные площадки, не соответствующие заданному минимальному размеру кольцевого зазора, что позволит вам исправить их до отправки платы на изготовление. Эта автоматическая проверка является последней линией защиты от некачественного проектирования кольцевого зазора.
Передовой опыт в области изготовления высоконадёжных печатных плат
В областях, где надёжность имеет первостепенное значение — например, в аэрокосмической отрасли, при производстве медицинского оборудования или автомобильных систем — соблюдения минимальных требований зачастую бывает недостаточно. В таких случаях разработчики должны стремиться к соответствию классу 3 согласно стандартам IPC (в частности, IPC-6012). К платам класса 3 предъявляются гораздо более строгие требования к кольцевым полосам по сравнению с классом 1 (общие электронные изделия) или классом 2 (электронные изделия специального назначения). Например, класс 3, как правило, не допускает никаких разрывов; кольцевое зазоры должны быть сплошными и иметь минимальную ширину (часто 1 мил или 2 мила в зависимости от слоя и стандарта) даже с учетом всех производственных допусков и вариаций материалов.
При проектировании для класса 3 размеры контактных площадок, естественно, должны быть больше, что может повлиять на общие плотность маршрутизации вашей платы. Это классический инженерный компромисс: вы жертвуете частью площади и плотности размещения в пользу значительно более высокой надежности. Эта цена вполне оправдана для оборудования, критически важного для выполнения задачи, где сбой просто недопустим. Всегда открыто обсуждайте с производителем свои цели в области надежности, чтобы убедиться, что его производственные процессы позволяют реализовать ваши проектные решения.
Часто задаваемые вопросы
Каков стандарт IPC для кольцевых колец?
Основным стандартом IPC, регулирующим требования к кольцевым кольцам и другим параметрам жестких печатных плат, является IPC-6012. В нём изложены критерии приемлемости для различных классов электронных устройств (классы 1, 2 и 3) с разной степенью строгости в отношении допустимых отклонений и минимальных ширин колец. Соблюдение требований стандарта IPC-6012, как правило, рекомендуется для любого серьёзного проекта по разработке печатных плат.
Влияет ли толщина медного покрытия на кольцевое кольцо?
Да, толщина медного покрытия в цилиндрической части переходного отверстия фактически уменьшает конечный диаметр отверстия. При расчете размеров контактных площадок необходимо исходить из исходного размера просверленного отверстия, а не из размера готового отверстия с покрытием, поскольку физическое кольцевое пространство определяется краем контактной площадки и краем просверленного отверстия до нанесения любого покрытия.
Можно ли использовать каплевидные элементы вместо кольца большего размера?
«Слезы» — отличное дополнение, повышающее надежность, но с технической точки зрения они не увеличивают общую ширину кольцевого зазора со всех сторон. Они укрепляют лишь ту конкретную область, где трасса соединяется с контактной площадкой. На остальной части контактной площадки по-прежнему необходимо соблюдать минимальные требования к ширине кольцевого зазора, однако «слезы» обеспечивают дополнительную защиту от разрывов именно в критической точке соединения трассы.
