Pierścienie na warstwach zewnętrznych PCB

Na powierzchni płytki obszar między średnicą gotowego otworu a średnicą miedzianego padu nazywamy pierścieniem. "Rozmiar" tego pierścienia definiuje się jako odległość między jego średnicą zewnętrzną a wewnętrzną, co może być mylące, ponieważ faktycznie mówimy o różnicy promieni, a nie średnic. Producenci PCB nakładają minimalne wymagania dotyczące tego rozmiaru, aby zapewnić odpowiedni poziom jakości produkcji. Jak dotąd opis wydaje się jasny, ale realia produkcji nieco komplikują tę prostą sprawę.

O produkcji bardziej szczegółowo

Podłoże, którego używamy dla większości PCB, to laminat FR4. Jest on izolatorem, więc na początku trzeba wywiercić w nim otwór. Jego metalizację uzyskuje się poprzez nałożenie przewodzącej warstwy węglowej na jego ścianę, a następnie poprzez galwanizację pokrywa się ją miedzią. Jej warstwa "rośnie" na powierzchni węgla i częściowo go absorbuje. W firmie Eurocircuits nakładamy w ten sposób co najmniej 20 μm miedzi, a więc więcej niż minimum określone przez IPC na 18 μm. Ten proces jest precyzyjnie kontrolowany, aby uzyskać ściśle określoną grubość metalizacji i spełnić wymagania elektryczne połączenia, a także zapewnić wytrzymałość mechaniczną otworów niezbędną podczas montażu i lutowania. Proces nakładania miedzi i wykończania jej powierzchni zmniejsza średnicę otworu nawet o 0,10 mm. Jest to przyczyna różnicy między rzeczywistą średnicą wierconego otworu a końcową jego wymiarem i wpływem tych wielkości na obliczenia wielkości pierścienia.

 

Rys. 1. Rozmiar pierścienia to odległość między krawędzią zewnętrzną i wewnętrzną (lub różnica ich promieni)

Gdyby wywiercić otwór o rozmiarze określonym przez projektanta dla ostatecznego otworu, a następnie wykonać metalizację, powstałby otwór o 0,1 mm za mały! Stąd producenci używają wierteł o średnicy o 0,1 mm większej w celu uwzględnienia grubości miedzi galwanicznej nakładanej w procesie metalizacji.

W praktyce więc mamy dwie średnice otworu: rzeczywistą średnicę wiertła i średnicę gotowego otworu. W tym miejscu czasami robi się to mylące, ponieważ producenci wiercą laminat przed galwanicznym nakładaniem miedzi, a rzeczywisty wymagany minimalny pierścień jest mierzony między średnicą miedzianego padu a średnicą powiększonego otworu, a nie między średnicą padu a gotowym otworem. Oznacza to, że dla każdego obliczenia rozmiaru pierścienia trzeba znać grubość miedziowania metalizacji.

 

Rys. 2. Przekrój płytki przez przelotkę łączącą dolną warstwę z warstwami wewnętrznymi. Pomiar wskazuje średnicę pad

Być może teraz padnie pytanie, dlaczego w ogóle na płytce musi być okrągły pierścień tworzący pad? Dlaczego nie pokryć miedzią otworu bez wykonywania pierścienia? Istnieją dwie główne przyczyny. Po pierwsze, potrzebna jest wystarczająco duża powierzchnia miedziana na powierzchni, aby dało się wykonać metalizację i aby otwór trzymał się powierzchni z wystarczającą wytrzymałością mechaniczną. Inaczej przy lutowaniu mógłby się odwarstwić. Pierścień w padzie zapobiega powstawaniu pęknięć podczas produkcji i lutowania, pustkom w stopie lutowniczym i innym problemom. A poza tym pozwala zniwelować wszelkie błędy pasowania i tolerancje podczas procesu wiercenia i wyrównywania warstw mozaiki połączeń.

 

Rys. 3. Projektant przekazuje producentowi idealny cyfrowy projekt PCB i oczekuje, że otrzyma dokładnie to, co ustawił w oprogramowaniu. Niemniej, aby skutecznie zamienić wersję cyfrową na fizyczny obwód, producenci kontrolują, czy w projekcie zastosowano się do ograniczeń technologicznych, gdyż inaczej nie będą w stanie sprostać oczekiwaniom

Przykład

Załóżmy, że chcemy mieć gotowy otwór o średnicy 0,25 mm, miedziowanie plus wykończenie galwaniczne (na przykład HAL-em) ma grubość 0,1 mm oraz że minimalny "rozmiar" pierścienia – odległość między średnicami podzielona przez dwa – wynosi 0,125 mm. Oto formuła:

min. rozmiar pierścienia = 0,5 · (min. średnica padu – rzeczywista średnica wiertła)

I odwrotnie:

minimalna średnica padu = 2 · minimalny rozmiar pierścienia + rzeczywista średnica wiertła

Gdzie rzeczywista średnica wiertła = rozmiar gotowego otworu + 0,1 mm

A zatem:

minimalna średnica padu = 2 · minimalny rozmiar pierścienia + rozmiar gotowego otworu + 0,1 mm

I wreszcie otrzymujemy poszukiwaną liczbę:

minimalna średnica padu = 2 · 0,125 + 0,25 + 0,1 = 0,6 mm

Jeśli więc chcemy, aby otwór miał średnicę 0,25 mm, zewnętrzna średnica miedzianego padu nie może być mniejsza niż 0,6 mm.

 

Rys. 4. Po lewej stronie znajduje się przykład błędnego ustawienia pozycji otworu i padu. Po prawej stronie przedstawiono ograniczenia technologiczne firmy Eurocircuits dotyczące podłużnego padu miedzianego w odniesieniu do rzeczywistej średnicy wiertła (nie do średnicy gotowego otworu)

A co z innymi kształtami metalizowanych otworów?

Oczywiście nie zawsze używa się padów okrągłych z otworami pośrodku. Ograniczenia technologiczne, które narzucamy na te kształty, mają na celu zagwarantowanie niezawodności metalizacji i padu jako całości oraz wynikają z tego, że ta konstrukcja wytrzyma proces lutowania. Weźmy jako przykład pad podłużny, dla którego istnieją dwie zasady. Po pierwsze, przeciwległe strony muszą znajdować się co najmniej 0,3 mm od krawędzi wywierconego otworu. Po drugie, jego średnica musi całkowicie mieścić się w miedzianym padzie, ale może znajdować się tuż przy krawędziach, jak pokazano na rysunku.

Patrząc na idealny kształt pada na rysunku 4 po prawej, można przyjąć, że jego dwa obszary oddzielone otworem są teoretycznie niepołączone. Ale to nieprawda! W praktyce najpierw nakładana jest metalizacja tworząca ścianę w otworze łączącym dolną i górną część padu. Są też wahania procesu skutkujące niewielką niewspółosiowością. Może to spowodować, że jedna strona będzie "cieńsza". Jednak tam, gdzie ścieżka łączy się z padem, potrzeba więcej miedzi, stąd przerwanie połączenia nie nastąpi. Podłużne pady, takie jak te, są używane do elementów THT o małym rastrze, więc po ich przylutowaniu wszystkie niedoskonałości procesu są niwelowane przez nóżkę elementu i powstaje niezawodne połączenie. Projektant może uwzględnić takie realia produkcyjne, aby jego projekt był łatwiejszy do produkcji. Na przykład może powiększyć pad z boku. Pomoże to producentowi i zapewni większą niezawodność płytki.

Pomoc ze strony naszego systemu zamówień

W czasie przesyłania projektu PCB do produkcji w firmie Eurocircuits jest on poddawany analizie przez narzędzie Visualiser. Jest to bezpłatne oprogramowanie pozwalające na wykonanie wstępnej analizy sprawdzającej, czy wszystko na płytce ma odpowiednie wymiary do produkcji. Jeśli będą jakieś problemy, to zostaną one oznaczone w projekcie i dalej będzie można dokonać poprawek, np. powiększając pad z boku albo zwiększając średnicę pierścienia z miedzi. Narzędzie to przyjmuje, że wszystkie otwory dostępne z zewnątrz są metalizowane i przelotowe. Jeśli nie, można to zaznaczyć w oprogramowaniu PCB/EDA, wykorzystując możliwości np. Gerber X3 lub użyć naszego wizualizatora, aby były traktowane jako bez metalizacji.

Więcej informacji na temat pierścieni typu angular rings można znaleźć na stronie: https://www.eurocircuits.co/faq/annular-ring-oar-iar/

Eurocircuits
www.eurocircuits.com