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Was Leiterplattendesigner über Restringe (annular rings) wissen sollten Banner

Restringe (annular rings) sind der umlaufende Kupferring um ein metallisiertes Loch. Sie haben wichtige elektrische und mechanische Funktionen auf der Leiterplatte. Das metallisierte Loch ist elektrisch leitend und überträgt ein Signal von einer Lage der Leiterplatte auf eine oder mehrere andere Lagen. Wir verwenden diese Art von Pad-Loch-Kombinationen für Durchkontaktierungen, Erdungs- und Montagelöcher sowie Anschlüsse zum Löten von bedrahteten (THT) Bauteilen.


A6-annular-ring

Die Größe des Restrings ist der Abstand zwischen dem Außenkreis und dem Innenkreis bzw. die Differenz ihrer Radien


Auf der Leiterplattenoberfläche ist der Bereich zwischen dem Durchmesser der fertigen Bohrung und dem Durchmesser des Kupferpads das, was wir einen Restring nennen. Die Größe des Restrings ist definiert als der Abstand zwischen seinem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser. Das kann verwirren, weil wir effektiv über die Differenz ihrer Radien sprechen und nicht über ihre Durchmesser.

Die Leiterplattenhersteller haben eine Mindestgröße für den Restring, die sie zuverlässig herstellen können. So weit so gut, doch die Realität in der Fertigung verkompliziert die Dinge ein wenig. Ich werde es erklären.


Schliffbild einer durchkontaktierten Bohrung

Schliffbild einer durchkontaktierten Bohrung. Die Maße L2 & L3 geben die Größe des Restringes an. Die Messung L-1 ist der tatsächliche Durchmesser des gebohrten Lochs vor der Galvanisierung.

Die Fertigung im Detail

A6-process

Ein PCB-Designer liefert dem Hersteller eine ideale Darstellung der Leiterplatte und erwartet, dass er am Ende genau das erhält. Um aus der digitalen Version eine physische Leiterplatte zu fertigen, müssen die Leiterplattenhersteller Vorgaben an das Design stellen. Nur so können sie die Leiterplatten zuverlässig und so originalgetreu wie möglich produzieren.


Das für Leiterplatten am meisten verwendete Basismaterial FR4 ist elektrisch isolierend. Darum müssen wir die Bohrung durch das FR4 elektrisch leitend machen. So können Signale durch die Leiterplatte fließen, nicht nur entlang der horizontalen Flächen. Um ein Loch leitend zu machen, also zu metallisieren, wird zunächst eine leitende Kohlenstoffschicht auf die Lochwand aufgebracht. Dann wird in einem elektrochemischen Prozess Kupfer aufgebracht, das auf dem Kohlenstoff wächst und ihn teilweise absorbiert. Bei Eurocircuits fügen wir mindestens 20µm Kupfer hinzu, mehr als das Minimum von 18µm gemäß IPC.
Dieser Galvanikprozess wird sorgfältig verfeinert, um eine streng kontrollierte Kupferdicke aufzubringen, um die elektrischen Anforderungen und die mechanische Stärke der Löcher zu erfüllen, die für den Lötprozess und die Zuverlässigkeit der Baugruppe erforderlich sind. Bei Eurocircuits reduziert dieser gesamte Prozess der Leitschichtdicke zusammen mit der Oberflächenbearbeitung den Durchmesser des Lochs um bis zu 0,10mm. Dies ist der Grund für den Unterschied zwischen dem tatsächlichen Bohrungsdurchmesser und dem endgültigen Enddurchmesser der Bohrung und dessen Auswirkung auf die Berechnung des Restrings.

Stellen Sie sich vor, wir hätten das Loch mit der Größe gebohrt, die der Leiterplattendesigner für das endgültige Loch angegeben hat und dann metallisiert: Wir hätten ein Loch, das 0,1mm zu klein ist! Das ist natürlich nicht gut. Die Leiterplattenhersteller verwenden daher Bohrer, die größer sind: in unserem Fall um 0,1mm, um die galvanische Kupferschichtdicke zu berücksichtigen.

In der Praxis haben wir also zwei Durchmesser für das durchkontaktierte Loch: den tatsächlichen Bohrdurchmesser und den fertigen Lochdurchmesser. An dieser Stelle wird es manchmal verwirrend. Der Grund: Die Leiterplattenhersteller bohren das FR4 vor dem galvanischen Verkupfern. Darum wird der tatsächlich erforderliche minimale Durchmesser zwischen dem Durchmesser des Kupferpads und dem Durchmesser des überdimensionierten Bohrlochs gemessen, nicht zwischen dem Durchmesser des Pads und dem Durchmesser des fertigen Lochs! Das bedeutet, dass wir für jede Berechnung der Größe des Restrings die Verkupferungsstärke des Herstellers kennen müssen.

Sie fragen sich jetzt vielleicht, warum wir überhaupt einen Restring brauchen. Warum nicht einfach die Bohrung ohne Restring verkupfern? Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Erstens wird ein ausreichend großes Kupferpad auf der Leiterplattenoberfläche benötigt, um die Bohrung so zu verkupfern, dass sie mit ausreichender mechanischer Festigkeit haftet. Nur so kann die Durchkontaktierung zuverlässig gefertigt und gelötet werden und am Ende zuverlässig funktionieren. Der Ring hilft, Risse bei der Fertigung und beim Löten der Bauteile z.B. Lunker zu vermeiden. Die zweite Aufgabe des Restrings ist es, Prozesstoleranzen beim Bohren und Belichten in der Leiterplattenfertigung auszugleichen.

Ein Beispiel für die Korrelation von Lochdurchmesser und Kupferpad

Nehmen wir an, dass wir eine fertige Lochgröße von 0,25mm wünschen; die Dicke der Kupferbeschichtung des Herstellers plus der Lötoberfläche z.B. HAL beträgt 0,1 mm; und die Mindestgröße des Ringes – Abstand zwischen den Durchmessern geteilt durch zwei – beträgt 0,125mm.

Hier ist die Formel:

[min Restringgröße] = 0.5 * ([min Pad Durchmesser] – [Bohrdurchmesser])

Gleichung umstellen:

[min Pad Durchmesser] = 2 * [min Restringgröße] + [Bohrdurchmesser]

Wenn

[Bohrdurchmesser] = [fertige Lochgröße] + 0.1mm

dann,

[min Pad Durchmesser] = 2 * [min Restringgröße] + [fertige Lochgröße] + 0.1mm

Erhalten wir den gesuchten Wert:

[min Pad Durchmesser] = 2 * 0.125 + 0.25 + 0.1 = 0.6mm

Wenn wir also eine fertige Lochgröße von 0,25mm haben wollen, darf der Außendurchmesser unseres Kupferpads nicht kleiner als 0,6mm sein.

Restringe für Durchkontaktierungen mit länglichen Pads (Oblongs)

Natürlich entwerfen wir nicht immer runde Kupferpads mit Löchern der Mitte. Die Beschränkungen, die wir für diese Formen anwenden, sollen sicherstellen, dass es immer eine zuverlässig herstellbare Verbindung zwischen der Kupferbeschichtung und dem Pad gibt und dass das Pad zuverlässig angelötet werden kann. Nehmen wir als Beispiel ein längliches Kupferpad, das sogenannte Oblong.

Hier haben wir zwei Einschränkungen: zwei gegenüberliegende Seiten müssen mindestens 0,3mm vom Rand des Bohrlochs entfernt sein und der Bohrlochdurchmesser muss vollständig innerhalb des Kupferpads liegen, kann aber auch nur an den Kanten anliegen, wie im Bild gezeigt.


A6-oblong

Das linke Bild zeigt, was bei einer Fehlanpassung der Bohrung zum Pad passieren kann. Rechts sind die Vorgaben von Eurocircuits für ein längliches Kupferpad zu sehen, die anhand des tatsächlichen Bohrdurchmessers (nicht des fertigen Lochdurchmessers) demonstriert werden.


Betrachtet man die ideale Darstellung des Kupferpads, wie sie in der Abbildung rechts und in unseren Designtools zu sehen ist, könnte man annehmen, dass die beiden Kupferpadbereiche, die durch das Loch getrennt sind, theoretisch elektrisch getrennt sind. Das ist nicht der Fall! In der Praxis entsteht zuerst in der Galvanik eine Kupferwand in der Bohrung, die die beiden Kupfer-Pad-Bereiche miteinander verbindet.
Dann gibt es noch die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen, die zu einer leichten Fehlausrichtung zwischen Loch und Pad, führen können. Die Folge kann sein, dass eine Seite dünner ist, aber die andere Seite dies ausgleicht. An den Stellen, an denen eine Leiterbahn mit dem Pad verbunden ist, ist jedoch mehr Kupfer erforderlich, damit die Fehlanpassung nicht die Verbindung unterbricht. Diese langgestreckten Pads werden für Fine-Pitch-THT-Bauteile verwendet. Sobald die Bauteile eingelötet sind, sind alle Abweichungen aufgrund von Fehlausrichtungen behoben und es besteht eine solide Verbindung.

Das ist die Stelle, an der Sie als Leiterplattendesigner die Realität in der Leiterplattenfertigung berücksichtigen können, um Ihr Design für die Fertigung zu optimieren. Machen Sie z.B. das Pad an der Seite größer, um sicherzustellen, dass es auf keiner Seite zu Brüchen kommen kann. Wenden Sie diese Regel auch für andere ungerade Formen mit Löchern an, um abzuschätzen, ob diese Formen fertigbar sind.

So hilft Eurocircuits Visualizer

Wenn Sie Leiterplatten bei Eurocircuits fertigen lassen wollen, arbeiten Sie bei der Bestellung mit unserem Visualizer, einem DFM-Tool (DFM: design for manufacturing), das wir kostenlos zur Verfügung stellen. Die Analysemöglichkeiten des Visualizers können Sie bereits zu einem früheren Zeitpunkt im Designprozess nutzen, um sicherzustellen, dass alle Parameter die richtigen Maße für die Fertigung haben.

Wenn Ihre Restringe zu klein sind, werden wir diese im Visualizer markieren, damit Sie sie in Ihren Daten korrigieren können. Wir gehen davon aus, dass jedes Loch in einem freiliegenden Kupfer-Pad oder einem ringförmigen Pad auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte ein durchkontaktiertes Loch ist. Sie können uns über die PCB-Daten mitteilen, dass dies nicht der Fall ist, wenn Ihre Tools dies unterstützen (wie z.B. Gerber X3), oder unseren Visualizer verwenden, um sie als nicht durchkontaktiert zu markieren.

Weitere Informationen zu Restringen finden Sie hier::

https://www.eurocircuits.de/faq/annular-ring-oar-iar/

Das ist der dritte Beitrag einer sechsteiligen Serie, in der Saar Drimer, Elektronikdesigner und technischer Redakteur bei Eurocircuits, über fertigungsgerechtes Design (Design for manufacturing) schreibt: Außenkontur (Outline), Sicherheitsabstände von Bauteilen (Courtyards), Restringe (Annular Rings), Sperrflächen (Keepouts), Passermarken (Fiducials) und Kupferfüllungen (Copper Fills). Die Serie ist in unserer Technology Thursday Reihe veröffentlicht. Damit Sie keinen Teil verpassen, können Sie uns auf den verschiedenen sozialen Plattformen folgen oder Sie abonnieren unseren kostenfreien Newsletter.

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