Jahresringe: Was sind sie und wie funktionieren sie?

Wenn Sie eine mehrschichtige Leiterplatte entwerfen, müssen Sie die Leiterbahnen fast immer von einer Seite der Platine zur anderen führen. Dies geschieht über eine Via, ein durch die übereinstimmenden Kupferpads auf der Ober- und Unterseite der Platine gebohrtes Loch, das mit einem leitfähigen Material beschichtet wird. Der Kupferring, der die Via sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Platine umgibt, wird als Ringfläche (annular ring) bezeichnet. Sehen Sie, definitiv ein Donut:

In einer perfekten Welt würde der Bohrer jedes Mal makellos die richtige Stelle treffen, und es gäbe keine Notwendigkeit für einen Ring, der größer als ein oder zwei Mil ist. Allerdings unterliegen die von Leiterplattenherstellern verwendeten Bohrer denselben Variablen wie der Rest der Welt und sind nur innerhalb bestimmter Toleranzen garantiert. Die Toleranz ist angesichts des Prozesses erstaunlich eng, typischerweise etwa 0,005" (5 Mil), muss jedoch berücksichtigt werden, wenn Ihr Design weder Tangentialität (der Bohrer berührt eine Kante des Pads) noch einen Ausbruch (der Bohrer durchbricht vollständig die Begrenzung des Pads) toleriert.

Die Ausnahme wäre das Verbinden von Kupferflächen. Wenn Sie eine Vielzahl von Durchkontaktierungen verwenden, um zwei große Kupferflächen zu verbinden, sind die Ringflächen lediglich eine Formalität.

Bestimmung über die Größe des Ringbands

Wenn Sie keine Tangentialität oder Durchbrüche tolerieren können, wie viel Kupfer benötigen Sie in Ihren Ringflächen (Annular Rings)? Wenn der Platz knapp ist, sind riesige PCB-Ringflächen das Letzte, was Sie möchten, da sie viel Platz beanspruchen. Falls Sie Ihre Platine abspecken müssen, fragen Sie Ihren PCB-Hersteller nach seinen Empfehlungen. Möglicherweise können sie ihre Toleranz gegen eine Gebühr verringern. Wenn Sie die Standardtoleranzen akzeptieren, jedoch keine schlechten Verbindungen riskieren möchten, ist eine gute Faustregel, die Breite der Ringflächen auf die Toleranz Ihres Herstellers plus ein Mil einzustellen. Zum Beispiel, wenn Ihr Hersteller eine Bohrgenauigkeit von nur 5 Mil garantieren kann, stellen Sie sicher, dass Ihre Ringflächen mindestens 6 Mil breit sind. Hier gibt es keine komplizierte Mathematik, nur die Differenz zwischen dem Durchmesser des Pads und dem Durchmesser des Bohrers, geteilt durch zwei. Wenn Sie eine 10-Mil-Bohrung durch die Mitte eines Pads mit 20 Mil Durchmesser haben, beträgt die Breite Ihrer Ringfläche (20-10)/2 = 5 Mil. Wenn die erwartete Toleranz 5 Mil beträgt, setzen Sie sich einem Risiko für Tangentialität aus. Es wäre besser, das Pad auf mindestens 22 Mil im Durchmesser zu vergrößern.

Die Flächeninhalte von Ringflächen

Was ist, wenn Sie sich am entgegengesetzten Ende des Spektrums befinden? Sie haben genügend Platz und Strom, um sich zu bewegen. Vias können nur bis zu einer bestimmten Dicke plattiert werden, sodass Sie möglicherweise ein größeres Via benötigen, um die benötigte Fläche für Hochstrom-Leiterbahnen zu erhalten. Damit die gesamte Fläche tatsächlich genutzt werden kann, muss der Strom vollständig um den Leiterplattenring herum und somit durch das gesamte Via fließen können. Um zu gewährleisten, dass Sie keinen thermischen Hotspot erzeugen, falls der Bohrer nicht die Mitte trifft, fügen Sie 1/8 der Breite der verbindenden Leiterbahn zur Toleranz des Herstellers hinzu. Wenn Sie sich einem Via mit einer 40 Mil breiten Leiterbahn nähern, addieren Sie 5 Mil zur Toleranz von 5 Mil, um eine Gesamtbreite des Leiterplattenrings von 10 Mil zu erhalten. Falls Sie keinen Platz für große Ringe auf Ihrer Leiterplatte haben, sollten Sie erwägen, mehrere kleinere Vias zu verwenden, um die Leiterbahnen zu verbinden.   Wenn Sie Vias erstellen, die als Montagelöcher für THT-Komponenten wie Header oder THT-LEDs dienen sollen, bedenken Sie, dass es schwierig ist, einen Leiterplattenring mit weniger als 10 Mil Breite ordnungsgemäß per Hand zu löten. Nutzen Sie ruhig den riesigen, frittierten Leiterplatten-Donut (PCB-Leiterplattenring).

PCB Jahresring-Löten

Als Leiterplatten-Designer legen wir großen Wert auf Effizienz. Eine organisierte Leiterplatte ist eine kompaktere Leiterplatte, was eine günstigere Leiterplatte bedeutet. Es kann verlockend sein, die großen Mengen freiliegenden Kupfers, das durch die "Donuts" der Leiterplatte entsteht, ins Auge zu fassen und Ideen zu entwickeln. So verlockend es auch ist: Versuchen Sie nicht, kleine Bauteile wie winzige Widerstände mit den konzentrischen Ringen auf der Leiterplatte zu befestigen. Lötpaste fließt auf einem Ring anders als auf einem Standardpad und bildet keine gute Verbindung bei kleinen Bauelementen. Größere Bauteile sind eine andere Geschichte – die konzentrischen Ringe der thermischen Vias unter einem Bauteil mit thermischem Slug leisten hervorragende Arbeit beim Verankern dieses Teils auf der Leiterplatte.   Das Anbringen kleiner Bauteile wird nicht empfohlen, aber es spricht nichts dagegen, Ihren konzentrischen Ringen auf einer Leiterplatte einen Lötpasten-Überzug zu verleihen. Die Paste wird während des Reflow-Prozesses in die Vias schmelzen und die Leitfähigkeit erhöhen. Dies ist jedoch keine gute Idee für Vias, die für die Befestigung von Bauelementen vorgesehen sind, da das geschmolzene Lot den Lochdurchmesser verringert und die Bauteilanschlüsse möglicherweise nicht passen.   Es gibt viele Aspekte, die bei der Leiterplattenentwicklung berücksichtigt werden müssen, und Details wie die Breite der konzentrischen Ringe können leicht übersehen werden. Überprüfen Sie die Einstellungen Ihres Standard-DRC-Tools und stellen Sie sicher, dass die konzentrischen Ringe Ihrer Leiterplatte zu Ihrer Designphilosophie passen.