PCB-Ringfläche
Ringflächen sind ein wichtiger Bestandteil beim Entwurf von Leiterplatten, da sie eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Schichten über Durchkontaktierungen ermöglichen. Ihre Abmessungen und Platzierung haben einen direkten Einfluss auf die Integrität der Verbindung und die Leistung der gesamten Leiterplatte. Eine unsachgemäße Gestaltung der Ringflächen kann zu Signalverlusten, Verbindungsunterbrechungen oder sogar zu Störungen in empfindlichen elektronischen Bauteilen führen. In diesem Blogbeitrag erfahren Sie, was Ringflächen sind, warum sie so wichtig sind, wie man ihre Größe misst und welche wichtigen Tipps es für die Gestaltung einer zuverlässigen Leiterplatte gibt.
Was ist eine PCB-Ringfläche?
Eine Ringfläche ist ein ringförmiges Kupferpad auf einer Leiterplatte, das ein Bohrloch umgibt. Das Loch dient zur Platzierung von Bauteilanschlüssen oder Drähten, und diese Ringflächen stellen eine solide elektrische und mechanische Verbindung her, wenn die Bauteilstifte eingesetzt und verlötet werden. Daher sollten PCB-Ringflächen korrekt hergestellt und konstruiert werden, um eine zuverlässige und stabile elektrische Leistung auf der gesamten Leiterplatte zu gewährleisten.
So berechnen Sie die Größe einer Ringfläche
Im Idealfall sollte das Bohrloch in der Mitte jeder Ringfläche liegen, um eine gute elektrische Verbindung zwischen der Durchkontaktierung und den Leiterplattenlagen herzustellen. Die richtige Breite dieser Ringflächen kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Größe der Ringfläche = (Durchmesser des Pads – Durchmesser des Lochs) / 2
Wenn beispielsweise der Durchmesser des Kupferpads 30 mil und der Lochdurchmesser 14 mil beträgt, wäre die Größe der Ringfläche: (30 – 14)/ 2 = 8 mil.
Warum ist die Größe der Ringfläche wichtig?
Wenn die Ringfläche der Leiterplatte zu schmal ist, bietet sie wahrscheinlich keine ausreichende leitfähige Oberfläche, um eine gute mechanische und elektrische Verbindung zu gewährleisten. Dies kann zu schlechten oder instabilen Verbindungen führen, insbesondere beim Löten oder bei Temperaturwechselbeanspruchung. Ist die Ringfläche jedoch zu breit, kann dies ebenfalls zu Problemen führen. Eine übergroße Ringfläche würde mehr Platz auf der Platine einnehmen, wodurch weniger Platz für andere Komponenten zur Verfügung stünde.
Daher ist es wichtig, eine geeignete Größe für Ringflächen zu wählen. In der Regel sollte die Mindestbreite einer Ringfläche 0,15 mm (6 mil) betragen, und die Bohrgrößen liegen im Allgemeinen zwischen 0,2 mm und 6,3 mm.
Was sind Teardrops?
Der Begriff „Teardrop” (Tropfen) leitet sich von seiner tropfenförmigen Gestalt ab, wie Sie in der folgenden Abbildung sehen können. Ein Teardrop-Pad bezeichnet zusätzliches Kupfer an der Stelle, an der sich eine Ringfläche und eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte kreuzen, um die Verbindungsstelle zu verstärken. Dieses zusätzliche Material trägt zur Verbesserung der strukturellen Festigkeit bei, insbesondere unter mechanischer oder thermischer Belastung.
Während des Bohrvorgangs kann es zu einer Fehlausrichtung des Bohrers kommen, wodurch möglicherweise zu viel Kupfer von der Verbindungsstelle zwischen dem Via-Pad und der Leiterbahn entfernt wird. Infolgedessen kann es zu schwachen oder unterbrochenen elektrischen Verbindungen kommen. Während der Herstellung erhöht das Hinzufügen einer Tropfenform die Toleranz für Bohrungsfehler, wodurch die Fertigungsausbeute verbessert und die Wahrscheinlichkeit von Defekten minimiert wird.
Tropfen werden mit abnehmender Leiterbahnbreite immer wichtiger. Bei Leiterbahnen, die breiter als 20 mil sind, werden sie in der Regel nicht benötigt, aber bei flexiblen Leiterplatten sind sie sehr zu empfehlen, da sie dazu beitragen, Risse durch Vibrationen oder Biegekräfte zu vermeiden.
Häufige Probleme mit Ringflächen und wie man sie vermeidet
Wenn Ringflächen nicht gut konstruiert und gefertigt sind, können verschiedene Probleme auftreten, die die elektrische Leistung der Leiterplatte beeinträchtigen können. Die häufigsten Probleme und wie man sie vermeidet, sind unten aufgeführt:
Tangentialität
Tangentialität tritt auf, wenn das gebohrte Loch aufgrund einer Fehlausrichtung oder weil die Ringfläche für die Lochgröße zu schmal ist, auf den Rand des Pads trifft. Dieses Problem kann zu elektrischen Störungen und Zuverlässigkeitsproblemen führen. Tangentialität kann vermieden werden, indem die Löcher zentriert und die Ringfläche deutlich breit gehalten wird.
Ausbruch
Ein Ausbruch tritt auf, wenn das gebohrte Loch über die Grenzen der Ringfläche und des Kupferpads hinausragt und aus dem Pad-Bereich ausbricht. Dieses Problem wird in der Regel durch eine schlechte Ausrichtung der Schichten in der Leiterplatte verursacht, wodurch die Löcher an den falschen Positionen auf verschiedenen Schichten landen. Um die Wahrscheinlichkeit eines Ausbruchs zu minimieren, sollte die Ringfläche mit einer ausreichenden Breite gestaltet werden, damit sie das Loch richtig umgeben kann.
Bruch
Diese Ringflächen können mit der Zeit Risse oder Brüche entwickeln, was als Bruch bezeichnet wird. Dieses Problem kann verschiedene Ursachen haben, z. B. längere Nutzung, mechanische Krafteinwirkung oder ungünstige Umgebungsbedingungen. Um einen Bruch zu vermeiden, sind die Verwendung strapazierfähiger Materialien und der Austausch alternder Leiterplatten wirksame Methoden.
Pad-Abhebung
Dieses Problem bezieht sich auf die Ablösung des Kupferpads und der Ringfläche vom Leiterplatten-Substrat. Es kann durch physische Belastung, Temperaturwechsel oder schlechte Materialhaftung verursacht werden. Zu den vorbeugenden Maßnahmen gehören die Verwendung von Materialien mit hoher Haftfähigkeit, die Minimierung der Wärmeeinwirkung während der Produktion und die Erstellung eines effektiveren Pad-Designs, um mechanische Belastungen besser zu verteilen.
Wichtige Faktoren, die bei der Konstruktion von PCB-Ringflächen zu berücksichtigen sind
Bei der Konstruktion von PCB-Ringflächen müssen mehrere wichtige Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehören die folgenden:
- Breite
Die Breite der Ringfläche ist ein wichtiger Faktor, der bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss. Sie sollte breit genug sein, um eine stabile elektrische Verbindung zu gewährleisten und gleichzeitig den Konstruktionsbeschränkungen der Leiterplatte zu entsprechen. Die Einhaltung von Industriestandards wie IPC-2221 trägt dazu bei, dass die Mindestbreitenanforderungen erfüllt werden. Darüber hinaus sollten bei der Konstruktion auch Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden.
- Toleranzen
Bei der Herstellung von Leiterplatten sind Toleranzen bei der Bohrgenauigkeit und den Bohrpositionen unvermeidbar. Daher sollten diese Toleranzen bei der Konstruktion von Ringflächen berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass auch bei Fehlausrichtungen noch genügend Kupfer vorhanden ist, um das Loch zu umgeben und die Konnektivität aufrechtzuerhalten. Die meisten Leiterplattenhersteller stellen Informationen zu Toleranzen zur Verfügung, die bei der Festlegung sicherer Konstruktionsspielräume sehr nützlich sein können.
- Ausrichtung von Pad und Bohrung
Die perfekte Übereinstimmung zwischen Kupferpad und Bohrung ist von entscheidender Bedeutung. Auch wenn die Ringflächenbreite genau konstruiert ist, kann eine Fehlausrichtung während des Bohrvorgangs dazu führen, dass die Bohrung aus der Mitte verschoben wird, sodass die effektive Ringflächenbreite verringert wird oder sogar die Verbindung unterbrochen wird. Um dieses Risiko so weit wie möglich zu minimieren, sollten die Konstruktionen eine ausreichende Ringflächenbreite aufweisen, um Fehlausrichtungen zu tolerieren, und die Konstrukteure müssen sicherstellen, dass die Registrierungsgenauigkeit ihres Herstellers den Zuverlässigkeitsanforderungen ihrer Konstruktion entspricht.
Abschließende Gedanken
Ringflächen sind für die Zuverlässigkeit von Leiterplatten von grundlegender Bedeutung, da sie als wichtige Verbindung zwischen Durchkontaktierungen und Leiterplattenlagen dienen. Der Erfolg liegt in der Ausgewogenheit konkurrierender Anforderungen: Die Ringflächen müssen breit genug für zuverlässige Verbindungen und dennoch kompakt genug sein, um den Platz auf der Leiterplatte zu maximieren, wobei ausreichende Toleranzmargen für Fertigungstoleranzen vorhanden sein müssen.
Befolgen Sie Industriestandards wie IPC-2221, machen Sie sich mit den Fähigkeiten Ihres Herstellers vertraut und integrieren Sie bei Bedarf Merkmale wie Tropfenformen.
Wenn Sie fachkundige Unterstützung beim PCB-Design oder der Herstellung benötigen, wenden Sie sich gerne an uns – unser Team hilft Ihnen gerne dabei, sicherzustellen, dass Ihre Ringflächen-Designs sowohl zuverlässig als auch produktionsreif sind.
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