Specificaties van annular rings zijn niet voor één gat te vangen

Op elke PCB zitten wel ronde eilanden van koper vrij van soldeermasker en met een gat in het midden. Zo’n gat is meestal doorgemetalliseerd, zodat het een signaal kan geleiden naar één of meerdere andere lagen van de printplaat. Ze worden gebruikt voor bijvoorbeeld via’s, aardings- en montagegaten en als basis voor het solderen van through-hole componenten.

Deel 2 van een serie artikelen over PCB-ontwerp en productie; door: Saar Drimer, editor bij Eurocircuits (bekijk hier deel 1)

Het gebied op de PCB tussen de diameter van het afgewerkte gat en de diameter van het ronde kopereilandje wordt aangeduid als de annular ring. De grootte van deze ring wordt gedefinieerd als de afstand tussen de buitendiameter en de binnendiameter ervan, wat verwarrend kan zijn omdat we het in feite hebben over het verschil in hun stralen in plaats van hun diameters. Voor een betrouwbare printplaatproductie geldt een minimumeis voor de grootte van de annular rings. Dan is het wel handig als ontwerper en PCB-producent daar hetzelfde onder verstaan

Een ontwerper geeft in zijn digitale data aan hoe de printplaat er uit moet komen te zien, en verwacht dat dit aan het einde van het productieproces ook precies zo is gerealiseerd in de fysieke printplaat. Voor het betrouwbaar kunnen produceren van de printplaat gelden echter ook specificaties, waarmee je tijdens het ontwerp al rekening moet houden. Dat gaat zeker op voor het maken van de gaten.

Omdat het voor de meeste printplaten gebruikte FR4 materiaal niet-geleidend is, moet het gat door het substraat geleidend worden gemaakt, zodat signalen ook door de printplaat kunnen lopen. Dat gebeurt door eerst een geleidende koolstoflaag op de wand van het gat aan te brengen. Vervolgens wordt daarop door galvanisatie een koperlaag van 20 µm (althans door Eurocircuits; het IPC-minimum is 18 µm) aangebracht. Hiermee voldoen de gaten aan de elektrische en mechanische eisen voor solderen en langdurig gebruik.

Door dit proces wordt de gatdiameter 0,10 mm kleiner dan de diameter van het oorspronkelijk geboorde gat. Het verschil tussen de werkelijke boorgatdiameter en de uiteindelijke einddiameter van het gat heeft echter ook consequenties voor de berekening van de grootte van de annular ring.

Verwarring

Stel nu dat het gat was geboord met de maat die de ontwerper voor het uiteindelijke gat had opgegeven en vervolgens van een koperlaagje was voorzien: dan was het gat 0,10 mm te klein. Dat is natuurlijk niet de bedoeling. Om rekening te houden met de extra koperdikte van het galvaniseren boren PCB-fabrikanten daarom grotere gaten.

In de praktijk is er dan sprake van twee diameters voor het gat: de werkelijke boordiameter en de voltooide gatdiameter. Dit leidt soms tot verwarring. Omdat fabrikanten het FR4 boren vóór het galvanische koperproces, wordt de werkelijk vereiste minimale annular ring gemeten tussen de diameter van het koperen vlak en de diameter van het werkelijk geboorde gat. En dus niet tussen de diameter van het vlak en de diameter van het afgewerkte gat. Dit betekent dat voor elke berekening van de annular ring de dikte van de aan te brengen koperlaag bekend moet zijn.

Is de ring echt nodig?

Je kunt je afvragen waarom die annular ring überhaupt nodig is; je kunt het gat toch ook van een koperlaagje voorzien zonder die ring? Dat is niet zo, en wel om twee redenen. Ten eerste is een voldoende groot koperen eiland op het oppervlak nodig om het gat zo te verkoperen dat het voldoende mechanische sterkte heeft om betrouwbaar te kunnen worden vervaardigd, gesoldeerd en gebruikt. De ringvormige structuur helpt tijdens de productie en het solderen het voorkomen van scheuren, alsmede de vorming van holten en andere onvolkomenheden. Ten tweede kan hiermee worden gecompenseerd voor eventuele misregistratie (een minimale foutieve uitlijning tussen het gat en het eiland) en afwijkingen, die bij het boren en uitlijnen naar voren komen.

Rekenvoorbeeld

Stel we willen een afgewerkt gat van 0,25 mm, dat de door de fabrikant aangebrachte koperdikte inclusief afwerking 0,1 mm is en dat de grootte van de annular ring (de ringmaat) minimaal 0,125 mm moet zijn (de afstand tussen de diameters gedeeld door twee). Dan kan je de volgende berekening maken voor de minimaal benodigde eilanddiameter:

Andere vormen

Naast rond met een gat in het midden kunnen er ook andere vormen voor de eilanden worden ontworpen. Ook hier is het zaak om te komen tot een dusdanige verbinding tussen het gat en het eiland, zodat er betrouwbaar op het eiland kan worden gesoldeerd.

In de afbeelding is een voorbeeld te zien van een langwerpig eiland. Hiervoor gelden twee eisen. De twee tegenover elkaar liggende zijden moeten minstens 0,3 mm van de rand van het boorgat verwijderd zijn en de diameter van het boorgat moet volledig binnen het koperen eiland liggen (maar kan dan wel net tegen de randen liggen).

Afgaande op de ideale weergave (rechts in de afbeelding) zou je kunnen aannemen dat de twee koperen gebieden door het gat van elkaar worden gescheiden en dus ook elektrisch van elkaar zijn geïsoleerd. In de praktijk valt dat echter anders uit. Door het aanbrengen van een dun koperlaagje in het gat worden die twee gebieden wel met elkaar verbonden. Bovendien zijn er nog de onvermijdelijke fabricageafwijkingen die kunnen leiden tot een verkeerde uitlijning tussen het gat en het eiland, waardoor er een asymmetrie ontstaat met aan de ene kant meer en de aan de andere kant minder koper van het eiland. Bij aansluiting van een koperspoort op het eiland moet je daarmee rekening houden.

Deze vormen worden gebruikt bij through-hole componenten waar de pinnen dicht bij elkaar staan, bijvoorbeeld connectoren. Zodra deze zijn gesoldeerd zijn de onvolkomenheden door een mogelijk verkeerde uitlijning in de regel wel opgelost en is er sprake van een solide verbinding. Dat wil echter niet zeggen dat je je daar als ontwerper dus niet druk om hoeft te maken, want het gaat ook om de produceerbaarheid van de PCB. Dan kan je het ontstaan van breuken aan beide zijden vermijden door het eiland aan de zijkanten net wat groter te dimensioneren.

Feedback

Voor het indienen van printplaatontwerpen voor PCB-productie stelt Eurocircuits de gratis Visualiser tool beschikbaar. Op basis van de analysemogelijkheden van deze tool kan je al in het ontwerpproces zekerheid krijgen of alles de juiste afmetingen heeft voor productie. Zo ook voor de annular rings. Als die te klein zijn, dan wordt dat gemarkeerd in Visualiser en kan je het ontwerp alsnog aanpassen. Meer informatie over annular rings is te vinden bij: https://www.eurocircuits.com/faq/annular-ring-oar-iar.

Dit artikel verschijnt ook in ElektroData 2 – 2023