Guia Definitivo de Anéis Anulares de PCB: Dicas de Design e Soluções

O anel anular de PCB é uma das maiores preocupações que muitos designers de PCB enfrentam. Embora você possa ter 100% de certeza de que colocou seu via no centro do pad, existem chances de tangências e breakouts. Este artigo é tudo sobre anéis anulares de PCB.

Ele aborda desafios no design de anéis anulares de PCB e suas soluções, bem como a importância do tamanho do anel anular de PCB. Com este artigo, espere aprender muito. A partir daqui, você encontrará um guia aprofundado de design de anel anular de PCB. Como leitor, você entenderá os desafios relacionados a anéis anulares de PCB. Mais ainda, você estará em melhor posição para resolver problemas enfrentados durante a fase de design.

(Imagem de PCBs com anéis anulares)

1. O que é o Anel Anular de PCB?

Um anel anular é a área do pad de cobre que fica ao redor de um furo perfurado e finalizado. O ponto crucial aqui é a metalização de cobre do furo passante. Todo ao redor deste via, precisa haver cobre suficiente. Cobre suficiente permite a formação de conexões confiáveis entre o via e as trilhas de cobre. Isso é comum, especialmente em PCBs multicamadas.

Portanto, o propósito principal dos anéis anulares é estabelecer excelentes conexões, especialmente em PCBs multicamadas. Em outras palavras, anéis anulares servem como âncoras para a placa de circuito impresso. O diâmetro mínimo dos anéis anulares depende das capacidades de um montador de PCB. O diâmetro do furo varia de acordo com a natureza e se há eletrodeposição. Círculos pequenos colocam o via em risco. Anéis pequenos resultam no que é conhecido como breakouts anulares.

2. A Estrutura do Anel Anular de PCB

Na matemática, um anel é um objeto em forma de anel. É uma região que tem um entorno de dois círculos concêntricos. O mesmo é verdade quando se trata de placas de circuito impresso. Equivalentemente, um anel anular é a diferença entre dois círculos ou discos concêntricos. Na forma adjetival, é anular, da mesma forma que um eclipse anular.

Em placas de circuito impresso, anéis anulares são principalmente circulares em estrutura. É importante notar que quanto maior a largura do anel anular, melhor a conexão de cobre ao redor do furo perfurado. Se você quer evitar chances de breakouts, deve aumentar o tamanho do anel anular.

(PCBs representando a estrutura circular dos anéis anulares)

3. A Importância do Anel Anular de PCB

Anéis anulares de PCB são essenciais em um circuito impresso porque dão espaço para conexões elétricas confiáveis em uma placa de circuito. Sem anéis anulares, não haverá as conexões elétricas desejadas em uma placa de circuito. Em uma placa de circuito impresso, questões relacionadas a anéis anulares podem ser problemáticas e podem afetar fortemente a continuidade do traço. Além disso, pode afetar negativamente a funcionalidade de toda a placa.

Infelizmente, alguns designers não levam em séria consideração a importância dos anéis anulares. Alguns projetam PCBs com anéis anulares de formato feio. Fazer isso é um grande problema que pode afetar questões de continuidade de traço. Ao perfurar anéis anulares, a precisão é essencial, onde a perfuração não deve estar fora do alvo. Se esse for o caso, haverá tangência de anel anular. A tangência de anel anular é um problema que impacta negativamente a funcionalidade de uma placa de circuito.

(Anéis anulares de PCBs e outros componentes elétricos)

4. Como Calculamos o Anel Anular de PCB

Embora seja verdade que fabricantes de PCB são responsáveis por fabricar designs precisos, os designers também desempenham um papel enorme. Os designers importam quando se trata de criar designs com tamanhos corretos. Sem os tamanhos corretos de anéis anulares, a funcionalidade geral da placa está em risco. Garantir os tamanhos corretos de anéis anulares evitará dores de cabeça futuras.

Calcular o anel anular de PCB não é tão difícil quanto você imagina. A melhor largura do anel anular é a diferença entre o diâmetro do furo finalizado e o pad de cobre dividida por dois. Vamos assumir que o diâmetro do pad é 22 mils, e o diâmetro do furo é dez mils. Se for assim, o anel anular é calculado assim: (22 - 10) / 2 = 6 mils.

Determine o Tipo de Acordo com as Necessidades

PCBs encontram muito uso em muitas aplicações baseadas em seus altos pontos de ebulição e propriedades de isolamento elétrico. Encontram uso pesado em transferência de calor, equipamentos elétricos e hidráulicos. Recentemente, você pode encontrar o uso de PCBs em eletrodomésticos, equipamentos militares e médicos. Ao calcular o anel anular de PCB, você precisa considerar onde ele será usado. O tipo de anel anular depende das necessidades do seu PCB.

Se sua placa de circuito impresso requer requisitos especiais, então pode requerer anéis anulares de PCB de alta qualidade. O Instituto de Placas de Circuito Impresso lista três classes essenciais de PCBs. Existem produtos PCB de Classe 1, 2 e 3; os de nível 3 encontram grande aplicabilidade em vez de produtos de Classe 1 e Classe 2. Por esse motivo, os requisitos de anel anular de Classe 3 são ligeiramente diferentes. Seus tamanhos de pad precisam ser grandes o suficiente para acomodar o diâmetro do via.

Critérios de Design de Anel Anular de PCB

Sem os critérios de design corretos para anéis anulares de PCB, você pode acabar com uma placa de funcionalidade ruim. Você deve acertar tudo para que seu equipamento funcione como desejado.

Teoricamente, o melhor anel é alcançável perfurando corretamente no centro do pad do via. Na prática, a precisão da perfuração depende do equipamento que um fabricante usa.

Fabricantes de placas de circuito impresso têm tolerâncias específicas para projetar anéis anulares de PCB. Principalmente, é cerca de cinco mils. Idealmente, os designers preferem localizar anéis anulares no centro exato da placa. A razão para isso é garantir excelente conectividade entre as camadas e os vias. Durante a fase de design, é essencial ter alguma configuração adequada do anel anular.

Para designs densos, é vital ter tamanhos menores de anéis anulares. A razão para isso é que o via ou o pad consumirão pequenos espaços.

Fórmula de Cálculo

A fórmula de cálculo de anéis anulares de PCB não é tão complicada quanto você pensa. Infelizmente, porém, muitas pessoas não sabem como chegar a tais cálculos. Para criar vias, significa que o furo perfurado requer um entorno de cobre. O anel de cobre é o tamanho do via ou o diâmetro externo. De acordo com padrões IPC-2221A, o cálculo do tamanho mínimo do anel anular de PCB é o seguinte:

Anel Anular Mínimo = (Borda Mínima do Anel) * 2 + (Tolerância) + (Tamanho do Furo)

O anel anular de PCB é (diâmetro do pad – o furo) / 2. Assuma que você tem um diâmetro de pad de 20 mils e um diâmetro de furo de 10 mils. Por esta razão, a largura do anel anular será 20 – 10 = 5 mils.

Se você sabe que tem um pad particular com anel anular de 8 mils, então o diâmetro do pad é 8*2. Isso será igual a 16 mils. Como você pode ver, a fórmula de cálculo de anéis anulares de PCB não é um processo complicado.

Anel Anular Mínimo

Você precisa prestar atenção à largura mínima do anel. É importante notar que existe um anel anular mínimo nas camadas internas e externas de um PCB. A maioria dos designers concorda com um anel anular mínimo de 0,1mm nas camadas internas de um PCB. Além disso, a maioria dos designers de PCB concorda com 0,05mm como anel anular mínimo na camada externa.

Se você quer alcançar os anéis anulares mínimos melhores e mais desejáveis, precisará considerar algumas coisas. Mas a mais importante é garantir que você trabalhe com um designer que valorize Design para Manufaturabilidade (DFM). Com DFM, você adquirirá PCBs com o tamanho mínimo do anel anular.

Qual é o Menor Anel Anular?

Às vezes, baseado no espaçamento apertado de elementos próximos, os designers escolhem fazer anéis anulares de PCB pequenos. É importante notar que anéis anulares pequenos aumentam as chances de vias perfuradas estarem próximas às bordas dos anéis anulares.

Nos piores casos, o via perfurado pode romper o anel anular. Tal pode resultar em uma conexão de traço quebrada. Muito pior, pode resultar em uma relação frágil, afetando a funcionalidade da placa. O menor anel anular é -1mil. Infelizmente, isso não é ideal porque aumenta a chance de ruptura.

Como Calcular o Menor Anel Anular

Como observado anteriormente, estimar o tamanho do anel anular não é algo difícil. Novamente, quanto menor o anel anular, melhor. Anéis anulares pequenos são excelentes quando se trata de economia de custos. Como o cálculo do anel anular máximo, o mesmo é quase precisamente calcular o menor anel anular. Para calcular o menor anel anular, você precisa pegar a dimensão de cobre e subtrair pelo diâmetro da perfuração. A figura que você obtém deve ser dividida por dois. A maioria dos designers de PCB concorda que o menor anel anular precisa ser 0,050mm.

(PCBs com a mesma largura de tamanho de anel anular)

5. Qual a Diferença entre Anel Anular de PCB e Furo Passante (Through-hole)

Existe uma diferença entre anel anular de PCB e furo passante que vale a pena notar. A área entre o pad de cobre e a borda do via perfurado é um anel anular. Como dito anteriormente, se a largura do anel anular for grande, melhor. Fazer isso pode fornecer conexões para vias perfuradas. Em placas de circuito impresso específicas, anéis anulares são quase do mesmo tamanho.

Quando se trata de PCBs, você frequentemente ouvirá o termo through-hole. Também soletrado como "thru-hole", refere-se a um esquema de montagem aplicável para componentes eletrônicos. Envolve o uso de terminais em elementos inseridos em furos perfurados na PCB. Importante notar que through-hole é uma das tecnologias mais antigas. No entanto, existem razões válidas para usá-lo. Por exemplo, through-hole é ideal para hobbyistas. Vem com pouco alvoroço e poucos erros de acidentalmente criar pontes.

(Uma máquina perfurando anéis anulares de PCB)

6. Anel Anular Externo (OAR) e Anel Anular Interno (IAR)

Um Anel Anular Externo (OAR) é diferente do Anel Anular Interno (IAR), conforme explicado abaixo. Ambos são diferentes em termos de terminologias e seus cálculos.

O que Compõe o Anel Anular Externo

Um anel anular externo consiste em um pad de cobre. O pad de cobre é o material essencial que você encontrará em um anel anular externo.

Como Calcular

Calcular o Anel Anular Externo é um processo fácil. O anel anular externo é 1/2 (O diâmetro do pad externo). Aqui está um exemplo claro de como calcular o anel anular externo:

OAR = (Diâmetro do pad de cobre – TAMANHO DA FERRAMENTA)/2. É assim que se alcança tais medições. TAMANHO DA FERRAMENTA = TAMANHO FINAL + 0,10mm para furos PTH + 0,00mm para todos os furos NPTH.

O que é um Anel Anular Interno

O Anel Anular Interno (IAR) é a área que fica entre o furo de solda e a borda externa do pad de solda. É simples assim. Muito melhor, não é um processo difícil calcular o anel anular interno de um PCB. Tudo é explicado abaixo:

Como Calcular

O Anel Anular Interno é 1/2 (Diâmetro do pad da camada interna – ). Para calcular o anel anular interno, você precisa pegar o diâmetro do pad de cobre, menos o TAMANHO DA FERRAMENTA. Depois disso, você precisa dividir a figura que obtiver por 2. TAMANHO DA FERRAMENTA = TAMANHO FINAL + 0,10mm para todos os furos PTH + 0,00mm para todos os furos NPTH.

Assuma que você quer calcular o IAR em um pad de cobre de 0,60mm com um furo finalizado consistindo de diâmetro de 0,25mm. Portanto, o IAR será o seguinte:

0,60mm – (0,25mm + 0,10mm) /2. Isso será igual a 0,60mm – 0,35mm / 2 = 0,250mm/2. O resultado é 0,125mm.

(Anéis anulares internos e externos de PCBs)

7. O que é o Anel Anular em Forma de Gota (Teardrop)?

Quando se trata da fabricação de PCBs, você pode encontrar o termo teardrop (gota). O nome vem baseado em sua forma. Teardrops ocorrem principalmente durante o processo de perfuração. Durante a perfuração, possibilidades de desalinhamentos da broca são comuns. Aqui, uma broca pode remover muito cobre das junções de um PCB.

Tal pode trazer conexões de traço quebradas ou uma conexão fina. Mas importante notar é que teardrops desempenham papéis essenciais em PCBs. A maioria dos designers os usa para prevenir microfissuras. Microfissuras ocorrem principalmente na conexão do pad e da trilha. Mas o propósito principal dos teardrops é garantir integridade durante a produção de PCB.

Isso é verdade, especialmente em casos onde a broca fica desalinhada durante a perfuração. Existem outras razões pelas quais designers de PCB usam teardrops. Algumas das razões mais importantes incluem:

• Minimiza o risco de rachaduras.
• Melhoram significativamente a resistência ao choque térmico do equipamento.
• Minimizam estresse térmico e mecânico em locais onde a trilha se junta ao pad.
• Ajudam a aumentar a tolerância do fabricante de PCB da perfuração ao pad. Isso torna a produção de uma placa de circuito mais confortável.
• Reduzem dramaticamente as chances de rachaduras.
• Teardrops também tornam as placas de circuito mais robustas mecanicamente.

8. Problemas Comuns de Anel Anular de PCB

Existem muitos problemas de anel anular de PCB que valem a pena notar. Muitos designers os enfrentam quase diariamente. Esses problemas são comuns já que cada fabricante usa diferentes matérias-primas, força de trabalho e táticas de design. Embora existam muitos problemas, alguns dos mais comuns incluem:

Anel Anular Indesejado

Anéis anulares indesejados são problemas comuns de PCB. Se o tamanho do pad tender a ser pequeno, pode falhar. A razão para isso é que o furo de perfuração consumirá muito espaço nos pads. Para os designers evitarem isso, a prototipagem é necessária.

A prototipagem garante a evitação de anéis anulares indesejados antes da produção em massa. Com protótipos, é possível detectar erros cedo antes da produção em massa.

Tangência

A tangência de anel anular de PCB é outro problema comum que enfrenta designers de PCB. No momento em que a perfuração erra a marca desejada, o furo resultante se direciona para o tamanho do pad. No momento em que o furo toca a borda do pad, traz uma tangência de anel anular.

Se a perfuração desviar ainda mais, então é perigoso. Isso traz instâncias de breakouts. Se você quer evitar tangências, deve garantir que a perfuração seja perfeita. Sua perfuração deve acertar a marca. A precisão da perfuração deve estar no ponto.

Breakout (Ruptura)

Breakouts também são problemas comuns de anéis anulares de PCB. Breakouts anulares acontecem no momento em que o via perfurado não obtém o cercamento desejado pelo pad. Principalmente, breakouts ocorrem quando o processo de laminação faz partes de um PCB se moverem de onde devem ficar.

Você quer evitar casos de breakouts? Se sim, precisa garantir que a largura do anel anular seja ideal. Como mencionado anteriormente, a largura do anel anular é o diâmetro do pad – o diâmetro do furo / 2.

(Breakout de anel anular em um PCB)

9. Probabilidade de Ruptura Causada pelo Anel

O que é a Ruptura do Anel Anular (Causas)

Várias causas podem fazer anéis anulares em um PCB romperem. Na maioria dos casos, é devido ao envelhecimento de uma placa de circuito. Placas antigas ou que operam por muito tempo são propensas a ruptura de anel anular. Com a idade, fique certo de uma ruptura de componente. Além disso, desmolhagem (de-wetting) do anel anular é outra razão para a ruptura.

Contaminação nos furos durante o processo de fabricação é outra razão para ruptura de anel anular. Existem outras causas conhecidas por trazer a fratura dos anéis anulares. Estresse mecânico excessivo é conhecido por causar rachaduras nos anéis anulares. No entanto, nem tudo está perdido, pois existem maneiras de evitar instâncias de ruptura nos anéis anulares.

Como Podemos Evitar

Existem várias maneiras de garantir que você evite casos de ruptura do anel anular. Primeiro, você precisa garantir que o tipo de material que usa é da mais alta qualidade. Além disso, você precisa garantir que trabalhe com fabricantes qualificados. Se você obtiver seus PCBs de fabricantes experientes, fique certo de nenhuma chance de ruptura de anel anular.

Você também pode ter que substituir seus PCBs, especialmente se forem antigos. Certifique-se de não submeter seus PCBs a estresse mecânico excessivo. Para estar do lado seguro, garanta que não haja contaminação nos furos. Certifique-se de que o processo de fabricação siga todos os procedimentos para evitar tais casos.

10. Habilidades de Ajuste de Tamanho de Anel Anular de PCB

Se os tamanhos dos seus anéis anulares estiverem errados, isso pode significar problemas em sua placa de circuito. Anéis anulares que não são do tamanho desejado não funcionarão como pretendido. Problemas no tamanho do anel ocorrem se a perfuração não for precisa. Mas alterar tamanhos de anéis anulares de PCB requer algumas habilidades especiais. Tal é facilmente possível, especialmente se você tiver algumas ferramentas.

As melhores ferramentas são aquelas disponíveis da Cadence e são excelentes para projetar PCBs e análise. Se você usar o OrCAD PCB Designer, será capaz de obter os tamanhos de anel anular desejados. Tudo o que você tem a fazer é inserir seu pad desejado e comprimento do furo. Você tem que fazer isso durante o layout do design de PCB.

Resumo

O toroide é muito importante no PCB. Eles atuam como nós de interconexão, operando entre diferentes camadas do PCB. Sem anéis anulares, PCBs não funcionarão como pretendido. Infelizmente, muitos designers de PCB não acertam quando se trata de anéis anulares. Muitos falham em obter a largura correta enquanto outros acabam com desafios de ruptura de anéis anulares.

Você requer PCBs de alta qualidade com os melhores anéis anulares? Se sim, não procure além da OurPCB. Fabricamos alguns dos melhores PCBs com a largura de anel anular desejada. Nossos PCBs raramente sofrem de tangência e breakouts. Para os melhores PCBs, obtenha-os conosco. Conosco, podemos organizar trocas para que aprendamos assuntos sobre PCBs juntos.