Compreendendo a Importância dos Anéis Anulares no Design de PCBs

Os anéis anulares desempenham um papel crucial no design de placas de circuito impresso (PCI), garantindo a conexão elétrica adequada de duas ilhas. O fluxo de sinal e corrente é caracterizado com base na colocação dos anéis anulares entre duas camadas. O cálculo incorreto do tamanho e a colocação inadequada podem levar a comportamento transitório e ruído de cintilação em componentes eletrônicos. Neste artigo, consideraremos todas as etapas importantes para melhorar nosso design em relação a problemas de anel anular, tangência e ruptura.

Um anel anular em uma placa de circuito impresso (PCI) refere-se ao anel de cobre que circunda um furo perfurado na PCI. Devido à complexidade do design, os projetistas de PCI frequentemente precisam usar PCIs de múltiplas camadas. Para conectar as ilhas de trilha dessas duas camadas, um pequeno furo é perfurado através da ilha, conhecido como "via". Este anel faz parte da via e é essencial para garantir uma boa conexão elétrica entre as ilhas de cobre de duas camadas diferentes. Para maior clareza, podemos defini-lo como um acessório cilíndrico de cobre inserido através da via para a conexão de duas camadas. O tamanho e as propriedades elétricas são determinados pelas capacidades do fabricante da PCI.

Estrutura de um Anel Anular

A estrutura de um anel anular em uma PCI pode ser compreendida dividindo-a em seus componentes principais e como ele interage com o restante da PCI. Aqui está uma visão detalhada em 3D:

• Ilha (Pad): A ilha é a área de cobre na PCI onde o anel anular é formado. Ela serve como a área de pouso para o terminal do componente ou via.
• Furo (Via ou Through-Hole): O furo é perfurado através da ilha e da PCI. Pode ser uma via (para conexões entre camadas) ou um furo passante (para componentes through-hole). O furo é tipicamente revestido com cobre para criar um caminho condutor.
• Anel Anular: O anel anular é a área de cobre em forma de anel que circunda o furo perfurado. Ele faz parte da ilha e garante uma boa conexão elétrica.

Por que o Tamanho do Anel Anular é um Parâmetro Importante

O tamanho do anel anular em uma PCI é crítico para garantir conexões elétricas confiáveis e estabilidade mecânica. Uma largura de anel anular adequada é essencial para criar juntas de solda robustas, prevenir rupturas durante a perfuração e reduzir o risco de levantamento da ilha. Isso impacta diretamente a confiabilidade da junta de solda, a condutividade e a resistência mecânica, particularmente em vias de furo passante.

Anéis anulares dimensionados adequadamente acomodam as tolerâncias de fabricação, garantindo uma cobertura de revestimento uniforme e evitando problemas como vazios ou camadas de cobre finas. A conformidade com os padrões da indústria, como as diretrizes IPC, ajuda a manter a fabricação de PCI de alta qualidade e aumenta a confiabilidade geral. Em resumo, o tamanho do anel anular desempenha um papel vital no desempenho, na manufaturabilidade e na confiabilidade a longo prazo das placas de circuito impresso. Colocar o anel sem o cálculo adequado pode levar a uma operação indesejável do circuito.

Parâmetros de Dimensionamento de Anéis Anulares

Os parâmetros de dimensionamento de um anel anular incluem o Diâmetro Externo (OD), o Diâmetro do Furo Perfurado (D) e a Largura do Anel Anular (W). O diâmetro externo é o diâmetro total da ilha, incluindo o anel anular e o furo. O Diâmetro do Furo Perfurado é o diâmetro do furo perfurado através da PCI. Este furo é posteriormente revestido com cobre para formar um caminho condutor. A Largura do Anel Anular é a distância radial entre a borda do furo perfurado e a borda externa da ilha. Esses três parâmetros formam a equação para calcular o tamanho de um anel anular.

Cálculo do Tamanho de Anéis Anulares

Uma fórmula geral é usada para calcular o anel anular, que inclui o Diâmetro Externo (OD), o Diâmetro do Furo Perfurado (D) e a Largura do Anel Anular (W) e é dada como:

Largura do Anel Anular (W) = (Diâmetro Externo (OD) - Diâmetro do Furo Perfurado (D)) / 2    

A fórmula é adequada porque os tamanhos das ilhas e furos perfurados já são otimizados de acordo com o consumo máximo de corrente do circuito da PCI. Veja o exemplo de design dado aqui:

Considerações de Design

• Largura: A largura do anel anular é a distância entre a borda do furo perfurado e a borda da ilha de cobre. Ela precisa ser larga o suficiente para garantir uma boa conexão, mas também pequena o suficiente para se adequar às restrições de design da PCI. A melhor solução possível é seguir padrões da indústria como o IPC-2221, que especificam larguras mínimas de anel anular. Garanta que os processos de design e fabricação acomodem as tolerâncias necessárias.
• Tolerâncias: Durante o processo de fabricação da PCI, existem tolerâncias para o posicionamento e perfuração do furo. Portanto, o anel anular deve ser projetado com essas tolerâncias em mente para garantir que, mesmo com pequenos erros posicionais, ainda haja cobre suficiente ao redor do furo para manter uma conexão. As considerações de design estão listadas na seção de capacidades de um fabricante, o que dá uma intuição sobre a razão máxima e mínima de tolerâncias.

O que é o Anel Anular em Forma de Lágrima?

Um anel anular em forma de lágrima é uma característica de design especializada e muito popular em PCIs, onde a trilha se alarga à medida que se aproxima de um furo perfurado ou via, assemelhando-se a uma forma de lágrima. Em vez de projetar um círculo perfeito, você adiciona um plano poligonal de cobre extra para conectar as bordas externas do anel. O cobre adicional confere ao anel resistência e rigidez adicionais, reduz o risco de rachaduras em cobre fino e fornece proteção contra estresse térmico.

A principal razão para usar anéis anulares em forma de lágrima é se a broca se desviar ligeiramente do curso durante a perfuração. Este problema pode remover muito cobre e comprometer a conexão. Esses tipos de formas são usados com trilhas de camada de cobre fina e em PCIs flexíveis. Eles são comumente empregados em aplicações de alta confiabilidade onde manter a integridade do sinal e a estabilidade mecânica é crítico, como em eletrônicos aeroespaciais, automotivos e médicos. No entanto, esta abordagem não é muito eficaz ao trabalhar com planos de alimentação.

Tipos de Anéis Anulares Usados no Design de PCI

Diferentes tipos de anéis anulares são usados no design de PCI para acomodar vários processos de fabricação, requisitos de design e necessidades funcionais. Aqui está uma visão geral dos principais tipos:

Anéis Anulares Internos

Estes são encontrados nas camadas internas de uma PCI multicamadas. Eles são críticos para conectar diferentes camadas através de vias. Os anéis anulares internos devem ser precisamente alinhados e fabricados para garantir conexões confiáveis entre camadas.

Anéis Anulares Externos

Estes estão localizados nas camadas externas da PCI e são tipicamente visíveis. Eles são usados para montar componentes e conectar os terminais dos componentes às trilhas da PCI. Esses anéis devem suportar processos de soldagem e fornecer conexões mecânicas e elétricas robustas.

Anéis Anulares de Microvia

Microvias são usadas em PCIs de interconexão de alta densidade (HDI). Elas são menores que as vias tradicionais e tipicamente perfuradas a laser. Os anéis anulares ao redor das microvias precisam ser muito precisos para manter a conectividade no layout densamente compactado da PCI.

Anéis Anulares com Cobertura (Tenting)

No tenting, o furo da via é coberto com uma máscara de solda, deixando o anel anular exposto. Este método protege a via de fatores ambientais e previne curtos-circuitos acidentais. O tenting é frequentemente usado em vias que não precisam ser soldadas, mas ainda requerem conexões elétricas.

Problemas Comuns de Anéis Anulares em PCI

Como mencionamos no início, os anéis anulares podem ser complicados de acertar. Os projetistas de PCI podem enfrentar qualquer um dos seguintes problemas com anéis anulares. Os anéis anulares de PCI podem encontrar vários problemas comuns que impactam a confiabilidade e funcionalidade geral da placa de circuito impresso. Compreender esses problemas é crucial para projetar e fabricar PCIs robustas. Aqui estão alguns dos problemas comuns associados aos anéis anulares:

Tangência

Uma tangência ocorre quando você acidentalmente perfura o furo descentralizado. Se estiver tão descentralizado que o furo toca a borda da ilha, você tem uma tangência. Outra causa de tangência é um anel anular que não é largo o suficiente para o furo. Uma tangência interrompe a conectividade e pode até se tornar perigosa.

Ruptura (Breakout)

Uma ruptura é como o próximo estágio da tangência e acontece quando o furo empurra para fora da borda do anel anular e da ilha de cobre. Ele literalmente rompe a partir da ilha. As rupturas acontecem com mais frequência quando as camadas da placa não combinam bem, de modo que o furo não se alinha através de cada camada. Isso pode levar a conexões não confiáveis ou perda completa da conectividade elétrica. A melhor maneira de prevenir rupturas é garantir que o anel anular seja largo o suficiente para acomodar o furo.

Fissura

Os anéis anulares, ao contrário de qualquer outra coisa, podem sofrer estresse e se deteriorar com o tempo. Quando um anel anular quebra ou racha, chamamos isso de fissura. A fissura pode ser causada por enfraquecimento ao longo do tempo, estresse mecânico ou até mesmo estresse ambiental. A melhor maneira de lidar com a fissura é usar materiais de alta qualidade e substituir sua PCI ao longo do tempo conforme ela envelhece. Este problema depende totalmente do fabricante da PCI.

Levantamento da Ilha (Pad Lifting)

O levantamento da ilha ocorre quando a ilha, juntamente com o anel anular, se desprende do substrato da PCI. Isso pode acontecer devido a estresse mecânico, ciclagem térmica ou propriedades adesivas ruins. As soluções incluem o uso de materiais e processos que melhoram a adesão, evitando calor excessivo durante os processos de fabricação e retrabalho, e projetando ilhas e anéis anulares para distribuir o estresse de maneira mais uniforme.

Ao abordar esses problemas comuns, os projetistas e fabricantes de PCI podem melhorar a confiabilidade e o desempenho dos anéis anulares em suas PCIs, levando a uma melhor qualidade geral do produto.

Considerações Finais

Em resumo, o anel anular é uma característica chave no design de PCI que garante conexões elétricas e mecânicas confiáveis entre os componentes e a própria PCI. Seu design adequado é crucial para a funcionalidade, e o design deve acomodar as tolerâncias de fabricação e aderir aos padrões da indústria para manter a integridade da PCI. Compreender as necessidades específicas do seu design de PCI ajuda na seleção do tipo apropriado de anel anular para desempenho e confiabilidade ideais.