Аннулярные кольца печатных плат: расчёт, дизайн, проблемы и решения

Аннулярное кольцо (annular ring) — одна из главных проблем проектировщиков печатных плат. Даже если вы уверены, что виа размещена точно в центре контактной площадки, существуют риски тангенциального касания (tangency) и пробоя (breakout). Статья охватывает расчёт, важность размера, типичные ошибки и способы их устранения.

(Изображение печатных плат с аннулярными кольцами)

1. Что такое аннулярное кольцо печатной платы?

Аннулярное кольцо — область меди контактной площадки, окружающая отверстие (виа) после сверления и металлизации. Ключевой момент — медизированное отверстие (through-hole plating). Вокруг виа должно быть достаточно меди для надёжного соединения между виа и медными трассами, особенно в многослойных платах.

Главная цель — обеспечить качественное электрическое соединение между слоями. Аннулярные кольца служат «якорями» для межслойных переходов. Минимальный диаметр зависит от возможностей производителя. Малые кольца ставяют виа под угрозу — возникают пробои (annular breakouts).

2. Структура аннулярного кольца

В математике аннулюс — кольцевая область между двумя концентрическими окружностями. На печатной плате то же самое: кольцо между внешним краем медной площадки и краём металлизированного отверстия.

Аннулярные кольца обычно круглые. Чем шире кольцо, тем надёжнее медное соединение вокруг отверстия. Чтобы избежать пробоев — увеличивайте размер аннулярного кольца.

(Печатные платы, изображающие круговую структуру аннулярных колец)

3. Важность аннулярного кольца

Без аннулярных колец невозможны надёжные электрические соединения в многослойных платах. Проблемы с кольцами ломают непрерывность трасс и функциональность всей платы.

К сожалению, некоторые проектировщики игнорируют их значение, делая уродливые формы. Это ведет к проблемам с непрерывностью трасс. При сверловке критична точность: сбивка сверла вызывает тангенциальность (касание края площадки). Тангенциальность — дефект, ухудшающий работу платы.

(Аннулярные кольца и другие электрические компоненты)

4. Расчёт аннулярного кольца

Производитель отвечает за точность изготовления, но проектировщик задаёт размеры. Правильный расчёт спасает от переделок.

Формула ширины аннулярного кольца:

Ring Width = (Pad Diameter – Hole Diameter) / 2

Пример: диаметр площадки 22 mil, отверстия 10 mil → (22 – 10) / 2 = 6 mil.

4.1 Определение класса по требованиям

IPC выделяет три класса печатных плат: Class 1 (общая электроника), Class 2 (выделенное назначение), Class 3 (высокая надёжность — медицина, военная, авиация). Для Class 3 требования к размерам площадок строже: они должны быть достаточно большими для диаметра виа.

4.2 Критерии проектирования

Идеально — сверление строго в центре площадки. Реальная точность зависит от оборудования завода. Типичные допуски — ~5 mil (0,127 мм). Проектировщики стараются размещать виа в центре для лучшей связности. Для высокоплотных дизайнов (HDI) делают меньшие кольца, чтобы экономить место.

4.3 Формула расчёта (по IPC-2221A)

Minimum Annular Ring = (Min Ring Border) × 2 + Tolerance + Hole Size

Простая формула: Annular Ring = (Pad Diameter – Hole Diameter) / 2.

Пример: площадка 20 mil, отверстие 10 mil → (20 – 10) / 2 = 5 mil.

Если нужно кольцо 8 mil → диаметр площадки = 8 × 2 = 16 mil (плюс диаметр отверстия).

4.4 Минимальное аннулярное кольцо

Внутренние слои: минимум 0,1 мм (4 mil). Внешние слои: минимум 0,05 мм (2 mil). Для достижения — работайте с проектировщиком, следующим DFM (Design for Manufacturability).

4.4.1 Какое минимальное кольцо возможно?

Теоретический минимум — –1 mil (пробой). Недопустимо — гарантированный разрыв трассы. На практике минимум 0,05 мм (2 mil) на внешних слоях.

4.4.2 Расчёт минимального кольца

То же: (Медь – Сверло) / 2. Большинство проектировщиков согласны: минимум 0,050 мм.

(Печатные платы с одинаковой шириной аннулярных колец)

5. Разница между аннулярным кольцом и черезним отверстием (Through-hole)

Аннулярное кольцо — медь вокруг отверстия. Чем шире, тем лучше связь.

Through-hole (THT) — технология монтажа выводных компонентов: выводы вставляются в отверстия и паяются. Старейшая технология, но удобна для любителей: меньше мостиков, проще пайка.

(Станок, сверлящий аннулярные кольца)

6. Внешнее (OAR) и внутреннее (IAR) аннулярные кольца

Различаются терминологией и расчётом.

6.1 Внешнее аннулярное кольцо (OAR)

Состоит из внешней медной площадки.

Расчёт: OAR = (Copper Pad Diameter – TOOL SIZE) / 2.

TOOL SIZE = FINAL HOLE SIZE + 0,10 мм (для металлизированных PTH) + 0,00 мм (для NPTH).

6.2 Внутреннее аннулярное кольцо (IAR)

Область между отверстием и внешним краем внутренней площадки.

Расчёт: IAR = (Inner Layer Pad Diameter – TOOL SIZE) / 2.

TOOL SIZE то же.

Пример: Площадка 0,60 мм, отверстие 0,25 мм (PTH).
IAR = (0,60 – (0,25 + 0,10)) / 2 = (0,60 – 0,35) / 2 = 0,25 / 2 = 0,125 мм.

(Внутренние и внешние аннулярные кольца печатных плат)

7. Капелькообразное (Teardrop) аннулярное кольцо

При сверловке возможны смещения сверла. Оно может срезать медь на стыке трассы и площадки → разрыв или тонкое соединение. Teardrop (капелька) — плавное расширение трассы при входе в площадку.

Роль teardrop:

• Минимизирует риск трещин на стыке трасса-площадка.
• Повышает устойчивость к термическому шоку.
• Снижает термическое и механическое напряжение в зоне соединения.
• Увеличивает допуск производителя (drill-to-pad tolerance) — упрощает производство.
• Делает плату механически прочнее.

8. Типичные проблемы аннулярных колец

Нежелательное (малое) аннулярное кольцо

Маленькая площадка — сверло съедает всё медь. Решение: прототипирование для выявления ошибок до серийного производства.

Тангенциальность (Tangency)

Сверло каснет края площадки. Если смещение больше — пробой. Решение: точное сверловка, увеличение площадок, teardrop.

Пробой (Breakout)

Металлизация отверстия не окружена площадкой. Причина: смещение слоёв при ламинации. Решение: достаточная ширина кольца по формуле (Pad – Hole) / 2.

(Пробой аннулярного кольца на печатной плате)

9. Вероятность разрыва аннулярного кольца

9.1 Причины разрыва

• Старение платы (долгая эксплуатация).
• Деветтинг (de-wetting) — потеря смачиваемости припоя.
• Загрязнение отверстий при производстве.
• Чрезмерное механическое напряжение (вибрация, изгиб).

9.2 Как избежать

• Качественные материалы (фрагменты FR-4 с высоким Tg).
• Квалифицированные производители.
• Замена старых плат.
• Исключение механических перегрузок.
• Контроль чистоты отверстий при производстве.

10. Навыки корректировки размера аннулярного кольца

Если размеры не те — проблемы в плате. Причина — неточное сверлование. Коррекция требует инструментов CAD (Cadence OrCAD PCB Designer): задайте нужные диаметр площадки и отверстия на этапе Layout.

Резюме

Аннулярные кольца — критические узлы межслойной связи. Без них плата не работает. Многие ошибаются в ширине, допускают пробои и разрывы. Нужен качественный производитель? OurPCB делает платы с точными аннулярными кольцами, без тангенциальностей и пробоев. Заказывайте у нас — организуем обмен опытом и совместное развитие.