Guía Definitiva de Anillos Anulares PCB: Consejos de Diseño y Soluciones

El anillo anular (annular ring) PCB es una de las mayores preocupaciones para muchos diseñadores. Aunque estés 100% seguro de haber colocado tu via en el centro del pad, existen riesgos de tangencias y breakouts. Este artículo trata sobre anillos anulares PCB.

Aborda desafíos en el diseño, soluciones y la importancia del tamaño del anillo anular. Aprenderás mucho: desde una guía de diseño en profundidad hasta comprender desafíos y resolver problemas en la fase de diseño.

(Imagen de PCBs con anillos anulares)

1. ¿Qué es el Anillo Anular PCB?

Un anillo anular es el área del pad de cobre que rodea un agujero taladrado y acabado. El punto clave es el plateado de cobre del through-hole. Alrededor de esta via, debe haber suficiente cobre para permitir conexiones fiables entre la via y las pistas de cobre, algo común en PCBs multicapa.

Por tanto, el propósito principal es establecer excelentes conexiones, especialmente en PCBs multicapa. En otras palabras, los anillos anulares sirven como anclajes para el PCB. El diámetro mínimo depende de las capacidades del ensamblador. El diámetro del agujero varía según la naturaleza y si hay galvanoplastia. Círculos pequeños ponen en riesgo la via. Anillos pequeños causan breakouts anulares.

2. Estructura del Anillo Anular PCB

En matemáticas, un anillo es un objeto con forma de anillo: región entre dos círculos concéntricos. Lo mismo ocurre en PCBs. Equivalentemente, un anillo anular es la diferencia entre dos círculos o discos concéntricos. En forma adjetival, es "anular", como un eclipse anular.

En PCBs, los anillos anulares son mayormente circulares. Cuanto mayor el ancho del anillo, mejor la conexión de cobre alrededor del agujero. Para evitar breakouts, aumenta el tamaño del anillo.

(PCBs mostrando la estructura circular de anillos anulares)

3. Importancia del Anillo Anular PCB

Los anillos anulares son esenciales porque permiten conexiones eléctricas fiables. Sin ellos, no hay conexiones deseadas. Problemas con anillos anulares pueden afectar gravemente la continuidad de pistas y la funcionalidad de la placa.

Desafortunadamente, algunos diseñadores no consideran seriamente su importancia. Algunos diseñan PCBs con anillos anulares de forma deficiente, lo que afecta la continuidad de pistas. Al taladrar, la precisión es crucial: el taladro no debe desviarse. Si lo hace, hay tangencia anular, lo que afecta negativamente la funcionalidad.

(Anillos anulares PCB y otros componentes eléctricos)

4. Cómo Calcular el Anillo Anular PCB

Aunque los fabricantes son responsables de fabricar diseños precisos, los diseñadores juegan un papel crucial en el tamaño correcto. Sin tamaños correctos, la funcionalidad está en riesgo. Asegurar tamaños correctos evita dolores de cabeza posteriores.

Calcular el anillo anular no es difícil. El mejor ancho es la diferencia entre el diámetro del agujero acabado y el pad de cobre, dividido entre dos. Ejemplo: pad 22 mils, agujero 10 mils → (22-10)/2 = 6 mils.

4.1 Determinar el Tipo según Necesidades

Los PCBs se usan en muchas aplicaciones por sus altos puntos de ebullición y propiedades aislantes: transferencia de calor, equipos eléctricos/hidráulicos, electrodomésticos, militar, médico. Al calcular, considera dónde se usará. El tipo depende de las necesidades de tu PCB.

Si tu PCB requiere requisitos especiales, puede necesitar anillos anulares de alta calidad. IPC lista tres clases: Clase 1, 2, 3 y 3A. La Clase 3 tiene mayor aplicabilidad. Sus requisitos son ligeramente distintos: pads más grandes para acomodar el diámetro de la via.

4.2 Criterios de Diseño del Anillo Anular

Sin criterios correctos, terminas con placa de mala funcionalidad. Debes acertar para que el equipo funcione como se desea.

Teóricamente, el mejor anillo se logra taladrando exactamente en el centro del pad de la via. En la práctica, la precisión depende del equipo del fabricante.

Los fabricantes tienen tolerancias específicas, típicamente ~5 mils. Los diseñadores prefieren centrar los anillos para asegurar conectividad entre capas y vias. En diseño, es esencial configurar correctamente el anillo.

Para diseños densos, tamaños de anillo menores son vitales porque la via o pad consumen poco espacio.

4.3 Fórmula de Cálculo

La fórmula no es complicada, pero muchos no la conocen. Para crear una via, el agujero taladrado necesita cobre alrededor. El anillo de cobre es el tamaño de la via o diámetro exterior. Según IPC-2221A:

Anillo Anular Mínimo = (Borde Mínimo del Anillo) × 2 + (Tolerancia) + (Tamaño del Agujero)

El anillo anular PCB = (diámetro del pad – el agujero) / 2. Ejemplo: pad 20 mils, agujero 10 mils → ancho = 5 mils.

Si sabes que un pad tiene anillo de 8 mils, el diámetro del pad = 8×2 = 16 mils. El cálculo no es complicado.

4.4 Anillo Anular Mínimo

Debes prestar atención al ancho mínimo. Hay mínimo en capas internas y externas. La mayoría de diseñadores acuerdan 0,1 mm en capas internas y 0,05 mm en externas.

Para lograr los mejores mínimos, trabaja con un diseñador que valore Design for Manufacturability (DFM). Con DFM, obtendrás PCBs con tamaño mínimo de anillo.

4.4.1 ¿Cuál es el Anillo Anular Más Pequeño?

Por espaciado ajustado de elementos cercanos, a veces se hacen anillos pequeños. Esto aumenta probabilidad de que vias taladradas queden cerca de los bordes. En peor caso, la via rompe el anillo → conexión de pista rota, relación frágil, funcionalidad afectada. El más pequeño es -1 mil, pero no es ideal por riesgo de breakout.

4.4.2 Cómo Calcular el Anillo Anular Mínimo

Estimar el tamaño no es difícil. Menor anillo = ahorro de costes. Cálculo similar al máximo: dimensión de cobre menos diámetro de taladro, dividido entre dos. La mayoría acuerda que el mínimo debe ser 0,050 mm.

(PCBs con mismo ancho de anillo anular)

5. Diferencia entre Anillo Anular PCB y Through-Hole

Diferencia importante: el área entre el pad de cobre y el borde de la via taladrada es el anillo anular. Si el ancho es grande, mejor: proporciona conexiones para vias taladradas. En algunos PCBs, los anillos son casi del mismo tamaño.

En PCBs, oirás "through-hole" (o "thru-hole"): esquema de montaje para componentes electrónicos. Implica usar terminales insertados en agujeros taladrados en el PCB. El through-hole es tecnología antigua, pero con razones válidas: ideal para aficionados, pocos problemas de puentes accidentales.

(Máquina taladrando anillos anulares PCB)

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

OAR e IAR difieren en terminología y cálculo.

6.1 Qué Compone el Anillo Anular Externo

Consiste en un pad de cobre, el material esencial.

Cómo Calcular

Proceso fácil: OAR = ½ (Diámetro del pad exterior). Ejemplo claro: OAR = (Diámetro pad de cobre – TAMAÑO HERRAMIENTA)/2. TAMAÑO HERRAMIENTA = TAMAÑO FINAL + 0,10 mm para agujeros PTH + 0,00 mm para NPTH.

6.2 Qué es un Anillo Anular Interno

El IAR es el área entre el agujero de soldadura y el borde exterior del pad de soldadura. Simple y fácil de calcular.

Cómo Calcular

IAR = ½ (Diámetro pad capa interna – ). Toma diámetro pad de cobre, resta TAMAÑO HERRAMIENTA, divide entre 2. TAMAÑO HERRAMIENTA = TAMAÑO FINAL + 0,10 mm para todos los agujeros PTH + 0,00 mm para NPTH.

Ejemplo: IAR en pad de cobre 0,60 mm con agujero acabado 0,25 mm → 0,60 – (0,25+0,10) /2 = 0,60 – 0,35 /2 = 0,25/2 = 0,125 mm.

(PCBs anillos internos y externos)

7. ¿Qué es el Anillo Anular en Forma de Gota (Teardrop)?

En fabricación de PCBs, aparece el término "teardrop" (gota) por su forma. Ocurren durante el taladrado. Posibles desalineaciones de la broca son comunes: puede eliminar mucho cobre de las uniones.

Esto puede causar conexiones rotas o delgadas. Pero los teardrops juegan roles esenciales: previenen microgrietas en la unión pad-pista. Su propósito principal: asegurar integridad durante producción, especialmente si la broca se desalinea.

Otras razones para usar teardrops:

• Minimizan riesgo de grietas
• Mejoran significativamente resistencia al choque térmico
• Minimizan estrés térmico y mecánico donde la pista une al pad
• Amplían tolerancia del fabricante: taladro-pad, facilitando producción
• Reducen drásticamente posibilidades de agrietamiento
• Hacen placas mecánicamente más robustas

8. Problemas Comunes del Anillo Anular PCB

Muchos problemas, enfrentados casi a diario. Comunes porque cada fabricante usa materiales, mano de obra y tácticas distintas. Los más frecuentes:

Anillo Anular No Deseado

Común. Si el pad es pequeño, puede fallar: el agujero consume mucho espacio en el pad. Para evitarlo, prototipado necesario. Detecta errores antes de producción masiva.

Tangencia

Otro problema común. Si el taladro falla el centro, el agujero se desplaza hacia el borde del pad. Al tocar el borde, hay tangencia. Si desvía más, hay breakout. Para evitar tangencias: taladrado perfecto, precisión total.

Breakout (Ruptura)

Común. Ocurre cuando la via taladrada no queda rodeada por el pad. Mayormente por movimiento de capas durante laminación. Para evitarlo: ancho de anillo ideal. Como se dijo: ancho = (diámetro pad – diámetro agujero) / 2.

(Breakout de anillo anular en PCB)

9. Probabilidad de Ruptura por el Anillo

9.1 Qué es la Ruptura del Anillo Anular (Causas)

Varias causas: envejecimiento de la placa (placas viejas o uso prolongado), de-wetting del anillo, contaminación en agujeros durante fabricación, estrés mecánico excesivo. Hay formas de evitarlo.

9.2 Cómo Evitarlo

• Material de máxima calidad
• Fabricantes cualificados
• Reemplazar PCBs viejos
• Evitar estrés mecánico excesivo
• Sin contaminación en agujeros
• Proceso de fabricación siguiendo todos los procedimientos

10. Habilidades para Ajuste de Tamaño de Anillo Anular

Si los tamaños están mal, hay problemas en el circuito. Anillos de tamaño incorrecto no funcionan. Los problemas ocurren si el taladrado no es preciso. Cambiar tamaños requiere habilidades especiales, posible con herramientas adecuadas.

Las mejores herramientas son de Cadence, excelentes para diseño y análisis de PCBs. Con OrCAD PCB Designer, obtendrás tamaños deseados. Solo introduce pad y longitud de agujero deseados durante el layout.

Resumen

El toroide (anillo anular) es muy importante en PCB. Actúan como nodos de interconexión entre capas. Sin ellos, PCBs no funcionan. Desafortunadamente, muchos diseñadores no aciertan: fallan en ancho correcto o sufren rupturas.

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