Platine mit bedrahteten Bauteilen
Die Enstehungsgeschichte im Überblick
JahrBeschreibung
01/2013Ideenfindung
02/2013Erstellung der Hauptseite
02/2013Neue Artikel hinzugefügt
05/2013Viele neue Gestaltungsmerkmale ergänzt
Shop el~pa~bo wird integriert
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Pad, Restring, Bohrloch und Co.

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Allgemeines zum Pad, das Ding mit Restring und Bohrloch

Um den Pin oder die Elektrode eines Bauteiles mit der Leiterplatte sicher verbinden zu können, ist neben der Hülse der Durchkontaktierung auch ein Pad (historisch auch oft als Lötauge bezeichnet) notwendig. Dies garantiert die Aufnahme von genügend Lot, um das Bauteil gegen entstehende Kräfte auf der Leiterplatte zu fixieren. Ebenfalls verbessert das Lötauge, welches ich im Folgenden als Restring bezeichne, die elektrischen Eigenschaften bei der Anbindung der Leiterbahnen an die Durchkontaktierung, die Signalintegrität und nicht zuletzt die Qualität bei der Herstellung der Leiterplatte. Die Lötaugen (Lötpads) müssen dazu zwangsläufig größer sein als die zugehörige Bohrung. Wie genau ein solcher Restring ausgeformt sein muss, ist beispielsweise in der IPC-2221 festgehalten. Angebracht ist noch ein Hinweis zu diesem Kapitel. Der Begriff "Pad" wird in der Leiterplattentechnik allgemein für eine Kontaktiermöglichkeit eines Bauteiles oder zu Prüfzwecken verwendet. Ganz gleich also, ob es sich um den Anschluß eines bedrahteten Bauteils, eines Finepitch-oberflächenmontierten Bauteils oder auch nur um ein Pad für einen Nadeladapter handelt. Dieses Kapitel soll lediglich das durchkontaktierte Pad beschreiben, um dem Leser die Wichtigkeit des Restringes näher zu bringen. SMD-Pads oder auch Testpunkte werden in separaten Kapiteln beschrieben.

Design- anforderungen

Für den Anfang sollte man bereits wissen, dass Restringe unterschiedliche Toleranzen und Mindestgrößen haben – abhängig von deren Verwendung als Via oder als Lötpad. Die Lötprozesse üben ebenfalls Einfluß auf die Gestaltung eines Restring aus. So sollten Lötpads für Handlötungen und Selektivlötungen einen ausreichend großen Restring aufweisen, um der Lötkolbenspitze einen möglichst guten Wärmeübergangskontakt (Kontaktfläche) bieten zu können. Allerdings darf die Fläche hinsichtlich des Wärmeentzugs an der Lötkolbenspitze nicht zu stark vergrößert werden. Um dem Wärmeentzug entgegen zu wirken, sollten die Pads auf der gegenüberliegenden Seite der Lötstelle (Primärseite, oder auch Lotzielseite) kleiner gestaltet werden. Bei einer Vielzahl der Fälle ist an den Restring ein Signal in Form einer Leiterbahn direkt angeschlossen. Es gibt jedoch auch den Fall, dass der Restring eines Pads eine Kupferfläche (z.B. zur Groundanbindung) kontaktieren soll. Hier wird das Pad mittels sogenannter Thermal Pads angeschlossen. Unterlässt man das, hat der Bestücker keinen sonderlichen Spaß daran die Bauteile zu verlöten, da der Wärmeentzug sehr groß sein wird. Der Lötkolben muss dann die umgebende Fläche zumindest partiell mit aufheizen. Merken wir uns also, dass Bauteile an große Flächen mittels Thermal Pads (Wärmefallen) auch in Innenlagen angeschlossen werden. Via’s hingegen können direkt an Flächen kontaktiert werden.

Ermittlen des Restringes

Wir wissen bereits, dass der Restring das Kupfer abbildet, welches die Bohrhülse einer Durchkontaktierung umgibt. Mathematisch gesprochen: Zieht man vom Bohrduchmesser den Paddurchmesser ab und teilt diesen durch zwei, erhält man die Restringbreite.


Berechnungsvorschrift für den minimalen Restring:



Restring = 0,5 * (Paddurchmesser – Bohrenddurchmesser)

Bemerkung:


Der Bohrdurchmesser kann nach folgender Daumenregel berechnet werden:



Bohrdurchmesser = maximaler Drahtdurchmesser des Bauteils + 250µm

Wie man den Restring bestimmt
Begriffe und Aussehen eines Pads mit Bohrung (schwarz) und Restring (weiß)

Selbstverständlich gibt es genauere Formeln um Restring und Bohrdurchmesser IPC-konform zu bestimmen. Hier kann man entweder diese Formeln bemühen oder auf die Vorarbeit anderer setzen. Es stehen Tabellen zur Verfügung, aber auch spezielle Tools (z.B. Footprint Designer der Firma pcb Libraries) oder auch Excel-basierte Berechnungsgrundlagen. Wichtig dabei ist, bevor man diesen Tools vertraut, sollte man sich versichern, dass und ob sich darin auch auf eine bestimmte IPC-Richtlinie bezogen wird.
Während der Berechnung bzw. Ermittlung darf man keinesfalls die Untergrenzen des Restring aus den Augen verlieren. Via’s sollten einen minimalen Restring von umlaufend 150µm nicht unterschreiten. Durchkontaktierte Bauteilanschlüsse (Through Hole Pads) sollten hingegen einen minimalen Restring von umlaufend 300µm nicht unterschreiten. Eine Besonderheit stellen einseitige Design’s dar. Hier werden mechanische Kräfte nicht von der Bohrhülse aufgenommen, da diese nicht kontaktierbar ist (keine Kupferabscheidung bei der Herstellung). Das Pad übernimmt folglich die Aufgabe der mechanischen Bauteilfixierung gänzlich allein und hängt lediglich von dessen Klebkraft / Adhäsion am Basismaterial ab. Diese Klebkraft kann und sollte man in derlei Design’s unterstützen, indem man einen größeren Restring vorsieht. Werte größer 500 µm haben sich dabei bewährt.

Über den Tellerrand geschaut

Vielleicht hat der Ein oder Andere schon mal etwas von Teardrops gehört. Es handelt sich um ein spezielles Verfahren, bei welchem der Designer die Anschlussfläche eines Pads hin zur Leiterbahn mit einer speziellen Geometrie im Kupfer versieht - ähnlich einer Träne oder eines Wassertropfens. Dies wird zumeist in der Layoutsoftware konfiguriert und kann dann relativ einfach automatisch hinzugefügt werden. Es handelt sich dabei um ein historisch begründetes Verfahren. Die Übergänge zwischen Leiterbahn und Pad galten in den Anfängen der Leiterplattentechnik als kritisch (herstellungsbedingt). Um die Signalanbindung sicherer gestalten zu können, suchte man nach geeigneten Lösungen um beispielsweise prozessbedingte Ablöseerscheinungen der Leiterbahnen von der Durchkontaktierung zu verhindern. Bis zum heutigen Zeitpunkt hat man ausreichend große Schritte in der Prozessoptimierung vornehmen können. Aus diesem Grund kann man auf die spezielle Form der Leiterbahnanbindung an die Durchkontaktierung verzichten. Artverwandte Themengebiete: Toleranzraum

Dies Nichts ist mehr als Etwas. (William Shakespeare, Hamlet)

Ich bezweifele, dass William Shakespeare in seinen literarischen Ergüssen eine Leiterplatte vor Augen hatte. Nichts desto Trotz, trifft die Absatzüberschrift genau den Punkt. Das Bohrloch eines durchkontaktierten Pads ist viel mehr, als nur Etwas. So unscheinbar es auf den ersten Blick wirkt, so funktionell ist es eben doch. Das Bohrloch ermöglicht offensichtlich die einfache Montage bedrahteter Bauelemente. Wir erinnern uns an das Kapitel: Historisches. Die Idee - ein Meilenstein der elektrotechnischen Entwicklung. Das Bohrloch und der Prozess der elektrochemischen Kontaktierung bei der Herstellung ermöglicht fast nebenläufig eine hervorragende elektrische Verbindung. Der korrekt gewählte Durchmesser der Bohrung - passend zum jeweiligen Drahtdurchmesser - ermöglicht im Zusammenhang mit und scheinbar auch irgendwie gegen die Physik das Aufsteigen des Lötzinnes, quasi Kapillareffekt vs. Schwerkraft. Es ist also wichtig den Bohrdurchmesser an den Drahtdurchmesser anzupassen und weder zu groß noch zu klein auszulegen.
Da die Thematik "Bohrloch" mit all seinen Eigenschaften und Möglichkeiten in einem separaten Kapitel beschrieben wird, soll an dieser Stelle hier lediglich der Crosslink dazu hergestellt werden. Natürlich kann dies auch über den Inhaltsbereich zur Leiterplattentechnik ausgewählt werden.

Ansonsten besitzen folgende Links einen themennahen Bezug:



to be continued...Inhalte werden eingefügt!





Quickinfo Designtipps:

  • Restring = 0.5*(Padbreite - Bohrlochdurchmesser)
  • Restring bei Via's ≥ 150µm
  • Restring PTH ≥ 300µm
  • Restring einseitiger Lötpads ≥ 500µm






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