PCB-Annular-Ringe: Design-Regeln, Berechnung & Lösungen für Tangenz & Breakout

Der Annular Ring (Ringrest) ist eine der größten Sorgen von PCB-Designern. Selbst bei perfekt zentriertem Via in der Pad-Mitte können Fertigungstoleranzen zu Tangenz (Berührung) oder Breakout (Ausbruch) führen. Dieser Guide erklärt Definition, Berechnung, IPC-Anforderungen, Problemlösungen und Teardrop-Design.

PCBs mit Annular Ringen

1. Was ist ein PCB Annular Ring?

Ein Annular Ring ist der Kupferring um ein fertig gebohrtes und metallisiertes Loch (Via). Er umgibt das Via rundherum. Ausreichend Kupfer gewährleistet zuverlässige Verbindungen zwischen Via und Kupferlagen – essenziell bei Multilayer-PCBs. Der Ring dient als Anker für die Leiterbahnverbindung.

Der minimale Ringbreite hängt von den Fertigungsmöglichkeiten ab. Zu kleine Ringe riskieren Breakouts. Der Ring ist der Bereich zwischen Pad-Außendurchmesser und Bohrloch-Durchmesser.

2. Struktur des Annular Rings

Mathematisch ein Ring (Anulus): Bereich zwischen zwei konzentrischen Kreisen. Auf der PCB idealerweise kreisrund. Je breiter der Ring, desto besser die Kupferverbindung um das Bohrloch. Um Breakouts zu vermeiden: Ringbreite vergrößern.

Kreisförmige Struktur der Annular Ringe

3. Wichtigkeit des Annular Rings

Ohne ausreichende Annular Ringe keine zuverlässigen elektrischen Verbindungen zwischen Lagen. Probleme beeinträchtigen Leitungsstetigkeit und Gesamtfunktionalität. Ungenaue Bohrung → Tangenz (Bohrung berührt Padrand) → Breakout (Bohrung bricht aus Pad aus). Beides verschlechtert Signalintegrität und Zuverlässigkeit.

Annular Ringe & elektrische Komponenten

4. Berechnung des Annular Rings

Designer tragen Verantwortung für korrekte Pad-Größen. korrekte Ringbreite vermeidet spätere Ausfälle.

Formel: Ringbreite = (Pad-Durchmesser – Bohrloch-Durchmesser) / 2

Beispiel: Pad 22 mil, Bohrung 10 mil → (22 – 10) / 2 = 6 mil Ringbreite.

4.1 Klassifizierung nach IPC-6012 (Class 1/2/3/3A)

• Class 1: Allgemeine Elektronik, begrenzte Lebensdauer (Fernbedienungen).
• Class 2: Dedizierte Elektronik, verlängerte Lebensdauer (PC, TV, Klima).
• Class 3: Hohe Zuverlässigkeit, enge Toleranzen (Medizin, Militär, Luftfahrt). Größere Pads für Via-Durchmesser erforderlich.
• Class 3A: Automotive / höchste Zuverlässigkeit.

4.2 Design-Kriterien

• Theoretisch ideal: Bohrung exakt in Pad-Mitte. Realität: Fertigungstoleranz (typ. ± 5 mil / 0,127 mm).
• Designer platzieren Vias bevorzugt im Pad-Zentrum für optimale Lagenverbindung.
• High-Density-Designs (HDI) → kleinere Ringe (Microvias), aber Mindestbreite einhalten.

4.3 IPC-2221A Berechnungsformel (Mindest-Annular-Ring)

Min. Annular Ring = (Min. Ringbreite) × 2 + (Fertigungstoleranz) + (Bohrlochgröße)

Alternativ (einfacher): Ringbreite = (Pad-Ø – Bohr-Ø) / 2.

Beispiel: Pad 20 mil, Bohrung 10 mil → Ring = 5 mil.

Gegeben Ring 8 mil → Pad-Ø = 8 × 2 = 16 mil (bei Bohrung 0). Real: Pad-Ø = 2×Ring + Bohr-Ø.

4.4 Minimaler Annular Ring

• Innerlagen: ≥ 0,10 mm (4 mil) – Konsens vieler Designer.
• Außenlagen: ≥ 0,05 mm (2 mil) – schwieriger zu fertigen.
• Design for Manufacturability (DFM) beachten: Hersteller früh einbinden.

4.4.1 Kleinster möglicher Ring

Theoretisch bis -1 mil (negativer Ring = Breakout). Nicht akzeptabel. Erhöht Ausbruchrisiko drastisch. Ziel: ≥ 0,05 mm (Außen) / ≥ 0,10 mm (Innen).

4.4.2 Berechnung des Minimalrings

Ringmin = (Kupfer-Pad-Ø – Bohr-Ø) / 2. Mehrheit der Designer: ≥ 0,05 mm (2 mil).

PCBs mit gleicher Annular-Ring-Breite

5. Annular Ring vs. Through-Hole (Durchkontaktierung)

Annular Ring: Kupferring um das Via (Pad – Bohrung). Breite = Verbindungsqualität.

Through-Hole (THT): Montagetechnik für bedrahtete Bauteile. Drähte werden in gebohrte Löcher gesteckt und verlötet. Älteste Technologie, aber robust, einfach für Hobbyisten, weniger Brücken-Risiko.

Maschine bohrt Annular Ringe

6. Outer (OAR) vs. Inner Annular Ring (IAR)

Unterschied in Terminologie & Berechnung durch unterschiedliche Pad-Größen auf Außen- vs. Innenlagen.

6.1 Outer Annular Ring (OAR)

Basiert auf äußerem Kupferpad (Top/Bottom Layer).

Berechnung: OAR = (Kupfer-Pad-Ø – TOOLSIZE) / 2

TOOLSIZE = Endbohr-Ø + 0,10 mm (PTH) / + 0,00 mm (NPTH).

6.2 Inner Annular Ring (IAR)

Bereich zwischen Lötloch (Innenlage) und Außenrand des Pads auf der Innenlage.

Berechnung: IAR = (Innenlagen-Pad-Ø – TOOLSIZE) / 2

TOOLSIZE wie oben.

Beispiel: Innenlagen-Pad 0,60 mm, Endbohrung 0,25 mm (PTH). TOOLSIZE = 0,25 + 0,10 = 0,35 mm. IAR = (0,60 – 0,35) / 2 = 0,125 mm.

Innere & äußere Annular Ringe

7. Teardrop Annular Ring (Tränenform)

Bei Bohrversatz kann der Bohrer Kupfer an der Pad-Trace-Verbindung wegnehmen → Dünnstelle, Rissgefahr. Teardrops (tränenförmige Pad-Erweiterung zur Leiterbahn) mindern dies.

Vorteile:

• Reduziert Rissrisiko an Pad-Trace-Übergang
• Verbessert Thermoschock-Festigkeit
• Minimiert thermomechanische Spannung
• Erhöht Bohr-Toleranz (Herstellerfreundlicher)
• Macht PCB mechanisch robuster

Empfehlung: Teardrops generieren (EDA-Tool: „Teardrops hinzufügen“) für alle Pad-Trace-Übergänge, besonders bei HDI/High-Reliability.

8. Häufige Annular-Ring-Probleme

Unerwünschter Annular Ring (Zu kleines Pad)

Bohrung verbraucht zu viel Pad-Fläche. Lösung: Prototyping vor Serie, DFM-Check.

Tangenz (Tangency)

Bohrung berührt Padrand. Ursache: Bohrversatz > Ringbreite. Lösung: Exakte Bohrung (bessere Maschine), größere Pads, Teardrops.

Breakout (Ausbruch)

Bohrung bricht aus Pad aus. Ursache: Laminatversatz während Pressung, zu kleiner Ring. Lösung: Ringbreite nach IPC/Hersteller-Vorgabe, Material mit niedrigem Z-CTE.

Annular Ring Breakout auf PCB

9. Ruptur-Wahrscheinlichkeit & Vermeidung

9.1 Ursachen für Annular-Ring-Risse

• Alterung / Thermische Zyklen (Ermüdung)
• Entbenetzung (Dewetting) an Lochwand
• Verunreinigung in Bohrungen (Herstellung)
• Übermäßige mechanische Belastung (Biegen, Vibration)

9.2 Vermeidungsstrategien

• Hochwertiges Basismaterial (High-Tg, niedriges Z-CTE)
• Qualifizierter Hersteller (IPC-6012 Class 3 fähig)
• Alte PCBs rechtzeitig tauschen
• Mechanische Entlastung (Flex-Zonen, Stiffener)
• Saubere Bohrungen (Desmear, Plasma-Reinigung)
• Prozesskontrolle (AOI, Microsection-Analyse)

10. Annular-Ring-Größenanpassung – Tools & Skills

Falsche Ringgrößen → Funktionsausfall. Ursache: Ungenaue Bohrung. Korrektur im Layout-Tool (z. B. Cadence OrCAD/Allegro): Padstack-Definition anpassen (Pad-Ø, Bohr-Ø) während Layout-Phase. DRC-Regeln für Mindestringbreite hinterlegen.

Zusammenfassung

Annular Ringe sind die Verbindungsanker zwischen Lagen. Ohne sie funktioniert kein Multilayer-PCB. Viele Designer unterschätzen Ringbreite, Tangenz- und Breakout-Risiken. WellPCB fertigt PCBs mit optimalen Annular Rings (IPC-6012 Class 3 fähig), minimalen Tangenz/Breakout-Raten. Für High-Reliability-PCBs: WellPCB kontaktieren – wir unterstützen bei Design-Review & DFM.