Ein zu kleiner Restring gehört zu den häufigsten Ursachen für Fertigungsprobleme bei Leiterplatten. Im Layout sieht ein Via oft korrekt aus, doch während der realen Fertigung wirken Bohrversatz, Werkzeugtoleranz, Materialbewegung während der Laminierung und Kupferaufbau zusammen.
Der Restring (Annular Ring) beschreibt die verbleibende Kupferfläche zwischen der Bohrungswand und der Außenkante des Pads. Diese Fläche stellt sicher, dass eine Durchkontaktierung elektrisch mit Leiterbahnen oder Innenlagen verbunden bleibt.
Die entscheidende Frage lautet daher nicht nur:
„Wie groß ist mein Pad im CAD?“
Sondern:
„Wie viel Kupfer bleibt nach Bohren, Plattieren und Fertigungstoleranzen tatsächlich übrig?“
Für Standard-Leiterplatten nach IPC Class 2 gilt in der Praxis häufig eine Pad-Auslegung von mindestens 10 bis 14 mil (0,25 mm bis 0,35 mm) größer als der fertige Lochdurchmesser.
Die grundlegende Berechnung lautet:
[ \text{Restring} = \frac{\text{Pad-Durchmesser} - \text{Bohrdurchmesser}}{2} ]
Dabei muss für PTH-Bohrungen der tatsächliche Werkzeugdurchmesser berücksichtigt werden, nicht nur der spezifizierte Fertiglochdurchmesser.
Warum der Restring bei Leiterplattenfertigung anders aussieht als im CAD
Viele Designfehler entstehen, weil Entwickler mit der Fertiglochgröße rechnen. Ein geplantes 0,3-mm-Via bedeutet jedoch nicht automatisch, dass mit einem 0,3-mm-Bohrer gefertigt wird.
Bei metallisierten Bohrungen wird zunächst größer gebohrt, damit anschließend die Kupferschicht im Bohrloch aufgebaut werden kann.
Beispiel:
- Fertigloch: 0,3 mm
- Fertigungsbohrer: 0,4 mm
- Pad-Durchmesser: 0,5 mm
Die theoretische Rechnung mit Fertigloch:
[ (0,5 - 0,3) / 2 = 0,1 mm ]
würde einen Restring von 0,1 mm ergeben.
Die reale Fertigungsrechnung:
[ (0,5 - 0,4) / 2 = 0,05 mm ]
zeigt jedoch nur noch 0,05 mm verbleibendes Kupfer.
Zusätzlich kann ein normaler Bohrversatz von etwa ±3 mil (0,075 mm) den verbleibenden Sicherheitsabstand weiter reduzieren.
Welche Faktoren bestimmen die notwendige Restring-Größe?
Der Restring ist eine Sicherheitsreserve gegen mehrere Fertigungsabweichungen:
| Einflussgröße | Auswirkung auf den Restring |
|---|---|
| Bohrspindel- und Werkzeuglauf | Verändert die tatsächliche Lochposition |
| Bohrerflexion | Kann bei kleinen Durchmessern zu Positionsabweichungen führen |
| CNC-Positionierung | Erzeugt statistische Bohrabweichungen |
| Laminierungsbewegung | Verschiebt Innenlagen bei Multilayer-Leiterplatten |
| Kupferplattierung | Reduziert den effektiven Abstand zwischen Loch und Pad |
Besonders bei Multilayer-Leiterplatten ist die Innenlagenregistrierung kritisch. Während der Hochdrucklaminierung können sich Materialien leicht bewegen. Dadurch sind Innenlagen-Restringe häufig anspruchsvoller als Außenlagen.
Welche Restring- und Bohrtoleranzen sollte ein PCB-Design verwenden?
Die optimale Auslegung hängt von Fertigungsklasse, Dichte und Zuverlässigkeitsanforderung ab.
| Regel / Parameter | Standardwert (Class 2) | Erweiterter Wert (HDI/Class 3) | Bedeutung | Prüfung |
|---|---|---|---|---|
| Minimaler Restring Außenlagen | 5 mil (0,127 mm) | 3,5 mil (0,089 mm) | Außenlagen benötigen weniger Registrierungsreserve | CAD DRC prüfen |
| Minimaler Restring Innenlagen | 5 mil (0,127 mm) | 4 mil (0,10 mm) | Innenlagen verschieben sich stärker während Laminierung | Innenlagenprüfung |
| Bohrtoleranz Position | ±3 mil (0,075 mm) | ±2 mil (0,05 mm) | Bestimmt den möglichen Bohrversatz | Fertigungsdatenblatt |
| Pad-Dimension | Loch + 10-12 mil | Loch + 8-10 mil | Erzeugt Fertigungsspielraum | Gerber-Prüfung |
| Teardrops | Empfohlen | Pflicht | Verstärkt Pad-Leiterbahn-Übergang | Layoutprüfung |
| Abstand Pad zu Kupfer | 8 mil (0,2 mm) | 5 mil (0,127 mm) | Verhindert Kurzschlussrisiken | DRC |
Wie unterscheiden sich IPC Class 2 und Class 3 beim Restring?
Bei IPC Class 2 darf eine begrenzte Ausbruchssituation akzeptabel sein, solange die elektrische Verbindung erhalten bleibt.
Das bedeutet:
- höhere Routing-Dichte möglich,
- kleinere Pads möglich,
- geringere Fertigungsreserve.
Bei IPC Class 3 für hochzuverlässige Anwendungen wie Medizin- oder Luftfahrttechnik gelten deutlich strengere Anforderungen.
Hier wird ein vollständiger umlaufender Kupferrest verlangt:
- keine kritische Unterbrechung des Restrings,
- strengere Prozesskontrolle,
- höhere Anforderungen an Bohrung und Registrierung.
Die Entscheidung zwischen Class 2 und Class 3 beeinflusst daher direkt:
- Leiterplattenfläche,
- Layer-Anzahl,
- Fertigungskosten,
- Prüfaufwand.
Welche Designentscheidungen beeinflussen Kosten und Fertigungsrisiko?
| Designentscheidung | Fertigungseffekt | Typische Konsequenz |
|---|---|---|
| Größerer Pad-Durchmesser | Höhere Fertigungsreserve | Mehr Platzbedarf beim Routing |
| Mechanische Bohrung statt Laser-Via | Geringere Genauigkeit | Größerer Restring erforderlich |
| HDI-Microvia | Höhere Präzision | Kleinere Strukturen möglich, höhere Kosten |
| IPC Class 3 | Mehr Prozesskontrolle | Höherer Aufwand und Prüfbedarf |
| Teardrops aktivieren | Stabilisiert Übergänge | Geringer Zusatzaufwand, höhere Robustheit |
Wie wird ein Restring-Problem vor der Fertigung erkannt?
Ein zuverlässiger Prüfprozess beginnt bereits im CAD-System.
Die wichtigsten Schritte:
Pad- und Bohrdaten gemeinsam bewerten
Der Restring muss mit dem Fertigungsbohrer berechnet werden. Eine reine Prüfung gegen den Fertiglochdurchmesser kann kritische Fehler übersehen.
DRC-Regeln für Fertigung definieren
In Altium, KiCad oder vergleichbaren Systemen sollten Mindestwerte für:
- Via-Pad-Größe,
- Bohrdurchmesser,
- Kupferabstände,
- Restring-Breite
hinterlegt werden.
Teardrops für kritische Verbindungen einsetzen
Teardrops vergrößern den Übergang zwischen Leiterbahn und Pad. Besonders bei kleinen Vias reduzieren sie das Risiko, dass ein Bohrversatz die Verbindung unterbricht.
DFM-Prüfung vor dem Datenversand durchführen
Vor der Fertigung sollte eine DFM-Prüfung folgende Punkte kontrollieren:
- Restring-Verletzungen,
- Bohrdurchmesser,
- Innenlagenregistrierung,
- IPC-Klasse,
- Fertigungsgrenzen des Lieferanten.
Welche Fehler treten bei zu kleinen Restringen auf?
Bohr-Ausbruch am Padrand
Symptom: Das Bohrloch liegt nicht vollständig innerhalb des Pads.
Ursachen:
- zu kleiner Pad-Durchmesser,
- normale Bohrtoleranz,
- Layer-Verschiebung.
Lösung:
- Pad vergrößern,
- Teardrops einsetzen,
- Fertigungsprozess mit besserer Registrierung wählen.
Innenlagen-Registrierungsfehler
Symptom: Die Außenlage wirkt korrekt, aber Innenlagen zeigen schlechte Verbindung.
Ursache:
Materialbewegung während Laminierung.
Lösung:
Hersteller müssen Skalierungsfaktoren für Artwork und Materialausdehnung berücksichtigen.
Elektrische Unterbrechungen nach Temperatur- oder Vibrationsbelastung
Symptom:
Intermittierende Fehler im Feld.
Ursache:
Ein minimaler Restring kann mechanische Belastungen am Übergang zwischen Kupferpad und Bohrwand nicht ausreichend aufnehmen.
Lösung:
Robustere Pad-Geometrie und bessere Fertigungsreserve.
Lieferanten-Checkliste für Leiterplatten mit kritischen Restring-Anforderungen
| Prüffrage | Warum wichtig |
|---|---|
| Welche Bohrpositions-Toleranz verwenden Sie standardmäßig? | Bestimmt die notwendige Restring-Reserve |
| Nutzen Sie X-Ray-Bohroptimierung bei Multilayern? | Verbessert Innenlagenregistrierung |
| Welche Restring-Werte garantieren Sie für Class 2 und Class 3? | Verhindert Missverständnisse |
| Werden Skalierungsfaktoren für Laminierung verwendet? | Entscheidend bei vielen Lagen |
| Können Teardrops im CAM ergänzt werden? | Zusätzliche Fertigungsrobustheit |
| Wird eine Schliffbildanalyse durchgeführt? | Verifiziert Innenlagenverbindungen |
Häufige Fragen zu Restring und Bohrtoleranz bei Leiterplatten
Wie groß sollte ein minimaler Restring bei Prototypen sein?
Für Standard-Prototypen empfehlen viele Fertiger mindestens 4 bis 5 mil (0,1 mm bis 0,127 mm). Werte darunter erhöhen die Anforderungen an Fertigung und Prozesskontrolle.
Gilt die Restring-Regel auch für NPTH-Bohrungen?
Ja, jedoch mit anderer Zielsetzung. Bei nicht metallisierten Bohrungen dient der Restring hauptsächlich der mechanischen Stabilität und Isolation.
Warum unterscheiden sich Fertigloch und Werkzeugdurchmesser?
Bei PTH-Bohrungen wird zunächst größer gebohrt, anschließend erfolgt die Kupferplattierung. Deshalb muss die Berechnung mit dem Werkzeugdurchmesser erfolgen.
Wie beeinflusst die Anzahl der Lagen die Bohrtoleranz?
Mit steigender Layer-Anzahl werden Materialbewegungen und Registrierung komplexer. Besonders bei 10-, 12- oder 20-lagigen Leiterplatten steigt die Bedeutung ausreichender Restring-Reserve.
Request a Quote / DFM Review for Annular Ring Rules and Drill Tolerance for PCB
Für eine fertigungssichere Umsetzung sollten folgende Unterlagen bereitgestellt werden:
- Gerber-Dateien (RS-274X)
- Bohrdateien mit definierten Fertiglochgrößen
- Stackup-Dokumentation
- Anforderungen an IPC Class 2 oder Class 3
Fazit: Restring-Design entscheidet über Fertigungsqualität und Langzeitzuverlässigkeit
Ein zuverlässiges Leiterplattenlayout berücksichtigt nicht nur die geometrische Darstellung im CAD, sondern die komplette Fertigungskette aus Bohren, Plattieren, Laminieren und Prüfen.
Die wichtigsten Entscheidungen sind:
- Fertigloch und Werkzeugdurchmesser unterscheiden,
- Bohrtoleranzen einkalkulieren,
- ausreichenden Restring für die gewünschte IPC-Klasse definieren,
- Teardrops bei kritischen Verbindungen einsetzen,
- Fertigungsfähigkeit bereits vor dem RFQ prüfen.
Mit einer konsequenten DFM-Strategie lassen sich Restring-Ausfälle, Nacharbeiten und Feldprobleme deutlich reduzieren.
Signed, The Engineering Team at APTPCB