Zasady trasowania PCB: szerokość śledzenia, odstępy i wybory produkcyjne, które mają znaczenie

Każda frezowana deska, którą widzimy w naszej fabryce, opowiada historię decyzji podjętych przed jej dostawą. Schemat definiuje funkcję elektryczną, ale routing decyduje, czy tę funkcję można wyprodukować po rozsądnych kosztach, w realistycznym czasie realizacji i z wystarczającym marginesem, aby przetrwać lata ciepła, wibracji i naprężeń napięciowych. Z naszego doświadczenia jako producenta płytek PCB wynika, że ​​większość problemów produkcyjnych, którym można zapobiec – spalone ścieżki, nieprawidłowe odstępy, wypaczone panele, złe poszycie – wynika z kilku zasad routingu, które albo zostały pominięte, albo źle zrozumiane. W tym artykule wyjaśniono, na czym tak naprawdę polega routing płytki drukowanej, jakie parametry mają największe znaczenie i jak ustawić ograniczenia routingu, które fabryka może faktycznie zbudować bez dyskusji.

Na czym właściwie polega routing płytki drukowanej PC

Trasowanie to etap układu, w którym każda sieć elektryczna na schemacie staje się fizyczną ścieżką miedzianą. Oprogramowanie może automatycznie narysować te ścieżki, ale wynik jest tak dobry, jak ograniczenia przewidziane przez projektanta: szerokość ścieżki, odstępy między przewodnikami, dozwolone warstwy, typy przelotek oraz rozkład miedzi widoczny w procesie trawienia i galwanizacji.

Trasa tworzy również płaszczyzny odniesienia podłoża, wyspy mocy i ścieżki termiczne, dzięki którym projekt sprawdza się w świecie rzeczywistym. Umieszczenie komponentów decyduje o tym, gdzie znajdują się części; routing decyduje o sposobie ich połączenia. W obu przypadkach routing ma większy wpływ na koszty produkcji i wydajność, ponieważ geometria ścieżki i równowaga miedzi bezpośrednio wpływają na sposób trawienia, platerowania i laminowania panelu w fabryce.

Szerokość śladu: decyzja o pierwszej trasie

Szerokość ścieżki jest pierwszą liczbą, którą należy ustawić, ponieważ spełnia jednocześnie trzy wymagania: pojemność prądową, spadek napięcia i impedancję charakterystyczną. Ślady sygnału mogą być cienkie; sieci energetyczne wymagają przekroju. Odniesieniem używanym przez większość fabryk jest IPC-2221. Dla 1 uncji (35 µm) miedzi na warstwie zewnętrznej przy wzroście temperatury o 10°C szacowana obciążalność prądowa jest w przybliżeniu następująca.

W praktyce liczą się dwie poprawki. Ślady na warstwach wewnętrznych rozpraszają mniej więcej o połowę mniej ciepła niż ślady zewnętrzne, dlatego też należy odpowiednio obniżyć aktualną tabelę. Wartości te zakładają umiarkowany wzrost o 10°C; jeśli otaczająca obudowa blokuje przepływ powietrza lub temperatura otoczenia jest wysoka, prąd bezpieczny spada jeszcze bardziej. Jeżeli projekt musi przewodzić prąd o stałym wysokim natężeniu, w trasie należy zastosować wylewkę miedzianą, płaszczyznę lub grubszą warstwę miedzi, a nie pojedynczą wąską ścieżkę. Nasza linia regularnie obsługuje płyty miedziane o grubości od 2 uncji do 10 uncji, a tabele szerokości śladu dla tych ciężarków bardzo różnią się od powyższych wartości 1 uncji.

Odstępy i odstępy: ustaw je pod kątem napięcia, a nie tylko na potrzeby sprawdzenia zasad projektowania

Prześwit to odległość pomiędzy dwoma elementami miedzianymi: ścieżka do ścieżki, ścieżka do podkładki, podkładka do przelotki. Kontrola reguł projektowych zweryfikuje dowolny numer wpisany do narzędzia CAD, ale właściwy numer wynika z napięcia, integralności sygnału i możliwości fabrycznych, a nie z reguły domyślnej. W przypadku sieci sygnałowych niskiego napięcia wewnątrz zamkniętego produktu często występuje odstęp 0,1 mm (4 milicale) między ścieżkami; nasza standardowa pojemność wynosi 4 miliony, a jeśli wymaga tego gęstość projektu, możemy pomieścić 3 miliony śladów i przestrzeni.

Rozliczenie nie powinno być pojedynczą wartością globalną. Napięcie robocze, stopień zanieczyszczenia, powłoka, wysokość nad poziomem morza i napięcia przejściowe wpływają na odległość upływu wymaganą przez produkt. IPC-2221B zawiera tabele odstępów w zależności od napięcia, z których korzystają inżynierowie ds. zgodności; z praktycznej zasady każda sieć przewodząca napięcie większe niż 50 V lub jakakolwiek ścieżka poprowadzona w pobliżu krawędzi deski powinna mieć znacznie większy prześwit niż domyślna zasada projektowa.

W przypadku sygnałów o dużej prędkości odstępy kontrolują zarówno sprzężenie, jak i impedancję. Dopasowana para różnicowa utrzymuje swoją docelową impedancję tylko wtedy, gdy przerwa między dwiema ścieżkami pozostaje stała, a płaszczyzna odniesienia pod spodem ma większe znaczenie niż bezwzględna wartość prześwitu. W przypadku obwodów RF ślad 50 Ω jest definiowany przez jego szerokość, grubość dielektryka i odległość od płaszczyzny uziemienia znajdującej się poniżej.

Układ warstw: gęstość routingu zwiększa koszty i czas realizacji

Liczba warstw to najważniejsza decyzja dotycząca routingu podejmowana przez projekt. Jeśli dwie warstwy poradzą sobie z taką gęstością, układanie sześciu warstw będzie stratą pieniędzy. Jeśli projekt wymaga ciągłego zasilania i uziemienia, ścisłej kontroli impedancji lub gęstego rozłożenia BGA, stos przenosi się na cztery, sześć lub więcej warstw. Przejście z dwóch warstw na cztery z grubsza podwaja koszt procesu, ponieważ do trasy dodawane jest obrazowanie warstwy wewnętrznej, laminowanie, wyrównywanie i dodatkowe etapy wiercenia. Czasy realizacji rosną również wraz z liczbą warstw. W naszym zakładzie w Strefie Rozwoju Gospodarczego Guangde opublikowane czasy realizacji produkcji według liczby warstw są następujące.

Trasa wyznacza stos, a stos wyznacza datę dostawy. Jeśli projekt wymaga tylko 12 warstw, ponieważ zewnętrzne warstwy sygnału są słabo wykorzystane, czystsza trasa czterowarstwowa zostałaby uzyskana w ułamku czasu. Nasza fabryka buduje od 1 do 32 warstw, a schemat jest spójny: wydajne wyznaczanie tras skraca czas realizacji w sposób bardziej niezawodny niż jakakolwiek opłata za przyspieszenie.

Zasady DFM: Trasuj sposób, w jaki fabryka trawi, płyty i laminaty

Trasa, która pomyślnie przejdzie kontrolę listy sieci i sygnału, może w dalszym ciągu zawieść w hali produkcyjnej. Płytkę należy wytrawić, wywiercić, powlekać i prasować, a każdy proces ma ograniczenia geometryczne. Poniższe zasady zapobiegają najczęstszym powtarzającym się awariom.

Bilans miedzi i kradzież

Kiedy jeden obszar warstwy jest całkowicie zalany, a drugi jest prawie pusty, grubość poszycia staje się nierówna, a laminowanie może wypaczyć panel. Dobry routing rozprowadza miedź w każdej warstwie; tam, gdzie jest to niemożliwe, dodaj bloki złodziejskie lub miedź kreskowaną. Nasz zespół CAM dodaje złodziejstwo podczas oprzyrządowania, ale projekt trasowany, który zapewnia szybsze przeglądanie zrównoważonych przejść i bardziej równomierne płyty.

Przelotki i pierścień pierścieniowy

Każda przelotka wymaga pierścieniowego pierścienia: miedzianego pierścienia wokół wywierconego otworu, który łączy lufę ze ścieżką. Jeśli pierścień jest za mały, błędna rejestracja wiertła przerywa połączenie. Pierścień pierścieniowy o minimalnej średnicy 4 mil (0,1 mm) to bezpieczna zasada działania w przypadku standardowej obróbki. Ślepe i zakopane przelotki zmniejszają liczbę warstw w gęstych projektach, ale każdy typ przelotki wymaga dodatkowych etapów wiercenia i laminowania; via-in-pad, przydatny pod BGA, wymaga wypełnienia i dodatkowego poszycia. Płytki HDI z mikroprzelotkami stanowią osobną rodzinę procesów, które nasza linia HDI dostarcza w ciągu 25 dni.

Ulgi termiczne

Kiedy podkładka z otworem przelotowym łączy się z dużą miedzianą wylewką, wylewka działa jak radiator podczas lutowania. Bez szprych termoizolacyjnych podkładka może nie osiągnąć temperatury lutowania. Poprowadź podkładki połączone płasko z podkładkami termicznymi wszędzie tam, gdzie pozwala na to prąd znamionowy.

Praktyczna lista kontrolna routingu, którą należy wykonać przed wysłaniem plików:

• Rozmiar śladów zasilania i rozlewów dla trwałego prądu w najgorszym przypadku, a nie dla typowego obciążenia.
• Stosuj zasady rozliczeń według klas sieci; Sieci wysokiego napięcia, dużej prędkości i sieci sygnałów ogólnych rzadko wymagają takich samych odstępów.
• Utrzymuj w miarę równomierny rozkład miedzi w każdej warstwie i dodaj złodziejstwo do warstw, które są w większości puste.
• Przed sfinalizowaniem trasy potwierdź u producenta minimalny ślad/przestrzeń, minimalny pierścień pierścieniowy i minimalny rozmiar wiertła.
• Umieść solidną płaszczyznę odniesienia pod każdą trasą o dużej prędkości lub o kontrolowanej impedancji.

Materiały i wykończenia powierzchni, które zmieniają zasady trasowania

Podłoże i wykończenie zmieniają parametry trasowania w takim samym stopniu, jak obwód elektryczny. Standardowy FR-4 dobrze radzi sobie z ogólnymi płytami cyfrowymi i analogowymi. FR-4 o wysokiej Tg jest odporny na awarie CAF w grubych płytach wielowarstwowych i jest powszechny w elektronice samochodowej; bezhalogenowy FR-4 spełnia wymagania środowiskowe; laminaty o wysokiej częstotliwości z kontrolowanymi Dk i Df są używane w RF i szybkiej technologii cyfrowej, a szerokość ścieżki potrzebna dla linii 50 Ω zmienia się w zależności od materiału.

Płyty z rdzeniem metalowym — na bazie aluminium lub miedzi — przewodzą ciepło przez podłoże, więc obwody zasilania mogą przebiegać węższymi trasami, ale wiercenie i trawienie rdzeni metalowych podlega innym zasadom projektowania. Nasz asortyment produktów obejmuje płyty FR-4, o wysokiej Tg, bezhalogenowe, wysokiej częstotliwości, na bazie aluminium, miedzi i ceramiki, z wykończeniami powierzchni takimi jak OSP, bezołowiowy HASL, złoto immersyjne i cyna immersyjna. Wybór wykończenia wpływa głównie na lutowność i trwałość, dlatego powinien być dostosowany do procesu montażu, a nie traktowany później.

Trasa z myślą o produkcji

Trasowanie ma miejsce wtedy, gdy projekt staje się obiektem fizycznym, który jest oceniany przez fabrykę. Płyty, które są dostarczane na czas i działają niezawodnie, rzadko są wynikiem sprytnych ustawień automatycznego routera; są to iloczyny szerokości ścieżek dostosowanych do prądu, prześwitów ustawionych dla napięcia, stosów wybranych pod kątem gęstości i szczegółów DFM przestrzeganych od pierwszego przejścia układu. W razie wątpliwości zapytaj wcześniej: dwustronny prototyp z naszej fabryki może zostać oddany w ciągu 24 godzin, a jedna szybka iteracja kosztuje znacznie mniej niż 16-warstwowa partia, która nie przechodzi testu elektrycznego z powodu błędu odstępu. Jeśli potrzebujesz zalecenia dotyczącego układania stosów, recenzji DFM lub wyceny płyty trasowanej od 1 do 32 warstw, nasz zespół inżynierów chętnie odpowie i poda szczegółowe informacje.