Pravidlá smerovania PCB: Šírka stopy, rozstup a možnosti výroby, na ktorých záleží

Každá smerovaná doska, ktorú vidíme v našej továrni, rozpráva príbeh o rozhodnutiach, ktoré boli urobené predtým, ako prišla. Schéma definuje elektrickú funkciu, ale smerovanie rozhoduje o tom, či je možné túto funkciu vyrobiť s rozumnými nákladmi, v realistickom čase a s dostatočnou rezervou, aby prežila roky tepelného, ​​vibračného a napäťového stresu. Podľa našich skúseností výrobcu PCB väčšina výrobných problémov, ktorým sa dá predísť – vypálené stopy, chybné vôle, zdeformované panely, zlé pokovovanie – vedie k niekoľkým pravidlám smerovania, ktoré boli buď prehliadnuté alebo nesprávne pochopené. Tento článok vysvetľuje, čo v skutočnosti zahŕňa smerovanie dosky PC, na ktorých parametroch najviac záleží a ako nastaviť obmedzenia smerovania, ktoré môže továreň skutočne postaviť bez sporov.

Čo vlastne zahŕňa smerovanie dosky PC

Smerovanie je krok rozloženia, v ktorom sa každá elektrická sieť v schéme stáva fyzickou medenou cestou. Softvér dokáže tieto cesty kresliť automaticky, ale výsledok je len taký dobrý, ako sú obmedzenia, ktoré poskytuje dizajnér: šírka stopy, vzdialenosť medzi vodičmi, povolené vrstvy, typy a rozloženie medi, ktoré proces leptania a pokovovania uvidí.

Trasa tiež vytvára pozemné referenčné roviny, energetické ostrovy a tepelné cesty, vďaka ktorým bude návrh fungovať v reálnom svete. Umiestnenie komponentov rozhoduje o umiestnení dielov; o spôsobe pripojenia rozhoduje smerovanie. Medzi nimi má smerovanie väčší vplyv na výrobné náklady a výnos, pretože geometria stopy a rovnováha medi priamo ovplyvňujú to, ako továreň leptá, plátuje a laminuje panel.

Šírka stopy: Prvé rozhodnutie o trase

Šírka stopy je prvé číslo, ktoré sa nastavuje, pretože nesie tri požiadavky naraz: prúdovú kapacitu, pokles napätia a charakteristickú impedanciu. Stopy signálu môžu byť tenké; napájacie siete potrebujú prierez. Referencia používaná väčšinou tovární je IPC-2221. Pre 1 oz (35 µm) medi na vonkajšej vrstve s nárastom teploty o 10 °C je odhadovaná prúdová kapacita približne nasledovná.

V praxi sú dôležité dve opravy. Stopy na vnútorných vrstvách rozptyľujú približne polovicu tepla ako vonkajšie stopy, takže aktuálna tabuľka by mala byť primerane znížená. A tieto hodnoty predpokladajú mierne zvýšenie o 10 °C; ak okolitý kryt blokuje prúdenie vzduchu alebo je okolitá teplota vysoká, bezpečný prúd ďalej klesá. Keď dizajn musí prenášať trvalý vysoký prúd, trasa by mala používať medenú liatu, rovinu alebo hrubšiu medenú vrstvu namiesto jednej úzkej stopy. Naša linka pravidelne smeruje medené dosky s hrúbkou 2 oz až 10 oz a tabuľky šírky stopy pre tieto hmotnosti vyzerajú veľmi odlišne od hodnôt 1 oz vyššie.

Vzdialenosť a rozstup: Nastavte ich na napätie, nielen na kontrolu konštrukčných pravidiel

Svetlá vzdialenosť je vzdialenosť medzi dvoma medenými prvkami: stopa po stopu, stopa po podložku, podložka po priechod. Kontrola pravidiel návrhu overí akékoľvek číslo zadané do nástroja CAD, ale správne číslo pochádza z napätia, integrity signálu a výrobných schopností, nie z predvoleného pravidla. Pre nízkonapäťové signálne siete vo vnútri uzavretého produktu je bežná vzdialenosť 0,1 mm (4 mil) medzi stopami; naša štandardná kapacita je 4 mil a dokážeme udržať 3 mil stopy a priestor tam, kde si to hustota dizajnu vyžaduje.

Klírens by nemal byť jedinou globálnou hodnotou. Pracovné napätie, stupeň znečistenia, povrchová úprava, nadmorská výška a prechodové napätie ovplyvňujú povrchovú vzdialenosť, ktorú produkt potrebuje. IPC-2221B obsahuje tabuľky rozstupov verzus napätie, ktoré používajú inžinieri zhody; ako praktické pravidlo platí, že každá sieť nesúca viac ako 50 V alebo akákoľvek trasa vedená blízko okraja dosky by mala využívať podstatne väčšiu vôľu ako štandardné konštrukčné pravidlo.

Pri vysokorýchlostných signáloch rozstup riadi väzbu aj impedanciu. Zodpovedajúci diferenciálny pár si udrží svoju cieľovú impedanciu iba vtedy, keď medzera medzi dvoma stopami zostane konštantná a na referenčnej rovine pod ňou záleží viac ako na absolútnej hodnote vôle. Pre RF obvody je stopa 50 Ω definovaná jej šírkou, hrúbkou dielektrika a vzdialenosťou od základnej roviny pod ňou.

Layer Stackup: Hustota smerovania vedie k nákladom a dodacej dobe

Počet vrstiev je najväčším rozhodnutím o smerovaní, ktoré návrh robí. Ak dve vrstvy zvládnu hustotu, šesťvrstvový stackup sú vyhodené peniaze. Ak dizajn vyžaduje nepretržité napájanie a uzemňovacie roviny, prísne riadenie impedancie alebo hustý ventilátor BGA, zostava sa presunie do štyroch, šiestich alebo viacerých vrstiev. Prechod z dvoch vrstiev na štyri približne zdvojnásobuje náklady na proces, pretože k trase sa pridáva zobrazovanie vnútornej vrstvy, laminácia, zarovnávanie a ďalšie kroky vŕtania. Dodacia lehota rastie s počtom vrstiev. V našom zariadení v zóne hospodárskeho rozvoja Guangde sú zverejnené výrobné časy podľa počtu vrstiev nasledovné.

Trasa nastavuje stohovanie a stohovanie nastavuje dátum doručenia. Ak dizajn potrebuje iba 12 vrstiev, pretože vonkajšie signálne vrstvy sú zle využívané, čistejšia štvorvrstvová trasa by prišla za zlomok času. Naša továreň sa skladá z 1 až 32 vrstiev a vzor je konzistentný: efektívne smerovanie skracuje dodaciu dobu spoľahlivejšie ako akýkoľvek rýchly poplatok.

Pravidlá DFM: Cestujte tak, ako továreň leptá, dosky a lamináty

Cesta, ktorá prejde kontrolami netlistu a signálu, môže stále zlyhať v továrni. Doska musí byť leptaná, vŕtaná, pokovovaná a lisovaná a každý proces má geometrické limity. Nasledujúce pravidlá zabránia najčastejším opakovaným zlyhaniam.

Zostatok medi a zlodejstvo

Keď je jedna oblasť vrstvy pevná a druhá je takmer prázdna, hrúbka pokovovania sa stáva nerovnomernou a laminácia môže deformovať panel. Dobré smerovanie distribuuje meď cez každú vrstvu; tam, kde to nie je možné, pridajte zlodejské bloky alebo krížovo šrafovanú meď. Náš tím CAM pridáva zlodejstvo počas obrábania, ale smerovaný dizajn, ktorý prichádza s vyváženými priechodmi, kontroluje rýchlejšie a dosky sú rovnomernejšie.

Prechody a prstencový krúžok

Každý priechod potrebuje prstencový krúžok: medený krúžok okolo vyvŕtaného otvoru, ktorý spája valec so stopou. Ak je krúžok príliš malý, nesprávna registrácia vrtáka preruší spojenie. Minimálne 4 mil (0,1 mm) prstencový krúžok je bezpečným pracovným pravidlom pre štandardné spracovanie. Slepé a zapustené priechody znižujú počet vrstiev v hustých dizajnoch, ale každý typ priechodu pridáva kroky vŕtania a laminovania; via-in-pad, užitočná pod BGA, vyžaduje plnenie a dodatočné pokovovanie. HDI dosky s mikropriechodmi tvoria samostatnú procesnú rodinu, ktorú naša rada HDI dodáva do 25 dní.

Tepelné reliéfy

Keď sa podložka s priechodnými otvormi pripojí k veľkej medenej nálevke, nálievka pôsobí počas spájkovania ako chladič. Bez tepelne odľahčených lúčov nemusí podložka dosiahnuť teplotu spájkovania. Rovinne spojené podložky s tepelnými úľavami nasmerujte všade tam, kde to dovoľuje menovitý prúd.

Praktický kontrolný zoznam smerovania, ktorý sa má spustiť pred odoslaním súborov:

• Veľkosť trasovania a odlievania pre trvalý prúd v najhoršom prípade, nie pre typické zaťaženie.
• Použite pravidlá zúčtovania podľa jednotlivých tried siete; vysokonapäťové, vysokorýchlostné a všeobecné signálne siete zriedka potrebujú rovnaký rozstup.
• Udržujte rozloženie medi na každej vrstve primerane rovnomerné a do vrstiev, ktoré sú väčšinou prázdne, pridajte zlodejinu.
• Pred dokončením trasy si overte v továrni minimálnu stopu/priestor, minimálny prstencový krúžok a minimálnu veľkosť vrtáka.
• Umiestnite pevnú referenčnú rovinu pod každú vysokorýchlostnú alebo impedančne riadenú trasu.

Materiály a povrchové úpravy, ktoré menia pravidlá smerovania

Substrát a povrchová úprava menia parametre smerovania rovnako ako elektrický obvod. Štandardný FR-4 dobre zvláda bežné digitálne a analógové dosky. High-Tg FR-4 odoláva zlyhaniu CAF v hrubých viacvrstvových doskách a je bežný v automobilovej elektronike; bezhalogénový FR-4 spĺňa environmentálne požiadavky; vysokofrekvenčné lamináty s riadeným Dk a Df sa používajú pre RF a vysokorýchlostné digitálne a šírka stopy potrebná pre 50 Ω vedenie sa mení s každým materiálom.

Dosky s kovovým jadrom - hliníková alebo medená základňa - vedú teplo cez substrát, takže silové obvody môžu používať užšie trasy, ale vŕtanie a leptanie kovových jadier sa riadi odlišnými konštrukčnými pravidlami. Náš sortiment zahŕňa FR-4, high-Tg, bezhalogénové, vysokofrekvenčné, hliníkové, medené a keramické dosky s povrchovými úpravami ako OSP, bezolovnatý HASL, imerzné zlato a imerzný cín. Voľba povrchovej úpravy ovplyvňuje hlavne spájkovateľnosť a trvanlivosť, takže by mala byť prispôsobená procesu montáže a nie ako dodatočný nápad.

Cesta s ohľadom na výrobu

Smerovanie je miesto, kde sa dizajn stáva fyzickým objektom a tento objekt posudzuje továreň. Dosky, ktoré sa odosielajú načas a fungujú spoľahlivo, sú len zriedka produktom inteligentného nastavenia automatického smerovača; sú produktom šírky stopy dimenzovanej na prúd, vôlí nastavených pre napätie, stackupov zvolených pre hustotu a detailov DFM rešpektovaných od prvého prechodu rozloženia. Ak máte pochybnosti, spýtajte sa včas: obojstranný prototyp z našej továrne sa môže otočiť za 24 hodín a jedna rýchla iterácia stojí oveľa menej ako 16-vrstvová séria, ktorá zlyhá v elektrickom teste kvôli chybe medzier. Ak potrebujete odporúčanie na zostavenie, recenziu DFM alebo cenovú ponuku pre smerovanú dosku s 1 až 32 vrstvami, náš technický tím je pripravený odpovedať s konkrétnymi údajmi.