Pravidla směrování PCB: Šířka stopy, rozteč a volby výroby, na kterých záleží

Každá směrovaná deska, kterou vidíme v naší továrně, vypráví příběh o rozhodnutích, která byla učiněna předtím, než dorazila. Schéma definuje elektrickou funkci, ale směrování rozhoduje o tom, zda lze tuto funkci vyrobit za rozumnou cenu, v reálném čase a s dostatečnou rezervou, aby přežila roky tepelného, ​​vibračního a napěťového stresu. Podle našich zkušeností jako výrobce desek plošných spojů se většina výrobních problémů, kterým bylo možné předejít – vypálené stopy, selhané vůle, zdeformované panely, špatné pokovení – vedla k několika pravidlům směrování, která byla buď přehlédnuta nebo špatně pochopena. Tento článek vysvětluje, co směrování desky PC skutečně zahrnuje, na kterých parametrech nejvíce záleží a jak nastavit omezení směrování, která může továrna skutečně postavit bez sporů.

Co vlastně zahrnuje směrování desky PC

Směrování je krok uspořádání, ve kterém se každá elektrická síť ve schématu stává fyzickou měděnou cestou. Software dokáže tyto cesty kreslit automaticky, ale výsledek je jen tak dobrý, jak dobrá jsou omezení, která návrhář poskytuje: šířka stopy, vzdálenost mezi vodiči, povolené vrstvy, typy a rozložení mědi, které proces leptání a pokovování uvidí.

Trasa také vytváří pozemní referenční roviny, energetické ostrovy a tepelné cesty, díky nimž návrh funguje v reálném světě. Umístění komponentů rozhoduje o tom, kde díly sedí; směrování rozhoduje o tom, jak se připojí. Mezi těmito dvěma má směrování větší vliv na výrobní náklady a výtěžnost, protože geometrie stop a vyvážení mědi přímo ovlivňují to, jak továrna leptá, plátuje a laminuje panel.

Šířka stopy: První rozhodnutí o trase

Šířka stopy je první číslo, které se nastavuje, protože nese tři požadavky najednou: proudovou kapacitu, pokles napětí a charakteristickou impedanci. Stopy signálu mohou být tenké; napájecí sítě potřebují průřez. Reference používaná většinou továren je IPC-2221. Pro 1 oz (35 µm) mědi na vnější vrstvě s nárůstem teploty o 10 °C je odhadovaná proudová kapacita zhruba následující.

V praxi jsou důležité dvě opravy. Stopy na vnitřních vrstvách odvádějí zhruba polovinu tepla než vnější stopy, takže současná tabulka by měla být odpovídajícím způsobem snížena. A tyto hodnoty předpokládají mírné zvýšení o 10 °C; pokud okolní kryt blokuje proudění vzduchu nebo je okolní teplota vysoká, bezpečný proud dále klesá. Když konstrukce musí přenášet trvalý vysoký proud, trasa by měla používat měděný odlitek, rovinu nebo silnější měděnou vrstvu spíše než jedinou úzkou stopu. Naše řada pravidelně směruje měděné desky o tloušťce 2 oz až 10 oz a tabulky šířky stopy pro tyto hmotnosti vypadají velmi odlišně od výše uvedených hodnot 1 oz.

Vůle a rozestupy: Nastavte je pro napětí, nejen pro kontrolu pravidel návrhu

Světlá vzdálenost je vzdálenost mezi dvěma měděnými prvky: stopa ke stopě, stopa k podložce, podložka k via. Kontrola pravidel návrhu ověří jakékoli číslo zadané do nástroje CAD, ale správné číslo pochází z napětí, integrity signálu a továrních možností, nikoli z výchozího pravidla. Pro nízkonapěťové signální sítě uvnitř uzavřeného produktu je běžná vzdálenost 0,1 mm (4 mil) mezi stopami; naše standardní kapacita je 4 mil a můžeme udržet 3 mil stopy a prostor tam, kde to hustota návrhu vyžaduje.

Odbavení by nemělo být jedinou globální hodnotou. Pracovní napětí, stupeň znečištění, povrchová úprava, nadmořská výška a přechodová napětí ovlivňují povrchovou dráhu, kterou produkt potřebuje. IPC-2221B obsahuje tabulky rozteče versus napětí, které používají inženýři shody; jako praktické pravidlo platí, že jakákoli síť přenášející více než 50 V nebo jakákoli trasa vedená blízko okraje desky by měla používat podstatně větší vůli, než je výchozí pravidlo návrhu.

U vysokorychlostních signálů řídí rozteč vazbu i impedanci. Přizpůsobený diferenciální pár si zachovává svou cílovou impedanci pouze tehdy, když mezera mezi dvěma křivkami zůstává konstantní a na referenční rovině pod ním záleží více než na hodnotě absolutní vůle. U vysokofrekvenčních obvodů je stopa 50 Ω definována její šířkou, tloušťkou dielektrika a vzdáleností k základní rovině pod ní.

Layer Stackup: Hustota směrování zvyšuje náklady a dodací lhůty

Počet vrstev je největším rozhodnutím o směrování, které návrh učiní. Pokud dvě vrstvy zvládnou hustotu, jsou šestivrstvé stohování vyhozené peníze. Pokud návrh vyžaduje nepřetržité napájení a zemnící plochy, těsnou kontrolu impedance nebo hustý BGA ventilátor, přesune se stackup do čtyř, šesti nebo více vrstev. Přechod ze dvou vrstev na čtyři zhruba zdvojnásobuje náklady na proces, protože k trase je přidáno zobrazování vnitřní vrstvy, laminace, zarovnání a další kroky vrtání. Dodací lhůty rostou s počtem vrstev. V našem závodě v zóně hospodářského rozvoje Guangde jsou zveřejněné dodací lhůty výroby podle počtu vrstev následující.

Trasa nastaví stohování a stohování nastaví datum doručení. Pokud návrh potřebuje pouze 12 vrstev, protože vnější vrstvy signálu jsou špatně využity, čistší čtyřvrstvá trasa by dorazila za zlomek času. Naše továrna staví od 1 do 32 vrstev a vzor je konzistentní: efektivní směrování zkracuje dodací lhůtu spolehlivěji než jakýkoli urychlený poplatek.

Pravidla DFM: Cesta, jak továrna leptá, desky a laminuje

Cesta, která projde kontrolami netlistu a signálu, může stále selhat v továrně. Deska se musí leptat, vrtat, pokovovat a lisovat a každý proces má geometrické limity. Následující pravidla zabraňují nejčastějším opakovaným selháním.

Vyvážení mědi a zlodějství

Když je jedna oblast vrstvy pevná a jiná je téměř prázdná, tloušťka pokovování se stává nerovnoměrnou a laminace může panel deformovat. Dobré směrování distribuuje měď napříč každou vrstvou; tam, kde to není možné, přidejte zlodějské bloky nebo křížově šrafovanou měď. Náš tým CAM přidává zloděje během obrábění, ale směrovaný design, který přichází s vyváženými průchody, kontroluje rychleji a desky jsou rovnoměrnější.

Průchody a prstencový prstenec

Každý průchod potřebuje prstencový prstenec: měděný prstenec kolem vyvrtaného otvoru, který spojuje hlaveň se stopou. Pokud je kroužek příliš malý, nesprávná registrace vrtáku přeruší spojení. Minimálně 4 mil (0,1 mm) prstencový kroužek je bezpečným pracovním pravidlem pro standardní zpracování. Slepé a skryté prokovy snižují počet vrstev v hustých provedeních, ale každý typ prokovu přidává kroky vrtání a laminování; via-in-pad, užitečný pod BGA, vyžaduje plnění a dodatečné pokovování. Desky HDI s mikroprůchody tvoří samostatnou procesní rodinu, kterou naše řada HDI dodává do 25 dnů.

Tepelné reliéfy

Když se podložka s průchozím otvorem připojí k velkému měděnému lití, plní se během pájení jako chladič. Bez tepelně odlehčených paprsků nemusí podložka dosáhnout teploty pájení. Nasměrujte plošně spojené podložky s tepelnými reliéfy všude tam, kde to dovolí jmenovitý proud.

Praktický kontrolní seznam směrování, který je třeba spustit před odesláním souborů:

• Velikostní průběhy výkonu a proudy pro trvalý proud v nejhorším případě, nikoli pro typické zatížení.
• Používejte pravidla clearance pro jednotlivé sítě; vysokonapěťové, vysokorychlostní a obecné signálové sítě zřídka potřebují stejný rozestup.
• Udržujte rozložení mědi na každé vrstvě přiměřeně rovnoměrné a do vrstev, které jsou většinou prázdné, přidejte zlodějnu.
• Před dokončením trasy si u výrobce ověřte minimální stopu/prostor, minimální prstencový prstenec a minimální velikost vrtáku.
• Umístěte pevnou referenční rovinu pod každou vysokorychlostní nebo impedančně řízenou trasu.

Materiály a povrchové úpravy, které mění pravidla směrování

Substrát a povrchová úprava mění parametry směrování stejně jako elektrický obvod. Standardní FR-4 dobře zvládá běžné digitální a analogové desky. High-Tg FR-4 odolává selhání CAF v tlustých vícevrstvých deskách a je běžné v automobilové elektronice; bezhalogenový FR-4 splňuje ekologické požadavky; vysokofrekvenční lamináty s řízeným Dk a Df se používají pro RF a vysokorychlostní digitální a šířka stopy potřebná pro vedení 50 Ω se mění s každým materiálem.

Desky s kovovým jádrem – hliníková nebo měděná základna – vedou teplo substrátem, takže silové obvody mohou používat užší trasy, ale vrtání a leptání kovových jader se řídí jinými konstrukčními pravidly. Náš sortiment zahrnuje FR-4, high-Tg, bezhalogenové, vysokofrekvenční, hliníkové, měděné a keramické desky s povrchovými úpravami jako OSP, bezolovnatý HASL, imerzní zlato a imerzní cín. Volba povrchové úpravy ovlivňuje hlavně pájitelnost a životnost, takže by měla být přizpůsobena procesu montáže a nikoli jako dodatečná myšlenka.

Cesta s ohledem na výrobu

Směrování je místo, kde se design stává fyzickým objektem a tento objekt je posuzován továrnou. Desky, které se dodávají včas a fungují spolehlivě, jsou jen zřídka produkty chytrého nastavení automatického routeru; jsou to produkty šířky stop dimenzované pro proud, vůlí nastavených pro napětí, stackupy zvolené pro hustotu a detaily DFM respektované od prvního průchodu rozvržením. Máte-li pochybnosti, zeptejte se včas: oboustranný prototyp z naší továrny se může otočit za 24 hodin a jedna rychlá iterace stojí mnohem méně než 16vrstvá šarže, která selže v elektrickém testu kvůli chybě rozestupu. Pokud potřebujete doporučení ke stohování, recenzi DFM nebo cenovou nabídku pro směrovanou desku od 1 do 32 vrstev, náš technický tým je připraven odpovědět s konkrétními údaji.