какво трябва да знаете за печатните платки (PCB) и техните проводници?

Калкулатор за ширина на веригите в PCB: Проектиране на електрически вериги и разстояние между веригите дизайн на PCB

Какво трябва да знаете за pCB следа

Встъпление

Проводникът върху печатна платка е един от най-незаменимите елементи на печатната платка, но често се пренебрегва от начинаещите. В основни термини проводникът е меден проводник или проводима медна линия, която пренася електрически ток между електронните компоненти. Когато сигналът се премества от един чип към друг или енергията тече от порт към устройство, тя обикновено минава през проводника на печатната платка. Това означава, че проводникът не е просто линия върху платката. Той е основата на електрическата верига на печатната платка, на маршрутирането по печатната платка и на функционалността на цялата платка. Без правилно изпълнени проводници дори най-добре проектираната верига няма да работи коректно.

Причината дизайна на проводниците върху печатната платка (PCB) да е толкова важен е, че проводниците изпълняват по-голяма роля от просто свързването на точки на платката. Освен това те влияят върху електрическата ефективност на PCB, стабилността на сигнала, разпределението на захранването, пада на напрежението и отвеждането на топлината. Твърде тънък проводник може да се нагрее прекалено или дори да се стопи. Твърде дълъг проводник може да увеличи съпротивлението и да забави предаването на сигнала. Неправилно насочен проводник може да усилва взаимното въздействие (crosstalk), електромагнитни смущения или искажения на сигнала. По същество качеството на проводниците върху PCB може да определи дали един продукт ще функционира безупречно или ще се повреди при големи натоварвания.

Затова дизайнерите обръщат внимание на размера на печатната платка, дебелината на проводниците по печатната платка и съществуващите проводници по печатната платка още в началото на процеса на проектиране. Тези аспекти не са визуални. Те са избори при проектирането, които влияят върху безопасното функциониране, производителността и възможността за производство. Например, платката за управление на електрически двигател с висок ток изисква значително по-широки проводници в сравнение с платка за малко устройство за събиране на данни. Платка за високоскоростни цифрови сигнали може да изисква внимателно разстояние между проводниците и контрол на съпротивлението. Гъвкава платка може да изисква различни правила за проводниците в сравнение с негъвкава FR-4 платка . Най-добрите решения зависят от схемата, компонентите и крайното приложение.

Защо е важна експертизата по проводниците на печатни платки

Разбирането на оценката на широчината на проводните линии (траковете) на печатна платка (PCB) и на съпротивлението им е полезно както за начинаещи, така и за опитни разработчици. Начинаещите обикновено се фокусират върху разположението на компонентите и връзките в принципиалната схема, но именно проектирането на траковете превръща проекта в функционален физически продукт. Опитните инженери осъзнават, че стилът на траковете влияе на всичко — от прегряването на PCB до стабилността на самата платка. Ако разработвате модел, произвеждате автоматизация или управлявате производството и монтажа на PCB, компетентността в областта на траковете е изключително важна.

По-долу са няколко от най-важните фактори, свързани с формата на траковете:

Номинална токопроводимост: Тракът трябва да издържа уверено тока, без да се прегрява.

Напрежение и безопасност: Дългите или тънки тракове могат да предизвикат нежелано падане на напрежението.  

Качество на сигнала: Лошото предаване може да намали вярността на сигнала и да увеличи шума.  

Топлинна ефективност: Тънките тракове могат да действат като слаби точки при висок токов поток.

Успех в производството: Добре проектираната трасировка подобрява производимостта на печатните платки и намалява вероятността от проблеми при изработката.

Стандартен пример

Представете си две трасировки на печатна платка, които пренасят един и същ ток. Едната трасировка е широка и кратка, а другата — тясна и дълга. Тясната трасировка има по-голямо съпротивление, поради което се нагрява значително повече и има по-голямо падане на напрежението по дължината ѝ. С времето това може да доведе до неуспех. Широката трасировка, от своя страна, работи по-студена и функционира по-добре. Затова размерът на трасировките на печатните платки е толкова важен при инженерството на ПП и електронния дизайн.

Проучване: Отказ на трасировка в модел  

Малка версия на печатна платка за IoT устройство работеше добре по време на тестовете на масата, но се повреди след поставянето ѝ в по-топла система. Проблемът не беше в чипа или в твърдото управляващо програмно осигуряване. Причината беше, че ширината на електрическата връзка (trace) беше твърде малка за реалния работен ток. Докато платката се нагряваше, температурата на връзката се повишаваше, съпротивлението й растеше и напрежението спадаше под нивото, необходимо за сензора. Основна преработка на връзките отстрани проблема. Това е типичен пример защо размерът на електрическите връзки не може да се третира като второстепенен въпрос.

Защо оформянето на електрическите връзки е основна способност при проектирането на печатни платки

Добрият дизайн на печатни платки не се свежда просто до разполагането на практически идеални компоненти върху платка. Той се състои в създаването на надеждни електрически пътища, които функционират при реални експлоатационни условия. Това означава избор на оптимална геометрия на проводниците, използване на подходяща технология за производство на печатни платки и отчитане на топлинното управление на платката. Освен това подразбира разбиране на начина, по който услугите за печатни платки са свързани с физическата платка. Ако разбирате точно как протича токът, как възниква съпротивлението и как именно топлината се разпространява по медта, можете да проектирате по-мощни и по-надеждни платки.

Проводник на печатна платка в съвременния схемен дизайн

Проводникът на печатна платка е нещо повече от проста медна линия. В съвременното проектиране на печатни платки той представлява действителния път, по който преминават енергията, данните и управляващите сигнали през платката. Проводниците свързват електронни компоненти като интегрални схеми (ИС), резистори, кондензатори, сензори, портове и енергийни устройства, което прави веригата физически и електрически функционална. Тъй като осигуряват връзка, проводниците са истинските „магистрали“ на платката. Без тях схемата би останала само теоретичен принцип. С тях проектът се превръща в работеща печатна основна платка.

В днешната електроника проводниците трябва да изпълняват много повече функции от просто пренасяне на ток. Те трябва да осигуряват стабилност на сигнала, да подпомагат разпределението на енергията, да намаляват електрическото съпротивление на печатната платка и да предотвратяват нежелани шумове. Това е особено вярно за платки с бързи електронни сигнали, ВЧ-секции, драйвери за електродвигатели или високомощни вериги. Проводник, който работи добре в обикновена LED-платка, може напълно да се провали в бърз контролер, ако не е проектиран с подходящи размери или не е правилно трасиран. Затова оптимизирането на проводниците на печатната платка е съществена част от дизайна и производимостта ѝ.

Защо форматът на проводниците влияе върху ефективността

Токовото натоварване: Проводникът трябва да пренася безопасно необходимия ток.

Напрежението: Дългите проводници могат да причиняват загуба на напрежение.

Топлинен контрол: Тънките проводници могат да се нагряват прекалено при големи токове.

Шумово потискане: Лошото трасиране може да увеличи електромагнитните смущения (EMI) и взаимното влияние (crosstalk).

Размери на платката: Трасирането на проводниците влияе върху това колко компактна може да бъде платката.

Съпротивление на проводниците и токовото натоварване

Всеки проводник има съпротивление. Освен това медта не е изключителен проводник. Когато протича ток през проводника, част от мощността се губи под формата на топлина. Затова връзката между съпротивлението на проводника, неговата токопроводимост и температурата му е от голямо значение. Ако проводникът е с недостатъчно голямо напречно сечение, съпротивлението му се увеличава, което води до по-голямо нагряване и по-висок риск PCB-платката да се прегрее.

Съпротивление на проводниците в PCB

Няколко физически и електрически свойства определят точно как се държи проводникът в PCB. Тези свойства включват размера на проводника, плътността на проводника, широчината на проводника, разстоянието между проводниците, геометрията на проводника и повърхностното покритие. Заедно тези свойства определят количеството ток, което проводникът може да пренася, неговото съпротивление и лекотата, с която може да предава сигнал.  

1. Размер на проводника  

Размерът на проводника е праволинейният размер на медната пътечка. По-широките проводници могат да пренасят значително по-голям ток и работят по-студени. Тесните проводници позволяват по-плътно трасиране, но може да не са подходящи за високоволтови линии.  

2. Дебелина на медта

Плътността на медта често се указва чрез теглото на медта или в микрометри. По-дебелата мед намалява съпротивлението и подобрява топлинната производителност. Затова теглото на медта в печатните платки е важен фактор при изчисляването на максималния ток, който може да преминава през проводниците.  

3. Размер на проводника  

По-дългите проводници имат по-високо съпротивление и по-голяма вероятност от забавяне на сигнала. При цифрови или ВЧ платки размерът на проводниците може да повлияе върху времевите параметри, устойчивостта към смущения и сигнала.

4. Разстояние между проводниците  

Разстоянието между проводниците помага да се предотврати крос-ток и електромагнитни смущения (ЕМИ). Недостатъчното разстояние може да позволи на сигнали да се влияят взаимно, особено при проектиране на високоскоростни печатни платки.  

5. Геометрия на проводниците  

Остри ъгли, екстремни извивки и отрицателни ъгли на прехвърляне могат да предизвикат проблеми. Много инженери избират ъгъл от 45 градуса за трасиране, тъй като той е по-чист за производството и обикновено по-подходящ за сигнальните маршрути в сравнение с остри 90-градусови завои.

6. Преходни отвори (вия)  

Преходните отвори (вия) свързват слоевете в многослойните платки. Въпреки това всеки преходен отвор има малко съпротивление и индуктивност. Това има значение при високочестотни или високотокови схеми.  

7. Повърхностна обработка  

Производителността на трасетата също зависи от крайния слой и от това колко добре е закрепена медта по време на производството и монтажа на печатната платка. Трасе, което е изложено или неправилно изпълнено, може да бъде по-малко надеждно или по-трудно за запояване.

Таблица на параметрите

Ток в печатна платка (PCB)

Токът в печатна платка (PCB) е количеството електрически ток, протичащ през меден проводник (следа). Това може да изглежда очевидно, но е един от най-важните проектни параметри при проектирането на платка. Ако следата пренася повече ток, отколкото е проектирана да поема, тя може да се прегрее, да има загуба на напрежение или дори да излезе от строя напълно. Затова проектиращите изчисляват носимостта на тока преди завършване на проекта.

Токът, който една следа може да пренася, зависи от:

Размер на следата

Плътност на медта

Размери на следата

Температура на заобикалящата среда

Допустима температура на следата

Проблеми с охлаждането

МАТЕРИАЛ ЗА ПЛАЧКИ  

По-широка следа може да пренася значително по-голям ток, защото има по-голяма напречна площ. По-дебел слой мед също допринася, тъй като намалява съпротивлението. В противоположност на това, дълга и тънка следа има по-ниска способност за пренасяне на ток и вероятно ще се нагрява силно.

Защо съществуващите проблеми в дизайна на ППВ

Съществуващи ефекти:

Разпределение на мощността

Напрежение спад

Температура на следата

Надеждност на платката

Безопасност и сигурност

Ефективност на ППВ платката

Чести рискове при висок ток в слаби следи

Прекомерно нагряване

Отделяне на медта

Стопени участъци на трасета

Отворени вериги

Намален срок на експлоатация на продукта

Напрежение в лепените връзки

Карти на ППВ в ППВ Дизайн : Основни принципи за прехвърляне и подреждане

Добро насочване на ППВ не е произволно. То следва предварително определен план. Трасетата трябва да се проектират така, че да осигуряват стабилно захранване и заземяване, да гарантират висококачествен сигнал и да намалят смущенията. На практика това означава разделяне на различните видове сигнали, контрол на обратните пътища и избор на подходяща слоева структура.

Критерии за предаване

Задръжте трасетата за захранване дебели и къси

Поддържайте трасетата за сигнали чисти и праволинейни

Използвайте наземни летателни апарати, за да намалите шума

Предотвратете ненужни слаби места

Разделяйте високочестотните сигнали от нискочестотните сигнали

Използвайте обилно преходни отвори (vias) по важните пътища

Разделяне на захранването, земята и сигналите

Трассите за захранване трябва обикновено да са по-широки от сигналните траси, тъй като пренасят значително по-голям ток. Земните площи осигуряват връщане с ниско импедансно съпротивление и допринасят за стабилността на платката. Сигналните траси трябва да се прокарват така, че да се избягват шумни области, по-специално в близост до превключващи регулатори, електродвигатели или RF източници.

Автоматично трасиране срещу ръчно трасиране

Препоръчителни практики за предаване

Използване на насочване на следи под ъгъл 45 градуса

Поддържайте следите кратки, когато е възможно

Запазете постоянни размери за основните проводници

Избягвайте остри ръбове по следите

Използвайте площадки с формата на сълзинка там, където има загриженост относно надеждността

Проверете маршрутизирането с мониторинг на проектната политика (DRC).

Техника за слоеве и преходни отвори.

При проектирането на многослойни печатни платки маршрутизирането обикновено е по-лесно, тъй като сигналите могат да се преместват между вътрешните слоеве. Въпреки това всяко изискване трябва да се използва активно. Преходните отвори с чрез-отвор, скрити преходни отвори и заровени преходни отвори имат различно влияние върху разходите и производителността.  

Широчина на проводника и отражение на сигнала.

В електрониката за високи честоти широчината на проводника влияе не само върху тока, но и върху импеданса на проводника, което от своя страна влияе върху качеството на сигнала. Ако импедансът на проводника се промени рязко, част от сигнала може да се отрази вместо да се предава непрекъснато. Това се нарича отражение и може да увреди качеството на сигнала.

Какво влияе върху качеството на сигнала?

Неочаквани промени в широчината на проводника.

Неравномерности в импеданса.

Лоши преходи между слоеве.

Лошо насочване на адаптера.

Остри геометрични промени.

Дълги незавършени сигналини.

Защо възникват проблеми с размерите

Широчината на проводника влияе върху неговите електрически характеристики. По-широките проводници обикновено имат по-ниска устойчивост, докато по-тесните имат по-висока устойчивост. При проектирането на печатни платки за високочестотни приложения това има голямо значение, тъй като сигналите трябва да се предават предсказуемо. Ако съпротивлението не се контролира правилно, резултатът може да бъде размазване на сигнала, грешки във времевото синхронизиране или повреда на данните.

Най-добрите практики за минимизиране на размазването

Поддържайте постоянна ширина на проводниците.

Поставете съпротивление там, където е необходимо.

Избягвайте рязка промяна в геометрията.

Използвайте подходящи прекъсвания във високочестотните линии.

Поддържайте пътя на сигнала прав и кратък.

Различни шумни следи от деликатните.

Когато визуализацията става проблем

Представянето на сигнала е особено важно при:

Диференциални USB-съединения.

LVDS предаване.

RF печатни платки.

Бързи цифрови шини.

Часови линии.

Връзки за високочестотно взаимодействие.

Случай от практиката: Неустойчив часови сигнал

Една печатна платка имаше повтарящи се цифрови грешки в линията на високочестотен часовников сигнал. Проблемът беше предизвикан от следа, която изведнъж промени широчината си близо до порт. Тази малка геометрична промяна доведе до влошаване на сигнала. След като следата беше подобрена чрез непрекъсната широчина, грешките изчезнаха.  

Най-добрите практики за проектиране на следи на ППС

Правилното проектиране на следи е един от най-бързите начини за подобряване на качеството на платката. Добре проектираните следи допринасят за топлинната безопасност, точността на сигнала и формирането на обратен път. Освен това те правят платката значително по-лесна за проверка и обслужване по-късно.

Основни най-добри практики

Избирайте широчината на следата въз основа на тока.

Използвайте по-широки следи за енергийните вериги.

Държете следите за високочестотни сигнали кратки и прави.

Избягвайте трасирането на чувствителни сигнали близо до шумни компоненти.

Спазвайте правилното разстояние между следите.

Използвайте чиста земна равнина.

Приложете DRC преди производството.

Допълнителни съвети.

Използвайте заземени площи за термична подкрепа.

Включете намаления за по-мощни връзки между контактни площи.

Маршрутирайте с ъгли от 45 градуса.

Използвайте диференциално насочване на сбора за балансирани сигнали.

Имайте предвид импеданса за ВЧ и високоскоростни линии.

Моделиране и проверка преди окончателното производство.

Таблица с най-добрите практики

Защо възникват проблеми с компетентността на печатните платки (PCB) при проектиране и производство на PCB.

Разбирането на практиките за изпълнение на проводници върху печатни платки (PCB) е от решаващо значение, тъй като проводниците влияят практически върху всеки аспект на общото качество на платката. Те определят по-специфично как платката пренася ток, колко шум генерира, колко топлина произвежда и колко добре може да бъде произведена. При производството на PCB широчината и разстоянието между проводниците трябва също така да съответстват на технологичния процес. Ако проектантът пренебрегне тези стандарти, платката може да се окаже трудна или дори невъзможно да се произведе правилно.  

Проблеми, свързани с разбирането на проводниците в PCB:

Стабилност на PCB.

Управление на тока в PCB.

Топлинни ефекти в PCB.

Качество на сигнала в PCB.

Производимост на PCB.

Ремонтопригодност на PCB.

Защо производствените екипи използват терапия

Производителите ценят:

Ограничения при травиране.

Минимален размер на проводника.

Разстояние между проводниците.

Плътност на медта.

Структура на слоевете.

Съответствие с правилата за проектиране за производство (DFM).

Защо монтажните екипи използват терапия.

Настройката на екипите ценят:

Леярност.

Термична кръвна циркулация.

Поставяне на компоненти.

Модернизиране на достъпа.

Трайност на платката.

Защо дизайнерите трябва да се отнасят така

Отношение на разработчиците, като се имат предвид влиянията върху следенето на трасета:

Стабилност на напрежението.

Намаляване на шума.

Вярност на сигнала.

Време на елемента.

Сигурност и защита на системата.

Често задавани въпроси

Как точно определям подходящия размер на проводника?

Използвайте калкулатор за размери на проводници в ПП или проектна формула, базирана на ток, плътност на медта, температура и допустимо падане на напрежението.

В какво се различават проводниците в микролента и в лента с екраниране?

Микролентата работи във външния слой, докато лентата с екраниране е разположена между вътрешните слоеве. Обикновено лентата с екраниране е по-добре екранирана.

Как точно повърхността на проводниците в ПП влияе върху възможността за запояване и ефективността?

Повърхностното покритие на проводниците влияе върху качеството на запояването, устойчивостта на медта към окисляване и надеждността на крайното електрическо съединение.

Какви са честите причини за повреда на проводниците в ПП?

Чести причини са прегряване, деламинация, прекомерно изтравяне, лошо проектиране, взаимно влияние (кроссток) и механични повреди.  

Просто как се проектират печатните платки за високоскоростни и високочестотни формати?

Те стават все по-много контролирани по импеданс, много по-строго пренасяни и все повече зависими от структурата на слоевете и симулациите.

Как новаците могат да подобрят проектирането на трасета на печатни платки?

Започнете с подходящи размери на трасетата, поддържайте къси пътища, използвайте земни плочи, спазвайте правилата за проверка на проекта (DRC) и проектирайте още в началото.