mitä sinun tulee tietää PCB-johdinradasta?

PCB-johdinleveyden laskin: piirikortin suunnittelu ja johdinväli pCB-suunnittelu

Mitä sinun tulee tietää pcb-levy jälki

Johdanto

PCB-johdin on yksi tärkeimmistä tulostettujen piirikorttien osista, mutta uusille käyttäjille se jätetään usein huomiotta. Perustasolla johdin on kuparijohdin tai johtava kuparirata, joka kuljettaa sähkövirtaa elektronisten komponenttien välillä. Aina kun signaali siirtyy yhdestä piirisirusta toiseen tai virta kulkee liitännästä laitteeseen, se yleensä kulkee PCB:n johdinta pitkin. Tämä tarkoittaa, että johdin ei ole pelkkä viiva koolle. Se on PCB:n sähköpiirien perusrakenne, ohjausrakenne ja koko piirikortin toiminnallisuuden perusta. Ilman oikein mitoitettuja johdinkiertoja myös parhaiten suunniteltu piiri epäonnistuu toimimasta oikein.

PCB-johdinradan suunnittelun merkitys on suuri, koska johdinradat tekevät enemmän kuin vain yhdistävät pisteitä piirilevyllä. Ne vaikuttavat myös PCB:n sähköiseen tehokkuuteen, signaalien vakauden, virran kiertoon, jännitteen laskuun ja lämmön poistoon. Liian ohut johdinrauta voi kuumeta liikaa tai sulaa. Liian pitkä johdinrauta voi aiheuttaa vastusta ja hidastaa signaalien toimintaa. Väärin suunniteltu johdinrauta voi lisätä ristisignaalivaikutusta, elektromagneettista häiriötä tai signaalien vääristymistä. Periaatteessa PCB-johdinradan laatu määrittää, toimiko tuote sujuvasti vai epäonnistuisiko se suurten kuormitusten alaisena.

Siksi suunnittelijat kiinnittävät huomiota piirilevyn johdinradan kokoonsa, piirilevyn johdinradan paksuuteen ja piirilevyn johdinradan olemassaoloon hyvin varhaisessa vaiheessa suunnitteluprosessia. Nämä asiat eivät ole visuaalisia. Ne ovat suunnittelupäätöksiä, jotka vaikuttavat turvallisuuteen, suorituskykyyn ja valmistettavuuteen. Esimerkiksi korkean virran sähkömoottoriauton ohjauspiirilevy vaatii paljon leveämpiä johdinradoja kuin pieni keräyslaitepiirilevy. Korkean nopeuden digitaalipiirilevy voi vaatia tarkkaa johdinradan välistä etäisyyttä ja impedanssin säätöä. Joustava piirilevy voi vaatia erilaisia johdinrataohjeita kuin jäykkä FR-4-piirilevy . Parhaat valinnat perustuvat piirikäskyyn, komponentteihin ja lopulliseen käyttöön.

Miksi piirilevyn johdinradan asiantuntemus on tärkeää

PCB-johdinleveyden arviointiin ja PCB-johdinresistanssiin perehtyminen on hyödyllistä sekä aloittelijoille että kokeneille kehittäjille. Aloittelijat keskittyvät yleensä komponenttien sijoitteluun ja kytkentäkaavioon, mutta juuri johdinrakennetta muokkaamalla piirilevy muuttuu käyttökelpiseksi fyysiseksi tuotteeksi. Kokeneet insinöörit ymmärtävät, että johdinrakenne vaikuttaa kaikkeen: PCB:n ylikuumenemisestä piirilevyn vakauden säilymiseen. Jos kehität mallia, tuotantoautomaatiota tai vastaat PCB:n valmistuksesta ja asennuksesta, johdinosaaminen on erinomaisen tärkeää.

Alla on useita merkittävimpiä karttamäärittelyihin liittyviä tekijöitä:

Nykyinen virtakulku Kytkimen tulee kestää virtaa luotettavasti ilman ylikuumenemista.

Jänniteturvallisuus Pituudeltaan suuret tai ohuet johdinten leveydet voivat aiheuttaa epätoivottua jännitehäviötä.  

Signaalin laatu Huono siirto voi heikentää signaalin tarkkuutta ja lisätä kohinaa.  

Lämmönkulutus Ohuet johdinten leveydet voivat toimia kuin tehottomia johtimia korkean virran kulkiessa niiden läpi.

Tuotannon onnistuminen: Hyvä johdinradan asettelu parantaa piirilevyn valmistettavuutta ja vähentää rakennusongelmien mahdollisuutta.

Standardi-instanssi

Harkitse kahden piirilevyn johdinradan tapausta, joilla on sama nykyinen. Yksi johdinrata on leveä ja lyhyt. Toinen on ohut ja pitkä. Ohut johdinrata aiheuttaa suuremman vastuksen, joten se lämpenee huomattavasti enemmän ja jännite laskee enemmän matkan varrella. Ajan mittaan tämä voi johtaa epäonnistumiseen. Toisaalta leveä johdinrata pysyy viileämpänä ja toimii paremmin. Siksi piirilevyn johdinratojen mitoitus on niin tärkeää piirilevyjen suunnittelussa ja elektronisessa suunnittelussa.

Tutkimus: Johdinradan epäonnistuminen mallissa  

Pieni PCB-versio IoT-laitteelle toimi hyvin koko työpöydätestauksen ajan, mutta epäonnistui, kun laite asennettiin lämpimämmässä järjestelmässä. Ongelmana ei ollut piiri tai ohjelmisto. Ongelma johtui siitä, että virtajohtimen leveys oli liian kapea todelliseen käyttövirran tasoon. Kun piiri lämpeni, johtimen lämpötila nousi, vastus kasvoi ja jännite laski alle sensorin vaatiman tason. Perusteellinen johtimen uudelleensuunnittelu ratkaisi ongelman. Tämä on yleinen esimerkki siitä, miksi johtimen mitoituksen ei pitäisi sivuuttaa toissijaisena asiana.

Miksi johtimen suunnittelu on keskeinen PCB-taito

Hyvä PCB-suunnittelu ei ole käytännössä ideaalisten komponenttien asettamista piirilevylle. Se tarkoittaa luotettavien sähköisten polkujen tuottamista, jotka toimivat todellisissa käyttöolosuhteissa. Tämä tarkoittaa optimaalisen johdinradan geometrian valintaa, sopivan PCB-valmistusmenetelmän käyttöä ja huolellista PCB:n lämpöhallintaa. Se tarkoittaa myös ymmärrystä siitä, miten PCB-palvelut liittyvät fyysiseen piirilevyyn. Jos ymmärrät tarkasti, miten virta kulkee, miten vastus syntyy ja miten lämpö leviää kuparissa, voit suunnitella tehokkaampia ja luotettavampia piirilevyjä.

PCB-johdinradat modernissa piirisuunnittelussa

PCB-johdin ei ole pelkkä yksinkertainen kuparilinja. Nykyaikaisessa PCB-suunnittelussa se on itse asiassa se reitti, joka mahdollistaa virran, tiedot ja ohjaussignaalit kulkeutumaan piirilevyn yli. Johdinten avulla yhdistetään elektronisia komponentteja, kuten integroituja piirejä (IC), vastuksia, kondensaattoreita, tunnistusyksiköitä, liittimiä ja virtalaitteita, mikä tekee piirin fyysisesti ja sähköisesti toimivaksi. Koska ne toimivat kuin aistimuksia, johdinten voidaan katsoa olevan levyn todelliset "tiet". Ilman niitä kytkentäkaavio pysyisi varmasti vain teoreettisena periaatteena. Niiden avulla suunnittelu muuttuu toimivaksi tulostetun emolevyn muotoon.

Nykyisessä elektroniikassa piirtojohdot täytyy tehdä paljon enemmän kuin vain kuljettaa virtaa. Niiden täytyy säilyttää signaalien vakaus, tukea virtapiirin tehon kiertokulkua, vähentää piirilevyn sähkönvastusta ja estää haluttomia ääniä. Tämä pätee erityisesti nopeita sähköisiä signaaleja käsitteleviin piirilevyihin, RF-osioihin, sähkömoottorien ohjaimiin tai korkeatehoisiin piirikytkentöihin. Piirtojohto, joka toimii hyvin tavallisessa LED-piirilevyssä, voi täysin pettää korkean nopeuden ohjaimessa, jos sitä ei mitoiteta tai suunnitella asianmukaisesti. Siksi piirtojohdon optimointi on merkittävä osa piirilevyn suunnittelua ja valmistettavuutta.

Miksi piirtojohdon muoto vaikuttaa tehokkuuteen

Virtapiirin kulkuvirta: Piirtojohto täytyy kuljettaa turvallisesti vaadittu virta.

Jänniteturvallisuus: Pitkät piirtojohdot voivat aiheuttaa jännitehäviön.

Lämmönhallinta: Ohuet piirtojohdot voivat kuumeta liikaa suurissa virroissa.

Äänen vaimennus: Huono siirto voi lisätä EMI:tä ja ristisignaalointia.

Piirilevyn koko: Piirtojohdon suunnittelu vaikuttaa siihen, kuinka pieneksi piirilevy voidaan tehdä.

Piirtojohdon vastus ja virtapiirin kulkuvirta

Jokaisella johdinradalla on vastus. Myös kupari ei ole erinomainen johtaja. Kun radalla kulkee virtaa, osa tehosta kuluu lämmöksi. Siksi johdinradan vastuksen, virtakuljetuskapasiteetin ja lämpötilan välinen suhde on tärkeä. Jos johdinraa on liian ohut, vastus kasvaa, mikä aiheuttaa enemmän lämpöä ja suuremman riskin siitä, että piirilevy kuumenee liikaa.

Piirilevyn johdinradan vastus

Useat fysikaaliset ja sähköiset ominaisuudet määrittelevät tarkasti, miten piirilevyn johdinraa toimii. Nämä ominaisuudet ovat muun muassa johdinradan mitat, johdinradan tiukkuus, johdinradan koko, johdinradan välimatka, johdinradan geometria ja pinnan viimeistely. Yhdessä nämä ominaisuudet määrittävät, kuinka paljon virtaa johdinraa voi kuljettaa, kuinka suuri sen vastus on ja kuinka helposti se voi siirtää signaalia.  

1. Johdinradan koko  

Johdinradan koko on kupariradan suora leveys. Laajemmat johdinradat voivat kuljettaa huomattavasti enemmän virtaa ja toimia viileämmässä lämpötilassa. Kapeat johdinradat mahdollistavat tiukemman ohjauksen, mutta ne eivät välttämättä sovellu korkeajännitteisiin piirikortteihin.  

2. Kuparin paksuus

Kuparin tiukkuus ilmoitetaan usein kuparin painona tai mikrometreinä. Paksu kupari pienentää resistanssia ja parantaa lämmönjohtokykyä. Siksi PCB-kuparin paino on tärkeä tekijä PCB-johdinradan virtakyvyn arvioinnissa.  

3. Johdinradan koko  

Pitkät johdinradat aiheuttavat suuremman resistanssin ja lisäävät signaaliviiveen mahdollisuutta. Digitaalisissa tai RF-piirikorteissa johdinradan koko voi vaikuttaa ajoitukseen, häiriönsietokykyyn ja signaalin laatuun.

4. Johdinradan väli  

Johdinradan väli auttaa estämään kytkeytymisen (crosstalk) ja elektromagneettista häiriöherkkyyttä (EMI). Liian pieni väli voi aiheuttaa signaalien keskinäistä häiritsemistä, erityisesti korkean nopeuden PCB-suunnittelussa.  

5. Johdinradan geometria  

Terävät kulmat, äärimmäiset taipumat ja negatiiviset siirto kulmat voivat aiheuttaa ongelmia. Monet insinöörit valitsevat 45 asteen kulman siirtoon, koska se on helpommin valmistettavissa ja yleensä parempi signaalireittejä varten kuin terävät 90 asteen käännökset.

6. Läpiviennit  

Läpiviennit yhdistävät kerroksia monikerroksisissa piirilevyissä. Ne toimivat kuitenkin jokainen läpivienti sisältää pienen määrän resistanssia ja induktanssia. Tämä merkitsee suurta eroa korkean nopeuden tai korkean virran sovelluksissa.  

7. Pinnan viimeistely  

Johdinradan suorituskyky riippuu myös lopullisesta kerroksesta ja siitä, kuinka hyvin kupari on kiinnitetty piirilevyn valmistuksen ja kehityksen aikana. Huonosti suojattu tai väärin valmistettu johdinrauta voi olla vähemmän luotettava tai vaikeampi kiinnittää.

Omakotitalo-taulukko

PCB-johdinvirta

PCB-johdinvirta on sähkövirran määrä, joka kulkee kuparitrahalla. Tämä saattaa vaikuttaa ilmeiseltä, mutta se on yksi tärkeimmistä suunnittelumuuttujista piirilevyssä. Jos johdin kuljettaa enemmän virtaa kuin sille on suunniteltu, se voi kuumeta liikaa, menettää jännitettä tai epäonnistua kokonaan. Siksi suunnittelijat laskevat virtakuljetuskapasiteetin ennen suunnittelun viimeistelyä.

Johdinvirta, jonka johdin voi kuljettaa, riippuu seuraavista tekijöistä:

Johdinmitoista

Kuparin tiheys

Johdinmitoista

Ympäristön lämpötilasta

Sallitusta johdinlämpötilasta

Jäähdytysongelmista

LEvy MATERIAALI  

Suurempi johdin voi kuljettaa huomattavasti enemmän virtaa, koska sen poikkipinta-ala on suurempi. Paksu kuparikerros auttaa myös, koska se vähentää resistanssia. Sen sijaan leveä mutta ohut johdin kykenee kuljettamaan huomattavasti vähemmän virtaa ja se saattaa kuumenemalla ylikuormittua.

Miksi nykyiset huolenaiheet ovat tärkeitä PCB-suunnittelussa

Nykyiset vaikutukset:

Tehonjako

Jännitehäviö

Johdinlämpötila

Kortin luotettavuus

Turvallisuus ja suojaus

PCB-kortin tehokkuus

Yleiset riskit korkeasta virrasta heikoissa johtimissa

Liiallinen kuumeneminen

Kuparikerroksen irtoaminen

Sulatetut johdinalueet

Avoin piiri

Lyhentynyt tuotteen käyttöikä

Tinajuotetun liitoksen jännitys

PCB-kartat PCB:ssä Suunnittelu : Siirto ja asettelun perusteet

Hyvä PCB-ohjaus ei ole satunnainen. Se noudattaa suunnitelmaa. Johdinradat tulee siirtää siten, että virta ja maadoitus pysyvät turvallisina, signaalin laatu säilyy huippuluokkaisena ja häiriöt vähenevät. Käytännössä tämä tarkoittaa eri tyypisten signaalien erottelua, paluupolkujen säätelyä ja sopivan kerrosrakenteen valintaa.

Kriteeripohjaiset siirto-periaatteet

Pidä virtajohtimet suurina ja lyhyinä

Pidä signaalijohdot puhtaina ja suorina

Käytä maassa olevia lentokoneita äänen vähentämiseksi

Estä tarpeeton turvallisuusaukko

Erota korkean nopeuden signaalit alhaisen nopeuden signaaleista

Käytä viakoja laajalti tärkeissä reiteissä

Virran, maadoituksen ja signaalien jakaminen

Virrantiellä on yleensä oltava suurempi leveys kuin signaalitiellä, koska ne kuljettavat huomattavasti enemmän virtaa. Maatasot tarjoavat alhaisen impedanssin paluupolun ja auttavat pitämään piirilevyn vakautta. Signaalitieliä on ohjattava välttämään kovaa melua aiheuttavia alueita, erityisesti lähellä kytkentäregulaattoreita, moottoreita tai RF-lähteitä.

Automaattinen reititys vs. manuaalinen reititys

Suositellut lähetyskäytännöt

45 asteen johdinreittien käyttö

Pidä johdinradat mahdollisimman lyhyinä

Säilytä johdinradat yhtenäisessä paksuudessa tärkeissä liitoksissa

Vältä teräviä johdinradan reunoja

Käytä kyynelmuotoisia liitospintoja, kun liitoksen luotettavuus on kyseenalainen

Tarkista reititys suunnittelun sääntöjen tarkistuksella (DRC).

Kerrostekniikka ja viapisteet.

Monikerroksisten piirilevyjen suunnittelussa reititys on yleensä helpompaa, koska signaalit voivat siirtyä sisäkerrosten välillä. Kuitenkin jokainen viapiste tulee käyttää aktiivisesti. Läpiviapisteet, sokeat viapisteet ja haudatut viapisteet vaikuttavat kustannuksiin ja suorituskykyyn eri tavoin.  

Johdinradan koko ja signaalien heijastuminen.

Korkean nopeuden elektroniikassa johdinradan koko vaikuttaa enemmän kuin vain virtaamiseen. Se vaikuttaa myös johdinradan impedanssiin, mikä puolestaan vaikuttaa signaalin siirtoon. Jos johdinradan impedanssi muuttuu äkkinäisesti, osa signaalista voi heijastua takaisin sen sijaan, että se etenisikin suoraan eteenpäin. Tätä kutsutaan heijastumiseksi, ja se voi heikentää signaalin laadukkuutta.

Mitä aiheuttaa signaalin heijastumisen?

Odottamattomat johdinradan koon muutokset.

Impedanssierot.

Huonot siirtymät kerrosten välillä.

Huono sovittimen ohjaus.

Terävät geometriset muutokset.

Pitkät keskeyttämättömät signaalilinjat.

Miksi mitoitusongelmia

Johdinradan leveys vaikuttaa sen sähköisiin ominaisuuksiin. Laajemmat johdinradat ovat yleensä vähemmän herkkiä häiriöille, kun taas kapeammat johdinradat ovat herkempiä häiriöille. Nopean signaalinkäsittelyn piirilevyjen suunnittelussa tämä on tärkeää, koska signaalien on liikuttava ennustettavasti. Jos resistanssia ei huomioida, seurauksena voivat olla kutsuhäiriöitä, ajoitusvirheitä tai vaurioitunutta dataa.

Parhaat käytännöt esityksen minimoimiseksi

Pidä johdinradan koko vakiona.

Sovella vastusta tarvittaessa.

Vältä geometrian katkeamia.

Käytä sopivaa katkaisua nopeissa signaalilinjoissa.

Pidä ohjaus siistinä ja nopeana.

Erota kohinaa aiheuttavat johdinradat herkillä johdinradoista.

Kun kuvauksesta tulee ongelma

Signaaliesitys on erityisen tärkeää seuraavissa sovelluksissa:

USB-differentiaaliparit.

LVDS-lähetys.

RF-piirikorttisuunnittelu.

Nopeat digitaaliset väylät.

Kellolinjat.

Korkeataajuisten signaalien vuorovaikutuslinkit.

Tapausanalyysi: Epävakaa kellosignaali

Piirikortissa esiintyi toistuvia digitaalisia virheitä korkean nopeuden kellolinjalla. Ongelma johtui johdinosasta, jonka leveys muuttui äkillisesti liittimen läheisyydessä. Tämä pieni geometrian muutos aiheutti signaalikuvausta (impedanssimuutosta). Kun johdinosan leveyttä muokattiin tasaiseksi, virheet katosivat.  

Parhaat käytännöt PCB-johdinradan suunnittelussa

Johdinradan luominen huolellisesti on yksi nopeimmista tavoista parantaa piirilevyn laadua. Hyvä johdinradan suunnittelu edistää lämmönhallintaa, signaalitarkkuutta ja paluupolkujen muodostumista. Se tekee myös piirilevyn tarkastuksesta ja käsittelystä myöhemmin huomattavasti helpompaa.

Keskeiset parhaat käytännöt

Valitse johdinradan koko virtapiirin perusteella.

Käytä suurempia johdinradoja virtajohtoja varten.

Pidä korkean nopeuden johdinradat lyhyinä ja suorina.

Vältä herkkojen signaalien reititystä meluisien komponenttien läheisyyteen.

Pidä johdinradojen välimatkat oikeassa suhteessa.

Käytä puhtaata maapintaa.

Suorita DRC-tarkistus ennen valmistusta.

Lisävinkit.

Käytä maadoitettuja alueita lämmön avustamiseen.

Sisällytä pienennykset voimakkaampien pad-verkkoyhteyksien saavuttamiseksi.

Reititä 45 asteen kulmilla.

Käytä differentiaalista keruuohjausta tasapainoisille signaaleille.

Ota huomioon impedanssi RF- ja korkean nopeuden johdoissa.

Mallinnus ja tarkastus ennen lopullista valmistusta.

Parhaat käytännöt -taulukko

Miksi PCB-johdinradan osaamisongelmat ilmenevät PCB:n asettelussa ja valmistuksessa.

PCB-johdinratojen käytäntöjen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, koska johdinradat vaikuttavat käytännössä kaikkiin piirilevyn laatuun liittyviin osa-alueisiin. Ne vaikuttavat erityisesti siihen, miten piirilevy kuljettaa virtaa, kuinka paljon kohinaa se tuottaa, kuinka paljon lämpöä se tuottaa ja kuinka hyvin sitä voidaan valmistaa. PCB:n valmistuksessa johdinratojen leveys ja väli täytyy myös vastata valmistusprosessia. Jos suunnittelija jättää nämä vaatimukset huomiotta, piirilevyn valmistaminen voi olla vaikeaa tai jopa mahdotonta.  

Johdinratoihin liittyvät ymmärtämisongelmat:

PCB:n vakaus.

PCB:n virran käsittely.

PCB:n lämpövaikutukset.

PCB:n signaalilaatu.

PCB:n valmistettavuus.

PCB:n korjattavuus.

Miksi valmistustiimit pitävät näistä asioista huolta

Valmistajat arvostavat:

Kuparikirjaimen syövytysrajoitukset.

Pienin johdinleveys.

Johdinväli.

Kuparitiukkuus.

Kerrostumarakennelma.

DFM-mukaisuus.

Miksi kokoonpanotiimit käsittelivät:

Tiimien perustamisen arvostavat:

Kiinnityskyky.

Lämpöinen verenkierto.

Osa-asennus.

Uudistaminen saavutettavaksi.

Kortin kestävyys.

Miksi suunnittelijoiden hoito

Kehittäjien hoito, joka ottaa huomioon seurantatoimintojen vaikutukset:

Jännitteen vakaus.

Äänen vähentäminen.

Signaalin luotettavuus.

Komponentin elinikä.

Järjestelmän turvallisuus ja tietoturva.

Usein kysytyt kysymykset

Kuinka tarkoin tunnistan sopivan johdinlevyn mitan?

Käytä PCB-johdinlevyn koon laskinta tai suunnittelukaavaa, joka perustuu virtaan, kuparin tiukkuuteen, lämpötilatasoon ja sallittuun jännitehäviöön.

Miten mikroliuskat ja stripliuskat eroavat toisistaan?

Mikroliuska toimii ulkoisella kerroksella, kun taas stripliuska kulkee sisäkerrosten välissä. Stripliuska on yleensä paremmin suojattu.

Kuinka PCB-johdinlevyt vaikuttavat liitostekniikkaan ja tehokkuuteen?

Johdinlevyjen pinnat vaikuttavat siihen, kuinka hyvin tinalla on mahdollista muodostaa liitos, kuinka resistiivinen kupari on hapettumiselle sekä kuinka luotettava lopullinen yhteys on.

Mitkä ovat yleisimmät PCB-johdinlevyjen vikaantumisen syyt?

Yleisiä syitä ovat ylikuumeneminen, kerrosten irtoaminen, liiallinen etäisyyskäsitteleminen, huono suunnittelu, kytkeytyminen (crosstalk) ja mekaaniset vauriot.  

Kuinka PCB-johdinlevyt suunnitellaan korkean nopeuden ja korkean taajuuden sovelluksiin?

Ne tapahtuvat paljon enemmän impedanssiohjattuina, paljon kovemmin siirrettyinä ja paljon enemmän riippuen kerroksistosta ja simuloinnista.

Miten aloittelijat voivat parantaa PCB-johdinradan suunnittelua?

Aloita sopivalla johdinradan mitalla, pidä radat lyhyinä, käytä maatasoja, noudata DRC-ohjeita ja suunnittele varhain.