ce trebuie să știți despre urmele de pe PCB?

Calculator lățime trasă PCB: Proiectare circuit și distanțare trase & proiectarea PCB

Ce trebuie să știți despre pCB trace

Introducere

O pistă PCB este una dintre cele mai indispensabile părți ale unei plăci de circuit imprimat, dar este adesea neglijată de începători. În termeni fundamentali, o pistă este o urmă de cupru sau o cale conductoare de cupru care transportă curentul electric între componente electronice. De fiecare dată când un semnal se deplasează de la un cip la altul sau când alimentarea electrică circulă de la un port către un dispozitiv, acesta parcurge în mod obișnuit o conductoare PCB. Aceasta indică faptul că pista nu este doar o linie pe o placă. Ea reprezintă structura circuitelor electrice PCB, a rutării PCB și a funcționalității complete a plăcii. Fără piste corespunzătoare, chiar și cel mai bine proiectat circuit va eșua în funcționarea corectă.

Motivul pentru care proiectarea traseelor de pe placa de circuit imprimat (PCB) este foarte importantă este că aceste trasee fac mai mult decât să conecteze punctele de pe placă. Ele influențează, de asemenea, eficiența electrică a PCB-ului, stabilitatea semnalelor, circulația puterii, căderea de tensiune și disiparea căldurii. Un traseu prea subțire s-ar putea încălzi excesiv sau chiar topi. Un traseu prea lung ar putea genera rezistență și încetini activitatea semnalului. Un traseu direcționat incorect ar putea amplifica crosstalk-ul, perturbările electromagnetice sau distorsionarea semnalului. În esență, calitatea unui traseu de pe o placă PCB poate determina dacă un produs funcționează corect sau se defectează sub sarcină.

De aceea, proiectanții acordă atenție dimensiunii traseelor de pe PCB, grosimii traseelor de pe PCB și existenței traseelor de pe PCB foarte devreme în procesul de proiectare. Aceste aspecte nu sunt vizuale. Ele reprezintă alegeri de proiectare care influențează siguranța, performanța și posibilitatea de fabricare. De exemplu, o placă de comandă pentru un motor electric de înaltă putere necesită trasee mult mai largi decât o placă pentru un dispozitiv mic de colectare. O placă digitală de înaltă viteză ar putea necesita o distanțare atentă a traseelor și o controlare precisă a rezistenței. O placă flexibilă ar putea necesita politici diferite privind traseele comparativ cu o placă rigidă. Placă FR-4 . Cele mai bune alegeri depind de circuit, de componente și de aplicația finală.

De ce este importantă expertiza în domeniul traseelor de pe PCB

Înțelegerea estimării lățimii traseelor PCB și a rezistenței traseelor PCB este utilă atât pentru începători, cât și pentru dezvoltatori experimentați. Începătorii se concentrează de obicei pe poziționarea elementelor și pe legăturile schematice, dar proiectarea traseelor este ceea ce transformă desenul într-un produs fizic funcțional. Inginerii experimentați înțeleg că stilul traseelor influențează totul, de la suprâncălzirea PCB-urilor până la stabilitatea plăcii PCB. Dacă proiectați un model, realizați automatizări sau gestionați fabricarea și montarea PCB-urilor, cunoștințele privind trasarea sunt foarte importante.

Mai jos sunt enumerate câteva dintre cele mai importante probleme legate de formatul hărții:

Capacitatea de transport existentă: Traseul trebuie să poată gestiona în mod sigur curentul fără a se suprîncălzi.

Siguranța tensiunii: Traseele lungi sau subțiri pot provoca pierderi necontrolate de tensiune.  

Calitatea semnalului: Transmiterea slabă poate reduce integritatea semnalului și poate amplifica zgomotul.  

Performanța termică: Traseele subțiri pot acționa ca izolatori în timpul unui debit de curent ridicat.

Succes în producție: O dispunere corectă a traseelor îmbunătățește fabricabilitatea PCB-urilor și reduce posibilitatea apariției unor probleme de construcție.

Un exemplu standard

Luați în considerare două trasee PCB care transportă același curent. Un traseu este lat și scurt. Celălalt este îngust și lung. Traseul îngust are o rezistență mai mare, deci se încălzește mult mai mult și determină o cădere de tensiune mai mare pe parcursul său. În timp, acest lucru poate duce la defectare. Traseul larg, pe de altă parte, funcționează la o temperatură mai scăzută și are o performanță superioară. De aceea, dimensionarea traseelor PCB este atât de esențială în ingineria PCB și proiectarea electronică.

Studiu de caz: Defecțiune a unui traseu într-un model  

O mică variantă a plăcii de circuit imprimat (PCB) pentru un dispozitiv IoT a funcționat bine în timpul testărilor inițiale la bancul de lucru, dar a eșuat după ce a fost instalată într-un sistem mai cald. Dificultatea nu provenea de la cip sau de la firmware. Problema consta în faptul că traseul de alimentare era prea îngust pentru curentul real de funcționare. Pe măsură ce placa se încălzea, temperatura traseului creștea, rezistența acestuia se mărea, iar tensiunea scădea sub nivelul necesar senzorului. O redesenare fundamentală a traseelor a rezolvat problema. Aceasta este o situație comună care ilustrează de ce dimensionarea traseelor nu poate fi tratată ca o problemă secundară.

De ce stilul traseelor este o abilitate esențială în proiectarea PCB

O bună proiectare PCB nu constă în mod practic în plasarea componentelor ideale pe o placă. Este vorba despre realizarea unor trasee electrice fiabile care funcționează în condiții reale de funcționare. Aceasta implică selectarea unei geometrii optime pentru urmele de cupru, utilizarea unui transfer adecvat al PCB-ului și monitorizarea gestionării termice a PCB-ului. În plus, presupune înțelegerea modului în care serviciile PCB se corelează cu placa fizică. Dacă înțelegeți exact cum curge curentul, cum se formează rezistența și, mai ales, cum se răspândește căldura prin cupru, puteți realiza plăci mult mai eficiente și mult mai fiabile.

Urmele PCB în proiectarea modernă a circuitelor

O pistă PCB este mult mai mult decât o simplă linie de cupru. În proiectarea modernă a plăcilor PCB, aceasta reprezintă traseul real care permite trecerea energiei electrice, a datelor și a semnalelor de comandă pe întreaga placă. Piste sunt conectate la componente electronice precum circuite integrate (IC), rezistențe, condensatori, unități de detectare, porturi și dispozitive de alimentare, făcând astfel circuitul funcțional atât din punct de vedere fizic, cât și electric. Datorită rolului lor esențial, pistele reprezintă adevăratele «autostrăzi» ale plăcii. Fără ele, o schemă ar rămâne doar un concept teoretic. Cu ele, proiectul devine o placă de bază imprimată funcțională.

În electronica de astăzi, traseele trebuie să facă mult mai mult decât să transporte curentul existent. Ele trebuie să mențină stabilitatea semnalului, să sprijine circulația puterii, să reducă rezistența electrică a PCB-urilor și să evite zgomotul nedorit. Acest lucru este valabil în special pentru plăcile care conțin semnale electronice rapide, secțiuni RF, driveri pentru motoare electrice sau circuite de înaltă putere. Un traseu care funcționează corect pe o placă standard cu LED-uri poate fi complet inadecvat pe un controller de înaltă viteză dacă nu este dimensionat sau transmis corespunzător. De aceea, optimizarea traseelor PCB reprezintă o parte esențială a proiectării PCB și a fabricabilității PCB.

De ce formatul traseului influențează eficiența

Circulația curentului: traseul trebuie să transporte în mod sigur curentul necesar.

Siguranța tensiunii: traseele lungi pot genera pierderi de tensiune.

Controlul temperaturii: traseele subțiri pot deveni prea fierbințe sub sarcini mari.

Reducerea zgomotului: o transmitere slabă poate amplifica EMI și crosstalk-ul.

Dimensiunea plăcii: transmiterea traseelor influențează cât de mică poate fi placa.

Rezistența traseului și circulația curentului

Fiecare pistă are o rezistență. De asemenea, cuprul nu este un conductor excepțional. Când circulă curent printr-o pistă, o parte din putere se pierde sub formă de căldură. De aceea, relația dintre rezistența pistei, capacitatea de transport a curentului și temperatura pistei este foarte importantă. Dacă pista este prea subțire, rezistența crește, ceea ce generează mai multă căldură și o probabilitate mai mare ca placa de circuit imprimat (PCB) să devină prea fierbinte.

Rezistența de metodă a pistelor PCB

O serie de proprietăți fizice și electrice definesc modul exact în care se comportă o pistă PCB. Acestea includ dimensiunea pistei, densitatea pistei, grosimea pistei, distanța dintre piste, geometria pistei și finisajul suprafeței. Împreună, aceste proprietăți determină cantitatea de curent pe care o poate transporta pista, valoarea rezistenței sale și ușurința cu care poate transmite un semnal.  

1. Dimensiunea pistei  

Dimensiunea traseului este lățimea directă a căii de cupru. Traseele mai largi pot transporta mult mai mult curent și funcționează la temperaturi mai joase. Traseele subțiri permit o dirijare mai densă, dar pot fi nepotrivite pentru linii de înaltă tensiune.  

2. Grosimea stratului de cupru

Densitatea cuprului este frecvent specificată folosind greutatea cuprului sau microni. Cuprul mai gros reduce rezistența și îmbunătățește performanța termică. De aceea, greutatea cuprului din PCB este un element esențial în estimarea capacității de curent a traseelor PCB.  

3. Dimensiunea traseului  

Traseele lungi au o rezistență mai mare și o probabilitate crescută de întârziere a semnalului. În plăcile de circuit imprimat digitale sau RF, dimensiunea traseului poate influența sincronizarea, imunitatea la perturbații și integritatea semnalului.

4. Distanța dintre trasee  

Distanța dintre trasee ajută la prevenirea crosstalk-ului și a interferenței electromagnetice (EMI). O distanță insuficientă poate permite semnalelor să se interfereze reciproc, în special în proiectarea PCB cu viteză ridicată.  

5. Geometria traseelor  

Colțurile ascuțite, îndoirile extreme și unghiurile negative de transfer pot crea probleme. Un număr mare de ingineri aleg unghiul de 45 de grade pentru trasee, deoarece acesta este mai ușor de realizat în fabricație și, în general, oferă o performanță superioară pentru rutinele de semnal comparativ cu virajele ascuțite de 90 de grade.

6. Orificii de trecere (vias)  

Orificiile de trecere (vias) conectează straturile în plăcile multistrat. Ele îndeplinesc, totuși, fiecare orificiu de trecere include o mică cantitate de rezistență și inductanță. Acest lucru are importanță în aplicațiile de înaltă viteză sau cu curenți mari.  

7. Finisaj de suprafață  

Performanța traseelor depinde, de asemenea, de stratul final și de modul în care cuprul este bine fixat în timpul fabricării și al montării PCB-ului. Un traseu expus sau finalizat necorespunzător poate fi mai puțin fiabil sau mai dificil de lipit.

Tabelul proprietăților

Curentul în urmele PCB

Curentul în urmele PCB este cantitatea de curent electric care circulă printr-o urmă de cupru. Această noțiune poate părea evidentă, dar este, de fapt, una dintre cele mai importante variabile de proiectare ale unei plăci. Dacă o urmă transportă un curent mai mare decât cel pentru care a fost proiectată, aceasta se poate încălzi excesiv, poate suferi pierderi de tensiune sau chiar poate ceda complet. De aceea, proiectanții calculează capacitatea de transport a curentului înainte de finalizarea proiectului.

Curentul pe care o urmă îl poate transporta depinde de:

Dimensiunea urmei

Densitatea cuprului

Dimensiunea urmei

Temperatura ambientală

Temperatura maximă admisă pentru urmă

Probleme de răcire

Materialul plăcii  

O pistă mai largă poate transporta o cantitate mult mai mare de curent datorită faptului că are o suprafață secțională mai mare. Un strat mai gros de cupru ajută, de asemenea, deoarece reduce rezistența. În schimb, o pistă lungă și subțire are o capacitate redusă de transport al curentului și este probabil să se încalzească excesiv.

De ce reprezintă problemele existente un motiv de îngrijorare în proiectarea PCB

Impacturile existente:

Distribuția puterii

Căderea de tensiune

Temperatura pistei

Fiabilitatea plăcii

Siguranță și securitate

Eficiența plăcii PCB

Riscuri comune ale curentului ridicat în piste slabe

Încălzire excesivă

Delaminarea cuprului

Secțiuni de trasee topite

Deschiderea circuitelor

Reducerea duratei de viață a produsului

Tensiunea în joncțiunile de lipire

Hărți PCB în PCB Design : Principii fundamentale de transfer și amplasare

O dirijare excelentă a plăcilor PCB nu este aleatorie. Aceasta urmează un plan. Traseele trebuie amplasate astfel încât să mențină stabilitatea alimentării și a masei, să asigure calitatea superioară a semnalelor și să reducă perturbațiile. În practică, aceasta presupune separarea mai multor tipuri de semnale, reglarea căilor de întoarcere și alegerea structurii adecvate de straturi.

Principii de transmitere a criteriilor

Mențineți traseele de alimentare groase și scurte

Mențineți urmele de semnal curate și drepte

Utilizați plane de masă pentru a reduce zgomotul

Evitați găurile nejustificate

Separați semnalele de înaltă viteză de cele de joasă viteză

Utilizați extensiv orificiile de trecere (vias) în căile importante

Separarea alimentării, masei și semnalelor

Urmelor de alimentare le este necesar, în mod normal, să fie mai groase decât urmele de semnal, deoarece transportă un curent mult mai mare. Planele de masă oferă o cale de întoarcere cu impedanță scăzută și contribuie la stabilizarea plăcii. Urmelor de semnal le este necesar să fie trase astfel încât să evite zonele zgomotoase, în special în apropierea reglementatorilor de comutație, motoarelor sau surselor RF.

Rutare automată versus rutare manuală

Practici recomandate de transmitere

Utilizarea orientării urmelor la 45 de grade

Mențineți urmele cât mai scurte, ori de câte ori este posibil

Păstrați dimensiuni constante pentru rețelele esențiale

Evitați marginile ascuțite ale urmelor

Utilizați plăci în formă de lacrimă acolo unde există probleme de integritate

Examinați rutarea cu monitorizarea politicilor de proiectare (DRC).

Tehnica stratului și a găurilor de trecere.

În proiectarea PCB multistrat, rutarea este de obicei mai ușoară datorită faptului că semnalele pot fi transferate între straturile interioare. Totuși, fiecare tip de gaură de trecere trebuie utilizat activ. Găurile de trecere prin tot stratul, găurile de trecere oarbe și găurile de trecere îngropate au fiecare un impact diferit asupra costurilor și performanței.  

Dimensiunea traseului și reflexia semnalului.

În electronica de înaltă viteză, dimensiunea traseului influențează nu doar curentul, ci și impedanța traseului, ceea ce afectează integritatea semnalului. Dacă impedanța unui traseu se modifică brusc, o parte din semnal poate fi reflectată în loc să se propage curat în continuare. Acest fenomen se numește reflexie și poate deteriora calitatea semnalului.

Ce provoacă deteriorarea integrității semnalului?

Modificări neașteptate ale dimensiunii traseelor.

Inegalitățile de impedanță.

Treceri deficiente între straturi.

Dirijarea necorespunzătoare a adaptoarelor.

Modificări geometrice accentuate.

Linii de semnal neterminate prelungite.

De ce apar probleme legate de dimensiuni

Lățimea unei piste contribuie la calitățile sale electrice. Pistele mai largi au, în general, o imunitate redusă, în timp ce cele mai înguste au o imunitate mai mare. În proiectarea PCB de înaltă viteză, acest aspect este foarte important, deoarece semnalele trebuie să se propage în mod previzibil. Dacă impedanța nu este controlată corespunzător, rezultatul poate fi distorsionare, erori de temporizare sau deteriorare a datelor.

Cele mai bune practici pentru minimizarea reprezentărilor

Mențineți dimensiunea pistelor constantă.

Adaptați impedanța acolo unde este necesar.

Evitați discontinuitățile geometrice.

Utilizați discontinuități adecvate în liniile de înaltă viteză.

Mențineți traseele clare și concise.

Urmări zgomotoase diferite de cele delicate.

Când reprezentarea devine o problemă

Reprezentarea semnalului este deosebit de importantă în:

Seturi diferențiale USB.

Transmisie LVDS.

Stil PCB RF.

Magistrale digitale rapide.

Linii de ceas.

Legături de interacțiune la frecvență înaltă.

Studiu de caz: Semnal de ceas instabil

O placă de circuit a prezentat erori digitale recurente într-o linie de ceas de mare viteză. Problema a fost declanșată de o pistă care își schimba brusc lățimea în apropierea unui port. Această mică modificare geometrică a generat distorsiuni. După ce pista a fost îmbunătățită cu o lățime continuă, erorile au dispărut.  

Cele mai bune practici pentru proiectarea pistelor PCB

Proiectarea corectă a pistelor este una dintre cele mai rapide metode de îmbunătățire a calității plăcii. O proiectare excelentă a pistelor contribuie la siguranța termică, precizia semnalelor și formarea unei căi de întoarcere adecvate. De asemenea, face placa mult mai ușor de inspectat și de gestionat ulterior.

Principalele cele mai bune practici

Alegeți lățimea pistelor în funcție de curentul existent.

Utilizați piste mai largi pentru circuitele de alimentare.

Mențineți piste de mare viteză scurte și drepte.

Evitați rutarea semnalelor sensibile în apropierea elementelor zgomotoase.

Respectați spațierea corectă între piste.

Utilizați un plan de masă curat.

Aplicați DRC înainte de fabricare.

Sfaturi suplimentare.

Utilizați zone de masă pentru asistență termică.

Includeți reduceri pentru legături web mai puternice ale pad-urilor.

Rutați cu unghiuri de 45 de grade.

Utilizați ghidarea colectării diferențiale pentru semnale echilibrate.

Luați în considerare impedanța pentru liniile RF și cele de înaltă viteză.

Modelare și verificare înainte de fabricarea finală.

Tabelul celor mai bune practici

De ce apar probleme legate de competența urmelor PCB în proiectarea și fabricarea plăcilor PCB.

Înțelegerea practicilor privind urmele PCB este esențială, deoarece acestea afectează practic fiecare aspect al calității superioare a plăcii. Ele influențează în mod specific modul în care placa transportă curentul, cât de mult zgomot generează, câtă căldură produce și cât de bine poate fi fabricată. În fabricarea PCB, lățimea și distanța dintre urme trebuie, de asemenea, să corespundă procesului de producție. Dacă proiectantul neglijează aceste standarde, placa poate fi dificil sau chiar imposibil de realizat corect.  

Probleme legate de înțelegerea urmelor pentru:

Stabilitatea PCB.

Gestionarea curentului PCB.

Efектele termice PCB.

Calitatea semnalului PCB.

Fabricabilitatea PCB.

Reparabilitatea PCB.

De ce echipele de fabricație aplică terapia

Producătorii apreciază:

Limitări ale gravării.

Dimensiunea minimă a urmelor.

Distanța dintre urme.

Densitatea cuprului.

Configurarea stratificată a straturilor.

Conformitatea cu regulile de proiectare pentru fabricație (DFM).

De ce echipele de asamblare aplică tratamentul.

Echipele de configurare apreciază:

Sudabilitate.

Circulație termică a sângelui.

Plasarea componentelor.

Recondiționare pentru a ajunge la.

Durabilitatea plăcii.

De ce tratamentul proiectanților

Tratamentul dezvoltatorilor, având în vedere că activitățile de trasare au influență asupra:

Stabilitatea tensiunii.

Reducerea zgomotului.

Fidelitatea semnalului.

Durata de viață a elementului.

Siguranța și securitatea sistemului.

Întrebări frecvente

Cum identific exact dimensiunea potrivită a traseului?

Folosiți un calculator pentru dimensiunea traseelor PCB sau o formulă de proiectare bazată pe curentul existent, densitatea cuprului, nivelul de temperatură și căderea de tensiune admisă.

În ce mod diferă traseele de circuit microstrip de cele stripline?

Un microstrip funcționează pe un strat exterior, în timp ce un stripline rulează între straturile interne. Stripline este, în general, mai bine ecranat.

Cum influențează suprafețele traseelor PCB sudabilitatea și eficiența?

Acoperirile traseelor afectează calitatea legăturii prin sudură, rezistența cuprului la oxidare și fiabilitatea finală a conexiunii.

Care sunt cauzele frecvente ale defectării traseelor PCB?

Cauzele tipice includ suprasolicitarea termică, desprinderea straturilor (delaminare), gravarea excesivă, dirijarea incorectă, crosstalk-ul și deteriorarea mecanică.  

Pur și simplu, cum se creează traseele PCB pentru formatele de înaltă viteză și înaltă frecvență?

Acestea sunt realizate într-o măsură mult mai mare cu controlul impedanței, transferate mult mai riguros și depind într-o măsură mult mai mare de configurația stratificată (stackup) și de simulare.

Pur și simplu, cum pot îmbunătăți începătorii proiectarea traseelor PCB?

Începeți cu dimensiunea corespunzătoare a traseelor, mențineți traseele scurte, utilizați plane de masă, respectați regulile de verificare a designului (DRC) și proiectați din faza inițială.