คุณต้องรู้อะไรบ้างเกี่ยวกับเส้นทางสายไฟบนแผงวงจร (PCB trace)

เครื่องคำนวณความกว้างของลายวงจรบนแผงวงจร (PCB Trace Width Calculator): การออกแบบวงจรและระยะห่างระหว่างลายวงจร (Trace Spacing) & การออกแบบ PCB

คุณจำเป็นต้องรู้อะไรบ้างเกี่ยวกับ pCB ติดตาม

บทนำ

ลายวงจรบนแผงวงจร (PCB trace) เป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของแผงวงจรพิมพ์ (printed circuit board) แต่มักถูกมองข้ามโดยผู้เริ่มต้นเสมอ กล่าวอย่างง่าย ๆ แล้ว ลายวงจรคือเส้นทองแดงหรือทางนำไฟฟ้าที่ทำจากทองแดง ซึ่งทำหน้าที่ส่งกระแสไฟฟ้าระหว่างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ทุกครั้งที่สัญญาณเคลื่อนย้ายจากชิปหนึ่งไปยังอีกชิปหนึ่ง หรือพลังงานไหลจากพอร์ตหนึ่งไปยังอุปกรณ์หนึ่ง มันมักจะเดินทางผ่านตัวนำบนแผงวงจร (PCB conductor) นั่นหมายความว่า ลายวงจรไม่ใช่เพียงแค่เส้นหนึ่งเส้นบนแผ่นวงจรเท่านั้น แต่เป็นโครงสร้างพื้นฐานของวงจรไฟฟ้าบนแผงวงจร (PCB electric circuitry) การจัดแนวสายนำสัญญาณ (PCB routing) และการใช้งานทั้งหมดของแผ่นวงจร หากไม่มีลายวงจรที่เหมาะสม แม้แต่วงจรที่ออกแบบมาอย่างดีที่สุดก็จะไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้อง

เหตุผลที่การออกแบบลายวงจร (PCB trace) มีความสำคัญอย่างยิ่งก็คือ ลายวงจรทำหน้าที่มากกว่าการเชื่อมจุดต่าง ๆ บนแผงวงจรเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของแผงวงจร ความเสถียรของสัญญาณ การไหลของพลังงาน แรงดันตกคร่อม และการกระจายความร้อนด้วย ลายวงจรที่มีขนาดเล็กเกินไปอาจร้อนจัดหรือละลายได้ ลายวงจรที่ยาวเกินไปอาจเพิ่มค่าความต้านทานและทำให้สัญญาณเคลื่อนที่ช้าลง ขณะที่ลายวงจรที่วางแนวผิดอาจเพิ่มปัญหาการรบกวนระหว่างสัญญาณ (crosstalk) การรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า หรือการบิดเบือนสัญญาณ กล่าวโดยสรุป คุณภาพของลายวงจรบนแผงวงจรสามารถกำหนดได้ว่าผลิตภัณฑ์จะทำงานได้อย่างราบรื่นหรือล้มเหลวภายใต้ภาระงานหนัก

นี่คือเหตุผลที่นักออกแบบให้ความสำคัญกับขนาดของลายวงจรบนแผงวงจร (PCB trace size), ความหนาของลายวงจรบนแผงวงจร (PCB trace thickness) และการมีอยู่ของลายวงจรบนแผงวงจร (PCB trace existence) ตั้งแต่ช่วงแรกของกระบวนการออกแบบ ด้านเหล่านี้ไม่ใช่สิ่งที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่เป็นการตัดสินใจเชิงการออกแบบที่ส่งผลต่อความปลอดภัย ประสิทธิภาพ และความสามารถในการผลิต เช่น บอร์ดควบคุมมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสูงสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า (EV) จะต้องใช้ลายวงจรที่กว้างกว่าบอร์ดอุปกรณ์รับสัญญาณขนาดเล็กมาก ขณะที่บอร์ดดิจิทัลความเร็วสูงอาจต้องคำนึงถึงระยะห่างระหว่างลายวงจรอย่างรอบคอบและควบคุมค่าความต้านทานอย่างแม่นยำ ส่วนบอร์ดแบบยืดหยุ่น (flexible board) อาจต้องใช้นโยบายการออกแบบลายวงจรที่แตกต่างจากบอร์ดแบบแข็ง (inflexible board) FR-4 board การตัดสินใจที่ดีที่สุดขึ้นอยู่กับวงจร องค์ประกอบต่างๆ และการใช้งานสุดท้าย

เหตุใดความเชี่ยวชาญด้านลายวงจรบนแผงวงจร (PCB Trace) จึงมีความสำคัญ

การเข้าใจวิธีประมาณความกว้างของเส้นสายนำสัญญาณบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB trace width estimation) และความต้านทานของเส้นสายนำสัญญาณบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB trace resistance) มีประโยชน์ทั้งต่อมือใหม่และนักพัฒนาที่มีประสบการณ์ มือใหม่มักให้ความสำคัญกับการจัดวางองค์ประกอบและการเชื่อมต่อในแผนผังวงจร (schematic links) แต่การออกแบบเส้นสายนำสัญญาณต่างหากที่เปลี่ยนแบบร่างให้กลายเป็นชิ้นงานทางกายภาพที่ใช้งานได้จริง วิศวกรผู้มีประสบการณ์เข้าใจดีว่ารูปแบบของเส้นสายนำสัญญาณส่งผลต่อทุกสิ่ง ตั้งแต่ปัญหาแผงวงจรพิมพ์ร้อนเกินไป (PCB overheating) ไปจนถึงความมั่นคงของแผงวงจรพิมพ์ (PCB board stability) หากคุณกำลังพัฒนาโมเดล สร้างระบบอัตโนมัติ หรือควบคุมกระบวนการผลิตและประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB construction and PCB establishing) ความเชี่ยวชาญด้านเส้นสายนำสัญญาณจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ด้านล่างนี้คือปัจจัยสำคัญที่สุดบางประการซึ่งเกี่ยวข้องกับรูปแบบของเส้นสายนำสัญญาณ:

ความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าปัจจุบัน (Current carrying ability) เส้นสายนำสัญญาณต้องสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าได้อย่างมั่นคงโดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไป

ความปลอดภัยด้านแรงดันไฟฟ้า (Voltage security) เส้นสายนำสัญญาณที่ยาวหรือบางเกินไปอาจทำให้สูญเสียแรงดันไฟฟ้าโดยไม่ตั้งใจ  

คุณภาพของสัญญาณ (Signal quality) การส่งสัญญาณที่ไม่ดีอาจลดความเที่ยงตรงของสัญญาณ (signal integrity) และเพิ่มสัญญาณรบกวน (noise)  

ประสิทธิภาพด้านความร้อน (Thermal performance) เส้นสายนำสัญญาณที่บางเกินไปอาจทำหน้าที่คล้ายกับตัวต้านทานสูงเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมาก

ความสำเร็จในการผลิต: การจัดวางลายวงจร (trace) ที่ดีช่วยเพิ่มความสามารถในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และลดโอกาสเกิดปัญหาในการประกอบ

อินสแตนซ์มาตรฐาน

พิจารณาเส้นลายวงจร (PCB trace) สองเส้นที่นำกระแสไฟฟ้าขนาดเดียวกัน หนึ่งเส้นกว้างและสั้น อีกเส้นหนึ่งแคบและยาว เส้นที่แคบมีค่าความต้านทานสูงกว่า จึงร้อนขึ้นมากกว่าและสูญเสียแรงดันไฟฟ้ามากขึ้นตามแนวเส้นทาง ซึ่งในระยะยาวอาจนำไปสู่การล้มเหลวได้ ขณะที่เส้นที่กว้างจะทำงานเย็นกว่าและให้ประสิทธิภาพดีกว่า นี่คือเหตุผลที่การกำหนดขนาดของลายวงจร (PCB trace sizing) มีความสำคัญยิ่งต่อวิศวกรรมแผงวงจรพิมพ์ (PCB engineering) และการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การศึกษา: การล้มเหลวของลายวงจรในแบบจำลอง  

เวอร์ชันแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ขนาดเล็กสำหรับอุปกรณ์อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) ทำงานได้ดีตลอดการทดสอบเบื้องต้นบนโต๊ะทดลอง แต่กลับล้มเหลวหลังจากนำไปติดตั้งในระบบซึ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้น ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ชิปหรือเฟิร์มแวร์ แต่เกิดจากเส้นทางจ่ายพลังงาน (power trace) ที่แคบเกินไปเมื่อเทียบกับกระแสไฟฟ้าที่ใช้งานจริง เมื่ออุณหภูมิของแผงวงจรเพิ่มสูงขึ้น อุณหภูมิของเส้นทางจ่ายพลังงานก็สูงขึ้นตามไปด้วย ส่งผลให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น และแรงดันไฟฟ้าลดลงต่ำกว่าระดับที่เซ็นเซอร์ต้องการ การออกแบบเส้นทางจ่ายพลังงานใหม่โดยพื้นฐานจึงแก้ไขปัญหานี้ได้สำเร็จ นี่เป็นกรณีทั่วไปที่แสดงให้เห็นว่าการกำหนดขนาดของเส้นทางจ่ายพลังงานไม่สามารถมองข้ามหรือจัดการเป็นเรื่องรองได้

เหตุใดการกำหนดรูปแบบเส้นทางจ่ายพลังงานจึงเป็นทักษะหลักในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

การออกแบบ PCB ที่ดีไม่ใช่เพียงการวางองค์ประกอบที่สมบูรณ์แบบทางทฤษฎีลงบนแผงวงจรเท่านั้น แต่เป็นการสร้างเส้นทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้ปัญหาการใช้งานจริงต่างๆ ซึ่งหมายความว่าต้องเลือกรูปทรงของลายทองแดง (trace) ที่เหมาะสม ใช้กระบวนการผลิต PCB ที่เหมาะสม และจัดการด้านการควบคุมอุณหภูมิของ PCB อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังหมายถึงการเข้าใจอย่างลึกซึ้งว่าบริการด้าน PCB สัมพันธ์กับแผงวงจรกายภาพอย่างไร หากคุณเข้าใจอย่างชัดเจนว่ากระแสไฟฟ้าไหลผ่านอย่างไร ความต้านทานเกิดขึ้นอย่างไร และความร้อนกระจายตัวผ่านทองแดงอย่างไร คุณจะสามารถออกแบบแผงวงจรที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและเชื่อถือได้มากขึ้น

ลายทองแดง (PCB Trace) ในการออกแบบวงจรสมัยใหม่

เส้นทางวงจรพิมพ์ (PCB trace) ไม่ใช่เพียงแค่เส้นทองแดงที่สร้างได้ง่ายเท่านั้น แต่ในงานออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ยุคปัจจุบัน เส้นทางดังกล่าวคือเส้นทางจริงที่ทำให้กระแสไฟฟ้า สัญญาณข้อมูล และสัญญาณควบคุมสามารถเดินทางผ่านแผงวงจรได้ เส้นทางเหล่านี้เชื่อมต่อองค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เช่น ไอซี (IC), ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ, หน่วยตรวจจับ, พอร์ต และอุปกรณ์จ่ายพลังงาน ทำให้วงจรนั้นมีทั้งความสมบูรณ์ทางกายภาพและทางไฟฟ้า เนื่องจากเป็นส่วนที่ทำหน้าที่ส่งผ่านสัญญาณ เส้นทางเหล่านี้จึงถือเป็น 'ถนนหลัก' ของแผงวงจรอย่างแท้จริง หากไม่มีเส้นทางเหล่านี้ แผนผังวงจร (schematic) จะยังคงเป็นเพียงแนวคิดเชิงทฤษฎีเท่านั้น แต่เมื่อมีเส้นทางเหล่านี้แล้ว การออกแบบนั้นก็จะกลายเป็นแผงวงจรพิมพ์ (printed motherboard) ที่ใช้งานได้จริง

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ลายวงจร (trace) ต้องทำหน้าที่มากกว่าการนำกระแสไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว ทั้งนี้ยังต้องรักษาเสถียรภาพของสัญญาณ ช่วยส่งผ่านพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ลดค่าความต้านทานไฟฟ้าของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) และป้องกันสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการ ซึ่งข้อกำหนดดังกล่าวมีความสำคัญเป็นพิเศษในแผงวงจรที่ใช้สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง ส่วนวงจรความถี่วิทยุ (RF) ไดรเวอร์มอเตอร์ไฟฟ้า หรือวงจรกำลังสูง ลายวงจรที่ทำงานได้ดีในแผงวงจร LED แบบทั่วไป อาจไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้เลยในตัวควบคุมความเร็วสูง หากไม่มีการกำหนดขนาดหรือออกแบบการวางลายวงจรให้เหมาะสม นี่จึงเป็นเหตุผลที่การปรับแต่งลายวงจร (PCB trace optimization) เป็นส่วนสำคัญหนึ่งของการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB design) และความสามารถในการผลิตแผงวงจร (PCB manufacturability)

เหตุใดรูปแบบของลายวงจรจึงส่งผลต่อประสิทธิภาพ

การไหลของกระแสไฟฟ้า: ลายวงจรต้องสามารถส่งกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นได้อย่างปลอดภัย

ความมั่นคงของแรงดันไฟฟ้า: ลายวงจรที่มีความยาวมากเกินไปอาจก่อให้เกิดการสูญเสียแรงดันไฟฟ้า

การควบคุมอุณหภูมิ: ลายวงจรที่บางเกินไปอาจร้อนจัดเกินไปภายใต้ภาระกระแสไฟฟ้าสูง

การลดสัญญาณรบกวน: การส่งสัญญาณที่ไม่ดีอาจเพิ่มระดับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวน (EMI) และสัญญาณรบกวนข้ามช่อง (crosstalk)

ขนาดของแผงวงจร: การวางลายวงจรส่งผลโดยตรงต่อขนาดเล็กสุดที่แผงวงจรจะสามารถทำได้

ความต้านทานของลายวงจรและการไหลของกระแสไฟฟ้า

ทุกเส้นทางการเดินสายมีความต้านทาน แม้แต่ทองแดงก็ไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้าที่โดดเด่น เมื่อมีกระแสไหลผ่านเส้นทางการเดินสาย จะสูญเสียพลังงานบางส่วนในรูปของความร้อน นี่คือเหตุผลที่ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานของเส้นทางการเดินสาย ความสามารถในการนำกระแส และอุณหภูมิของเส้นทางการเดินสายจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง หากเส้นทางการเดินสายมีขนาดเล็กเกินไป ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดความร้อนมากขึ้น และเพิ่มความเสี่ยงที่แผงวงจรพิมพ์ (PCB) จะร้อนเกินไป

ความต้านทานของเส้นทางการเดินสายบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

คุณสมบัติทางกายภาพและทางไฟฟ้าหลายประการกำหนดพฤติกรรมของเส้นทางการเดินสายบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) อย่างชัดเจน ซึ่งรวมถึงขนาดของเส้นทางการเดินสาย ความหนาแน่นของเส้นทางการเดินสาย ขนาดของเส้นทางการเดินสาย ระยะห่างระหว่างเส้นทางการเดินสาย รูปร่างเรขาคณิตของเส้นทางการเดินสาย และผิวเคลือบพื้นผิว คุณสมบัติเหล่านี้ร่วมกันกำหนดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่เส้นทางการเดินสายสามารถนำได้ ระดับความต้านทานที่มันมี และประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณ  

1. ขนาดของเส้นทางการเดินสาย  

ขนาดของเส้นสาย (Trace size) คือความกว้างโดยตรงของเส้นทางทองแดง ซึ่งเส้นสายที่กว้างขึ้นสามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นและทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า ส่วนเส้นสายที่แคบจะเหมาะสำหรับการวางเส้นทางอย่างหนาแน่น แต่อาจไม่เหมาะสมสำหรับสายไฟแรงดันสูง  

2. ความหนาของทองแดง

ความหนาของทองแดงมักระบุโดยน้ำหนักทองแดงหรือหน่วยไมครอน ทองแดงที่หนากว่าจะลดค่าความต้านทานและเพิ่มประสิทธิภาพด้านความร้อน จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมน้ำหนักทองแดงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จึงเป็นปัจจัยสำคัญในการคำนวณความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าของเส้นสาย (trace)  

3. ขนาดของเส้นสาย  

เส้นสายที่ยาวจะมีค่าความต้านทานสูงขึ้น และมีโอกาสเกิดการหน่วงสัญญาณ (signal delay) มากขึ้น ในแผงวงจรแบบดิจิทัลหรือแผงวงจรความถี่สูง (RF) ขนาดของเส้นสายสามารถส่งผลต่อเวลาในการทำงาน (timing), ความทนทานต่อสัญญาณรบกวน (immunity) และคุณภาพของสัญญาณ

4. ระยะห่างระหว่างเส้นสาย  

ระยะห่างระหว่างเส้นสายช่วยป้องกันปรากฏการณ์การรบกวนกันระหว่างสัญญาณ (crosstalk) และการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) หากมีระยะห่างไม่เพียงพอ สัญญาณอาจรบกวนกันได้ โดยเฉพาะในงานออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง  

5. รูปทรงเรขาคณิตของเส้นสาย  

มุมแหลม โค้งที่รุนแรง และมุมการส่งสัญญาณแบบลบอาจก่อให้เกิดปัญหาได้ วิศวกรจำนวนมากเลือกใช้มุมการส่งสัญญาณ 45 องศา เนื่องจากขั้นตอนการผลิตมีความสะอาดและเรียบร้อยมากกว่า และโดยทั่วไปแล้วจะให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่าสำหรับเส้นทางสัญญาณเมื่อเทียบกับมุม 90 องศาที่แหลมคม

6. รูเชื่อม (Vias)  

รูเชื่อม (Vias) ใช้เชื่อมต่อชั้นต่าง ๆ ในแผงวงจรพหุชั้น (multilayer boards) อย่างไรก็ตาม แต่ละรูเชื่อมมีค่าความต้านทานและค่าความเหนี่ยวนำในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งมีความสำคัญต่อการออกแบบวงจรความเร็วสูงหรือกระแสสูง  

7. พื้นผิวเคลือบผิว  

ประสิทธิภาพของเส้นลายวงจร (trace) ยังขึ้นอยู่กับชั้นสุดท้ายที่ใช้ และคุณภาพของการยึดติดทองแดงในระหว่างกระบวนการผลิตและประกอบแผงวงจร (PCB fabrication และ PCB establishing) ด้วย หากเส้นลายวงจรถูกเปิดเผยหรือทำเสร็จไม่สมบูรณ์ อาจส่งผลให้ความน่าเชื่อถือลดลง หรือยากต่อการบัดกรี

ตารางข้อมูลจำเพาะ

กระแสไฟฟ้าในเส้นทาง PCB

กระแสไฟฟ้าในเส้นทาง PCB คือปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเส้นทางทองแดงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งอาจดูเหมือนชัดเจน แต่กลับเป็นหนึ่งในตัวแปรการออกแบบที่สำคัญที่สุดของแผงวงจร เนื่องจากหากเส้นทางนำกระแสไฟฟ้าเกินขีดจำกัดที่ออกแบบไว้ จะทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป สูญเสียแรงดันไฟฟ้า หรือล้มเหลวโดยสิ้นเชิง ดังนั้น วิศวกรจึงต้องคำนวณความสามารถในการนำกระแสของเส้นทางก่อนจะเสร็จสิ้นการออกแบบ

ปริมาณกระแสที่เส้นทางสามารถนำได้ขึ้นอยู่กับ:

ขนาดของเส้นทาง

ความหนาแน่นของทองแดง

มิติของเส้นทาง

อุณหภูมิแวดล้อม

อุณหภูมิสูงสุดที่อนุญาตสำหรับเส้นทาง

ปัญหาการระบายความร้อน

วัสดุแผ่น  

เส้นทางเดินสายที่มีขนาดใหญ่กว่าสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นอย่างมาก เนื่องจากมีพื้นที่หน้าตัดมากกว่า ส่วนชั้นทองแดงที่หนากว่าก็ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเช่นกัน เพราะช่วยลดค่าความต้านทาน ตรงข้ามกัน สายนำที่ยาวและบางจะมีความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้าน้อยลง และมีแนวโน้มร้อนขึ้น

เหตุใดจึงเกิดปัญหาที่มีอยู่แล้วในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ผลกระทบจากปัญหาที่มีอยู่:

การจ่ายไฟฟ้า

การลดลงของแรงดันไฟฟ้า

อุณหภูมิของเส้นทางเดินสาย

ความน่าเชื่อถือของแผงวงจร

ความปลอดภัยและความมั่นคง

ประสิทธิภาพของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

ความเสี่ยงทั่วไปจากการไหลของกระแสไฟฟ้าสูงในเส้นทางเดินสายที่อ่อนแอ

ร้อนเกินไป

การลอกตัวของทองแดง

เซกเตอร์ของเส้นทางที่ละลาย

วงจรเปิด

อายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ลดลง

แรงตึงของข้อต่อการประสาน

แผนผัง PCB บน PCB ดีไซน์ : พื้นฐานของการถ่ายโอนและการจัดวาง (Layout)

การวางเส้นทางบน PCB ที่ดีนั้นไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม แต่ยึดตามแผนที่วางไว้ล่วงหน้า เส้นทางต่าง ๆ ควรจัดวางให้มั่นคงทั้งในส่วนของแหล่งจ่ายไฟและพื้นดิน (Ground) รักษาคุณภาพสัญญาณให้สูงสุด และลดสัญญาณรบกวนให้น้อยที่สุด ในทางปฏิบัติ หมายความว่าต้องแยกประเภทของสัญญาณต่าง ๆ ควบคุมเส้นทางกลับ (Return Path) อย่างเหมาะสม และเลือกโครงสร้างชั้น (Layer Stackup) ที่เหมาะสม

หลักการส่งสัญญาณขั้นพื้นฐาน

รักษาเส้นทางจ่ายไฟให้มีขนาดใหญ่และสั้น

รักษาเส้นทางสัญญาณให้สะอาดและตรง

ใช้เครื่องบินภาคพื้นดินเพื่อลดเสียง

ป้องกันช่องโหว่ที่ไม่จำเป็น

แยกสัญญาณความเร็วสูงออกจากสัญญาณความเร็วต่ำ

ใช้ไวแอส (vias) อย่างกว้างขวางในเส้นทางที่สำคัญ

การแยกส่วนของแหล่งจ่ายไฟ สายกราวด์ และสัญญาณ

เส้นทางจ่ายไฟควรมีขนาดใหญ่กว่าเส้นทางสัญญาณโดยทั่วไป เนื่องจากต้องรับกระแสไฟฟ้าได้มากกว่ามาก แผ่นกราวด์ (ground planes) ให้เส้นทางคืนสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ และช่วยรักษาความมั่นคงของแผงวงจร ส่วนเส้นทางสัญญาณควรจัดวางให้หลีกเลี่ยงบริเวณที่มีเสียงรบกวนสูง โดยเฉพาะใกล้กับอุปกรณ์ควบคุมแบบสวิตช์ (switching regulators), มอเตอร์ หรือแหล่งกำเนิดสัญญาณความถี่วิทยุ (RF sources)

การจัดวางเส้นทางอัตโนมัติเทียบกับการจัดวางเส้นทางด้วยตนเอง

แนวทางปฏิบัติที่แนะนำสำหรับการส่งสัญญาณ

การใช้การจัดทิศทางเส้นทางแบบ 45 องศา

รักษาความยาวของเส้นทางให้สั้นที่สุดเท่าที่เป็นไปได้

รักษาขนาดของเส้นทางให้สม่ำเสมอสำหรับโครงข่ายหลัก

หลีกเลี่ยงขอบเส้นทางที่คมชัด

ใช้แผ่นเชื่อมรูปหยดน้ำ (teardrop pads) ที่ตำแหน่งที่มีข้อกังวลเกี่ยวกับความแข็งแรงของการยึดเกาะ

ตรวจสอบการจัดเส้นทางด้วยระบบตรวจสอบกฎการออกแบบ (DRC)

เทคนิคการจัดชั้นและวิอา

ในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์แบบหลายชั้น (Multilayer PCB) การวางเส้นทางสัญญาณ (Routing) มักทำได้ง่ายขึ้น เนื่องจากสัญญาณสามารถย้ายระหว่างชั้นภายในได้ อย่างไรก็ตาม แต่ละประเภทของวิอาจำเป็นต้องใช้อย่างระมัดระวังผ่านการวางแผนอย่างเหมาะสม ทั้งวิอาแบบผ่านทั้งแผ่น (Through-hole vias), วิอาแบบมองเห็นด้านเดียว (Blind vias) และวิอาแบบฝังอยู่ภายใน (Buried vias) ล้วนมีผลต่อต้นทุนและประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน  

ขนาดของเส้นนำสัญญาณและการสะท้อนของสัญญาณ

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง ขนาดของเส้นนำสัญญาณส่งผลมากกว่าเพียงแค่กระแสไฟฟ้าเท่านั้น ยังส่งผลต่อความต้านทานเชิงลักษณะ (Characteristic Impedance) ซึ่งมีผลต่อคุณภาพของสัญญาณ หากความต้านทานเชิงลักษณะของเส้นนำสัญญาณเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน ส่วนหนึ่งของสัญญาณอาจถูกสะท้อนกลับแทนที่จะเดินทางต่อไปอย่างราบรื่น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า 'การสะท้อน' (Reflection) ซึ่งอาจทำให้คุณภาพของสัญญาณลดลง

อะไรคือสาเหตุที่ทำให้คุณภาพของสัญญาณเสียหาย?

การเปลี่ยนแปลงขนาดของเส้นนำสัญญาณอย่างไม่คาดคิด

ความไม่สม่ำเสมอของความต้านทานเชิงลักษณะ

การเปลี่ยนผ่านระหว่างชั้นที่ไม่ดี

การจัดแนวตัวเชื่อมต่อ (Adapter) ที่ไม่เหมาะสม

การเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตอย่างเฉียบคม

สายสัญญาณที่ยาวเกินไปและไม่ได้ต่อลงกราวด์

เหตุใดจึงเกิดปัญหาด้านมิติ

ความกว้างของเส้นลายวงจร (trace) มีผลต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของมัน โดยทั่วไปแล้ว เส้นลายวงจรที่กว้างขึ้นจะมีความไวต่อการรบกวนน้อยลง ในขณะที่เส้นลายวงจรที่แคบลงจะมีความไวต่อการรบกวนมากขึ้น ซึ่งเรื่องนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ความเร็วสูง เนื่องจากสัญญาณจำเป็นต้องเดินทางอย่างคาดการณ์ได้ หากไม่ควบคุมค่าความต้านทานให้เหมาะสม อาจส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวน การผิดพลาดด้านเวลา หรือข้อมูลเสียหาย

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเพื่อลดการเกิดสัญญาณรบกวน

รักษาขนาดเส้นลายวงจรให้สม่ำเสมอ

ปรับค่าความต้านทานให้เหมาะสมตามความต้องการ

หลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงรูปทรงอย่างฉับพลัน

ใช้การสิ้นสุดแบบเหมาะสม (termination) สำหรับเส้นสัญญาณความเร็วสูง

รักษาทิศทางการวางเส้นให้เรียบง่ายและตรงไปตรงมา

แยกเส้นสัญญาณที่มีสัญญาณรบกวนออกจากเส้นสัญญาณที่ไวต่อการรบกวน

เมื่อการวางรูปแบบสายสัญญาณกลายเป็นปัญหา

การแทนค่าสัญญาณมีความสำคัญอย่างยิ่งใน:

ชุดสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล USB

การส่งสัญญาณแบบ LVDS

การออกแบบแผงวงจรพิมพ์สำหรับสัญญาณความถี่วิทยุ (RF PCB)

บัสดิจิทัลความเร็วสูง

ไลน์สัญญาณนาฬิกา (Clock lines)

ลิงก์การเชื่อมต่อแบบปฏิสัมพันธ์ความถี่สูง

กรณีศึกษา: สัญญาณนาฬิกาไม่เสถียร

การ์ดวงจรหนึ่งมีข้อผิดพลาดดิจิทัลซ้ำๆ บนไลน์สัญญาณนาฬิกาความเร็วสูง ปัญหานี้เกิดจากเส้นทางสัญญาณ (trace) ที่เปลี่ยนความกว้างอย่างฉับพลันใกล้กับพอร์ต การเปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตเล็กน้อยนี้ทำให้เกิดปรากฏการณ์การวางรูปแบบสายสัญญาณ (depiction) หลังจากที่ปรับปรุงเส้นทางสัญญาณให้มีความกว้างคงที่ตลอดทั้งเส้น ข้อผิดพลาดก็หายไป  

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการออกแบบลายวงจรบนแผงวงจร (PCB Trace Design)

การสร้างลายวงจรให้เหมาะสมเป็นหนึ่งในวิธีที่รวดเร็วที่สุดในการยกระดับคุณภาพของแผงวงจร โดยการออกแบบลายวงจรที่ดีจะช่วยส่งเสริมความปลอดภัยด้านความร้อน ความแม่นยำของสัญญาณ และการสร้างเส้นทางสัญญาณกลับ (return path) นอกจากนี้ยังทำให้การตรวจสอบและจัดการแผงวงจรในขั้นตอนต่อมาทำได้ง่ายขึ้น

หลักเกณฑ์ปฏิบัติที่สำคัญ

เลือกขนาดลายวงจรตามกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน

ใช้ลายวงจรที่มีขนาดใหญ่กว่าสำหรับวงจรจ่ายพลังงาน

รักษาลายวงจรความเร็วสูงให้สั้นและตรง

หลีกเลี่ยงการเดินสายสัญญาณที่ไวต่อสัญญาณรบกวนใกล้กับองค์ประกอบที่สร้างสัญญาณรบกวนสูง

รักษาระยะห่างระหว่างลายวงจรให้เหมาะสม

ใช้พื้นที่กราวด์ (ground plane) ที่สะอาดและไม่มีสิ่งรบกวน

ดำเนินการตรวจสอบกฎการออกแบบ (DRC) ก่อนเข้าสู่ขั้นตอนการผลิต

เคล็ดลับเพิ่มเติม

ใช้พื้นที่ดิน (Ground Plane) เพื่อช่วยในการจัดการความร้อน

รวมการลดขนาด (Decreases) เพื่อสร้างการเชื่อมต่อแบบแผ่นรอง (Pad) ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

วางเส้นทางเดินสายด้วยมุม 45 องศา

ใช้การนำทางแบบแยกสัญญาณ (Differential Routing) สำหรับสัญญาณที่สมดุล

พิจารณาค่าความต้านทานเชิงลักษณะ (Impedance) สำหรับสายสัญญาณความถี่วิทยุ (RF) และสายสัญญาณความเร็วสูง

จำลองและตรวจสอบก่อนการผลิตขั้นสุดท้าย

ตารางแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

เหตุใดปัญหาความเชี่ยวชาญในการวางเส้นทางสายนำสัญญาณ (PCB Trace) จึงเกิดขึ้นในขั้นตอนการออกแบบและผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

การเข้าใจแนวทางปฏิบัติในการวางเส้นทางสายนำสัญญาณ (PCB trace) นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเส้นทางเหล่านี้ส่งผลต่อคุณภาพโดยรวมของแผงวงจรพิมพ์แทบทุกด้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่งผลต่อวิธีที่แผงวงจรสามารถส่งผ่านกระแสไฟฟ้าได้ ปริมาณสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้น ปริมาณความร้อนที่สร้างขึ้น และประสิทธิภาพโดยรวมของการผลิตแผงวงจร ในกระบวนการผลิต PCB ความกว้างและระยะห่างระหว่างเส้นทางสายนำสัญญาณจะต้องสอดคล้องกับข้อกำหนดของกระบวนการผลิตด้วย หากผู้ออกแบบละเลยมาตรฐานเหล่านี้ อาจทำให้แผงวงจรยากหรือไม่สามารถผลิตได้อย่างถูกต้อง  

ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการเข้าใจเส้นทางสายนำสัญญาณ (Trace) สำหรับ:

ความมั่นคงของ PCB

การจัดการกระแสไฟฟ้าของ PCB

ผลลัพธ์ด้านความร้อนของ PCB

คุณภาพสัญญาณของ PCB

ความสามารถในการผลิตของ PCB

ความสามารถในการซ่อมแซมของ PCB

เหตุใดทีมงานการผลิตจึงให้ความสำคัญ

ผู้ผลิตชิ้นส่วนโลหะชื่นชม:

ข้อจำกัดของการกัดกรด

ขนาดเส้นนำไฟฟ้าขั้นต่ำ

ระยะห่างระหว่างเส้นนำไฟฟ้า

ความหนาแน่นของทองแดง

การจัดเรียงชั้นแผงวงจร

ความสอดคล้องกับหลักการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM)

เหตุใดทีมงานประกอบจึงให้ความสำคัญ

การตั้งค่าทีมงานชื่นชม:

ความสามารถในการประสานการเชื่อม

การไหลเวียนของเลือดจากความร้อน

การจัดวางชิ้นส่วน

การปรับปรุงให้เข้าถึงได้

ความทนทานของแผงวงจร

เหตุใดนักออกแบบจึงต้องรับการรักษา

การรักษาสำหรับนักพัฒนาโดยพิจารณาผลกระทบจากกิจกรรมย่อย:

ความมั่นคงของแรงดันไฟฟ้า

การลดเสียงรบกวน

ความเที่ยงตรงของสัญญาณ

อายุการใช้งานขององค์ประกอบ

ระบบความปลอดภัยและความมั่นคง

คำถามที่พบบ่อย

ฉันจะระบุขนาดของร่องลายบนแผงวงจร (PCB trace) ที่เหมาะสมได้อย่างไร?

ใช้เครื่องคิดคำนวณขนาดร่องลายบนแผงวงจร (PCB trace size calculator) หรือสูตรการออกแบบที่อิงตามกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ความหนาแน่นของทองแดง อุณหภูมิ และแรงดันไฟฟ้าตกที่ยอมรับได้

ร่องลายแบบไมโครสตริป (microstrip) กับร่องลายแบบสตริปลายน์ (stripline) ต่างกันอย่างไร?

ไมโครสตริปทำงานบนชั้นภายนอก ในขณะที่สตริปลายน์ทำงานระหว่างชั้นภายใน สตริปลายน์โดยทั่วไปมีการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีกว่า

พื้นผิวของร่องลายบนแผงวงจร (PCB trace) ส่งผลต่อความสามารถในการเชื่อมบัดกรี (solderability) และประสิทธิภาพอย่างไร?

พื้นผิวของร่องลายส่งผลต่อคุณภาพของการยึดติดด้วยการบัดกรี ความต้านทานของทองแดงต่อการเกิดออกซิเดชัน และความน่าเชื่อถือของจุดเชื่อมต่อสุดท้าย

สาเหตุทั่วไปที่ทำให้ร่องลายบนแผงวงจร (PCB trace) เสียหายคืออะไร?

สาเหตุทั่วไป ได้แก่ การร้อนจัดเกินไป การแยกชั้น (delamination) การกัดลึกเกินไป (over-etching) การออกแบบเส้นทางไม่เหมาะสม การรบกวนข้ามสัญญาณ (crosstalk) และความเสียหายเชิงกล  

ร่องลายบนแผงวงจร (PCB traces) ถูกออกแบบอย่างไรสำหรับรูปแบบความเร็วสูงและความถี่สูง?

พวกมันเกิดขึ้นด้วยการควบคุมความต้านทานเชิงอิมพีแดนซ์อย่างเข้มงวดยิ่งขึ้น ถ่ายโอนพลังงานได้มั่นคงกว่าเดิมมาก และขึ้นอยู่กับการจัดเรียงชั้น (stackup) และการจำลองแบบ (simulation) อย่างมากยิ่งขึ้น

ผู้เริ่มต้นสามารถปรับปรุงการออกแบบเส้นทางสัญญาณบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB trace) ได้อย่างไรบ้าง?

เริ่มต้นด้วยขนาดเส้นทางสัญญาณที่เหมาะสม รักษาความยาวของเส้นทางให้สั้นที่สุด ใช้แผ่นโลหะกราวด์ (ground planes) ปฏิบัติตามแนวทางการตรวจสอบกฎการออกแบบ (DRC guidelines) และออกแบบตั้งแต่ระยะเริ่มต้น